具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料及制备方法
【专利摘要】本发明是一种具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料及制备方法，所述的骨科器械材料是由医用纯镁或镁合金和可吸收高分子聚合物复合而成，纯镁或镁合金表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其中纯镁或镁合金的体积分数为1％～99％，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为1～100μm，层厚为1～100μm，在该多孔陶瓷层的表面是以明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层。使用过程中该骨科器械能缓慢释放出具有杀菌作用的铜离子和促进骨生长的骨形态发生蛋白，该骨科器械可以应用于各种骨损伤的修复及固定，应用前景广阔。
【专利说明】具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械，该骨科器械在体内环境下能完全降解吸收，并且降解过程中缓慢释放出可促进骨生长的骨形态发生蛋白以及杀菌作用的铜离子，适用于人体内各种骨损伤的修复及固定，属于骨科器械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]近些年来，可降解的骨损伤修复及固定材料因无需二次手术取出和优良的生物相容性得到越来越多的关注，公开专利CN102764454A以及公开专利CN102871715A都提及一种镁合金增强高分子聚合物的可降解吸收骨科固定器械，这类骨科固定器械具有优良的固定效果以及可降解特性。但是对于骨损伤治愈过程来说，除了固定效果外，往往还希望器械能够促进骨组织生长，从而减少治愈的时间。此外，器械使用过程中的细菌感染也是需解决的问题。
[0003]骨形态发生蛋白(BMP)能够诱导血管周围及结缔组织中的未分化间充质细胞向骨和软骨细胞方向分化，从而形成骨组织。它具有高效成骨活性，可以降低骨折发生骨不连的几率，提高骨折治愈的效果及成功率，此外BMP具有良好的抗高温能力，能耐55?75°C高温，但在 pH 值大于 8.5 环境中会失效(UristMR, etal.Science, 220 (1983): 680-686)。BMP不能单独制成骨的形状，必须依靠其他支撑材料成型后才能使用。此外，由于BMP不溶于水及乙醇，常将BMP溶于盐酸胍溶液，再采用浸溃方法负载到载体材料上，由于浸溃过程中BMP与载体材料只是简单的物理接触，导致BMP吸附率低，无法充分发挥BMP的积极效果。因此选择合适的载体材料以及负载方法将BMP吸附后再植入骨缺损区是其充分发挥作用的关键。
[0004]此外，对于骨科植入器械来说，如何降低使用过程中的细菌感染是临床需解决的主要问题之一。铜离子的杀菌作用以及促进胶原质沉积和血管再生的功能(CatherineGerard, etal.B1materials, 31 (2010):824-831)已经得到证实，若能将铜离子有效负载到骨科器械上，则骨科器械在使用过程中可以缓慢释放出铜离子，从而起到杀菌和促进血管再生作用，提高骨折治愈效果。
[0005]明胶是一种具有良好生物相容性和可降解特性的多肽分子混合物，它不溶于有机溶剂和冷水，但易溶于温水，并在冷却过程中形成胶体或凝胶。此外明胶是一种双性物质，当介质pH值高于等电点时带负电，而低于等电点是带正电，一般A型明胶的等电点介于6?9.5之间，而B型明胶的等电点一般为4.7?5.0,根据电泳理论,在电场作用下，带电的明胶胶体颗粒会发生定向运动并紧密负载到相应的电极上。此外明胶可以与铜离子形成络合物，并且PH值越高，越容易络合(唐世华，黄建滨.物理化学学报，2001, 17(10):875-878)。说明明胶可作为媒介有效负载BMP和铜离子。
[0006]综上所述，目前已报道的骨科器械不含促进骨生长功能和杀菌效果，负载BMP和铜离子可以使骨科器械具有上述功能，但是选择合适的载体材料以及合适的负载方法在不破坏BMP活性的前提下有效负载BMP和铜离子是亟需解决的问题。
【发明内容】
[0007]技术问题:本发明目的是提供一种具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械材料，即选用合适的载体材料以及负载技术，将能促进骨组织生长的BMP和杀菌作用的铜离子负载到可降解的骨科器械中，不降低BMP的活性，使器械在使用过程中能缓慢释放出BMP和铜离子。同时，在不破坏BMP活性前提下应尽可能提高BMP和铜离子的负载效果。因此本发明解决的关键技术包括负载载体材料的选择，BMP和铜离子的负载技术，及实现两者长期缓慢的释放。
[0008]技术方案:为实现上述目的，本发明具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械材料由医用纯镁或镁合金和可吸收高分子聚合物复合而成，纯镁或镁合金表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其中纯镁或镁合金的体积分数为1%?99%，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为I?100 μ m,层厚为I?100 μ m。
[0009]本发明具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械材料的制备方法如下:
[0010]I)选择合适的医用纯镁或镁合金，通过拉拔、轧制、挤压或压铸等方法制成丝材、板材或棒材，并加工成所需形状和结构；
[0011]2)选择微弧氧化、阳极氧化、磷化处理、电沉积、离子喷涂、化学转化、离子注入、溅射或气相沉积中的一种或多种方法在步骤I)得到的纯镁或镁合金表面制备出多孔陶瓷层；
[0012]3)将B型明胶溶于40?90°C蒸馏水中得到明胶溶液，加入碱性溶液调节溶液pH值为8.0?14.0，随后加入含铜离子溶液形成铜的络合物，之后加入酸性溶液调节溶液pH值为4.7?8.5，降低溶液温度至10?75°C后再加入骨形态发生蛋白搅拌均匀，得到明胶-骨形态发生蛋白-含铜络合物的混合溶液；
[0013]4)冷却步骤3)得到的混合溶液至10?50°C，插入电泳装置的电极，其中步骤2)得到的表面有多孔陶瓷层的纯镁或镁合金为阳极，石墨或钼为阴极，通电一定时间后断开电源，取出处理后的纯镁或镁合金烘干；
[0014]5)用有机溶剂溶解可吸收高分子聚合物形成浆料，采用浸涂、刷涂或喷涂的方法将高分子聚合物与步骤4)处理过的纯镁或镁合金复合，在10?75°C下采用模压、挤压或拉拔方法成型，再经机械加工成所需结构的骨科器械。
[0015]所述的可吸收高分子聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇或聚酰胺的一种或者其中两种或两种以上它们的共聚物或共混物。
[0016]有益效果:本发明的有益效果如下:
[0017]I)该器械同时具有可吸收、促进骨生长和杀菌等功能。将具有促进骨生长功能的BMP和杀菌功能的铜离子负载到骨科器械中，在器械使用过程中缓慢释放出BMP和铜离子，从而提高骨损伤治愈效果以及减少细菌感染。
[0018]2) BMP活性不被破坏。传统负载BMP方法通常先将BMP溶解于盐酸胍或尿素等有机试剂配成溶液，然后采用浸溃方法负载，这种负载引入新的有机溶剂，往往会增加器械的毒性,更重要的是这种方法可能改变BMP的构象，从而降低BMP的活性。而本发明中BMP粉末是弥散的分布与水溶液中，而无需引入其他有机试剂溶解，同时，BMP主要通过明胶粒子的物理包覆和吸附作用负载，不会破坏BMP的分子构象和活性。此外，由于BMP在pH值大于8.5环境中容易失效，对于B型明胶来说，其等电点一般为4.7?5.0，因此可以调节溶液pH高于B型明胶的等电点，同时低于BMP失效的pH值，从而充分发挥BMP的有益作用。
[0019]3)铜离子和BMP负载效果优良。铜离子与明胶在碱性作用下发生络合反应生成络合物，随后在冷却过程中得到载铜的明胶胶体颗粒。同时，在明胶胶体颗粒形成过程中会包覆BMP，并在随后的电泳运动中胶体颗粒进一步吸附弥散分布的BMP，在加速电场的作用下，带电的胶体颗粒可以紧密的沉积到作为阳极的纯镁或镁合金载体上，从而有效负载铜离子和BMP。此外，纯镁或镁合金载体材料表面多孔的陶瓷层又可以为负载提供高的比表面积，从而进一步提闻负载量。
[0020]4)铜离子和BMP能长期缓慢释放。由于明胶在人体环境中降解速度快，使得负载的铜离子和BMP释放速度较快，但是所述骨科器械中的可吸收高分子聚合物降解速度较慢，可以保护明胶，使铜离子和BMP能缓慢长期的释放，从而持续发挥作用。
[0021]5)不同性质高分子材料之间的协同效应。明胶具有比聚乳酸等其它可吸收高分子聚合物更好的亲水性，具有更好的细胞和组织相容性，同时，以明胶为载体的功能负载层在水分子的作用下，会自动形成粘性很大的明胶胶体，该胶体在体积膨胀以及其内部多孔陶瓷层和外部可降解高分子材料约束作用下，会自动渗透进入内部多孔陶瓷层和外部可降解高分子层的孔结构中，形成一种特殊的封孔自保护协同作用，从而有效控制BMP、铜离子释放速率以及骨科器械的降解速率，这种协同效应是单独使用可降解高分子材料所不具备的控制效果。
【具体实施方式】
[0022]本发明一种具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械通过下述技术方案实现:所述的骨科器械是由医用纯镁或镁合金和可吸收高分子聚合物复合而成，纯镁或镁合金表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其中纯镁或镁合金的体积分数为1%?99%，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为I?100 μ m，层厚为I?100 μ m，实施例1
[0023]具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨钉由医用纯镁棒材和可吸收高分子聚合物复合而成，纯镁表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其制备过程如下:
[0024]I)将直径为5mm的纯镁棒材加工成带螺纹和螺帽的骨钉；
[0025]2)对镁骨钉进行微弧氧化处理。选用电解液主要成分为10g/L硅酸钠、2g/LNa0H和8g/L羟基磷灰石纳米颗粒，将镁钉浸于其中，施加420V电压，进行15分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成一层富含氧化镁、硅酸镁、羟基磷灰石多孔陶瓷层，陶瓷层的平均微孔大小为8 μ m，平均层厚为20 μ m ;
[0026]3)取IgB型明胶溶于IL的75°C蒸馏水中得到明胶溶液，向溶液中加入适量的K2CO3溶液调节溶液pH值为11.0，接着加入10ml2g/L的Cu (NO3) 2溶液，搅拌30min后加入适量的KH2PO4溶液，调节pH值为6.5，冷却溶液至40°C，再加入0.0lgBMP粉末搅拌均匀，得到明胶-BMP-含铜络合物的混合溶液；
[0027]4)将步骤3)得到的混合溶液冷却至30°C—段时间得到胶体溶液，将电泳装置的电极放入溶液中，其中镁钉为阳极，钼为阴极，施加150V电压6min，关闭电源，取出镁钉烘干;
[0028]5)将溶有聚乳酸的氯仿溶液浸涂在步骤4)得到的镁钉表面，烘干形成所需骨钉。
[0029]实施例2
[0030]具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨板由医用AZ31B镁合金板材和可吸收高分子聚合物复合而成，AZ31B镁合金表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其制备过程如下:
[0031]I)将AZ31B镁合金热轧或切削加工成1.0mm厚的板材，并机械加工出所需形状和结构的骨板；
[0032]2)对镁合金骨板表面进行磷化处理，溶液为NH4H2P04120g/L，(NH4)2SO3.H2030g/L，氨水(30% )6mL/L，生成以镁的磷酸盐为主的多孔陶瓷层，陶瓷层的平均微孔大小为
10μ m，平均层厚为30μπι ;
[0033]3)取2gB型明胶溶于IL的80°C蒸馏水中得到明胶溶液，向溶液中加入适量的K2CO3溶液调节溶液pH值为11.5，接着加入10ml2g/L的Cu (NO3) 2溶液，搅拌30min后加入适量的KH2PO4溶液，调节pH值为7.0，冷却溶液至45°C，再加入0.0lgBMP搅拌均匀，得到明胶-BMP-含铜络合物的混合液；
[0034]4)将步骤3)得到的混合溶液冷却至30°C—段时间得到胶体溶液，将电泳装置的电极放入溶液中，其中镁合金骨板为阳极，石墨为阴极，施加80V电压7min，关闭电源，取出骨板烘干；
[0035]5)将溶有聚乳酸的氯仿溶液浸涂在步骤4)得到的镁合金骨板表面，烘干形成所需骨板。
[0036]实施例3
[0037]具有抗菌和促进骨生长功能的可吸收骨科器械由医用AZ31B镁合金丝材和可吸收聚乳酸和聚乙醇酸的共聚物(PLGA)复合而成，镁合金丝材表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其制备过程如下:
[0038]I)将AZ31B镁合金拉拔成直径为0.3mm的丝材；
[0039]2)对镁丝材进行微弧氧化处理。选用电解液主要成分为10g/L硅酸钠、2g/LNa0H，将镁丝材浸于其中，施加380V电压，进行10分钟的微弧氧化处理，使其表面原位生成一层富含氧化镁、硅酸镁多孔陶瓷层，陶瓷层的平均微孔大小为5 μ m，平均层厚为20μπι;
[0040]3)取3gB型明胶溶于IL的75°C蒸馏水中得到明胶溶液，向溶液中加入适量的K2CO3溶液调节溶液pH值为11.0，接着加入10ml2g/L的Cu(NO3)2溶液，搅拌15min后加入适量的KH2PO4溶液，调节pH值为7.0，之后冷却溶液至40°C，再加入0.02gBMP搅拌均匀，得到明胶-BMP-含铜络合物的混合液；
[0041]4)将步骤3)得到的混合液冷却至30°C —段时间得到胶体溶液，将电泳装置的电极放入溶液中，其中镁合金丝材为阳极，钼为阴极，施加100V电压8min，关闭电源，取出丝材烘干；
[0042]5)将溶有PLGA的氯仿浆料与步骤4)得到的丝材混合，在65°C拉拔成棒材，再经机械加工成所需结构的骨科器械。
[0043]上述实施方式只是本发明的几个实例，不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容作出的等效变化和修饰，均应包括在本发明申请专利范围内。
【权利要求】
1.一种具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料，其特征在于:所述的骨科器械材料是由医用纯镁或镁合金和可吸收高分子聚合物复合而成，纯镁或镁合金表面有多孔陶瓷层，在该多孔陶瓷层的表面是以B型明胶为载体并采用电泳-电沉积方法负载有骨形态发生蛋白和铜离子的功能负载层，其中纯镁或镁合金的体积分数为1%?99%，其表面多孔陶瓷层的微孔孔径为I?100 μ m，层厚为I?100 μ m。
2.一种具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料的制备方法，其特征在于具体的制备方法如下: 1)选择合适的医用纯镁或镁合金，通过拉拔、轧制、挤压或压铸等方法制成丝材、板材或棒材，并加工成所需形状和结构； 2)选择微弧氧化、阳极氧化、磷化处理、电沉积、离子喷涂、化学转化、离子注入、溅射或气相沉积中的一种或多种方法在步骤I)得到的纯镁或镁合金表面制备出多孔陶瓷层； 3)将B型明胶溶于40?90°C蒸馏水中得到明胶溶液，加入碱性溶液调节溶液pH值为8.0?14.0，随后加入含铜离子溶液形成铜的络合物，之后加入酸性溶液调节溶液pH值为4.7?8.5，降低溶液温度至10?75°C后再加入骨形态发生蛋白搅拌均匀，得到明胶-骨形态发生蛋白-含铜络合物的混合溶液； 4)冷却步骤3)得到的混合溶液至10?50°C，插入电泳装置的电极，其中步骤2)得到的表面有多孔陶瓷层的纯镁或镁合金为阳极，石墨或钼为阴极，通电一定时间后断开电源，取出处理后的纯镁或镁合金烘干； 5)用有机溶剂溶解可吸收高分子聚合物形成浆料，采用浸涂、刷涂或喷涂的方法将高分子聚合物与步骤4)处理过的纯镁或镁合金复合，在10?75°C下采用模压、挤压或拉拔方法成型，再经机械加工成所需结构的骨科器械。
3.根据权利要求2所述的具有抗菌和促进骨生长功能可吸收骨科器械材料的制备方法，其特征在于:所述的可吸收高分子聚合物为聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯、聚乙二醇或聚酰胺的一种或者其中两种或两种以上它们的共聚物或共混物。
【文档编号】A61L31/16GK104127916SQ201410337147
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】储成林, 李旋, 刘珣, 白晶, 郭超, 薛烽, 林萍华 申请人:东南大学