CN1706504A - 生物活性硅酸三钙自固化材料、制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种人体骨缺损填充原位自固化生物活性材料、制备方法及用途。其特征在于它是以具有生物活性的硅酸三钙粉体和调和液为原料研制的一种新型骨/牙缺损修复材料。两者质量比为(0.8~1.2)∶1,所述的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机盐中任意一种。与现有材料相比,本发明的材料具有“生物活性优良,任意塑形,自行固化,无细胞毒性,逐步降解和负载药物缓慢释放”的特性,可以达到诱导类骨磷灰石生成、促进人体骨细胞增殖分化效果;其生物活性比磷酸钙类骨水泥优良,制备方法简单。用于骨/牙缺损填充、药物缓释的载体以及微创治疗。

Description

生物活性硅酸三钙自固化材料、制备方法及用途
技术领域
本发明涉及一种生物活性硅酸三钙自固化材料、制备和用途,更具体地说涉及人体硬组织缺损填充修复材料,即作为人体骨和牙缺损填充修复的生物活性材料,在骨科、牙科和微创治疗中的应用。属于医用生物材料领域。
背景技术
在人体骨组织和牙缺损修复治疗中,可以在缺损部位进行磷酸钙骨水泥填充修复治疗。目前,人们还借助微创治疗手段,将填充材料设计成可注射并能在体内自固化的糊状物进行注射治疗,既避免了传统手术的繁杂过程,减轻了病人的痛苦,又大大降低了治疗费用。
自从20世纪80年代Chow等人提出了磷酸钙骨水泥(CPC)的概念以来(Chow等,J Dent Res 1984;63:200),不少学者相继开发出一系列不同磷酸钙盐组合的CPC骨水泥填充材料,这类材料具有良好的生物相容性和自固化特性,并且能够传导成骨性细胞迁移和骨组织内生长,但是从本质上讲,这种修复过程仅仅是骨组织沿着具有良好生物相容性的材料表面和微孔内爬行替代(如骨传导)(J Biomed Mater Res:Appl Biomater 1998;43:451-461),材料本身不具有生物活性,不能对成骨性干细胞产生活性刺激并促进骨组织修复(Hench等,Life Chem Rep 1996;13:187-241)。其次,这类材料固化速度太快,在微创治疗中容易产生“滤压”现象,不易注射。
近30年来,大量研究结果显示,一些含钙-硅的生物活性材料,如45S5生物活性玻璃和A-W玻璃陶瓷,在模拟体液和人体内均能诱导类骨碳酸羟基磷灰石(CHA)沉积,并且体内试验也已经证明这类生物活性材料具有优良的与骨组织键合的能力(Hench等,J Biomed Mater Res Symp1971;36:117-141;Kokubo等,Biomaterials 1991;12:155-163)。不仅如此,人们还发现硅在幼鼠的新骨钙化区域发生富集,并且协同钙促进骨组织的早期钙化(Carlisle EM,Science 1970;167:279-280);相反,如果缺乏适量硅元素,老鼠颅骨将发生畸变(Schwarz等,Nature 1972;239:333-334)。最近几年来,不少学者报道,不少含钙-硅组分的生物活性材料释放的钙、硅离子能与成骨细胞作用,激活细胞基因表达,促进细胞增殖和分化(Xynos等,BiomedBiophys Res Commun 2000;276:461-465;Xynos等,J Biomed Mater Res2001;55:151-157;Phan等,J Biomed Mater Res 2003;67A:1001-1008;Gough等,Biomaterials 2004;25:2039-2046)。由此可见,诱导类骨CHA生成和促进人体骨细胞增殖、分化是某些含钙-硅组分生物活性材料的共同特征,这为开发新的具有生物活性自固化材料提供了科学依据。
此外,牙髓坏死及根尖周病是常见的牙科疾病,这种疾病的治疗必须先清除根管内坏死物质,再填充根管。传统上采用Ca(OH)2作封闭填充剂,容易对髓腔软组织和血管产生不良影响;如果利用具有生物活性和药物缓释功能的自固化材料,通过负载药物消炎灭菌和材料自身诱导产生的磷灰石与牙髓形成牢固键合,将可以促进病变愈合、缩短疗程并防止复发。
硅酸三钙(Ca3SiO5)是波特兰水泥中的主要成分之一,加入适量的调和液制备的糊状物具有任意塑形、自行固化等特点。当硅酸三钙粉体与水接触,微粒表层溶解并伴随离子迁移,具有纳米孔结构的钙硅酸盐水合物凝胶沉积在粉体微粒表面,同时氢氧化钙晶粒在水合物凝胶毛细孔区成核并长大;随着反应的进行,钙硅酸盐水合物凝胶聚合硬化,形成具有一定微孔和强度的块体材料(Barnes著,Structure and performance of cements.London:Applied Science Publishers.1983)。与生物活性玻璃和陶瓷类似,硅酸三钙也具有优良的生物活性(Zhao等,Mater Lett 2004;58:2350-2353)。硅酸三钙粉体与模拟体液接触,材料表面首先溶解,Ca2+和SiO4 4-进入溶液;溶液中SiO4 4-稳定性下降并发生聚合反应,富集在材料表面,在材料表面形成富硅的Si-O网络凝胶层;随着上述反应的进行和Ca2+持续溶解,材料表面附近溶液中的Ca2+、OH-浓度提高,随后通过静电吸引Ca2+、PO4 3-、HPO4 2-与富硅活性表面作用并吸附在表面,沉积形成钙磷酸盐,它们再与溶液中的HPO4 2-、CO3 2-、OH-相互作用,钙磷酸盐转化形成碳酸羟基磷灰石晶核,这种晶核不断长大,形成纳米级的类骨磷灰石层。硅酸三钙粉体表面诱导沉积的碳酸羟基磷灰石具有人体骨中纳米级针状磷灰石晶体相同的结构,从而保证了与人体骨组织中的胶原键合和外延生长。此外,最新的研究显示,硅酸三钙不仅具有优良的生物活性,还具有适度的硅离子释放和降解性能,是一种新型的具有良好应用前景的人体骨/牙缺损填充修复生物活性材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物活性硅酸三钙自固化材料、制备方法和用途。它是利用硅酸三钙具有诱导类骨磷灰石沉积和自固化特性,制备出一种新型的钙-硅基生物活性人体骨和牙缺损填充修复材料;通过改变调和液与硅酸三钙粉体的比例,可以制备出适合于骨科、口腔科以及微创治疗中应用的自固化材料。
基于上述发明目的,本发明提供了一种以硅酸三钙为活性诱导物质,以水或各种溶液为调和液制备的原位固化生物活性材料,并且本发明还提供了原位固化生物活性硅酸三钙材料的制备技术以及在骨/牙缺损填充、药物缓释和微创治疗的用途。
本发明的硅酸三钙自固化材料既有优良的生物活性和生物相容性,又能根据需要方便地制备成面团状或者可注射的水泥材料,满足临床进行骨、牙缺损修复手术的多种治疗需要。
本发明的技术方案如下所述:
本发明所说的人体骨缺损修复材料主要由硅酸三钙和调和液调浆制备成的糊状物,优选的液固比例为:
调和液∶硅酸三钙=(0.8-1.2)∶1,质量比。
本发明所用的硅酸三钙粉体颗粒定义为粒径小于30μm的小颗粒材料,更优选的粒径0.5-10μm的微颗粒材料。本发明所用的微米颗粒直径有利于糊状物的水化反应和凝结速度。
所述的硅酸三钙原位固化材料粉体制备是以分析纯硝酸钙及正硅酸乙酯为原料,采用溶胶—凝胶法制备硅酸三钙粉体。首先,去离子水中加入一定量硝酸,然后再加入0.5-0.8摩尔正硅酸乙酯,搅拌。再加入1.5-2.4摩尔硝酸钙,搅拌1-2小时,密封,55-65℃下沉化20-24小时,直至凝胶出现;然后,在120℃干燥,球磨。再在1400-1450℃下煅烧8-10小时得到硅酸三钙粉体。用XRD鉴定合成粉体为硅酸三钙,用SEM观察粉体粒度在5~30μm之间,采用乙二醇-乙醇法测定粉体中游离CaO含量在0.1%以下。
本发明所用的调和液是去离子水、无机盐(碳酸盐、氯化钙、磷酸盐等)溶液、有机物溶液(明胶、壳聚糖、透明质酸等)及模拟体液中的一种。以上述硅酸三钙粉体和调和液,按调和液/硅酸三钙分别为(0.8-1.2)∶1的不同液/固比例(l/p)混合后,调和0.5-1分钟,得到可作为修复人体骨缺损填充修复的相应骨水泥糊状物样品。将各样品装入15mL容量的带有喷嘴内径(D)为2.0mm针头的注射器,对其注射性进行试验;按ISO9597-1989E推荐标准,采用Vicat针对上述骨水泥糊状物的初凝时间(I)和终凝时间(F)进行测试。对不同骨水泥粉体和调和液以不同比例混合得到的糊状物样品的注射性和凝结时间试验结果,如表1所示。
表1硅酸三钙糊状物l/p比与可注射性和凝结时间的关系
  l/p   可注射性   凝结时间,min
  D=2.0mm   I     F
  0.8   不可   30     50
  1.0   好   90     180
  1.2   好   130     230
表1的结果表明,本发明前述的硅酸三钙糊状物的可注射性和凝固时间分别随l/p的变化而改变。采用2.0mm直径喷嘴,液固比为(1.0-1.2)∶1时,可以注射。提高l/p能够增强糊状物的流动性,初凝时间为90-130分钟。本发明按l/p为1.0-1.2制备的糊状物材料可以注射并兼顾力学强度,适于微创手术;按l/p为0.8制备的面团状材料具有快速凝固的特点,能解决大体积骨缺损填充修复的问题。
对硅酸三钙固化材料采用体外模拟体液(SBF)浸泡实验(Kokubo等,J Biomed Mater Res 1990;24:721-734)进行生物活性测试,并对浸泡后样品表面进行X射线衍射(XRD)表征。如图2所示,本发明的硅酸三钙固化材料表面能诱导类骨磷灰石生成,表明本发明的硅酸三钙固化材料具有优良的生物活性。XRD图谱还显示材料表面含有碳酸钙,这是硅酸三钙自固化材料水化产物之一——氢氧化钙在模拟生理环境中与碳酸根反应转化成为碳酸钙,碳酸钙有利于骨细胞活性和矿化。
对硅酸三钙固化材料进行细胞毒性和细胞贴壁实验。取养护7天后的水泥样品粉碎、灭菌。按ISO10993-5标准进行材料浸提和L929成纤维细胞培养实验。分别培养1-7天后取出,采用溴化钾基噻唑基四唑(MTT)溶液测定细胞活性。如图4所示,成纤维细胞的增殖均明显高于对照组,表明硅酸三钙固化物浸提液中的钙、硅离子能提高成纤维细胞的相对生长率,显著促进了细胞有丝分裂,说明这种材料释出的钙、硅离子能促进细胞增殖。取初生小牛大腿骨骨髓间充质干细胞(MSCs)第2-3代细胞进行细胞贴壁实验。用扫描电镜观察MSCs在材料表面上的贴附情况,如图4所示。MSCs在24小时内细胞的质膜外突起发生伸展牢固黏附在材料表面,显示MSCs能够在本发明的硅酸三钙固化材料表面贴壁铺展,材料具有优良的细胞相容性。
据此,本发明的可注射原位固化材料是一种新型的人体骨缺损修复材料,该材料具有优良的生物学性能,在人体模拟体液中能沉积类骨碳酸羟基磷灰石并且逐步降解,析出的钙、硅离子对细胞增殖具有良好的促进作用。
本发明的另一个特点是硅酸三钙固材料对负载药物具有缓释特征。向本发明推荐的调和液中加入硫酸庆大霉素,对制备的硅酸三钙固化材料进行体外药物释放实验。结果表明该材料能够实现缓慢释放附载药物,不存在爆发式释放和药物浓度快速下降等现象。
硅酸三钙自固化材料具有良好的注射性;具有微孔管道和力学强度;具有优良的生物活性、适度的降解性;具有优良的细胞相容性,无细胞毒性,主动诱导细胞增殖分化;能作为药物载体的药物复合物。硅酸三钙自固化材料可用于骨/牙缺损填充、药物缓释和微创治疗。
按照上述内容,在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下,根据本领域的普遍知识和技术手段,向硅酸三钙粉体颗粒原料和调和液中添加其他生物相容性和治疗性药物组分,都属于本发明内容包括的多种形式的修改、替换和变更,均属于本发明的范围。
附图说明
图1硅酸三钙粉体(a)及其骨水泥材料养护7天(b)后的XRD图谱。
图2养护7天后硅酸三钙固化材料在SBF中浸泡7天时XRD图谱;l/p=1.0。
图3硅酸三钙固化材料浸提液成纤维细胞培养后与对照组的相对生长率比较(*=p<0.05)。
图4MSCs在硅酸三钙固化材料表面培养24小时后的SEM照片。
图5庆大霉素从硅酸三钙固化材料中的释放曲线。
具体实施方式
下面结合实例进一步阐明本发明的内容,但这些实例并不限制本发明的范围,凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。
实施例1
1)硅酸三钙原位固化材料粉体制备:
以分析纯硝酸钙及正硅酸乙酯为原料,采用溶胶—凝胶法制备硅酸三钙粉体。首先,200毫升去离子水中加入一定量硝酸,然后再加入0.5摩尔正硅酸乙酯,搅拌。再加入1.5摩尔硝酸钙,搅拌1小时,密封,60℃下沉化24小时,直至凝胶出现;然后,在120℃干燥,球磨。再在1450℃下煅烧8小时得到硅酸三钙粉体。用XRD鉴定合成粉体为硅酸三钙,用SEM观察粉体粒度在5~30μm之间,采用乙二醇-乙醇法测定粉体中游离CaO含量在0.1%以下。
2)调和液配制:
称取1.0g分析纯碳酸氢钠溶解于99.0mL去离子水中得到1.0%的碳酸氢钠溶液,消毒,密闭在消毒瓶中,备用。
3)硅酸三钙骨缺损填充材料的制备:
将硅酸三钙粉料和调和液按液固质量比为0.8∶1的比例充分调和0.5-1分钟,即得到硅酸三钙骨缺损填充材料。
实施例2
1)硅酸三钙粉体制备同实施例1;仅沉化温度改为60℃,时间为20小时,最后煅烧温度1400℃,时间为10小时,CaO含量低于0.1%,硅酸三改粒径0.5-30μm。
2)调和液配制:
称取1.0g分析纯明胶溶解于99.0mL去离子水中得到1.0%的明胶溶液,消毒,密闭在消毒瓶中,备用。
3)硅酸三钙自固化材料的制备:
将上述合成的硅酸三钙固化材料粉料和调和液按液固质量比为0.8∶1的比例充分调和0.5-1分钟,即得到可用于微创治疗的硅酸三钙自固化材料。
实施例3
向去离子水中加入粉剂硫酸庆大霉素,配制成浓度为3.0mg·mL-1庆大霉素水溶液。以此庆大霉素水溶液为调和液,将硅酸三钙粉料和调和液按液固质量比为1.0的比例充分调和0.5-1分钟,然后在37℃、100%湿度条件下养护1天,即得到硅酸三钙药物缓释载体材料。将本例所得到的可注射硅酸三钙药物缓释载体材料(10×4mm)进行体外药物释放,释放环境为20mL去离子水及20mL磷酸盐缓冲溶液(PBS;pH7.4)。定期吸取5mL释放溶液介质并补充等量新鲜介质,采用紫外-可见吸光光度法测定吸取液中庆大霉素的浓度。以庆大霉素累积释放量对释放时间作图,如图5所示。

Claims (10)

1、一种生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于它是由一种调和液和硅酸三钙组成的糊状物,调和液和硅酸三钙的质量比为0.8-1.2∶1,所选的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机物溶液中任意一种。
2、根据权利要求1所述的生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于硅酸三钙调和液和硅酸三钙质量比为1.0-1.2∶1。
3、根据权利要求1所述的生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于硅酸三钙的粒径小于30μm。
4、根据权利要求1所述的生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于硅酸三钙的粒径为0.5-10μm。
5、根据权利要求1或2所述生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于用作调和液的无机盐为碳酸盐、氯化钙或磷酸盐中任意一种。
6、根据权利要求1或2所述生物活性硅酸三钙自固化材料,其特征在于用作调和液的有机物溶液为明胶、壳聚糖或透明质酸溶液中任意一种。
7、制备如权利要求1所述的生物活性硅酸三钙自固化材料的方法,其特征在于具体工艺步骤是:
1)硅酸三钙粉体的制备
以分析纯硝酸钙及正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶法制备硅酸三钙粉体。首先,去离子水中加入一定量硝酸,然后再加入0.5-0.8摩尔正硅酸乙酯,搅拌。再加入1.5-2.4摩尔硝酸钙,搅拌1-2小时,密封,沉化,直至凝胶出现;然后干燥,球磨。再在1400-1450℃高温下煅烧得到硅酸三钙粉体;并使CaO含量在0.1%以下;
2)硅酸三钙自固化材料制备:
将上述合成的硅酸三钙粉体和调和液按液固质量比为0.8-1.2∶1的比例充分调和0.5-1分钟,即得到供修复人体组织缺损的硅酸三钙自固化材料。
8、按权利要求7所述的生物活性硅酸三钙自固化材料的制备方法,其特征在于搅拌后密封沉化的温度为55-65℃,时间20-24小时。
9、按权利要求7所述的生物活性硅酸三钙自固化材料的制备方法,其特征在于高温煅烧时间为8-10小时。
10、权利要求1-5中任何一项所述的硅酸三钙作为自固化材料的应用,其特征在于作为骨/牙缺损填充料、硫酸庆大霉素药物缓释的载体和微创治疗。
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