TW201604169A - 具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥及其製造方法 - Google Patents

具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥及其製造方法 Download PDF

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Abstract

一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法,其步驟包含取一硝酸將一四乙氧基矽烷水解,並加入一硝酸鈣及一硝酸鎂進行反應,添加一酒精反應得一混合物液體,將該混合物液體使用一熱輔助乾燥手段進行乾燥得一混合物粉末,再將該混合物粉末利用高溫燒結並研磨成一矽酸鈣鎂骨水泥粉末;及將該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一水或一磷酸溶液混合;本發明具有良好的臨床使用特性、機械性質及生物活性,可刺激細胞之生長與貼附,促進骨細胞分化,並可表現出血管生成形態,使血管新生蛋白生成量上升,具有促進血管新生之特性。

Description

具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥及其製造方法
本發明為一種用於修補骨頭的材料,尤其是關於一種矽酸鈣鎂骨水泥。
以矽酸鈣(Calcium silicate)為基材之骨水泥(Bone cement)於臨床上被廣泛應用,因矽元素於人體之骨骼形成中扮演重要角色,具有刺激骨組織再生修補、生物活性與加速細胞增殖分化之特性,使得矽酸鈣骨水泥主要為用於骨缺損時重建修補之生醫材料,目前的矽酸鈣骨水泥以三氧礦化合物(Mineral Trioxide Aggregate,MTA)以及生物活性玻璃(Bioglass)為主。然而三氧礦化合物(Mineral Trioxide Aggregate,MTA)於臨床操作上硬化時間長達162分鐘,此冗長之硬化過程容易使得材料本身許多特性受到影響,例如注射性、可塑性等等;生物玻璃(Bioglass)由於材料本身之機械強度低,僅適用於骨承受力量較不強之身體區域,如耳小骨、指骨等之修復,應用上有其限制。
許多先前技術針對原有之矽酸鈣骨水泥硬化時間過長進行改善,開發出成分與三氧礦化合物(Mineral Trioxide Aggregate,MTA)極為相似的矽酸鈣骨水泥,且其硬化時間縮短為15分鐘,大大改善了臨床上使用的不便。但具有可快速硬化性質之矽酸鈣骨水泥卻無法在體外測試中達 到降解的功效,代表此可快速硬化的矽酸鈣骨水泥無法隨著時間的增加而被人體所吸收。為了改善無法降解的缺點,許多高分子材料如明膠(Gelatin)、幾丁聚糖(Chitosan)或膠原蛋白(Collagen)等等亦添加於矽酸鈣骨水泥中,雖然此複合材料可達到可塑型以及可注射之優點,但添加之高分子材料卻使其硬化時間大幅增加,大幅降低了材料本身之機械強度與生物活性,因此,基於既有之矽酸鈣骨水泥材料不易達到種種訴求基於該些前述理由,有必要發明一種可降解的矽酸鈣鎂骨水泥以改善現有之矽酸鈣骨水泥造成之問題,亦不影響其臨床使用特性、機械性質及生物活性,同時具備可促進骨分化以及血管新生之優點。
為了解決現有之矽酸鈣骨水泥造成之問題,本發明提出一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法,其步驟包含取一硝酸將一四乙氧基矽烷水解,並加入一硝酸鈣及一硝酸鎂進行反應,添加一酒精反應得一混合物液體,將該混合物液體使用一熱輔助乾燥手段進行乾燥得一混合物粉末,再將該混合物粉末利用高溫燒結並研磨成一矽酸鈣鎂骨水泥粉末。
其中,將該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一混合溶液混合。
其中,該矽酸鈣鎂骨水泥粉末使用溶液-凝膠法製得。
其中,該硝酸濃度為0.5~5當量濃度。
其中,該混合溶液為一二次水。
其中,該混合溶液為一磷酸溶液。
其中,添加該酒精進行反應1小時。
其中,該熱輔助乾燥手段可為一烘箱、一直接加熱、一紅外線加 熱或一熱阻式加熱,其製造參數為先以40℃~100℃持續乾燥一天,再以100℃~200℃進行乾燥。
其中,該燒結方法可以是利用一燒結爐以500℃~1400℃持續燒結1~12小時。
其中,該研磨方法可以利用一球磨機持續研磨4~18小時。
一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥,其包含將一矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一混合溶液均勻混合;該矽酸鈣鎂骨水泥粉末之成分包含一ß相矽酸二鈣;以及該矽酸鈣鎂骨水泥粉末之鈣矽鎂莫耳比為60:40:0至50:30:20。。
其中,該混合液體為一二次水。
其中,該混合溶液為一磷酸溶液。
其中,該混合溶液與該矽酸鈣鎂骨水泥粉末混合比例較佳為該水或該磷酸溶液0.38mL比該矽酸鈣鎂骨水泥粉末1克至該水或該磷酸溶液0.42mL比該矽酸鈣鎂骨水泥粉末1克。
由上述說明可知,本發明具有下列優點:
1.由圖2之結果所示將本發明浸泡於仿生溶液中一段時間後,可生成球狀磷灰石,顯示本發明具有良好的生物活性。
2.由圖3之結果所示,隨著鎂離子含量上升,本發明降解的效果越好,顯示本發明於臨床使用上更加安全,不會在體內殘留。
3.由圖4之結果可知,本發明不僅無細胞毒性,更可刺激細胞之生長之功能。
4.由圖5之結果所示,細胞可於本發明之表面貼附及生長。
5.由圖6A~6C之結果所示,培養於本發明表面之該初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及鈣沈積量上升,顯示本發明有促進骨細胞分化之特性。
6.由圖7A~7C可知,培養於本發明表面之該人類臍帶靜脈內皮細胞表現出血管生成形態,並且隨著本發明之鎂離子含量上升,該人類臍帶靜脈內皮細胞生成之血管新生蛋白量上升,顯示本發明具有促進血管新生之特性。
圖1為本發明較佳實施例之以X光繞射儀(XRD)測量之X光繞射圖譜。
圖2為本發明較佳實施例表面球狀磷灰石(Apatite)生成狀態之表面結構電子顯微鏡圖。
圖3為本發明較佳實施例浸泡於仿生溶液中不同時間之重量損失及降解量示意圖。
圖4為本發明較佳實施例培養於其上之人類牙髓細胞生長差異圖。
圖5為本發明較佳實施例培養於其上之人類牙髓細胞生長及貼附情形電子顯微鏡圖。
圖6A為本發明較佳實施例培養於其上之人類牙髓細胞分泌鹼性磷酸酶差異圖。
圖6B為本發明較佳實施例之培養於其上之人類牙髓細胞分泌鹼性磷酸酶及鈣沈積量示意圖。
圖6C為本發明較佳實施例培養於其上之人類牙髓細胞分泌之鈣沈積量差異圖。
圖7A為本發明較佳實施例培養於其上之人類臍帶靜脈內皮細胞表現出血管形態示意圖。
圖7B為本發明較佳實施例培養於其上之人類臍帶靜脈內皮細胞血管新生蛋白vWF生成量差異圖。
圖7C為本發明較佳實施例之培養於其上之人類臍帶靜脈內皮細胞血管新生蛋白Ang-1生成量差異圖。
本發明一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法為使用溶液-凝膠法製備,其步驟包含:取濃度為0.5~5當量濃度(N)之一硝酸將一四乙氧基矽烷(Tetraethyl orthosilicate,TEOS)水解,並加入一硝酸鈣及一硝酸鎂進行反應,添加99.5%之一酒精反應0.5~1.5小時得一混合物液體,將該混合物液體使用一熱輔助乾燥手段進行乾燥得一混合物粉末,再將該混合物粉末利用高溫燒結並研磨成一矽酸鈣鎂骨水泥粉末。其中,該熱輔助乾燥手段可為一烘箱,其製造參數可為先以40℃~100℃持續乾燥一天,再以100℃~200℃進行乾燥;該熱輔助乾燥手段也可為直接加熱、紅外線加熱、熱阻式加熱等。該燒結方法可以是利用一燒結爐以500℃~1400℃持續燒結1~12小時;該研磨方法可以利用一球磨機持續研磨4~18小時。
取上述之該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一混合溶液以適當比例混合均勻,該混合溶液可為一水或一磷酸溶液,形成該可降解矽酸鈣鎂骨水 泥,其中,該水較佳為將一蒸餾水進行去離子形成一二次水,而選擇使用該磷酸溶液可加快混合完成之該矽酸鈣鎂骨水泥的硬化時間及水合時間。
表1為不同混合比例的該矽酸鈣鎂骨水泥粉末之鈣矽鎂莫耳比例、該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與該水或該磷酸溶液之混合比例、混合完成之該矽酸鈣鎂骨水泥之硬化時間及徑向拉伸強度。
以下為上述表1中具有不同鎂離子含量之該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與該水或該磷酸溶液以不同比例混合所得之該矽酸鈣鎂骨水泥之物理、化學性質分析。
將表1中不同混合比例之該矽酸鈣鎂骨水泥分別填充入一模具中,該模具之直徑為6mm、高度為3mm,並將填充完成之該模具置於一37℃含百分之百水氣之環境中進行水合反應,於水合反應完成後將該模具取出得一矽酸鈣鎂骨水泥試片,並使用一吉莫耳針進行硬化時間之測量,其測量之標準為American Society for Testing and Materials,ASTM C 187-98,其硬化時間測量結果如表一,再將該矽酸鈣骨水泥試片進行水合一天,利用X光繞射儀(XRD)測量之其X光繞射圖譜如圖1,顯示出以本發明所得之該矽酸鈣鎂骨水泥中,其主成分為ß相矽酸二鈣(ß-Ca2SiO4)。
將表1中之該矽酸鈣鎂骨水泥分別浸泡於一仿生溶液(Simulated Body Fluid,SBF)一段時間後於不同時間點取出後置入烘箱乾燥,並利用 一電子顯微鏡觀察其表面球狀磷灰石(Apatite)生成狀態如圖2,浸泡三小時後,可發現Mg0,不含鎂離子之該矽酸鈣鎂骨水泥表面有較多的球狀磷灰石(Apatite)生成,代表其生物活性較好,而Mg10,含有10%鎂離子之該矽酸鈣鎂骨水泥雖生成較少的球狀磷灰石(Apatite),但浸泡一天後可發現Mg10之該矽酸鈣鎂骨水泥還是擁有良好的生物活性。
將表1中之該矽酸鈣鎂骨水泥分別浸泡於該仿生溶液(Simulated Body Fluid,SBF)一段時間後於不同時間點取出後置入烘箱乾燥,觀察其浸泡後的材料重量損失與降解程度如圖3,其結果顯示當鎂離子含量上升,該矽酸鈣鎂骨水泥之降解程度上升,其中,Mg10浸泡12周後約可降解40%。
用濃度為75%之一酒精溶液對該矽酸鈣鎂骨水泥進行滅菌,並置放於一紫外光下照射一小時,將一初代人類牙髓細胞直接培養於不同濃度且滅菌完成之該矽酸鈣鎂骨水泥之表面,不同時間點測量其細胞生長率,結果顯示於圖4結果可知,該矽酸鈣鎂骨水泥不僅無細胞毒性,亦具有刺激細胞生長的功能。
又利用一電子顯微鏡觀測該初代人類牙髓細胞於該矽酸鈣鎂骨水泥表面貼附及生長情形,由圖5結果可知,該矽酸鈣鎂骨水泥可讓細胞於其表面貼附及生長,且隨著鎂離子含量增加,細胞生長及貼附量增加。
磷酸酶活性以及鈣沈積量為骨細胞是否分化之一重要指標,將該初代人類牙髓細胞培養於不同濃度且滅菌完成之該矽酸鈣鎂骨水泥之材料表面,不同時間點測量其鹼性磷酸酶活性以及鈣沈積量,結果顯示於圖6A~圖6C,隨著該矽酸鈣鎂骨水泥中鎂離子濃度越高,培養於其上之該 初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及鈣沈積量上升,顯示本發明可以促進骨細胞分化之特性。
將一初代人類臍帶靜脈內皮細胞培養於不同濃度且滅菌完成之該矽酸鈣鎂骨水泥表面結果如圖7A~圖7C,隨著該矽酸鈣鎂骨水泥中鎂離子含量上升可刺激該初代人類臍帶靜脈內皮細胞表現出血管生成形態,並且生成較多之血管新生蛋白,如促血管生成素-1(angiopoietin-1,Ang-1)及溫偉伯氏因子(von Willebrand factor,vWF),顯示本發明具有促進細胞血管新生之特性。
由上述說明可知,本發明具有下列優點:
1.由圖2之結果所示將本發明浸泡於仿生溶液中一段時間後,可生成球狀磷灰石,顯示本發明具有良好的生物活性。
2.由圖3之結果所示,隨著鎂離子含量上升,本發明降解的效果越好,顯示本發明於臨床使用上更加安全,不會在體內殘留。
3.由圖4之結果可知,本發明不僅無細胞毒性,更可刺激細胞之生長之功能。
4.由圖5之結果所示,細胞可於本發明之表面貼附及生長。
5.由圖6A~6C之結果所示,培養於本發明表面之該初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及鈣沈積量上升,顯示本發明有促進骨細胞分化之特性。
6.由圖7A~7C可知,培養於本發明表面之該人類臍帶靜脈內皮細胞表現出血管生成形態,並且隨著本發明之鎂離子含量上升,該人類臍帶靜脈內皮細胞生成之血管新生蛋白量上升,顯示本發明具有促進血管新生之特 性。

Claims (6)

  1. 一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法,其步驟包含取一硝酸將一四乙氧基矽烷水解,並加入一硝酸鈣及一硝酸鎂進行反應,添加一酒精反應得一混合物液體,將該混合物液體使用一熱輔助乾燥手段進行乾燥得一混合物粉末,再將該混合物粉末利用高溫燒結並研磨成一矽酸鈣鎂骨水泥粉末;以及將該矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一混合溶液混合。
  2. 如申請專利範圍第1項具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法,其中,該矽酸鈣鎂骨水泥粉末使用溶液-凝膠法製得;該硝酸濃度為0.5~5當量濃度;以及該混合溶液為一二次水。
  3. 如申請專利範圍第1或2項具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥之製造方法,其中,該混合溶液為一磷酸溶液;添加該酒精進行反應0.5小時~1.5小時;該熱輔助乾燥手段為一烘箱、一直接加熱、一紅外線加熱或一熱阻式加熱,其製造參數為先以40℃~100℃持續乾燥一天,再以100℃~200℃進行乾燥;該燒結方法是利用一燒結爐以500℃~1400℃持續燒結1~12小時;以及該研磨方法為利用一球磨機持續研磨4~18小時。
  4. 一種具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥,其中,該矽酸鈣鎂骨水泥包含將一矽酸鈣鎂骨水泥粉末與一混合溶液均勻混合;該矽酸鈣鎂骨水泥粉末之成分包含一ß相矽酸二鈣;以及該矽酸鈣鎂骨水泥粉末之鈣矽鎂莫耳比為60:40:0至50:30:20。
  5. 如申請專利範圍第4項具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥,該混合液體為一二次水。
  6. 如申請專利範圍第4或5項具可降解性之矽酸鈣鎂骨水泥,其中,該混合溶液為一磷酸溶液;以及該混合溶液與該矽酸鈣鎂骨水泥粉末混合比例較佳為該水或該磷酸溶液0.38mL比該矽酸鈣鎂骨水泥粉末1克至該水或該磷酸溶液0.42mL比該矽酸鈣鎂骨水泥粉末1克。
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