一种含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥及其制备方法和应用与流程

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一种含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥及其制备方法和应用与流程

本发明涉及骨修复医用材料,特别涉及一种含魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥及其制备方法和应用。



背景技术:

随着微创手术的快速发展,在骨科临床中,对于椎体压缩性骨折、跟骨骨折、挠骨远端骨折等常见的骨折,只需将骨材料注射在治疗部位,就可得到比较理想的治疗效果。与大型开放手术相比,微创手术形成的伤口更小,不破坏移植部位的正常供血,减少术后并发症的发生,也更容易被病人接受。可注射骨修复材料具有良好的形状可塑性,能够充分填隙缺损部位,在体内原位凝结固化。目前,磷酸钙骨水泥的研究进展较快,已成为可注射骨替代材料的重要发展方向之一。

磷酸钙骨水泥(calciumphosphatecement,cpc)在1983年由brown和chow成功制备而成,它通常是指一类以两种或者两种以上磷酸钙盐为主要成分,与一定的比例的液相调和形成均匀的膏体,能够在室温条件下自行固化且具有一定强度的磷酸钙盐材料,其化学成分与骨组织的无机成分相近。cpc可原位自行凝结固化,无需预制成型和高温烧结,可任意塑形,适合填充于形状不规则或者形状较为复杂的缺损部位,且无毒无刺激,生物相容性良好。

抗溃散性一般是指在cpc在凝结固化过程中,在溶液环境中能够保持膏体形状完整、不会被周围液体冲散的能力,它是评价cpc手术操作性能的重要参数之一。然而,在实际外科手术应用中,cpc调成膏体植入体内时,植入部位往往存在血液。cpc与血液直接接触,一方面血浆中含有的某些离子以及蛋白质等有机物会阻碍羟基磷灰石的形成,延缓cpc的水化过程;另一方面,尚未完全固化凝结的cpc容易被周围大量液体侵蚀而发生溃散,无法保持形状完整。逸散的cpc颗粒有可能通过血液循环从植入部位流向体内其它组织器官,引发炎症反应,影响手术效果,严重时甚至会因产生栓塞而导致患者死亡。因此,解决抗溃散问题,能够提高cpc临床应用的安全性,扩宽cpc在骨科、整形外科、口腔以及脊柱外科等领域的应用范围。

在目前的研究中,为改善cpc的抗溃散性,通常会在cpc中添加高分子抗溃散剂。这些抗溃散剂的加入在一定程度上提高了cpc的抗溃散性,但往往会造成cpc可注射性能下降,凝结固化时间延长和抗压强度降低等问题,不利于cpc的临床应用。ishikawak等(ishikawak,miyamotoy,konm,etal.non-decaytypefast-settingcalciumphosphatecement:compositewithsodiumalginate[j].biomaterials.1995;16(7):527-532)在磷酸四钙-磷酸氢钙体系骨水泥中,以海藻酸钠溶液作为固化液,实验结果表明海藻酸钠明显提高了cpc的抗溃散性能,浆体能够在水中不发生溃散,并能正常固化,但海藻酸钙凝胶削弱了新生成的羟基磷灰石的相互连接,导致cpc固化后力学强度降低。在chiang等(chiangty,hocc,chendch,etal.physicochemicalpropertiesandbiocompatibilityofchitosanoligosaccharide/gelatin/calciumphosphatehybridcements[j].materialschemistryandphysics.2010;120(2):282-288)的研究中,利用明胶溶液作为cpc的固化液,使cpc的抗溃散性能有明显提高,但cpc的力学性能下降,且明胶对cpc的水化反应产生抑制作用,导致凝结时间延长。liujq等(liujq,lijy,yejd.propertiesandcytocompatibilityofanti-washoutcalciumphosphatecementbyintroducinglocustbeangum[j].journalofmaterialsscience&technology.2016;32(10):1021-1026)采用刺槐豆胶作为cpc的抗溃散剂,cpc能够在sbf溶液中保持完整形状,然而刺槐豆胶含量超过1.0%时,cpc的可注射性和抗压强度下降,凝结时间延长。chernga等(chernga,takagis,chowlc.effectsofhydroxypropylmethylcelluloseandothergellingagentsonthehandlingpropertiesofcalciumphosphatecement[j].journalofbiomedicalmaterialsresearchparta.1997;35(3):273-277)研究了羟甲基纤维素和羧甲基纤维素对cpc的固化性能、抗冲刷性能、可操作性能和力学性能的影响,发现羟甲基纤维素和羧甲基纤维素的加入使得cpc的抗冲刷性能与可操作性能有所提高,但延缓了cpc固化反应进程。

魔芋葡甘聚糖(konjacglucomannan,kgm)是一种由魔芋加工得到的水溶性、中性非离子型天然多糖。通常kgm分子在碱性条件下,经脱乙酰反应,失去乙酰基,分子间形成氢键,促使kgm部分结晶,水溶液状态向凝胶状态转化,形成具有三维结构的凝胶。kgm分子量比较大,且不带电荷,水化能力强,具有优良的增稠性能。

综上所述,由于魔芋葡甘聚糖具有许多优良的理化特性,其已经在各领域得到广泛应用,但迄今为止未见利用魔芋葡甘聚糖或其衍生物制备抗溃散磷酸钙骨水泥的报道。



技术实现要素:

本发明针对现有技术的不足,本发明的目的之一在于提供一种磷酸钙骨水泥,在显著提高磷酸钙骨水泥的抗溃散性的同时,提高磷酸钙骨水泥的可注射性,缩短其固化时间,且不显著降低其力学性能。本发明的目的之二在于提供上述抗溃散磷酸钙骨水泥的制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现:

一种含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥的制备方法,包括以下步骤:

(1)将魔芋葡甘聚糖或其衍生物加入到去离子水或者电解质溶液中,配制成为含魔芋葡甘聚糖质量百分比为0.2~3.0%的固化液;

(2)将步骤(1)中得到的固化液与磷酸钙骨水泥固体粉末混合均匀,调和形成膏体,即制得含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥。

步骤(1)所述魔芋葡甘聚糖衍生物是以魔芋葡甘聚糖为本体进行脱乙酰基、酯化、交联、氧化、接枝共聚或复合改性得到的魔芋葡甘聚糖衍生物。

步骤(1)所述电解质溶液为生理盐水、磷酸盐缓冲溶液、柠檬酸溶液或者柠檬酸钠溶液。

上一款所述磷酸盐缓冲溶液为磷酸二氢钠溶液、磷酸氢二钠溶液、磷酸二氢钾溶液或磷酸氢二钾溶液。

优选的,步骤(1)所述含魔芋葡甘聚糖质量百分比为1.0%的固化液。

步骤(2)所述固化液与磷酸钙骨水泥固体粉末的液固比为0.3:1~0.6:1ml/g。

优选的,步骤(2)所述固化液与磷酸钙骨水泥固体粉末的液固比为0.4:1~0.5:1ml/g。

步骤(2)所述磷酸钙骨水泥固体粉末指的是部分结晶磷酸钙-磷酸氢钙、α-磷酸三钙-磷酸氢钙-碳酸钙、α-磷酸三钙-磷酸钙氢二钙-碳酸钙、α-磷酸三钙-磷酸四钙-磷酸氢钙、磷酸四钙-磷酸氢钙、磷酸三钙-β-磷酸三钙-磷酸氢二钙或无定型磷酸钙-磷酸氢钙。

上述的方法制备得到的含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥可在骨损伤修复医用材料领域的应用。

与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:

(1)本发明首次将魔芋葡甘聚糖或其衍生物成功应用在磷酸钙骨水泥中,显著提高磷酸钙骨水泥的抗溃散性。

(2)本发明中魔芋葡甘聚糖或其衍生物的加入显著提高磷酸钙骨水泥的可注射性。

(3)本发明中魔芋葡甘聚糖或其衍生物的加入明显缩短磷酸钙骨水泥的凝结固化时间,且不会显著降低磷酸钙骨水泥的力学性能。

(4)本发明所取得的含魔芋葡甘聚糖或其衍生物的磷酸钙骨水泥具有良好的生物相容性。

(5)本发明提供的制备方法简单、易行、效果显著,

拓展魔芋葡甘聚糖和磷酸钙骨水泥的临床应用前景。

附图说明

图1是小鼠骨髓间充质干细胞(mbmscs)在实施例1制备的不含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥上培养3天后的活死染色荧光照片。

图2是mbmscs在实施例1制备的含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥上培养3天后的活死染色荧光照片。

具体实施方式

下面结合实施例及附图,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。

实施例中,魔芋葡甘聚糖购自北京百奥莱博科技有限公司;

乙酰基化的魔芋葡甘聚糖为实验室制备(林晓艳等,魔芋葡甘聚糖去乙酰基改性制膜特性研究[j].食品科学2002,,23(2):21~24);

酯化魔芋葡甘聚糖为实验室制备(胡敏等:魔芋葡甘聚糖磷酸酯化反应的研究[j].武汉大学学报(自科版),1994(3):101~103);

羧甲基魔芋葡甘聚糖为实验室制备(李斌等,魔芋葡甘聚糖的羟甲基化改性及其应用研究[j].西部粮油科技,2002(1):9~11);

交联改性魔芋葡甘聚糖为实验室制备(张升晖等,魔芋精粉的交联化学改性研究[j].食品工业科技,1999,20(6)21~24);

氧化魔芋葡甘聚糖为实验室制备(李斌等,魔芋葡甘聚糖的h2o2氧化改性及其流变性能研究[j].湖北化工,2002(1):9~11.);

k-卡拉胶购自上海阿拉丁试剂有限公司;

黄原胶购自上海阿拉丁试剂有限公司。

抗溃散时间:磷酸钙骨水泥固化过程中从液固混合到磷酸钙骨水泥出现溃散现象的时间。

抗溃散能力系数:磷酸钙骨水泥浆体在模拟体液环境中固化后所剩的质量占固化前磷酸钙骨水泥总质量的百分比。

可注射性:挤出注射后磷酸钙骨水泥质量占注射前骨水泥总质量的百分比。测量方法:将磷酸钙骨水泥浆体灌入10ml的一次性注射器,垂直置于力学试验机平板上,以速率15mm/min推进将骨水泥浆体推出,直至最大推进力为100n时停止。

实施例1

将0.1g魔芋葡甘聚糖加入到50ml去离子水中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含0.2%魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.3:1ml/g的比例与部分结晶磷酸钙-磷酸氢钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表1所示:

表1

注:“-”表示以去离子水为固化液;“+”表示以含0.2%魔芋葡甘聚糖的溶液为固化液,下表同。凝结时间参照astmc191-13标准测定。抗压强度参照iso9917-1-2007标准测定。

本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到81%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间稍有缩短,抗压强度略有下降,但影响不大;可注射性由36%提高到75%。

本实施例通过活死染色实验表征细胞相容性。在不同的荧光激发下,活细胞发出绿色荧光,死细胞则发出红色荧光。小鼠骨髓间充质干细胞(mbmscs)在实施例1制备的不含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥上培养3天后的活死染色荧光照片如图1所示。mbmscs在实施例1制备的含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥上培养3天后的活死染色荧光照片如图2所示。由图1和2可知,在不含魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥和含魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥上,细胞基本上均呈长梭形,伸展去出大量的丝状伪足,细胞间通过伪足互相连接形成网状铺展,具有良好的细胞活性。图2中,活细胞占大部分,死细胞零星存在,表明魔芋葡甘聚糖的加入对活细胞的数量没有明显影响,各组试样的差别不明显,即含魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥具有良好的细胞相容性。

实施例2

将0.25g乙酰基化的魔芋葡甘聚糖加入到50ml磷酸氢二钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含0.5%乙酰基化的魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.4:1ml/g的比例与α-磷酸三钙-磷酸氢钙-碳酸钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含乙酰基化的魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含乙酰基化的魔芋葡甘聚糖磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表2所示:

表2

本实施例制备的含乙酰基化的魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含乙酰基化的魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到88%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间稍有缩短;可注射性由64%提高到94%;抗压强度略有下降,但影响不大。

实施例3

将0.5g酯化魔芋葡甘聚糖加入到50ml磷酸二氢钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%酯化魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.5:1ml/g的比例与α-磷酸三钙-磷酸氢钙-碳酸钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含酯化魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含酯化魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表3所示:

表3

本实施例制备的含酯化魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥与不含酯化魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到87%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间由17min缩短至14min;可注射性由68%提高到96%;抗压强度略有降低。

实施例4

将1.0g羧甲基魔芋葡甘聚糖加入到50ml柠檬酸钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含2.0%羧甲基化魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.6:1ml/g的比例与磷酸四钙-磷酸氢钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含羧甲基魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥与不含羧甲基魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表4所示:

表4

本实施例制备的含羧甲基魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥与不含羧甲基魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到84%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间由21min缩短至18min;可注射性由84%提高到92%;抗压强度略有降低。

实施例5

将1.5g交联改性魔芋葡甘聚糖加入到50ml磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含3.0%交联改性魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.6:1ml/g的比例与α-磷酸三钙-磷酸氢钙-碳酸钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含交联改性魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含交联改性魔芋葡甘聚糖磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表5所示:

表5

本实施例制备的含交联改性魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含交联改性魔芋葡甘聚糖磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到87%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;可注射性由78%提高到87%;固化时间由16min缩短至11min,抗压强度影响不大。

实施例6

将0.5g魔芋葡甘聚糖加入到50ml去离子水中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%魔芋葡甘聚糖的溶液;将0.5gκ-卡拉胶加入到50ml去离子水中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%κ-卡拉胶的溶液;将配好的魔芋葡甘聚糖溶液和κ-卡拉胶溶液按质量比8:2的比例共混,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配制成含1.0%魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶复合溶液的固化液。将配好的固化液按液固比0.4:1ml/g的比例部分结晶磷酸钙-磷酸氢钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶的复合改性抗溃散磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表6所示:

表6

本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶的复合改性磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖/κ-卡拉胶的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到93%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间由16min缩短至10min;可注射性由54%提高到88%;抗压强度略有降低。

实施例7

将0.5g魔芋葡甘聚糖加入到50ml磷酸氢二钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%魔芋葡甘聚糖的溶液;将0.5g黄原胶加入到50ml磷酸氢二钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%黄原胶的溶液;将配好的魔芋葡甘聚糖溶液和黄原胶溶液按质量比5:5的比例共混,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配制成含1.0%魔芋葡甘聚糖/黄原胶复合溶液的固化液。将配好的固化液按液固比0.5:1ml/g的比例磷酸三钙-β-磷酸三钙-磷酸氢二钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖/黄原胶的复合改性磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖/黄原胶的复合改性磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表7所示:

表7

本实施例制备的含魔芋葡甘聚糖/黄原胶的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含魔芋葡甘聚糖/黄原胶的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到90%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间由17min缩短至12min;可注射性由66%提高到89%;抗压强度略有下降但影响不大。

实施例8

将0.5g氧化的魔芋葡甘聚糖加入到50ml磷酸氢二钠溶液中,在50℃的水浴中加热搅拌5min,即配成含1.0%氧化魔芋葡甘聚糖的固化液。将配好的固化液按液固比0.5:1ml/g的比例与α-磷酸三钙-磷酸氢钙-碳酸钙骨水泥粉末均匀混合,调和成膏体注入模具成型后置于37℃的模拟体液中。本实施例制备的含氧化魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含氧化魔芋葡甘聚糖磷酸钙骨水泥理化性能对照比如表8所示:

表8

本实施例制备的含氧化魔芋葡甘聚糖的抗溃散磷酸钙骨水泥与不含氧化魔芋葡甘聚糖的磷酸钙骨水泥相比,抗溃散系数达到86%,抗溃散时间也增加到大于150min,抗溃散性能得到了显著性提高;固化时间稍有缩短;可注射性由59%提高到94%;抗压强度略有下降,但影响不大。

上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。

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