CN204072876U - 复合硫酸钙人工骨 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种复合硫酸钙人工骨，包括多孔支架和硫酸钙颗粒，所述的多孔支架上形成有多个三维孔洞，且所述的孔洞相互之间连通，所述的硫酸钙颗粒填充在所述的多孔支架的三维孔洞内，且所述的多孔支架的材料为双相生物陶瓷。本实用新型不但使材料保持了较好的力学强度，而且较好的改变了硫酸钙降解的微环境，使得硫酸钙降解与新骨生长保持同步，从而为成骨细胞增殖、分泌基质提供了空间。而同时BCP三维多孔支架可以继续逐步发挥其引导、支持成骨细胞迁移的支架作用。因此，该复合材料的潜在多孔性、高强度、良好的降解性以及促成骨活性很好的满足了人工骨修复支架材料在生物学特性方面的要求。

Description

复合硫酸钙人工骨

技术领域

本实用新型涉及一种人工骨，尤其是涉及一种复合硫酸钙人工骨，属于环境医学材料技术领域。 

背景技术

骨缺损是指由于创伤、骨肿瘤、骨髓炎等多种原因导致局部骨组织缺失，人体不能自行修复。大量骨组织缺损后，局部造成较大的细胞和生物活性因子缺乏区域，不足以自行完成骨缺损的修复。这些缺损的发生常导致骨不连或骨折处畸形愈合，从而造成肢体功能障碍，甚至需行截肢手术，使患者长期饱受病痛折磨。 

据不完全统计，美国每年大约有900，000人因为骨折而住院治疗，每年约有500，000人需要进行骨移植手术；而在国内，中华骨伤学会的统计显示，国内每年因骨折住院或门诊治疗的患者达3000多万人次，每年需行骨移植修复手术者约150万人。随着人口老龄化和各种创伤、骨肿瘤的增加，全球每年用于骨缺损治疗的费用每年以接近20%的速度在递增。根据经济合作与发展组织（OECD）统计， 2010年全球用于生物材料的费用达4000亿美元，其中涉及硬组织修复和替代材料的为800亿美元。这给整个社会造成了巨大的经济负担，因此采取何种材料、何种方式有效进行骨缺损的修复已成为目前临床迫切需要解决的重要课题之一。 

目前临床上对于大面积的骨缺损的治疗主要采用自体骨植骨术、异体骨植骨术或采用人工替代材料。自体骨因具备骨诱导性、骨传导性及骨生成性而作为修复骨缺损的金标准已有50多年历史，但自体骨供应来源有限，而且自体异位取骨，无异于拆东墙补西墙，术后易患并发症，增加了患者的痛苦；异体骨不存在供体缺乏的问题，但其在材料筛选、储存方面比较困难，价格昂贵，具有抗原性，容易产生免疫排斥反应，并且外源骨可能带有潜在的病原体，存在感染疾病的风险。组织工程骨应用前景非常广泛，但尚处于发展阶段，存在种子细胞来源不确定，增殖培养、生物安全性等得不到广泛认可，支架材料的载体结构、生物活性等方面未很好解决，且组织工程骨体外构建时间长，不可预知因素多等方面的原因，使得骨组织工程骨目前在临床无法广泛应用。而人工骨替代材料因其具有材料来源广泛、无免疫排斥、不受时间局限、植入简单等方面的优势，在骨修复的临床应用及实验研究中占有非常重要的位置。 

硫酸钙（Ca SO₄）是一种人工合成的具有可降解作用的骨移植替代材料。其用作骨缺损填充修复材料已达百年之久，1892年Dreesman首先报道硫酸钙作为骨填充剂的应用研究。硫酸钙因具有良好的生物相容性、可降解性、骨传导性，以及价格便宜，来源丰富，灭菌方便而广泛用于目前临床骨缺损的修复。 

但随着硫酸钙人工骨在临床上的广泛使用，人们发现硫酸钙在体内降解过程中，硫酸钙晶体中的Ca²⁺和SO4^2-脱离晶体进入局部组织液,Ca²⁺夺取H₂O分子中的OH^-，产生游离的H⁺，导致局部pH值下降。这种pH值的变化一方面导致了创口局部的持续排液反应，同时也加速了硫酸钙自身的降解。Walsh等在硫酸钙体外降解过程中连续监测降解液pH值的变化时发现，其降解液pH值由最初的7.4降至5.1左右。此外，Nilsson等在试验中观察到，硫酸钙在体液中的降解过程有别于其他生物材料，表现为层状剥脱，这种降解方式导致了硫酸钙在体内过快的崩解及生物力学性能的丢失，同时，由于材料崩解导致其与组织液接触面积的增加，在一定程度上促进了硫酸钙在体内的降解。Hing等认为硫酸钙降解过快不利于局部新骨形成，主要缘于以下3个方面因素：①局部缺乏促进骨沉积、具有骨传导的支架存在；②其在体内层状剥脱的降解方式，使得透过支架的早期骨沉积不稳；③过快降解时，局部pH值的下降及颗粒浓度升高激发了炎症反应。 

双相生物陶瓷是由混合不同比例的羟基磷灰石(Hydrxoypaatiet，HA)和β-三磷酸钙 (β-Tricalcium phosp -hate，β-TcP)而得到的生物陶瓷材料。相对于单相生物陶瓷，双相生物陶瓷具有适宜的生物降解性，有利于引导成骨作用，植入体内后，逐渐降解并被体液缓慢吸收，为新骨的生成提供丰富的钙和磷，具有较好的促成骨作用。但单纯BCP制成多孔支架存在脆性大、抗疲劳强度不佳，加上高孔隙率的结构进一步削弱了支架的力学性能，使其不能作为承重的结构材料使用；另外， BCP本身为碱性物质，其水溶液呈现弱碱性，这种碱性的环境更加不利于体液对BCP材料的降解，BCP在体内降解稍慢于新骨的生成，从而一定程度上阻碍了新骨的生长。 这种影响在材料植入后即开始，并持续进行，这些都使得BCP多孔支架在临床上的广泛使用受到了限制。 

为了使硫酸钙在体内的降解速度以及酸碱度平衡方面达到一种理想状态，满足临床需要。本实用新型拟利用双相磷酸钙（BCP）和硫酸钙这两种材料各自在酸碱性、降解速度及生物力学性能上的差异，通过硫酸钙充填BCP三维支架构建新型复合硫酸钙人工骨，以克服两者目前在临床使用中存在的不足，发挥两者各自的优点，提高复合人工骨材料的综合性能从而为解决硫酸钙人工骨存在的不足提供一种新的方法。对该新型复合硫酸钙人工骨的制备及研究在国内外尚未见报道。 

实用新型内容

为解决现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种可有效保证人工骨植入后pH值稳定、强度高、降解性好的复合硫酸钙人工骨。 

为达到上述目的，本实用新型是通过以下的技术方案来实现的： 

复合硫酸钙人工骨，其特征在于，包括多孔支架和硫酸钙颗粒，所述的多孔支架上形成有多个三维孔洞，且所述的孔洞相互之间连通，所述的硫酸钙颗粒填充在所述的多孔支架的三维孔洞内，且所述的多孔支架的材料为双相生物陶瓷。

进一步，所述的双相生物陶瓷为双相磷酸钙（BCP）。 

且所述的多孔支架的孔隙率为75-80%。 

而所述的三维孔洞的孔径为200-300um。 

此外，所述的多孔支架为一长柱体。且所述的长柱体的高度与直径比大于2。具体所述的长柱体的高度可以为10mm，直径可以为4mm。 

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过硫酸钙充填BCP三维支架构建新型复合硫酸钙人工骨，不但使材料保持了较好的力学强度，而且较好的改变了硫酸钙降解的微环境，使得硫酸钙降解与新骨生长保持同步，从而为成骨细胞增殖、分泌基质提供了空间。而同时BCP三维多孔支架可以继续逐步发挥其引导、支持成骨细胞迁移的支架作用。因此，该复合材料的潜在多孔性、高强度、良好的降解性以及促成骨活性很好的满足了人工骨修复支架材料在生物学特性方面的要求。 

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构示意图； 

图2为三组人工骨材料体外失重率的效果图。

图中主要附图标记含义为： 

1、多孔支架     11、三维孔洞     2、硫酸钙颗粒。   

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本实用新型进行具体的介绍。 

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。 

如图1所示：复合硫酸钙人工骨，包括多孔支架1和硫酸钙颗粒2，所述的多孔支架1上形成有多个三维孔洞11，且所述的孔洞11相互之间连通，所述的硫酸钙颗粒2填充在所述的多孔支架1的三维孔洞11内，且所述的多孔支架1的材料为双相生物陶瓷。在本实施例中，所述的双相生物陶瓷为双相磷酸钙（BCP）。且所述的多孔支架1的孔隙率为75-80%。 

此外，所述的三维孔洞的孔径在200-300um之间，而且在本实施例中，所述的多孔支架1为一长柱体。且所述的长柱体的高度与直径比大于2。具体为：长柱体的高度为10mm，直径为4mm。 

利用上述的复合硫酸钙人工骨进行骨缺损的动物模型试验如下： 

实验数据用SPSS16.0软件进行统计学处理分析，测量值用均数±标准差（ ±s）表示，两组资料采用t检验；三组资料采用单因素方差分析，均数两两比较。以P<0.05作为显著性差异的标准。

一、体外试验部分： 

1、试验动物的选取：选取新西兰兔60只，体重2.5-3.0kg，雌雄不限；选取出生24小时内的SD大鼠。

2、人工骨材料的制备： 

（1）制备对比试验用的BCP材料：为现有材料（东南大学生物材料学院研制并提供），该BCP材料呈白色多孔状结构,孔道彼此连通,孔径为300-500um,孔隙率为80%,具有良好的生物相容性和生物降解性，将所述的BCP材料制成长10mm，直径4mm长柱体；

（2）制备对比试验用的硫酸钙（α-CSH）人工骨：将α-CSH浆料装入模具中制成4×4×10mm的胚体，使用前人工骨在密封包装下环氧乙烷气体消毒24小时；

（3）制备本实用新型所述的复合硫酸钙人工骨（α-CSH/BCP人工骨）：利用部分真空吸入法将多孔支架1和α-CSH浆料一起抽真空下，然后释放负压，从而将α-CSH浆料导入多孔支架1内部，干燥后形成碳酸钙颗粒2，实现了碳酸钙颗粒2在多孔支架1中的充填。

其中，以复合硫酸钙人工骨（α-CSH/BCP人工骨）组为A组，α- CSH组为B组，BPC组为C组。 

3、人工骨材料的力学性能测定： 

将上述的三组人工骨材料均制成直径4mm，高10mm的圆柱状各5个其高度与直径比大于2，37℃条件下干燥24h。测量受压面积（S）后，试件垂直放置在MTS855型生物力学测验机上，测定其抗压缩强度，加载速度为1mm/min，直至圆柱体破裂，记录试件破坏时的极限载荷（N），计算抗压极限强度（P），P(Pa)=N(N)/S(cm²)。

通过以上测试得到如表1所述的三组不同材料的最大载荷， 

表1：三组不同材料的最大载荷

4、人工骨材料体外降解：

将制备的本实用新型所述的复合硫酸钙人工骨（α-CSH/BCP人工骨）制成直径4mm、高10mm的圆柱状，37℃条件下干燥24h，称重（W₀），环氧乙烷灭菌备用。每组各取30个放入模拟体液内(Ringer’s溶液)，每个容器各加入一个样品，瓶口密封后置于37℃恒温箱中，每周更换液体一次。分别于2、4、6、8、10、12周各取出5个样品，37℃条件下干燥24h，称重（W₁），计算重量丢失百分率（￡）。￡= [(W₀-W₁）/W₀]×100%。

表2为三组人工骨材料在各时间点失重率的变化（） 

图2为三组人工骨材料体外失重率的效果图。

由表2和图2可知：在第2周，α-CSH/BCP和α-CSH组降解速率一致均明显快于BCP组（P<0.05），但随着时间的延长，α-CSH组在中后期失重率明显变大，α-CSH/BCP组失重渐平缓，而BCP组的失重极其缓慢。且复合硫酸钙人工骨（α-CSH/BCP人工骨）与其他两组对比试验比较：P﹤0.05，具有显著性差异。 

5、人工骨材料体外降解液pH值测定： 

将上述的三组人工骨材料每组取6块,每块置于装有20 mL 37℃，pH值7.4的模拟人体体液的容器中,分别于每周末用pH计测pH值1次，共12周。

表3为三组人工骨材料体外降解液pH值测定结果： 

由表3可知：单纯BCP组随着时间的延长降解液pH值逐渐增加，而单纯α-CSH组降解液pH值逐渐降低，α-CSH/BCP组随着时间延长，虽然降解液pH值逐渐变小，但其降低的程度明显小于单纯α-CSH组。且复合硫酸钙人工骨（α-CSH/BCP人工骨）与其他两组对比试验比较：P﹤0.05，具有显著性差异。

二、体内试验部分： 

1、建立骨缺损动物模型：将60只新西兰兔分别用质量分数为3%的戊巴比妥钠（1ml.kg^-1）静脉麻醉后，每只随机选用左右侧前肢剪毛,碘伏消毒,无菌铺单。做前肢侧向切口,切开皮肤、皮下、深筋膜,沿肌间隙分离,暴露桡骨,并剥离骨膜,在距桡骨远端3cm处截骨，再向近端距第一截骨线1.0cm做第2个截骨，连同骨膜去除截除的骨段，骨缺损动物模型制备完成。

2、动物分组与骨折治疗方法：将上述60只新西兰兔随机分为3组：A组：α-CSH/BPC组；B组：α- CSH组;C组：BPC组。然后按组分别植入1.0cm×0.4cm×0.4cm大小的相应人工骨材料，逐层缝合伤口,术后伤口不盖敷料,肢体不作外固定。术后给予庆大霉素1万u/kg,每日2次肌内注射,连续注射3d。 

3、大体观察：观察动物的饮食、活动、伤口反应，术后2，4，8，12周分批处死动物取材观察植入材料的表面情况、局部成骨及炎症反应等情况。 

术后动物前肢不能负重,跛行,术后1周左右恢复正常活动。α-CSH/BCP组和BCP组所有动物切口均Ⅰ期愈合,切口未见感染、破溃及分泌物。α-CSH组有两只出现切口的流液及材料的排异反应，最后影响骨折的愈合导致尺骨骨折及畸形愈合。术后12周时α-CSH/BCP组骨缺损完全修复，骨皮质塑形良好，α-CSH组材料基本降解，骨缺损中间可见少量材料崩解碎片未完全降解，骨缺损仍部分存在；BCP组骨缺损处材料仍存在，材料边缘有新骨生成，中间部分及材料孔隙中有较多纤维组织长入。 

4、AKP活性检测：术后第 2、4、8、12wk上述三组各取5只动物，仍按照上述方法全麻后，从心脏抽血3ml并离心，各取0.05ml血清分别放入测定管中，根据南京建成生物技术公司提供的AKP活性检测试剂盒进行测定。 

表4为三组人工骨材料各时间点ALP活性的变化（） U·（100ml）^-1

由表4可知：在术后不同时间点三组ALP测定结果。在第4周，三组血清ALP活性无明显差异，但到第8周时A组ALP活性明显高于其他两组，12周时A组ALP活性降至正常，与其他两组相比差异有统计学意义。三组ALP活性均以第4周为最高，随着术后时间的延长，ALP活性逐渐降低，α-CSH组和BCP组的ALP降低幅度较平缓，而复合材料组在术后12周内AKP降低幅度最大，在第4-12周时间段内，第12周与第4周相比较，α-CSH/BCP组降低了60.5%，α-CSH降低了27.04%，BCP组降低了46.08%。

在4周，本实用新型所述的α-CSH/BCP组（A组）与其他两组比较*P >0.05，8周A组与其他两组比较^×P﹤0.05，12周A组与其他2组比较^×P ﹤0.05。 

5、组织病理学观察：将每个时间点所获取的桡骨标本作好标记每组各取2个，置于10%甲醛中固定12h后，经序列酒精脱水、EDTA脱钙、石蜡包埋、沿股骨纵轴切片，每一个标本都在不同层面做三张切片。HE染色后，光学显微镜下观察α-CSH/BPC复合材料与桡骨干骨质及骨小梁的相互关系，并将三组标本的骨折愈合情况，骨痂生长状况，成骨细胞与破骨细胞活性，骨痂的镜下结构差异进行对比。 

术后4周时, α-CSH/BCP组已见骨组织随着硫酸钙的降解在BCP支架的引导下逐步长入，12周时, α-CSH/BCP材料已基本降解,新生骨组织的形成量明显高于α-CSH及BCP组。孔隙中有大量成熟的条索状板层骨形成,骨细胞排列规则,骨小梁较粗大、分布均匀,其间有骨髓组织,中心区板层骨较多,软骨较少。术后12周BCP组植入物孔隙中也出现板层骨,但以周边为主,新生骨小梁较细小，欠规则，新生骨髓较少，仍可见较多未将解材料。α-CSH硫酸钙组第12wk形成的新生骨小梁排列紊乱，中断，与缺少有效的支架有关。 

6、X线观察：术后4，8，12周摄片，洗片后通过3人盲法按照Lane-sandhuX射线评分标准；包括骨形成、骨连接、骨塑形3个方面11项内容。骨形成：0分无骨形成；1分骨形成占缺损 25%；2分骨形成占缺损50%；3分骨形成占缺损75%；4分骨形成满缺损。骨连接：0分骨折线清楚；2分骨折线部分存在；4分骨折线消失。骨塑形：0分未见骨塑形；2分骨髓腔形成；4分皮质骨塑形。 

表5为三种人工骨材料各时间点X射线评分结果（） 

由表5可知：4周时三组的骨生长主要集中于骨缺损边缘，材料影清晰可见，其中硫酸钙显影较差，8周时α-CSH组材料降解明显快于新骨的长入，材料与骨折断端存在缺损间隙，；α-CSH/BCP组材料与骨界面形成骨组织与宿主骨紧密结合,骨缺损内见密度较高的α-CSH影,周围有中等量骨痂形成骨髓腔部分再通；BCP组骨缺损内见密度较高的BCP影,有少量骨痂形成12周,复合材料组全部骨缺损已愈合,皮质骨塑形良好，骨髓腔完全再通。12周BCP组仍可见材料影，受未将解材料影响骨缺损未能修复。12周α-CSH组材料吸收过快,材料降解快于新骨生成，可见骨缺损。

三、统计分析： 

复合硫酸钙人工骨组在骨缺损处表现出较好的降解性能，由于BCP支架的限定，改变了α-CSH崩裂降解的方式α-CSH在复合材料中表现出由表及里逐步降解的方式，随着α-CSH的降解新骨逐步长入，同时在实验的组织学检测中显示由于BCP的支架的存在，发挥了较好的细胞引导及支持成骨细胞迁移的支架作用，使得新生骨组织的骨小梁更为规则。2）BCP为一碱性物质，其降解水溶液呈弱碱性，将其与硫酸钙制备成新型复合人工骨后，可缓解α-CSH降解过程中的pH值过度降低，而这种pH值的变化在理论上可以加快BCP的降解，减慢α-CSH降解，使该复合硫酸钙人工骨材料在体内的降解与新骨生长更为匹配。同时又可以有效减轻α-CSH的致炎反应。在本实用新型中通过对材料体外降解液pH值的测定我们发现单纯BCP组随着时间的延长降解液pH值逐渐增加，而单纯α-CSH组降解液pH值逐渐降低，α-CSH/BCP组随着时间延长，虽然降解液pH值逐渐变小，但其降低的程度明显小于单纯α-CSH组，这充分说明了在降解过程中复合材料中硫酸钙和BCP在各自的降解过程中产生了pH值的中和，从而有效减轻α-CSH的致炎反应，避免了组织的渗液。另外这一pH值相对于单纯BCP降解的pH值是降低了，所以这一pH值环境能加快BCP在体内的降解。在动物体内实验中，在12周时通过对兔桡骨标本骨缺损局部的大体观察、组织学、及X线检查均发现单纯BCP组仍有较多材料的残存，而复合材料组在12周时支架材料已基本降解，骨髓腔完全再通。

    在力学上BCP三维支架孔隙率大，但材料的强度较低；α-CSH固化后强度虽较高，可以达到30Mpa以上，接近皮质骨的强度，但缺乏三维孔架结构。理想的人工骨需要构建多孔隙高强度并能及时降解的骨细胞爬行支架。在起到促进骨沉积及骨传导作用的同时，而本实用新型通过硫酸钙充填BCP三维支架构建新型复合硫酸钙人工骨，不但使材料保持了较好的力学强度，而且较好的改变了硫酸钙降解的微环境，使得硫酸钙降解与新骨生长保持同步，从而为成骨细胞增殖、分泌基质提供了空间。而同时BCP三维多孔支架可以继续逐步发挥其引导、支持成骨细胞迁移的支架作用。因此，该复合材料的潜在多孔性、高强度、良好的降解性以及促成骨活性很好的满足了人工骨修复支架材料在生物学特性方面的要求。 

本实用新型按照上述实施例进行了说明应当理解，上述实施例不以任何形式限定本实用新型，凡采用等同替换或等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (7)

1.复合硫酸钙人工骨，其特征在于，包括多孔支架和硫酸钙颗粒，所述的多孔支架上形成有多个三维孔洞，且所述的孔洞相互之间连通，所述的硫酸钙颗粒填充在所述的多孔支架的三维孔洞内，且所述的多孔支架的材料为双相生物陶瓷。

2.根据权利要求1所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的双相生物陶瓷为双相磷酸钙。

3.根据权利要求1所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的多孔支架的孔隙率为75-80%。

4.根据权利要求1或3所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的三维孔洞的孔径为200-300um。

5.根据权利要求1所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的多孔支架为一长柱体。

6.根据权利要求5所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的长柱体的高度与直径比大于2。

7.根据权利要求6所述的复合硫酸钙人工骨，其特征在于，所述的长柱体的高度为10mm，直径为4mm。