矿化胶原复合骨粘合及填充材料的制作方法
【专利摘要】针对目前临床使用的PMMA骨水泥硬度太大、生物相容性不佳的问题，本发明提供了一种矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料。矿化胶原采用体外仿生矿化技术制备而成，具有纳米钙磷盐和胶原分子自组装而成的化学组成和结构，从而具备与人体天然骨相似的仿生矿化结构和机械性能、良好的生物相容性和成骨活性，以及可生物降解性。实施本发明，可以获得兼具高抗压强度和低弹性模量，且生物相容性较单纯PMMA骨水泥得到显著改善的矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料。该骨粘合及填充材料降低了患者自体骨受到磨损的风险，也可以有效避免植入假体因挤压而遭到损坏；且该骨粘合及填充材料能够与自体骨形成骨性结合，有利于提高骨粘合及填充材料在植入部位的稳定性，从而有效减少并发症的产生，具有广阔的临床应用前景。
【专利说明】矿化胶原复合骨粘合及填充材料
【技术领域】
[0001]本发明属于生物医用材料领域，涉及一种骨粘合及填充材料，具体涉及一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料。
【背景技术】
[0002]聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)是骨科手术中普遍应用的一种骨粘合及填充材料，也被称为骨水泥，例如用于人工关节置换术中假体的固定、经皮椎体成形术(percutaneous vertebroplasty, PVP)治疗椎体压缩性骨折等等。PMMA骨水泥已经被用于临床几十年，其安全性、有效性和长期效果已经获得大量理论研究证明和临床实践证实。
[0003]然而，国内外陆续有报道称PMMA骨水泥在手术后会引起一些并发症，如PVP术后造成相邻椎体再骨折、关节置换术后骨水泥损坏假体关节柄等。这些并发症主要是由PMMA骨水泥的机械性能和生物相容性两方面因素共同造成的。机械性能方面，现有PMMA骨水泥产品的固化体弹性模量过高，会使与骨水泥接触的自体骨或植入假体产生磨损甚至碎裂。例如PVP用PMMA骨水泥固化体弹性模量通常可达2~3 GPa，远高于人椎体松质骨弹性模量的0.05~0.8 GPa。生物相容性方面，PMMA的生物相容性源于其生物惰性，因此PMMA骨水泥与自体骨组织无法形成骨性结合，骨水泥固化体在植入部位易发生松动甚至脱落。例如PVP术后，骨水泥固化体在椎体内产生游离，甚至脱离出椎体外。因此，现有PMMA骨水泥产品在临床应用中还存在较大缺陷，易导致多方面并发症的产生，最终不得不通过二次手术进行翻修。`
[0004]目前，人们已经在PMMA骨水泥改性研究方面进行了一些探索。有研究者使用羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)及含银羟基磷灰石对PMMA骨水泥进行改性,在生物相容性上获得了一定改善；然而HA的掺入使得PMMA骨水泥机械性能大幅下降，掺入的HA达到20%会使PMMA骨水泥抗压强度下降超过35%，从而低于ISO 5833规定的PMMA骨水泥固化体最小抗压强度70 MPa。有研究者从改变PMMA骨水泥的单体成分入手进行改性研究，在骨水泥的液体组分中添加N-甲基吡咯烧酮(N-methyl pyrrolidone, NMP),然而该改性方法在显著下调骨水泥固化体弹性模量的同时，也严重影响了其抗压强度，无法满足临床要求，且NMP的掺入存在引发中枢神经系统病变的风险，产品生物安全性还有待进一步评价。还有研究者使用生物玻璃和壳聚糖对PMMA骨水泥进行改性，获得了较好的生物相容性改善效果，然而却使骨水泥固化体抗压强度降至50 MPa以下，不符合ISO标准的规定和临床要求。
[0005]综上所述，目前临床使用的PMMA骨水泥产品存在固化体弹性模量太高、生物相容性不佳等缺点，现有研究对PMMA骨水泥机械性能和生物相容性的改性效果不理想，尚不能提供兼具高抗压强度和低弹性模量，且生物相容性较单纯PMMA骨水泥得到显著改善的骨水泥产品。
【发明内容】
[0006]针对上述现有PMMA骨水泥产品的不足，本发明提供一种矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料。矿化胶原(mineralized collagen, MC)采用体外仿生矿化技术制备而成，具有纳米钙磷盐和胶原分子自组装而成的化学组成和结构，从而具备与人体天然骨相似的仿生矿化结构和机械性能、良好的生物相容性和成骨活性，以及可生物降解性。利用矿化胶原与PMMA复合制备新型骨粘合及填充材料，其固化体的弹性模量较现有PMMA骨水泥产品显著降低，并具有更好的生物相容性和骨整合能力。
[0007]本发明提供的矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料，包括粉剂和液体两部分。其中，粉剂包括矿化胶原、预聚合PMMA粉末、聚合反应引发剂，液体包括甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate, MMA)单体、聚合反应促进剂、稳定剂。粉剂还可以包括造影剂、着色剂，液体还可以包括着色剂。所述粉剂和液体的比例为1.5~3 g/mL。
[0008]所述粉剂中，
矿化胶原的含量为所述粉剂的5~30 wt%,
预聚合PMMA粉末的含量为所述粉剂的70~95 wt%,
聚合反应引发剂的含量为所述粉剂的0.3~0.8 wt% ；
所述液体中，
MMA单体的含量为所述液体的98 土 I vol%，
聚合反应促进剂的含量为所述液体的2 土 I vol%,
稳定剂在所述液体中 的含量为10~100 ppm。
[0009]当所述粉剂中包括造影剂时，
造影剂的含量为所述粉剂的5~40 wt%。
[0010]所述矿化胶原为胶原/羟基磷灰石复合固体颗粒，粒径为50~600 μ m。
[0011]所述矿化胶原还可以包括钙磷材料、聚酯作为增强成分。
[0012]所述矿化胶原，其制备方法包括以下操作步骤:
步骤S1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为 5.0XlO-5 ~5.0XlO-3 g/mL ；
步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01~0.16 mo I ；
步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1~2/1 ；
步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH = 6~8，当pH=5~6时,混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时,混合体系出现白色悬池液；
步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉体；
步骤S6、称取一定量步骤S5获得的矿化胶原粉体，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在矿化胶原粉体上的压强达到900~1200 MPa，保持压力30~300秒，脱模得到矿化胶原块；
步骤S7、将步骤S6制得的矿化胶原块研磨并过筛，筛分出所需粒径的矿化胶原颗粒。
[0013]所述矿化胶原，其制备方法中，步骤S6还可以为:
步骤S6、称取一定量步骤S5获得的矿化胶原粉体，与一定量钙磷材料粉末和/或聚酯粉末均匀混合后，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在物料上的压强达到600~1200 MPa，保持压力30~300秒，保持压力的同时对模具加热，使模具中物料的温度达到70~220 ° C，保持压力结束后自然降温冷却，脱模得到矿化胶原块。
[0014]所述钙磷材料包括羟基磷灰石、α -磷酸三钙、β -磷酸三钙、磷酸八钙、无定形磷酸钙，粒径为20 nm~10 μm。
[0015]所述聚酯包括聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯，分子量为50, 000 ~800，000，粒径为1~200 μm。
[0016]所述矿化胶原/钙磷材料/聚酯混合物中，
矿化胶原含量为10~75 wt% ；
钙磷材料含量为10~40 wt% ；
聚酯含量为10~60 wt%。
[0017]所述预聚合PMMA粉末，其分子量为150,000~600，000，粒径为50~300 μπι。
[0018]所述聚合反应引发剂为能够引发MMA进行自由基聚合反应合成PMMA的物质，优选地，该引发剂为过氧化苯甲酰(benzoyl peroxide, ΒΡΟ)。
[0019]所述造影剂为不透X射线的粉末物质。优选地，该造影剂为氧化锆(Zr02)、硫酸钡(BaSO4)或羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA),粒径为 0.5 ~2 μ m。
[0020]所述聚合反应促进剂为能使MMA的自由基聚合反应持续进行合成PMMA的物质。优选地，该促进剂为N, N-二甲基对甲苯胺(N, N-dimethyl-p-toluidine, DMPT)。
[0021]所述稳定剂为能够阻止MMA过早发生聚合反应的物质。优选地，该稳定剂为对苯二酌.(hydroquinone, HQ)。
[0022]所述着色剂为具有良好生物相容性的脂溶性染料，该染料能够溶解在MMA单体中。优选地，该着色剂为叶绿素(chlorophyll, CP)。
[0023]使用本发明的矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料，将所述粉剂和液体按照1.5~3 g/mL的比例混合在一起，快速搅拌后经过2~5分钟等待时间，即可进行填塞或注射操作。该矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料的典型工作时间为5~12分钟，固化时间为10~20分钟。
[0024]该矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料固化24小时时固化体的典型抗压强度为70~100 MPa，压缩模量为0.7~1.5 GPa，弯曲强度为40~60 1^&，弯曲模量为1.7~
2.5 GPa0
[0025]实施本发明，可以获得兼具高抗压强度和低弹性模量，且生物相容性较单纯PMMA骨水泥得到显著改善的矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料。在机械性能方面，该新型材料较单纯PMMA骨水泥更复合人体骨组织的力学特性，降低了自体骨受到磨损的风险，也可以有效避免植入假体因挤压而遭到损坏。在生物相容性方面，矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料富含具有良好成骨活性的矿化胶原，能够与自体骨形成骨性结合，有利于提高骨粘合及填充材料在植入部位的稳定性，从而使得该新型材料的使用更安全可靠。因此，本发明提供的矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料优势明显，能够有效减少目前PMMA骨水泥并发症的产生，具有广阔的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】[0026]图1为本发明所述矿化胶原制备工艺流程图；
图2为本发明所述矿化胶原复合PMMA骨粘合及填充材料和纯PMMA骨水泥抗压实验的应力-应变曲线对比；
图3为本发明所述纯PMMA骨粘合及填充材料固化体的剖面观察；
图4为本发明所述骨粘合及填充材料固化体的剖面观察；
图5为本发明所述骨粘合及填充材料固化体的扫描电镜观察；
图6为本发明所述骨粘合及填充材料的生物相容性细胞评价实验结果。
【具体实施方式】
[0027]为了更好的说明本发明的内容，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0028]图1所示为本发明所述矿化胶原制备工艺流程图。根据图1所示步骤，采用不同工艺制备出4种矿化胶原颗粒。
[0029]工艺1:纯矿化胶原颗粒(MC)
步骤S1、将5 g胶原溶于10 L浓度为0.5 mol/L的醋酸溶液，配制成胶原的酸溶液； 步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加I L浓度为I mol/L的CaCl2溶液； 步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加I L浓度为0.6 mol/L的Na2HPO4溶液； 步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加I mol/L的NaOH溶液至混合体系pH =
7 ；
步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置48小时，过滤出沉淀，并用去离子水离心洗涤5次，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉；
步骤S6、称取6 g步骤S5所得的矿化胶原粉，装入直径11 mm的模具凹槽中，向模具加压并达到100 kN，保持压力90秒，脱模后获得矿化胶原块；
步骤S7、将步骤S6制得的矿化胶原块进行研磨，并使用50 μπι、200 μπι、300 μπι、400μ m>500 μ m>600 μ m的不锈钢筛筛分出一系列不同粒径的矿化胶原颗粒。
[0030]工艺2:钙磷材料增强矿化胶原颗粒(MC/CaP)
步骤SI~S5同上述工艺I所述步骤SI~S5 ;
步骤S6、称取4.5 g步骤S5所得的矿化胶原粉，与1.5 g粒径200 nm~I μ m的羟基磷灰石粉末均匀混合后，装入直径11 _的模具中，然后向模具加压并达到110 kN，保持压力180秒，脱模得到矿化胶原块；
步骤S7同上述工艺I所述步骤S7。
[0031]工艺3:聚酯增强矿化胶原颗粒(MC/PET)
步骤SI~S5同上述工艺I所述步骤SI~S5 ;
步骤S6、称取4.5 g步骤S5所得的矿化胶原粉，与1.5 g粒径50~150 μ m的聚乳酸粉末均匀混合后，装入直径11 mm的模具中，然后向模具加压并达到65 kN，保持压力45秒，同时对模具加热，使模具中物料的温度达到180 ° C，保持压力结束后自然降温冷却，脱模得到矿化胶原块；
步骤S7同上述工艺I所述步骤S7。
[0032]工艺4:韩磷/聚酯复合增强矿化胶原颗粒(MC/CaP/PET)步骤SI~S5同上述工艺I所述步骤SI~S5 ;
步骤S6、称取4 g步骤S5所得的矿化胶原粉，与I g粒径200 nm~2 μ m的羟基磷灰石粉末、I g粒径50~150 μπι的聚乳酸粉末均匀混合后，装入直径11 mm的模具中，然后向模具加压并达到75 kN，保持压力45秒，同时对模具加热，使模具中物料的温度达到200° C，保持压力结束后自然降温冷却，脱模得到矿化胶原块；
步骤S7同上述工艺I所述步骤S7。
[0033]上述4种工艺制备的矿化胶原颗粒编号如表1所列。
[0034]表1不同工艺制备的矿化胶原颗粒编号
【权利要求】
1.一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，包括粉剂和液体两部分，粉剂包括矿化胶原、预聚合聚甲基丙烯酸甲酯粉末、聚合反应引发剂，液体包括甲基丙烯酸甲酯单体、聚合反应促进剂、稳定剂，粉剂还包括造影剂、着色剂，液体还包括着色剂，所述粉剂和液体的比例为1.5~3.0 g/mL，其中， 所述粉剂中， 矿化胶原的含量为所述粉剂的5~30 wt%, 预聚合聚甲基丙烯酸甲酯粉末的含量为所述粉剂的70~95 wt%, 聚合反应引发剂的含量为所述粉剂的0.3~0.8 wt% ； 所述液体中， 聚甲基丙烯酸甲酯单体的含量为所述液体的98 土 I vol%， 聚合反应促进剂的含量为所述液体的2 土 I vol%, 稳定剂在所述液体中的含量为10~100 ppm； 当所述粉剂中包括造影剂时，造影剂的含量为所述粉剂的5~40 wt%。
2.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述矿化胶原为胶原/羟基磷灰石复合固体颗粒，粒径为50~600 μπι。
3.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述矿化胶原为胶原/羟基磷灰石复合固体颗粒，粒径为200~500 μπι。
4.根据权利要求2、3任意一条所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述矿化胶原包括钙磷粉体、聚酯作为增强成分。
5.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述预聚合聚甲基丙烯酸甲酯粉末，其分子量为150,000~600，000，粒径为50~300 μ mD
6.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述预聚合聚甲基丙烯酸甲酯粉末，其分子量为300，000~500，000，粒径为50~200 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述聚合反应引发剂为能够引发甲基丙烯酸甲酯进行自由基聚合反应合成聚甲基丙烯酸甲酯的物质，优选地，该引发剂为过氧化苯甲酰。
8.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述造影剂为不透X射线的粉末物质，优选地，该造影剂为氧化锆、硫酸钡或羟基磷灰石，粒径为0.5~2 μm。
9.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述聚合反应促进剂为能使甲基丙烯酸甲酯的自由基聚合反应持续进行合成聚甲基丙烯酸甲酯的物质，优选地，该促进剂为N，N- 二甲基对甲苯胺。
10.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述稳定剂为能够阻止甲基丙烯酸甲酯过早发生聚合反应的物质，优选地，该稳定剂为对苯二酹。
11.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，使用本发明的骨粘合及填充材料，将所述粉剂和液体按照1.5~3 g/mL的比例混合在一起，快速搅拌后经过2~5分钟等待时间，即可进行填塞或注射操作。
12.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，该骨粘合及填充材料典型的工作时间为5~12分钟，固化时间为10~20分钟。
13.根据权利要求1所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，该骨粘合及填充材料固化24小时时固化体的典型抗压强度为70~100 MPa,压缩模量为0.7~1.5 GPa，弯曲强度为40~60 MPa，弯曲模量为1.7~2.5 GPa0
14.根据权利要求2、3任意一条所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述矿化胶原制备方法包括以下操作步骤: 步骤S1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为 5.0XlO-5 ~5.0XlO-3 g/mL ； 步骤S2、持续搅拌步骤SI所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01~0.16 mo I ； 步骤S3、持续搅拌步骤S2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤S2中钙离子加入量的摩尔比为Ca/P = 1/1~2/1 ； 步骤S4、持续搅拌步骤S3所得溶液，缓慢滴加NaOH溶液至混合体系pH = 6~8，当pH=5~6时,混合体系开始出现沉淀，当pH = 7时,混合体系出现白色悬池液； 步骤S5、将步骤S4所得混合体系静置24~120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉体； 步骤S6、称取一定量步骤S5获得的矿化胶原粉体，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在矿化胶原粉体上的压强达到900~1200 MPa，保持压力30~300秒，脱模得到矿化胶原块； 步骤S7、将步骤S6制得的矿化胶原块研磨并过筛，筛分出所需粒径的矿化胶原颗粒。
15.根据权利要求14所述的矿化胶原制备方法，其特征在于，步骤S6还为: 步骤S6、称取一定量步骤S5获得的矿化胶原粉体，与一定量钙磷材料粉末和/或聚酯粉末均匀混合后，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在物料上的压强达到600~1200 MPa，保持压力30~300秒，保持压力的同时对模具加热，使模具中物料的温度达到70~220 ° C，保持压力结束后自然降温冷却，脱模得到矿化胶原块。
16.根据权利要求14所述的矿化胶原制备方法，其特征在于，所述钙磷材料包括羟基磷灰石、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸八钙、无定形磷酸钙，粒径为20 nm~10 μπι。
17.根据权利要求14所述的矿化胶原制备方法，其特征在于，所述聚酯包括聚乳酸、聚羟基乙酸、乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯，分子量为50，000~800，000，粒径为I~200 μ m。
18.根据权利要求14所述的矿化胶原制备方法，其特征在于，所述矿化胶原/钙磷材料/聚酯混合物中， 矿化胶原含量为10~75 wt% ； 钙磷材料含 量为10~40 wt% ； 聚酯含量为10~60 wt%。
19.根据权利要求2、3任意一条所述的一种矿化胶原复合聚甲基丙烯酸甲酯骨粘合及填充材料，其特征在于，所述矿化胶原为通过权利要求12~16任意一条所述方法所制备的颗 粒。
【文档编号】A61L27/50GK103800946SQ201410040803
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】仇志烨, 王昶明, 崔福斋 申请人:北京奥精医药科技有限公司