一種具有生物活性和抑菌性的復合骨水泥及制備方法和應用與流程
本發明屬于生物醫用材料領域，特別涉及一種具有生物活性和抑菌性的復合骨水泥及制備方法和應用。
背景技術：
硫酸鈣作為骨修復材料已有100多年的歷史，其具有可注射性、可降解性、良好的骨傳導性、良好的生物相容性等優點，而且其原料來源廣泛、成本低廉，具有較為優良的應用前景。但單純的硫酸鈣骨水泥固化時間過短，可操作性低，而且降解速率過快，無法與新骨的生長速率相匹配，易形成“骨真空區”，使其力學性能在降解過程中過快衰減而無法提供有效支持。研究發現，CaSO4的快速溶解可能是其在體內過快降解的主要原因。此外，硫酸鈣的骨誘導能力差，在植入初期不可以與植入處的骨組織形成緊密的生物化學界面聯系。因此，單純的CaSO4植入人體時沒有辦法滿足骨水泥材料的基本要求，在應用方面遇到了很多技術問題。
PEG是在生物醫藥領域應用較為廣泛的高分子有機物，其長鏈上含有豐富的羥基(-OH)和羧基(-COOH)，能夠與硫酸鈣中的Ca2+發生螯合作用，從而阻礙Ca2+與水的接觸，進而影響Ca2+的水化行為，然后就能夠對硫酸鈣骨水泥的固化行為實現控制。同時，向液相中添加有機高分子可以通過提高整個體系的粘稠度和穩定性來對骨水泥漿體的流變行為產生影響。并且相對于無機成分，有機高分子的降解速率較慢，具有良好的生物相容性。
羥基磷灰石與人體骨骼的無機成分類似，是一種應用廣泛的生物活性材料，但是在通常情況下，因為其結晶度較高，植入體內后比較穩定難降解，長期殘留于體內很容易成為感染源，使植入處發生炎癥反應，從而影響骨缺損部位的完全康復。同時很多研究表明，鍶作為人體內的一種必需的微量元素，可以通過取代羥基磷灰石中鈣的位置，使其發生晶格畸變，因而降低了其結晶性，改善其降解性。并且，鍶具有促進成骨細胞分化和抑制破骨細胞吸收的雙重作用，如果在摻鍶羥基磷灰石中加入銀，在保證骨水泥具有較好生物活性的同時還能夠具有較好的抗菌性，這種骨水泥產品在臨床上將會具有很好的應用前景。目前研究通常采用含10％鍶的摻鍶羥基磷灰石來應用于生物醫療領域。
技術實現要素：
根據現有所存在的技術問題，本發明主要想要制備一種具有相對適宜的固化時間和力學性能、降解速率與新骨生成速度較為匹配，并且具有良好的生物活性和抑菌性的骨水泥材料。
半水硫酸鈣晶體的水化反應過程主要就是鈣離子和硫酸根離子的溶出與再結晶和沉積的過程。當水化過程完成后，即半水硫酸鈣完全轉變為二水硫酸鈣，骨水泥呈現固化狀態不可以注射。因此，可以通過改變半水硫酸鈣的水化反應中鈣離子的行為來實現對硫酸鈣的固化過程的控制。
此外，PEG作為一種有機大分子聚合物，分子量的應用范圍很寬(從幾百到幾萬)，但是分子量較低的PEG的吸濕性較明顯，為了保證其穩定性，本實驗選用分子量較高的PEG。
而本發明中復合骨水泥的固相組分為半水硫酸鈣與銀鍶羥基磷灰石的混合物，因此適當提高羥基磷灰石中鍶的含量來保證其生物活性。
本發明的技術方案如下：
一種具有生物活性和抑菌性的骨水泥；其組成成分包括固相組分和液相組分，固相組分由兩種不同的無機鹽，半水硫酸鈣和銀鍶羥基磷灰石混合組成，其中半水硫酸鈣占固相的質量百分含量為70～90％，銀鍶摻雜羥基磷灰石占固相的質量百分含量為10～30％；液相組分為濃度為0.3wt.％～1.0wt.％的分子量為6000-10000的聚乙二醇水溶液。
所述銀鍶羥基磷灰石中的原子比為鈣：鍶：銀＝7.9：2：0.1。
本發明的具有生物活性和抑菌性的骨水泥中，銀鍶羥基磷灰石的制備方法是：
(1).配置硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀以及磷酸氫二銨水溶液；
(2).將步驟1)的硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀溶液依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調節pH為9.0～10.0攪拌。
(3).將步驟2)得到的溶液置于反應釜中，在150℃下反應后，依次用去離子水和無水乙醇洗滌，抽濾得到白色沉淀，再經干燥研磨的到銀鍶羥基磷灰石粉末；
(4).將固相成分和液相成分攪拌混合，得到骨水泥漿體；骨水泥漿體的固化時間在3～6分鐘；固相成分和液相成分均勻混合的固液比為2.0g/ml。
骨水泥漿體在固化之前為流動體，可以通過注射器注射到人體的骨缺損部位。
本發明的骨水泥的應用于微創手術中骨損傷修復材料。
納米銀具有良好的抗菌性，常被應用于生物醫療領域，對于大多數的耐藥菌株，也具有良好的抗性。研究認為納米銀的主要抗菌機制是銀能夠產生自由基來破壞細菌的生物膜，同時所釋放的銀離子可以通過干擾細菌DNA的復制來達到抑菌的效果。選擇銀在一個適當的濃度既可以保證其抑菌性又能使其生物毒性維持在一個可以接受的范圍內。
本發明的復合骨水泥在固化行為方面有良好的改善，因此增加了手術操作的便利，提高了手術的成功率，同時具有生物活性和抑菌性，因此，作為骨修復材料具有實用性和良好的應用前景。
附圖說明
圖1復合硫酸鈣骨水泥隨降解時間的失重情況。
如圖1所示，折線圖表明了液相中濃度為0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥試樣在不同降解時間的失重變化情況，隨液相PEG濃度的增大，復合骨水泥的降解速率減緩，有利于復合骨水泥在人體內的穩定存在。
圖2復合硫酸鈣骨水泥在不同降解時間的抗壓強度。
如圖2所示，柱形圖表明了液相中濃度為0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥試樣在不同降解時間的抗壓強度的變化情況，可以看到PEG濃度的升高有效增加了試樣的抗壓強度，使得復合骨水泥能夠在體內起到很好的支撐作用。
圖3復合硫酸鈣骨水泥降解28天時的微觀形貌。
圖3是液相中濃度為0、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG試樣在降解28天時的表面微觀形貌，可以看到隨著PEG濃度的增加，試樣表面趨于顆粒化，表面積增加，增大了骨水泥與骨組織的接觸面積，有利于發揮引導成骨作用。
圖4復合硫酸鈣骨水泥抑菌環測試結果。
如圖4所示為復合骨水泥試樣的在對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌兩種細菌進行抑菌環測試的結果，兩種細菌均有明顯的抑菌環，證明了復合骨水泥的抑菌性。
圖5復合硫酸鈣骨水泥細胞毒性測試結果。
如圖5所示為用MTT法對復合骨水泥試樣進行細胞毒性的測試結果，由此可見骨水泥試樣試樣可以促進細胞增殖，增加細胞的生物活性。
附表說明
表1復合硫酸鈣骨水泥的可注射時間。
表1表示含不同濃度PEG的復合骨水泥的可注射時間，隨PEG濃度的增加時間變長，增加了手術過程中的可操作性。
表2復合硫酸鈣骨水泥降解過程的pH。
表2表示降解過程中試樣pH的變化情況，可以看到含不同濃度的PEG的骨水泥試樣在降解過程中pH穩定于7.2-7.4，而人體體液環境pH大概在7.4，由此可見復合骨水泥對人體體液環境沒有明顯影響。
表3復合硫酸鈣骨水泥降解過程中鈣離子釋放情況。
表3表示含不同濃度PEG的骨水泥試樣在降解過程中鈣離子的釋放情況，鈣離子的釋放速率隨PEG濃度的升高而減緩，骨水泥試樣的降解速率減緩。
具體實施方式
本發明所制備得一種具有生物活性和抑菌性的骨水泥材料，主要分為固相組分和液相組分兩個組成成分。
其固相組分為半水硫酸鈣與銀鍶羥基磷灰石按質量比均勻混合的粉體。
其液相組分分別是濃度為0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％、1.0wt.％的PEG水溶液
下面結合實施例，對本發明的使用方法做進一步說明。本發明的保護范圍包含但不僅限于以下實施例。
實施例1：不同pH環境下的銀鍶羥基磷灰石的制備。
制備pH為9環境下的銀鍶羥基磷灰石：
(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、硝酸鍶(Sr(NO3)2)、硝酸銀(AgNO3)以及磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、水溶液。
(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調節pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應。
(3)、將混合均勻的溶液置于反應釜中，在150℃下反應6小時后取出，依次用去離子水和無水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。
(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結2h得到銀鍶羥基磷灰石。
制備pH為9.5環境下的銀鍶羥基磷灰石：
(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、硝酸鍶(Sr(NO3)2)、硝酸銀(AgNO3)以及磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、水溶液。
(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調節pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應。
(3)、將混合均勻的溶液置于反應釜中，在150℃下反應6小時后取出，依次用去離子水和無水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。
(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結2h得到銀鍶羥基磷灰石。
制備pH為10環境下的銀鍶羥基磷灰石：
(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O)、硝酸鍶(Sr(NO3)2)、硝酸銀(AgNO3)以及磷酸氫二銨((NH4)2HPO4)、水溶液。
(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調節pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應。
(3)、將混合均勻的溶液置于反應釜中，在150℃下反應6小時后取出，依次用去離子水和無水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。
(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結2h得到銀鍶羥基磷灰石。
通過后期對三種pH條件下所制得的銀鍶羥基磷灰石進行性能測試，發現所制得的銀鍶羥基磷灰石的強度較高，粒徑均勻，符合復合骨水泥的標準。選用pH＝9.5環境下制得的銀鍶羥基磷灰石作為固相組分與半水硫酸鈣混合，再與不同濃度的PEG液相混合制備骨水泥漿體。以下實施例將展現不同濃度的PEG液相對于骨水泥力學性能、微觀形貌、抑菌性和生物活性的影響。
實施例2：0wt.％PEG/硫酸鈣復合骨水泥的制備與表征。
按照0wt.％的質量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫攪拌約10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實端部處理平整，放置于37℃、100％相對濕度環境中使其固化，等復合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對濕度環境中，分別在第1、5、28天時將試樣從離心管中取出。進行可注射性能、力學強度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。
實施例3：0.3wt.％PEG/硫酸鈣復合骨水泥的制備與表征。
按照0.3wt.％的質量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫攪拌約10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實端部處理平整，放置于37℃、100％相對濕度環境中使其固化，等復合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對濕度環境中，分別在第1、5、28天時將試樣從離心管中取出。進行可注射性能、力學強度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。
實施例4：0.5wt.％PEG/硫酸鈣復合骨水泥的制備與表征。
按照0.5wt.％的質量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫攪拌約10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實端部處理平整，放置于37℃、100％相對濕度環境中使其固化，等復合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對濕度環境中，分別在第1、5、28天時將試樣從離心管中取出。進行可注射性能、力學強度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。
實施例5：0.7wt.％PEG/硫酸鈣復合骨水泥的制備與表征。
按照0.7wt.％的質量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫攪拌約10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實端部處理平整，放置于37℃、100％相對濕度環境中使其固化，等復合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對濕度環境中，分別在第1、5、28天時將試樣從離心管中取出。進行可注射性能、力學強度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。
實施例6：1.0wt.％PEG/硫酸鈣復合骨水泥的制備與表征。
按照1.0wt.％的質量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫攪拌約10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實端部處理平整，放置于37℃、100％相對濕度環境中使其固化，等復合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對濕度環境中，分別在第1、5、28天時將試樣從離心管中取出。進行可注射性能、力學強度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。
附表：
表1復合硫酸鈣骨水泥的可注射時間。
表2復合硫酸鈣骨水泥的不同降解時間的pH。
表3復合硫酸鈣骨水泥的不同降解時間的Ca2+濃度。
本發明公開和提出的一種具有生物活性和抑菌性的復合骨水泥的制備方法和應用，本領域技術人員可通過借鑒本文內容，適當改變條件路線等環節實現，盡管本發明的方法和制備技術已通過較佳實施例子進行了描述，相關技術人員明顯能在不脫離本發明內容、精神和范圍內對本文所述的方法和技術路線進行改動或重新組合，來實現最終的制備技術。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動對本領域技術人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發明精神、范圍和內容中。
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