CN1363631A - 高强度高模量可吸收性骨内固定聚磷酸钙纤维/聚丙交酯复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
高强度高模量可吸收性骨内固定聚磷酸钙纤维/聚丙交酯复合材料,它以聚磷酸钙纤维(CPPf)为增强物,以聚丙交酯(PLLA)为基体,两者复合的重量比为1－80/99－20,同时设计了该复合材料的制备工艺。本材料的优点是:具有良好骨组织生物相容性,对机体无毒性、无致畸和致突作用,可生物降解,制备工艺简便,成本价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及医学上应用于骨内固定的高强度高模量可吸收性骨内固定复合材料，属于人工体内植入技术领域。
技术背景
近40年来，人工体内植入物已在医学临床广泛应用。医学临床实践证明，绝大多数人工体内植入物对人体是安全和有效的。这些人工体内植入物的应用极大地改善了人类的健康状况和生存质量。人工体内植入物通常包括永久性使用的植入物(如人工髋关节、膝关节及心脏瓣膜等)。永久性使用的人工体内植入物要求由具有良好生物稳定性的医用材料制造，而制备暂时性使用的人工体内植入物，则采用生物可降解吸收医用材料更为适宜。
骨内固定技术(包括对创伤骨折或骨畸形矫形截骨的治疗)是医学临床最常用的治疗手段之一。根据骨折愈合的基本病理过程(包括骨折局部血肿机化、骨痂形成和骨塑形三个阶段)和骨生物力学著名wolf氏定律，生物学骨折固定要求——在骨折愈合早期使骨折断端牢固固定；在骨痂形成期(临床愈合期)及骨塑形期，骨折局部应有一定的应力作用。然而，目前临床常规使用的生物稳定性金属内固定物虽能完成骨折局部早期坚强固定，但存在：由于其强度及刚度过高(人骨的20-30倍)，导致骨折局部产生应力遮挡作用，使愈合后骨折局部出现骨质疏松与功能障碍及固定物去除后易再骨折；由于金属腐蚀引起局部炎症反应，甚至导致远期致癌作用，故需二次手术去除；由于金属固有物理特性而影响MRI及CT等医学影像学检查等弊端。可吸收性骨折内固定物由于其可生物降解与吸收性及机械强度的渐降性，因此在理论上最符合骨折生物学固定的要求，而且能克服上述金属内固定物的各种弊端，还可使患者在经济上和心理上获益。
自1985年Rokkamen等首次报道应用自增强L-聚丙交酯(SR-PLLA)及聚乙交酯(SR-PGA)可吸收骨折内固定棒治疗踝部骨折取得临床满意疗效后，近年来应用可吸收内固定物治疗骨折的临床报道不断增多。多材料和产品种类包括自增强L-聚丙交酯、聚乙交酯及其共聚物三种类型的内固定棒、针、螺钉、接骨板等。由于目前可吸收骨折内固定物的机械强度和刚度不足(低于正常人皮质骨)，故仅可用于治疗发病率较低的非持重部位松质骨骨折，如踝部、肘部、四肢长骨骨端及颅面部骨折内固定，尚不能应用于发病率高的四肢持重部位长骨骨干骨折的内固定。此外，由于SR-PLLA的聚合物分子量过高(100×104Dolton)，且为晶状结构，导致体内降解吸收所需时间过长(40个月)；由于SR-PLLA的聚合物为非晶状结构，在植入晚期降解速度过快，导致局部无菌性积液和窦道形成；由于这些高分子聚合物材料植入体内引起异物反应、局部酸化pH降低及无骨传导和骨结合生物活性，从而影响骨塑形与骨结构重建。因此，目前可吸收性骨折内固定材料研制及应用中需要解决的主要问题包括：①进一步提高材料的机械强度与刚度；②使材料具有适宜的体内降解与吸收速度；③使材料具有骨传导性和骨结合性等生物活性。
本发明针对现有技术存在的问题，提供一种具有良好骨组织生物相容性、对机体无毒性、无致畸和致突作用、可生物降解的高强度高模量吸收性骨内固定复合材料及制备方法。
发明内容
目前医学临床主要采用的可降解与吸收性聚合物是——含α-羟基酸衍生物的脂肪族聚酯，主要包括聚乙交酯(PGA)和聚丙交酯(PLA)及其共聚物三大类。在体内，PGA被水解成羟基乙酸，在甘油酸酯氧化酶的作用下，羟基乙酸转变成乙醛酸；再与甘氧酸转氧酶作用产生甘氨酸；甘氧酸可参与蛋白质或丝氨酸的合成。在被转化成现丙酮酸之后，丝氨酸可参与三羧酸循环。PLA水解后产生乳酸，乳酸可通过羧酸循环而被代谢成CO2，随后通过肺而排出体外。这些聚合物及其共聚物可采用不同的塑料加工技术而被制备成纤维、薄膜或其它形状(如棒、螺钉、板、夹等)。与金属或陶瓷相比，其最大优点是易于加工且成本低廉。它们已被制成手术缝合线、纤维织物、骨内固定物、多孔复合材料、药物缓释载体及三维支架材料而在医学临床及组织工程制备技术中广泛应用。
在本技术中，我们采用可控降解速率的聚磷酸钙CPP纤维，该纤维是采用化学成份与人体骨矿物质相近的偏磷酸钙为主要原料，通过添加适量的稳定剂Mg和阻降剂Zn，经粉碎、研磨和高温熔融、拉丝，制得。聚磷酸钙纤
CPP纤维在水中发生缓慢降解的过程： 该纤维及其制备工艺已申请专利(申请号01101545.4)。经理化与机械性能测试和生物相容性评定及其生物安全性研究表明，该纤维是一类具有良好骨组织生物相容性、对机体无毒性、无致畸和致突变作用的高强度高模量可生物降解吸收性医用增强材料。
为提高和改进生物可降解吸收性骨折内固定物的机械性能和生物学性能，以使之能用于人体各部位的骨折，特别是发病率较高持重部位长管状骨骨干骨折的内固定，并在完成其骨折坚强内固定作用后以适宜速率降解吸收，我们应用复合材料的基本原理和技术方法，以直径5-50μmCPP纤维为增强物，并以20-100×104D中分子量(Mw)PLLA为基体，按CPP/PLLA重量比1-80/99-20，采用多向CPPf/PLLA薄膜叠层热压CPP长纤维或CPP短纤维模压技术制备出系列CPPf增强的高强度高模量生物可降解吸收性医用复合材料。
上述聚磷酸钙纤维和聚丙交酯复合的重量比可优选为20-60/80-40，或者进一步优选为40-60/60-40。聚丙交酯(PLLA)的分子量可优选为40-60×104D。
选取日降解率为0.2-4％或进一步为0.8-1.5％的聚磷酸钙纤维(CPPf)，直径优选为5-25μm。
本复合材料根据适用范围的不同，如用于制取皮质骨螺钉和接骨板、管及髓内针或用于制取骨质内螺钉或固定棒，其制备方法有部分不同。
当用于制取皮质骨螺钉和接骨板、管及髓内针，其制备按以下步骤进行：
1、选取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成10-500mm的长纤维；
2、称重；
3、称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用有机溶剂1∶50-100溶解；
4、用无水乙醇1∶50-200对聚丙交酯(PLLA)进行纯化萃取；
5、将萃取得到的聚丙交酯(PLLA)颗粒在烘箱中真空干燥至少24小时，温度30-60℃；
6、再将聚丙交酯(PLLA)颗粒用1∶50-100的有机溶剂溶解；
7、将经步骤②称重的聚磷酸钙长纤维手工铺层，同时用经步骤⑥溶解的聚丙交酯(PLLA)制膜；
8、将经步骤⑦处理的CPPf/PLLA薄膜内的有机溶剂自然挥发24小时，再在烘箱中真空抽提24小时，温度30-60℃；
9、用平板热压机真空模具热压，温度120-220℃，压力20-80Mpa；
10、脱模、修样、包装、灭菌，得高强度、高模量的皮质骨螺钉或接骨板、管及髓内针。
当本复合材料用于制取骨质内螺钉或固定棒时，其制备按如下步骤进行：
1、磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成2-12mm的短纤维；
2、称重；
3、同时称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用1∶50-100的二氯乙烷溶解；
4、将经步骤2称重的聚磷酸钙短纤维(CPPf)与经步骤③处理后聚丙交酯(PLLA)溶液混合；
5、用1∶100-200的无水乙醇纯化萃取步骤4的混合物；
6、将5得到的CPPf/PLLA混合物中的有机溶剂自然挥发至少24小时，再在烘箱中真空提抽有机溶剂至少24小时，温度30-60℃；
7、用平板热压机真空模具热压，温度120-200℃，压力20-80Mpa；
8、脱模、修样、包装、灭菌得高强度高模量的骨质内螺钉或固定棒。
本复合材料以CPP纤维作为增强材料，其主要作用是：①提高复合材料的弯曲强度和弯曲模量，特别是对提高弯曲模量最为显著；②由于制备CPP纤维的原料成分与人骨的矿物成分相近，因此加入CPP纤维后，使CPPf/PLLA骨内固定复合材料具有明显的骨诱导性能；③由于CPP纤维的降解性能具有可控性，而PLLA的降解时间较长，因此加工成CPPf/PLLA骨内固定物后，在满足骨内固定性能要求的前提下，可使CPP纤维首先降解，让出孔洞、体液进入，增加体液与PLLA的接触面积，提高PLLA的降解速率，从而缩短了骨内固定物的降解时间。
综上所述，增加CPP纤维的数量，不仅可使CPPf/PLLA骨内固定物的强度、刚度及骨诱导性增加，而且可缩短骨内降解物的时间，但当CPP纤维的数量超过某一限度，其强度、刚度反而会降低，因此CPPf/PLLA的配比关系由性能优化确定。
经理化与机械性能测试和生物相容性评定及其生物安全性研究表明，它们是一类具有良好骨组织生物相容性、对机体无毒性无致畸和致突变作用的高强度高模量可生物降解吸收性医用复合材料。与自增强PGA、PLLA及其共聚物骨内固定物复合材料比较，其性能优点包括：
1.强度和刚度明显提高，并达到人体皮质骨的1.5倍和1.3倍；可用于制备超高强度生物可降解吸收性骨内固定物及骨缺损修复材料；
2.具有适宜的体内降解吸收速率；
3.具有骨传导和骨结合性能；
4.具有X线显像性；
5.制备工艺简便，成本价格低廉。
CPPf/PLLA医用复合材料主要技术性能检测结果如下：
(1)复合材料物理与力学性能测试
A.复合材料密度测定
采用直接称重测量法测得Cppf/PLLA复合材料的平均密度见表1。
表1 CPPf/PLLA复合材料的密度
试样数 长 直径 重量 密度
(n) (mm) (mm) (mg) (g/cm3)
10 30.05±0.38 3.20±0.05 409.96±34.48 1.7±0.3
注：表1测定数据均以X±SD表示。
B.纤维体积分数测定
采用复合材料溶解过滤二次称重法测得其中纤维的重量：由重量、密度、体积之间的关系求得CPPf/PLLA复合材料中纤维体积分数为20～45％。
C.复合材料力学性能测试
在MTS实验机上进行直径3.2mm，长30mmCPPf/PLLA复合材料试件的三点弯曲试验。跨距为22mm，加载速度为1mm/min，结果见表2。
表2 CPPf/PLLA复合材料弯曲强度与弯曲模量
材料种类 试样数 弯曲强度 弯曲模量
(n) (Mpa) (Gpa)CPP长纤维/LLA 10 200-300 16-19CPP短纤维/PLLA 10 130-180 9-13
(2)复合材料生物降解特性研究
A.复合材料生物降解特性研究
采用体外人工降解液浸渍法所得CPPf/PLLA复合材料在pH值7.4人工降解液中37℃下降解时其重量与降解时间的关系结果表明，CPPf/PLLA复合材料可在人工降解液中生理条件下不断降解。
B.复合材料生物降解过程中力学性能的变化
CPPf/PLLA复合材料在体外人工降解液中生理条件下降解时，其弯曲强度和弯曲模量与降解时间的关系。结果表明，CPPf/PLLA复合材料在人工降解液中生理条件下不断降解时，其弯曲强度和弯曲模量逐渐降低。
C.复合材料生物降解过程中超微结构的改变
CPPf/PLLA复合材料在体外人工降解液中生理条件下降解时，其横截面超微结构扫描电子显微镜观察结果表明，CPPf/PLLA复合材料体外生物降解时，其纤维相首先由外层向内层逐渐降解，直至纤维结构完全消失，而出现残留空洞；基体相降解相对缓慢，其质地均匀但相对疏松。上述结果与其体外降解过程中重量和力学性能的变化规律相一致。
(3)复合材料细胞生物相容性评定
A.复合材料对培养软骨细胞生长过程和形态变化的影响
采用CPPf/PLLA复合材料与体外单层培养软骨细胞直接接触法，并设实验组、空白对照组和苯酚溶液阳性对照组。按Wei氏法传代培养兔关节软骨细胞，通过倒置显微镜动态观察结果表明，CPPf/PLLA复合材料对培养软骨细胞生长过程和形态变化无显著性影响，可与软骨细胞完全相容。
B.复合材料对培养软骨细胞增殖和DNA代谢的影响
传代培养软骨细胞收获后，经细胞计数和karsten氏荧光控针菲啶溴红法细胞DNA含量测定[9]所得细胞增殖比(＝每瓶培养后细胞数/培养时接种细胞数)、细胞相对增殖率(＝[每组培养后细胞总数/空白对照组培养后细胞总数]×100％)及细胞DNA含量。结果表明，CPPf/PLLA复合材料对培养软骨细胞的增殖和DNA代谢无显著性影响。该复合材料无软骨细胞毒性。
C.组织生物相容性研究
选用健康家兔，分别将CPPf/PLLA试样置入兔皮下组织和肌肉周围，通过肉眼及常规组织学观察评定CPPf/PLLA材料组织生物相容性。研究结果证实，CPPf/PLLA材料具有良好的组织生物相容性；虽然早期引起局部轻度的炎症反应，但于三周后炎症反应基本消失。该CPPf/PLLA材料组织生物相容性特点与国内外研究报道同类材料基本相同。
(4) CPPf/PLLA材料毒理学检测
参照美国药典第20版，制备CPPf/PLLA样品萃出液，进行常规毒理检测。结果表明，该CPPf/PLLA样品无急性毒性，对小鼠内脏器官、精子、骨髓染色体和微核以及胎鼠肝血微核均无明显影响；不导致小鼠畸胎发生。提示CPPf/PLLA复合材料是一种理想而安全的生物医用材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
例1：高强度、高模量接骨板的制备步骤：
①选取直径约10+1.5μm、1.00％日降解率的聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成200mm的长纤维；
②称重；
③称取50×104D(MV)纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用有机溶剂1∶80溶解；
④用无水乙醇1∶160对聚丙交酯(PLLA)进行纯化萃取；
⑤将萃取得到的聚丙交酯(PLLA)颗粒在烘箱中真空干燥至少24小时(温度30-60℃)；
⑥再将聚丙交酯(PLLA)颗粒用1∶80的有机溶剂溶解；
⑦将经步骤②称重的聚磷酸钙长纤维手工铺层，同时用经步骤⑥溶解的聚丙交酯(PLLA)制膜；
⑧将经步骤⑦处理的CPPf/PLLA薄膜内的有机溶剂自然挥发24小时，再在烘箱中真空抽提24小时(温度30-60℃)；
⑨用平板热压机真空模具热压，温度120-200℃，压力20-80Mpa；
⑩脱模、修样、包装、灭菌，得高强度、高模量的皮质骨螺钉或接骨板、管及骨内针。
例2：高强度、高模量的松质钉螺针的制备步骤：
①取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成12mm的短纤维；
②称重；
③同时称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用1∶80的二氯乙烷溶解；
④步骤②称重的聚磷酸钙短纤维(CPPf)与经步骤③处理后的聚丙交酯(PLLA)溶液混合；
⑤用1∶150的无水乙醇纯化萃取步骤④的混合物；
⑥将⑤得到的CPPf/PLLA混合物中的有机溶剂自然挥发至少24小时，再在烘箱中真空抽提有机溶剂至少24小时(温度30-60℃)；
⑦板热压机真空模具热压，温度120-200℃，压力20-80Mpa；
⑧脱模、修样、包装、灭菌得高强度高模量的松质内螺钉或固定棒。
以下三表列出了本复合材料的各种可以实现的配方以及相应的技术指标。
表1 CPPf长纤维高强度高模量骨内固定复合材料参数、指标
CPPf/PLLA复合材料重量比
30∶70 40∶60 50∶50 60∶40 70∶30PLLA(MV) 40×104D 40×104D 40×104D 40×104D 40×104DCPPf直径(μm) 10-17 10-17 10-17 10-17 10-17CPPf长度(mm) 50-100 50-100 50-100 50-100 50-100CPPf日降解率(％) 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65弯曲强度(MPa) 240 260 280 250 205弯曲模量(GPa) 7.0 12.3 16.0 17.8 19.0剪切强度(MPa) 70 70 75密度(g/cm3) 1.52 1.63 1.75 1.86 2.03
表2 CPPf短纤维高强度高模量骨内固定复合材料
参数、指标
CPPf/PLLA复合材料重量比
30∶70 40∶60 50∶50 60∶40PLLA(MV) 40×104D 40×104D 40×104D 40×104DCPPf直径(μm) 10-17 10-17 10-17 10-17CPPf长度(mm) 5-10 5-10 5-10 5-10CPPf日降解率(％) 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65弯曲强度(MPa) 140 150 155 150弯曲模量(GPa) 6.8 9.0 11.2 12.5剪切强度(MPa) 65 60 66 62密度(g/cm3) 1.52 1.63 1.75 1.86
表3不同分子量PLLA高强度高模量骨内固定复合材料参数、指标
PLLA(MV)
30×104D 40×104D 50×104DCPPf/PLLA重量比 50∶50 50∶50 50∶50CPPf直径(μm) 10-17 10-17 10-17CPPf长度(mm) 50 50 50CPPf日降解率(％) 0.45-0.65 0.45-0.65 0.45-0.65弯曲强度(Mpa) 280 280 260弯曲模量(GPa) 14.9 15.6 16.5密度(g/cm3) 1.75 1.75 1.75
Claims (11)
1.高强度高模量可吸收性骨内固定聚磷酸钙纤维/聚丙交酯复合材料，其特征在于以聚磷酸钙纤维(CPPf)为增强物，以聚丙交酯(PLLA)为基体，两者复合的重量比为1-80/99-20。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述聚磷酸钙纤维和聚丙交酯复合的重量比优选为20-60/80-40。
3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于所述聚磷酸钙纤维和聚丙交酯复合的重量比优选为40-60/60-40。
4.根据权利要求1、2或3所述的复合材料，其特征在于聚丙交酯(PLLA)的分子量为20-100×104D。
5.根据权利要求4所述的复合材料，其特征在于聚丙交酯(PLLA)的分子量优选范围为40-60×104D。
6.根据权利要求1、2、3或5所述的复合材料，其特征在于所述聚磷酸钙纤维(CPPf)的日降解率为0.2-4％，直径为5-50μm。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于所述聚磷酸钙纤维(CPPf)的日降解率为0.8-1.5％，直径为5-25μm。
8.制备如权利要求1、2、3、5或7中任意一项所述复合材料的方法，其特征在于制备按以下步骤进行：
①选取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成10-500mm的长纤维；
②称重；
③称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用有机溶剂1∶50-100溶解；
④用无水乙醇1∶100-200对聚丙交酯(PLLA)进行纯化萃取；
⑤将萃取得到的聚丙交酯(PLLA)颗粒在烘箱中真空干燥至少24小时，温度30-60℃；
⑥再将聚丙交酯(PLLA)颗粒用1∶50-100的有机溶剂溶解；
⑦将经步骤②称重的聚磷酸钙长纤维手工铺层，同时用经步骤⑥溶解的聚丙交酯(PLLA)制膜；
⑧将经步骤⑦处理的CPPf/PLLA薄膜内的有机溶剂自然挥发24小时，再在烘箱中真空抽提24小时，温度30-60℃，然后真空热压，热压温度120-220℃，制得复合材料。
9.制备如权利要求4所述复合材料的工艺，其特征在于制备按以下步骤进行：
①取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成10-500mm的长纤维；
②称重；
③称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用有机溶剂1∶50-100溶解；
④用无水乙醇1∶100-200对聚丙交酯(PLLA)进行纯化萃取；
⑤将萃取得到的聚丙交酯(PLLA)颗粒在烘箱中真空干燥至少24小时，温度30-60℃；
⑥再将聚丙交酯(PLLA)颗粒用1∶50-100的有机溶剂溶解；
⑦将经步骤②称重的聚磷酸钙长纤维手工铺层，同时用经步骤⑥溶解的聚丙交酯(PLLA)制膜；
⑧将经步骤⑦处理的CPPf/PLLA薄膜内的有机溶剂自然挥发24小时，再在烘箱中真空抽提24小时，温度30-60℃然后真空热压，热压温度120-220℃，制得复合材料。
10.制备如权利要求1、2、3、5或7所述的复合材料的方法，其特征在制备按如下步骤进行：
①选取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成2-12mm的短纤维；
②称重；
③同时称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用1∶50-100的二氯乙烷溶解；
④将经步骤②称重的聚磷酸钙短纤维(CPPf)与经步骤③处理后的聚丙交酯(PLLA)溶液混合；
⑤用1∶50-200的无水乙醇纯化萃取步骤④的混合物；
⑥将⑤得到的CPPf/PLLA混合物中的有机溶剂自然挥发至少24小时，再在烘箱中真空抽提有机溶剂至少24小时，温度30-60℃，然后真空热压，热压温度：120-220℃，制得复合材料。
11.制备如权利要求4所述的复合材料的方法，其特征在于制备按如下步骤进行：
①取聚磷酸钙纤维(CPPf)，裁剪成2-12mm的短纤维；
②称重；
③同时称取纯度为99.9％的聚丙交酯(PLLA)，在容器中用1∶50-100的二氯乙烷溶解；
④将经步骤②称重的聚磷酸钙短纤维(CPPf)与经步骤③处理后聚丙交酯(PLLA)溶液混合；
⑤用1∶50-200的无水乙醇纯化萃取步骤④的混合物；
⑥将⑤得到的CPPf/PLLA混合物中的有机溶剂自然挥发至少24小时，再在烘箱中真空提抽有机溶剂至少24小时，温度30-60℃，然后，真空热压，热压温度120-220℃，制得复合材料。
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2002
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