自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法

專利名稱：自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法，屬于生物醫用材料制備技 術領域。
背景技術：
隨著現代骨科學的發展、創傷程度和骨科疾病譜的變化，以及人們對術后功能恢 復和生活質量要求的提高。臨床上由骨腫瘤、四肢脊柱畸形矯形、嚴重骨創傷、骨質疏松、骨 壞死等原因造成的骨缺損，都需要通過骨移植的方法進行重建和治療。但由于自體骨來源 有限，增加手術創傷，且異體骨存在免疫反應和傳播疾病的危險，因此限制了其在臨床上的 應用。人工骨植入材料一直是骨組織研究的重點，期望能夠替代自體或異體骨的應用。高孔 隙率、可降解、較高的初期力學性能和良好的生物活性是骨修復材料必需滿足的基本條件。 目前常用的無機人工骨材料包括活性生物陶瓷、玻璃(或玻璃陶瓷)和磷酸鈣骨水泥。與磷酸鹽生物陶瓷(如羥基磷灰石和B-磷酸三鈣)和玻璃相比，磷酸鈣骨 水泥(Calciumphosphate cement, CPC)在可塑性、晶形和組成的調控方面具有突出的 優勢。磷酸鈣骨水泥在生理環境下可自固化轉化為與人體骨組織相似的羥基磷灰石 (hydroxyapatite, HA)，具有隨意塑形的特點，生物活性良好。但CPC也存在一些難以克服 的問題，如固化時間偏長，力學性能不足，孔隙率較低，且孔徑較小(一般小于ΙΟμπι)，新 骨難以長入；同時水化產物(主要為HA)降解緩慢不利于骨快速愈合，使其應用受到一定 程度的限制，目前主要用于非承重骨的小區域的修復。近年來開展了大量的有關骨水泥的 改性研究以提高其力學性能，調節固化時間和改善生物降解性。主要研究和專利可分兩大 類一是針對CPC無大孔，且孔隙率低的問題，常在CPC基體中加入可溶性的碳酸氫鈉、氯 化鈉晶粒或蔗糖等成孔劑，可以制備出具有較大孔徑、高孔隙率的骨水泥材料。如中國專利 CN1193614A，將酸式鹽、堿式鹽或表面活性劑作為成孔劑與磷酸鹽骨水泥按一定比率混合 制得多孔固化體，且不改變磷酸鈣骨水泥的自固化特性和固化產物組成，固化體中大孔直 徑范圍為 100-300 μ m。類似的專利有 CN1699239A、CN1736928A、US7, 381，262 等。此類專 利沒有描述成孔劑的引入與孔隙率和抗壓強度的相關性。但一般隨孔隙率的增加，固化體 在體液中的強度往往會急劇下降。第二類是將多孔磷酸鹽骨水泥與高分子復合構建支架， 其力學性能由明顯改善。中國專利CN101007183A介紹了一種原位成孔自固化磷酸鈣復合 組織工程支架的制備方法，將高孔隙率骨水泥浸泡于高分子溶液中，抽真空產后，將高分子 灌注到骨水泥多孔支架中，經冰凍干燥獲得多孔復合支架；再重復上述步驟，直至高分子完 全填入多孔支架的孔隙中。高分子主要包括殼聚糖、明膠、膠原、絲素、淀粉、海藻酸鈉鹽、纖 維蛋白和纖維素衍生物。類似的專利還有CN 1736928、CN101125223A。其中CN101125223A 介紹了磷酸鈣骨水泥/殼聚糖_明膠復合支架的制備方法和抗壓強度。將殼聚糖_明膠溶 液與磷酸鈣骨水泥粉末復合制得骨水泥固化體，再經過冰凍干燥可獲得多孔支架。當孔隙 率為66%和77%時，固化體的抗壓強度僅為1. 7和0. 33MPa，遠不能滿足松質骨的要求。同 樣，中國專利CN 101496909A介紹了一種磷酸鈣骨水泥與一定比率的聚多糖復合制得的復合骨水泥，具有較高的初期強度和韌性、可降解，該復合材料的強度可滿足承重骨的要求， 但由于殼聚糖微球降解產物呈堿性，抑制了磷酸鈣骨水泥基體的降解，從而影響新骨生成。 但此類專利對骨水泥復合支架在模擬體液環境中的成孔情況和強度變化沒有描述。美國 專利USO，068，243公開了一種具有大孔、可降解磷酸鈣骨水泥的制備技術。將無機復合粉 末(α -磷酸鈣、B-磷酸鈣、無定形磷酸鈣、一水磷酸氫鈣和二水磷酸鈣中的一種或多種) 與0. 1-30%的可降解的高分子聚合物混合，經過調和與固化獲得骨水泥，其大孔直徑大于 ΙΟΟμπι，抗壓強度大于lOMPa。高分子聚合物主要包括聚乳酸、聚乙醇酸、羧基乙酸內酯、聚 己內酯和相關的共聚物，如聚乳酸/聚羥基乙酸、膠原、聚偶磷氮、樹枝狀聚合物和多聚糖； 聚原酸酯、聚酐、聚二氧六環酮、透明質酸、聚羥基丁酸酯和它們的鹽和復合物。高分子聚合 物以粉末顆粒、晶須和微球的形式與 無機磷酸鹽混合；采用此專利技術獲得的多孔骨水泥 支架不僅具有直徑大于100 μ m的大孔，且抗壓強度較高，專利沒有涉及高分子聚合物的添 加量與孔隙率的相關性，以及對降解性能的影響。尤其是作為成孔劑的高分子聚合物以粉 末顆粒、晶須或微球等形式添加到磷酸鈣骨水泥基質中時，往往會延長骨水泥的固化時間， 不利于手術的操作。明膠作為磷酸鈣骨水泥的成孔劑主要利用了其獨特的理化性能遇水溶脹，形成 凝膠，在體液環境下能被酶降解，被人體吸收；但未經交聯改性的明膠遇水迅速溶脹、溶解 速度快，由溶脹明膠降解形成的孔隙結構常常無法控制，且初期強度快速下降。將明膠與別 的物質(如戊二醛)發生交聯反應，可有效控制明膠的降解速率(這也是明膠可作為藥物 釋放載體的主要原因)，從而保證支架的初期強度。對明膠交聯改性的研究報道很多，如專 利 CN101099739，CN101167736，US7282220，US 20070264341 等。因此交聯明膠與磷酸鈣骨 水泥復合，可以通過調節交聯明膠尺寸和降解速率來控制骨水泥中的大孔尺寸和增強初期 強度。半水硫酸鈣(CaSO4 · 1/2Η20, α -CSH)固化速度快，具有良好的生物相容性，作為骨 替代材料的研究已達一個世紀之久。但半水硫酸鈣單獨作為骨修復材料時存在以下缺點 1)固化后的強度較低，難以提供修復部位長期所需的力學強度；2)在修復初期不能與周圍 骨組織形成化學鍵合作用，呈現出較弱的生物活性；3)降解速度太快，硫酸鈣在體內完全 降解吸收的時間依據植入部位而不同，一般在28 72天。由于局部降解產物濃度過大，超 過了吞噬細胞和破骨細胞分解吸收，且降解過程中呈現酸性，從而導致一些切口的并發癥， 作為骨修復材料，半水硫酸鈣的理化性能還有待改善。因此探索一種在降解過程能夠原位形成孔徑分布在100 300 μ m大孔，具有高于 SMPa的抗壓強度和可通過明膠交聯程度調節降解特性的高孔隙率骨修復支架的制備方法， 對骨損傷的治療將有積極促進作用。

發明內容
本發明的目的在于提供一種自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法，依該方法制得 的支架，可以根據半水硫酸鈣加入量來調節固化時間、固化體的微觀結構、產物的降解速率 和降解過程支架的強度變化。同時可根據交聯明膠的交聯工藝和交聯明膠的加入量來調節 骨水泥中原位成孔的直徑范圍、孔隙率和支架強度。將骨水泥在模擬體液中降解3 14天， 可獲得孔徑范圍為100-300 μ m，孔隙率為36-81%，抗壓強度在4. 5-13. 8MPa的多孔支架，可用于治療骨組織缺損和修復。本發明的自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法，其步驟如下1)混合骨水泥粉末的制備
按半水硫酸鈣和磷酸三鈣骨水泥粉末的質量比為(5 20) (95 80)稱取相 應物質，混合均勻獲得混合骨水泥粉體.；2)混合調和液的制備照質量百分明膠5 20NaH2PO4 0. 8 1. 2水余量，在45 50°C將明膠和NaH2PO4在水中加熱攪拌，直至明膠及NaH2PO4完全溶解，形 成混合調和液；3)自成孔高力學性能磷酸鈣骨水泥支架的制備將步驟1)的混合骨水泥粉體與步驟2)的溶液均勻混合，使單位混合調和液體積 中的骨水泥粉末質量為1 1. 5g/mL，隨即加入濃度為25 50 %的戊二醛水溶液，按混合 調和液中明膠含量與戊二醛溶液中戊二醛含量質量比(50 31) (50 69)使明膠交聯 5 10分鐘，最終得到混合骨水泥粉末漿體，將混合骨水泥粉末漿體注入鋼模中，在室溫下 調和60 90s，取出后于37°C恒溫、濕度為100%的條件下固化1 2h，得到復合支架。對上述骨水泥在模擬體液進行試驗，將自成孔磷酸鈣骨水泥支架置于模擬體液 中浸泡3-14天，交聯明膠經過降解，可自發成孔，獲得孔隙率為36-81 %，大孔直徑范圍為 100-300 μ m，具有貫穿性微孔的支架，當孔隙率為71%時，支架抗壓強度可達8. IMPa，大于 8MPa的應用要求；支架由Ca/P比為1. 47-1. 62的磷灰石組成。α -磷酸鈣骨水泥(CPC)粉末的配置采用本申請人的專利CN133842425A和 CN101143718公開的方法制備。本發明獲得的自成孔磷酸鈣骨水泥支架具有十分顯著的優點通過加入適量的半水硫酸鈣可以修正因交聯明膠的引入導致磷酸鈣骨水泥固 化時間延長的特點，半水硫酸鈣與骨水泥粉末質量比為1 9時，固化時間縮短至20分 鐘，可滿足手術操作需要；隨戊二醛溶液加入量及濃度的不同，可以對磷酸鈣骨水泥的降 解時間加以調控；部分水解產物磷灰石為針狀形貌，在孔隙率為71%的條件下，抗壓強度 平均值可提高至8. IMPa ；支架中的明膠通過降解，使獲得的支架的孔隙率高、大孔直徑在 100-300 μ m之間，形態分布均勻，有利于骨組織和其它有機組織的長入，大孔之間有貫穿式 納米通孔，可促進體液循環，并加速支架的降解，促進骨修復；自成孔磷酸鈣骨水泥支架中 的交聯明膠在模擬體液中降解后所獲得的支架，其抗壓強度高，在體內可起到很好的支撐 作用，本發明制備的自成孔磷酸鈣骨水泥支架可作為人體硬組織的修復材料。


圖1為本發明實施例1制得的自成孔磷酸鈣骨水泥支架在模擬體液中浸泡14天 后的X衍射圖譜，揭示支架由半水硫酸鈣和羥基磷灰石組成；圖2為本發明實施例2制得的骨水泥在降解14天后支架測試抗壓強度，獲得的應 力-應變曲線圖，揭示支架在具有高強度的同時，斷裂類型也在向塑性轉變；
圖3為本發明實施例3制得的自成孔磷酸鈣骨水泥支架的掃描電鏡像片，揭示了 支架交聯明膠降解徹底，具有高孔隙率，且貫通性良好。
具體實施例方式實施例1步驟一骨水泥復合粉末的配置骨水泥復合粉末包括半水硫酸鈣(α -CaSO4 · 1/2Η20)和磷酸三鈣骨水泥粉末。以 總質量為25克，按質量比為3 97稱取0.75克α-CaSO4 ·1/2Η20和24. 25克α-磷酸三 鈣骨水泥粉末。其中α -磷酸三鈣骨水泥粉末包括α -磷酸三鈣(α "TCP) Xa(H2PO4)2 -H2O, 碳酸鈣和羥基磷灰石粉末，按質量比為86 5 5 4;稱取20. 86克α-TCP粉末、1.21 克分析純的Ca (H2PO4) 2 -H20,1. 21克分析純的CaCO3和0. 97克羥基磷灰石粉末配置骨水泥， 將骨水泥復合粉末在瑪瑙碾缽中均勻研磨、待用。α-磷酸三鈣粉末和羥基磷灰石粉末的具 體制備過程可以分別按照本發明人的專利CN133842425A和CN101143718公開的方法制備。步驟二 自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備將1. 25g明膠以及0. 2g NaH2PO4溶于溫度為40°C的去離子水中，配制明膠濃度為 0. 05g/mL, NaH2PO4濃度為0. 008g/mL的25mL混合調和液；將步驟一中的骨水泥復合粉末全 部加入到混合調和液中，混合均勻后得到lg/mL混合骨水泥初漿，即刻加入質量百分數為 25戊二醛溶液5mL，繼續加熱，交聯5min，得到磷酸鈣骨水泥的混合漿；取此混合漿1. Og填 入金屬模具中，60s后取出，放入溫度為37°C、濕度為100%的恒溫箱中固化，28min完全固 化；然后置于37°C，pH = 7. 4的模擬體液中，14天后交聯明膠降解率達到90%以上，骨水泥 支架的孔隙率為59士3. 2%，貫通性好，抗壓強度平均值為13. 8MPa，用X射線分析骨水泥在 模擬體液中水化14天后所得支架的組成，圖1的衍射圖譜揭示支架由半水硫酸鈣和羥基磷 灰石組成。實施例2 步驟一骨水泥復合粉末的配置除了半水硫酸鈣(α -CaSO4 · 1/2Η20)與磷酸三鈣骨水泥粉末的混合比率不同之 夕卜，其余的制備方法與實施例1的步驟一相同。以總質量為25克，按質量比為5 95稱 取1. 25克α -CaSO4 · 1/2Η20和23. 75克α -磷酸三鈣骨水泥粉末。其中磷酸三鈣骨水泥 粉末包括α-磷酸三鈣(a-TCP)、Ca(H2P04)2*H20、碳酸鈣和羥基磷灰石粉末，按質量比為 86 5 5 4;稱取 20. 42 克 α-TCP 粉末、1. 19 克分析純的 Ca(H2PO4)2 · H20、1. 19 克分 析純的CaCO3和0. 95克羥基磷灰石粉末配置骨水泥，將骨水泥復合粉末在瑪瑙碾缽中均勻 研磨、待用。步驟三自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備將2.5g明膠以及0.208g NaH2PO4溶于溫度為40°C的去離子水中，配制明膠濃度為
0.12g/mL, NaH2PO4濃度為0. 01g/mL的20. 8mL混合調和液；將步驟一中的骨水泥復合粉末 全部加入到混合調和液中，混合均勻后后得到1. 2g/mL混合骨水泥初漿，即刻加入質量百 分數為30戊二醛溶液10mL，繼續加熱，交聯8min，得到磷酸鈣骨水泥的混合漿；取此混合漿
1.Og填入金屬模具中，60s后取出，放入溫度為37°C、濕度為100%的恒溫箱中固化，20min 完全固化；然后置于37°C，pH = 7. 4的模擬體液中，14天后交聯明膠降解率達到90%以上，骨水泥支架的孔隙率為71 士4. 6%，貫通性好，抗壓強度平均值為8. IMPa(如圖2所示)。實施例3 步驟一骨水泥復合粉末的配置
除了半水硫酸鈣(α -CaSO4 · 1/2Η20)與磷酸三鈣骨水泥粉末的混合比率不同之 夕卜，其余的制備方法與實施例1的步驟一相同。以總質量為25克，按質量比為20 80 稱取5克α -CaSO4 · 1/2Η20和20克α -磷酸三鈣骨水泥粉末。其中磷酸三鈣骨水泥粉 末包括α-磷酸三鈣(α-TCP)、Ca(H2PO4)2* Η20、碳酸鈣和羥基磷灰石粉末，按質量比為 86 5 5 4;稱取17. 2克α-TCP粉末、1克分析純的Ca(H2PO4)2* H2OU克分析純的 CaCO3和0. 8克羥基磷灰石粉末配置骨水泥，將骨水泥復合粉末在瑪瑙碾缽中均勻研磨、待 用。步驟三自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備將3. 4g明膠以及0. 21g NaH2PO4溶于溫度為40°C的去離子水中，配制明膠濃度為
0.2g/mL, NaH2PO4濃度為0. 012g/mL的17mL混合調和液；將步驟一中的骨水泥復合粉末全 部加入到混合調和液中，混合均勻后后得到1. 5g/mL混合骨水泥初漿，即刻加入質量百分 數為50戊二醛溶液15mL，繼續加熱，交聯lOmin，得到磷酸鈣骨水泥的混合漿；取此混合漿
1.Og填入金屬模具中，60s后取出，放入溫度為37°C、濕度為100%的恒溫箱中固化，17min 完全固化；然后置于37°C，pH = 7. 4的模擬體液中，14天后交聯明膠降解率達到90%以上 (如圖3所示)，骨水泥支架的孔隙率為81 士6. 3%，貫通性好，抗壓強度平均值為5. 3MPa。
權利要求
一種自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法，其特征在于步驟如下1)混合骨水泥粉末的制備按半水硫酸鈣和磷酸三鈣骨水泥粉末的質量比為(5～20)∶(95～80)稱取相應物質，混合均勻獲得混合骨水泥粉體.；2)混合調和液的制備照質量百分明膠5～20NaH2PO4 0.8～1.2水 余量，在45～50℃將明膠和NaH2PO4在水中加熱攪拌，直至明膠及NaH2PO4完全溶解，形成混合調和液；3)自成孔高力學性能磷酸鈣骨水泥支架的制備將步驟1)的混合骨水泥粉體與步驟2)的溶液均勻混合，使單位混合調和液體積中的骨水泥粉末質量為1～1.5g/mL，隨即加入濃度為25～50％的戊二醛水溶液，按混合調和液中明膠含量與戊二醛溶液中戊二醛含量質量比(50～31)∶(50～69)使明膠交聯5～10分鐘，最終得到混合骨水泥粉末漿體，將混合骨水泥粉末漿體注入鋼模中，在室溫下調和60～90s，取出后于37℃恒溫、濕度為100％的條件下固化1～2h，得到復合支架。
全文摘要
本發明涉及一種自成孔磷酸鈣骨水泥支架的制備方法，1)將半水硫酸鈣和磷酸三鈣骨水泥粉末混合均勻獲得混合骨水泥粉體；2)將明膠、NaH2PO4和水，在45～50℃將明膠和NaH2PO4在水中加熱攪拌，直至明膠及NaH2PO4完全溶解，形成混合調和液；3)將步驟1)的混合骨水泥粉體與步驟2)的溶液均勻混合，隨即加入濃度為25～50％的戊二醛水溶液，將混合骨水泥粉末漿體注入鋼模中，在室溫下調和60～90s，取出后于37℃恒溫、濕度為100％的條件下固化1～2h，得到復合支架。在孔隙率為71％的條件下，抗壓強度平均值可提高至8.1MPa；支架的孔隙率高、大孔直徑在100-300μm之間，其抗壓強度高，在體內可起到很好的支撐作用，本發明制備的自成孔磷酸鈣骨水泥支架可作為人體硬組織的修復材料。
文檔編號A61L27/12GK101843920SQ20101020189
公開日2010年9月29日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者盧姍姍, 竇英, 翟羽佳, 蔡舒 申請人:天津大學