专利名称：无机骨粘合剂及其在人体硬组织修复中的应用的制作方法
技术领域：
本发明属于医用材料领域，涉及一种用于人体硬组织的粘结修复的无机骨粘合剂，尤其涉及一种磷酸盐类无机骨粘合剂及其应用。
创伤骨折是骨科的常见病，而不稳定骨折(粉碎性骨折)的治疗是长期困扰外科医生棘手的问题。目前国内外临床一般采用切开复位内固定术治疗，主要方法有微型钢板螺丝钉固定、髓内针固定、张力带钢丝固定、骨内钢丝缝合固定、骨内尼龙线缝合固定、传统的交叉克氏针固定以及可吸收高分螺钉固定等。这些方法均存在着不同程度的缺陷，影响了病人的治疗和功能恢复使用的内固定物均为异物，存在不同程度异物反应；需二次手术取出内固定物，增加了病人的痛苦和经济负担；手术创伤大，影响骨愈合；手术难度大，操作麻烦；生物相容性差，固定强度低，特别是在松质骨区固定的强度较低。
为了克服内固定的不足，解决小块粉碎性骨折的固定问题。目前临床上应用的方法涉及以下几种1、采用聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥(Polymethylmethacrylate,PMMA)固定骨折。聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥由甲基丙烯酸甲酯、引发剂及部分填料组成。当粉末相与单体液相后即发生自由基聚合反应，变成坚硬固体。在固化变硬之前浆体能容易塑形，且呈粘结性，常被用于人工关节的假体的固定和部分粉碎性骨折的固定(戴克戎等，骨与关节损伤杂志，1995,10(4):210-212)。但其固化过程的强放热性会引起周围组织的坏死。固化以后的成份聚甲基丙烯酸甲酯是有机玻璃的主要成份，与人体生物相容性差，长时间后容易老化松动脱落，其单体有毒，有刺激性气味，会引起病人血压突然降低，甚至临床上发生猝死手术台上的危险。在用于粘结时，对于假体的粘结，远期的松动、翻修比率很高对于粉碎性骨折，由于材料的不降解会阻止骨折的愈合生长。总之，由于材料性能缺陷，在粉碎性骨折的固定中效果不够理想。
2、对于粉碎性骨折，常采用骨折复位，再用钢板螺丝钉(Prevel etal,J-Hand-Surg-Am,1995,20(1):44-49)或髓内针固定(Gonzalez etal,Clin-orthop,1996,327:47-54)的方法。这对于大块的骨折固定是有效的，但对于小块的骨折，固定就比较困难，且在松质骨区，采用螺丝钉固定即使是大块骨折也存在固定强度不足的缺陷，导致在术后产生滑脱的现象时有发生，从而影响术后效果甚至需进行第二次手术。
为了克服二次手术重新取出内固定材料，近来发展可吸收内固定材料，如聚己内脂(Lowry K.J.etal.,J.Biomed Mater.Res.,1997 36(4):536-541)，以及磷酸钙玻璃纤维增强用聚乳酸(Slivka M.A etal.,J.Biomed.Mater.Res.,36(4):469-477)。但其机械强度的快速减退及界面剪切强度的减弱限制了其应用。
3、对于螺丝钉固定骨折情况常常会由于螺丝钉同松质骨区结合不紧密而产生滑脱，临床上有使用有机骨水泥(如PMMA骨水泥)灌注螺丝孔，待其自由基聚合固化后再行螺丝钉固定。此法虽然是加强了螺丝钉固定的强度，但由于PMMA材料生物相容性差，不降解，时间长后容易老化松动脱落。故结果也并不尽人意。
4、对于关节的固定以及髋关节翻修后骨缺损的填充，目前常用PMMA骨水泥，并且使用了许多年(Kuhn KD.etal,bone cements,Berlin:Springer-Verlag,2000)，虽然人们对PMMA进行了一系列改性，降低其放热量，提高其流动和注射性能，但并未从根本上解决问题，特别是其生物性差的问题，其远期的松动，翻修比率较高。
因此对于骨折固定，螺钉固定强化及关节复修固定。目前所使用的材料和方法均存在不同程度的缺陷，努力提高使用材料的生物相容性，降低固有化过程放热量等，提高其固定效果自然是外科医生迫切希望的。
关于磷酸镁体系磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC),由于其快凝、水化速率快，主要用于抢修机场及马路等建筑领域(WO9721639AI,1997)。Weill等公开了(US4756762)一种含氧化镁、水溶性磷酸盐、砂子和粉煤灰的磷酸钙水泥用于建筑上快速抢修，Sechra报道(Cement ConcreteResearch 1993,23:254-66)快速凝结水泥用于铺道混凝土的修复。所有这些对于原料成份及纯度、水化反应热、所用材料及添加剂的毒性未加控制要求。
Hirano等公开(JP04352706,1992)含钙的磷酸镁水泥，其组成为Ca3Mg3(PO4)4和丁香酚溶剂，用于牙根管的填充修复。结果表明该水泥毒性低，且有良好的生物相容性，但其固化过程是由于磷酸镁与丁香酚反应硬化，且其硬化速度慢，硬化时间为40分钟，强度，特别是早期强度不高。
在骨水泥的研究方面，FrazierD.D等(J.Biomed.Mater.Res.,1997,35(3):383-389)公布将磷酸钙、碳酸钙颗粒增强聚丙二醇富马酸酯poly(propyleneglycol-fumarate)高分子骨水泥，得到的骨粘结材料起始抗压强度为30MPa，最高抗压强度可达300MPa,SakaiT.etal.等(J.Biomed.Mater,Res0.,2000,52(1):24-29)公布用羟基磷灰石填充4-META/MMA-TBB骨粘结水泥，结果表明前者的加入有利于水泥与骨粘结的后期稳定，加快了骨与水泥的起始固定，但这两种水泥的强度来源于高分子聚合反应而非无机物的水化，植入体内后，不能降解，长期异物存在。另外，聚合过程的放热将在灼伤周围组织。
本发明的目的之一在于公开一种无机高早强骨粘合剂，利用几种磷酸钙或磷酸镁经水化反应而非自由基聚合反应，使流动状态的的粘性浆体转变为有一定强度、且生物相容性好的固化体，用于骨折固定、关节固定、关节翻修及螺丝钉的强化固定，该材料可在体内逐步降解吸收，避免PMMA骨水泥在体内生物相容性差，不吸收，远期松动脱落的缺陷，解决骨科手术中相关内容的固定难题；本发明的目的之二在于公开上述无机高早强骨粘合剂在人体硬组织修复中的应用。
本发明的构思是这样的1、利用氧化镁或氧化镁与磷酸盐之间的快速水化反应使调和的糊状物快速变成坚硬状物的特性，且其在固化前具有很好的塑性和非常高的胶粘性，可用于人工关节、固定螺钉及破碎骨片的粘结固定，其最终固定强度取决于固化体的强度、固化体同骨宿主骨及固化体同关节成螺钉之间的粘结强度。由于其反应是一快速放热反应，因此反应时须控制其反应速率，维持固化体温度不能超过50℃，这是一对矛盾要想提高早期强度，必须尽可能提高反应速率；要想抑制固化体的温度，必须降低反应速率，因此本发明加入了一些缓凝剂来调节水化反应速率。
2、利用磷酸钙骨水泥(Calcium phosphate cement,CPC)同样的水化反应由糊状物转变成固化体的特性，努力提高其早期水化反应速率，可以用于粉碎性骨折的粘结治疗。
3、磷酸钙骨水泥的固化速率受温度影响显著，但其自身固化是微放热的。磷酸镁水泥具有快凝高强的特性，且固化过程是放热的，其放热速率可由镁化合物水化活性来调节。MPC加入到CPC中能加快CPC的固化，磷酸镁水泥固化时体积微微膨胀，正好弥补了CPC固化时体积收缩的缺陷，使其能与孔壁更紧密结合。可用于骨折及人工关节的固定及强化。
MPC水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，CPC水化产物磷灰石类，本发明在初始组份设计时即应该考虑到其生物相容性高的要求。
实现本发明目的的技术方案本发明所说的无机骨粘合剂包括碱性化合物、磷酸盐及磷酸钙骨水泥，其组分和重量百分比含量包括碱性化合物30％～80％，其中以55％～65％最佳；磷酸盐20％～70％，其中以35％～45％最佳；缓凝剂碱性化合物和磷酸盐总重量的0～10％，其中以2％～6％最佳；磷酸钙骨水泥碱性化合物和磷酸盐总重量的0～20％。
所说的碱性化合物为氧化镁或/和氧化钙，其中以氧化镁为佳；所说的磷酸盐为磷酸二氢盐，包括磷酸二氢铵、磷酸二氢钙、聚磷酸铵、磷酸等及其它们之间的混合物，其中以聚磷酸铵和磷酸二氢铵为最佳；所说的缓凝剂为氯化钠、氟硅酸钠、聚磷酸钠、硼酸盐、硼酸酯以及它们的混合物，其中以硼酸钠为最佳；所说的磷酸钙骨水泥(CPC)是由几种磷酸钙盐按一定比例混合的混合物。可以按(US5525148,US5545254)公开的方法配制，可以是磷酸三钙(α型或β-型)，磷酸四钙中的一种或两者的混合物；磷酸八钙、磷酸二氢钙、羟基磷灰石、氟磷灰石中的一种或它们的混合物。
本发明所说的无机骨粘合剂的制备和应用方法如下所述将上述各种原料按比例混合均匀，即可获得粉末状的无机骨粘合剂。其中碱性化合物为直径小于10μm，但大于1μm的干燥的粉末。
用调和液将所获得的粉末状的无机骨粘合剂调制成稠糊状，即可植入体内。
无机骨粘合剂与调和液的比例为4∶1～5∶1(克/毫升)。
所用的调和液可以是生理盐水、重蒸水或用此用水溶解所用的添加剂、调节剂配成的溶液。液体用量根据调和情况采用标准稠度调节方法加以确定。因为用液不同，其浆体的流动性、胶粘性、水化反应速率早期强度及最终强度均有一定差别。
为了更好地理解本发明，以下将通过无机骨粘合剂的体内模拟试验和毒理试验对本发明作进一步的说明，附图为试验结果示意图。
图1为抗压强度随时间变化曲线图。
图2为骨粘结强度测试模具图。
图3为粘结强度随时间变化曲线。
图4为绝热温升测试模具图。
图5为图4中A---A向示意图。
图6为绝热温升曲线。
模拟试验方法(1)固化试验将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物放入直径0.6cm，高1.2cm的模具中，用2kg物体压平以尽可能赶走气泡，制成圆柱体，放入直径为0.6cm的小玻璃管中，放入37℃、100％湿度环境中固化一定时间，取出用岛津材料力学性能测试机测量抗压强度，施加载荷速度为1mm/min。每组至少5个平行测试点，结果见图1。由图1可见，0.5小时已达到35MPa，1小时已达到70MPa。
(2)粘结强度测试A．自行设计不锈钢模具，将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物，填入10mmD×10mmH的不锈钢模具中，以2Kg重物压平以尽可能赶走气泡，将模具放入37℃，100％湿度环境中，让材料在模具中固化一定时间，然后由岛津材料力学性能测试机测量压力，粘结强度为该压力与材料和不锈钢壁的接触面积的比值。施加载荷速度为1mm/min，每组数据至少三个平行实验。
B．取关节头处骨头，加工成圆柱状，中间钻孔，如图2所示，骨表面经除油剂擦洗处理，将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物，填入10mmD×15.7mmH的骨洞中，将填好材料的骨头放入37℃,100％湿度环境中，在骨洞中固化一段时间，然后由岛津材料力学性能测试机测量压力，施加载荷速度为1mm/min，粘结强度为该压力与材料和骨洞壁的接触面积的比值，即σch=FS=Fπ·D·H]]>
由图3可知，0.5hr时材料与锈钢体的粘结度为2.67MPa，趋于稳定时为10.99MPa。
为考察材料与真实骨之意味的粘结情况，实验取关节头处的松南骨测定了材料与骨头的粘结强度3.95MPa。据文献报道(戴克戎等，中华创伤杂志，1989,27(5):309～313)，标准体重成人所需的骨水泥-骨界面粘结(剪切)强度为0.92MPa，而24个月后PMMA同骨粘结强度为2.0MP(J.Biomed.Mat.Res.2000,49(2):273-88)，可见以上结果完全能满足实际应用的要求。
(3)绝热温升人体组织对温度的随能力是有限的，高温可能对细胞蛋白质造成不可恢复的变性，或者引起骨细胞的死亡，即使没有感染，手术后也会引起无菌性坏死，导致松动和空隙。
因此，绝热温升是材料另一重要特点，是保证材料在快速固化时又尽可能地控制其放热量，确保其放出的热不会对周围组织造成伤害。
绝热温升的测定方法如下a．将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物填入试管内，迅速插入温度计，使温度计水银球位于中心位置，将试管插入四壁填满玻璃棉的保温瓶中，每隔一定时间记录一次温度。
b．按照《外科植入物-丙烯酸类骨水泥附录C体系放热最高温度的测定》所规定的方法设计测试模具对体系放热最高温度进行测定。采用聚四氟乙烯为材料，测试模具如图4和图5所示。
实验在22℃，相对湿度=80％的环境下进行，分别将实施例1和实施例2所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物在凝结前1分钟将材料迅速填入模具，迅速插入温度计开始记录温度，开始每隔30秒记录一次，至温度变化很小时每隔5或10分钟记录一次。测得两条温升曲线，如6图体系中酸性组分的量一定，水化反应完全时放热量就一定。图中，凝结快的样品对应温升曲线1(实施例1的样品)，凝结慢的样品对应温升曲线2(实施例2的样品)，两条曲线比较可知，凝结的体系水化反应迅速，放热峰窄且高，体系反应放出的大部分热量集中在较短的时间内释入出来，热通量高，放热最高温度为50.1℃；而凝结慢的体系水化反应慢，放热峰宽且低，体系反应放出的大部分热量分布在较长的时间内释入出来，热通量低，放热最高温度为39.8℃。这两个温度人体均能承受。
分别测定两条曲线对应体系的凝结时间和早期强度，结果见下表凝结时间/minσ0.5hr/Mpa放热最高温度/℃曲线18.7 59.86 50.1曲线213.831.84 39.8凝结时间、早期强度及放热最高温度间的关系(4)生物相容性作为生物材料，无机骨粘合剂最终是以治疗为目的，它不可避免地与人体的组织、血液相接触，为确保人身安全，防止材料植入休内及临床应用时引起不良生物反应，必须对材料的安全性进行较全面地评价，同时了解材料的生物相容性、材料与骨之间的粘结行为、材料植入体内后的稳定性及功能发挥情况。(4)-1毒性检测将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物，制成1mm厚固化体薄片25g，委托国家医药管理局-医用高分子产品质量检测中心依据GB/T16175-1996进行细胞毒性、皮肤致敏、皮内刺激、急性全身毒性等毒性检测，结果见下表检验项目 技术要求 检验结果 结论细胞毒性 细胞毒性反应不大于1级增殖度法0级合格皮肤致敏 无皮肤致敏反应 致敏率0％ 合格皮内刺激 无皮内刺激反应 刺激指数0.0合格急性全身毒性 无急性全身毒性反应 无毒性反应 合格毒性检验结果由检测结果可知，各项测试全部合格，证明材料无毒，可安全地用于动物体以开展动物实验，该检测结果为无机骨粘合剂的应用打下了良好的基础。(4)-2植入试验A．植入标准件的制做将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物，填入6mmD×10mmH的不锈钢模具及3.2mmD×10mmH有机玻璃模具中，以2Kg重物压平以尽可能赶走气泡，压过的植入前进行Co-60照射消毒。
B．动物体植入实验实验动物为15只体重为3kg的新西兰大白兔(第二军医大学动物房提供)，将其分为5组，每组3只。大白兔仰卧位固定于兔板上，按30mg/kg体重的剂量腹腔注射3％戊巴比妥进行麻醉；静脉穿刺，抽血2ml，放入预先标记的生化试管，静置半小时以上4℃冰箱暂时保存或及时送检颅顶及左前腿备皮，安尔碘消毒，铺单；颅顶左侧做一纵切口，常规显露颅骨，切开骨膜，咬除外骨板以形成一约6mm直径，10mm长度的半深骨槽，植入6mmD×10mmH的MPC标准件，分层紧密缝合，以抗生素软膏涂抹切口；左前腿上端上止血带，股骨外髁部位做纵向切口，显露外髁，切开骨膜，同法显露内髁，切开骨膜，以3.2mm钻头由外髁向内髁水平钻一骨洞中，清洗耳恭听骨渣，冲洗，湿纱布填塞止血后，将预制3.2mmD×10mmH标准件填入骨洞中，缝合骨膜，分层紧密缝闭，松开止血带，以抗生素软膏涂抹伤口，手术完毕，静脉抽血2ml，送检生化，术后立即折各部位X光双斜位片。术后兔子置于动物房饲养，下肢活动不受限，分别在术后0.5个月、2个月、3个月、6个月、12个月将一组(3只)处死，取出样本。取样时，按30mg/kg体重的剂量腹腔注射3％戊巴比妥进行麻醉；静脉穿刺，抽血2ml，送检生化，拍各部位的X光片，取出颅骨标准件，拍摄照片，做生物力学测定，后再做XRD分析，并折摄材料断面的SEM照片，取出左前腿股骨髁标准件，观察植入物形态，边界结合情况，骨生长，材料周围有无包膜，有无炎症反应及组织坏死，拍摄照片，然后锯成两半，一半放入光镜固定液，拍光镜照片，一半放入SEM固定液，拍SEM照片，对光镜及SEM照片进行图象分析，做组织学评价。
C．血生化检测术前、术后兔耳缘静脉采血2ml，送长征医院做生化检测，分析血Ca、血P、血Mg的浓度变化。利用CX-3自动生化分析仪分析血Ca、血P、血Mg的浓度，利用VIDEO-22原子吸收分光光度计分析血Mg的浓度。
D．标准件的表面降解考察取出颅骨标准件，拍摄照片，考察表面降解情况。
E．材料的生物力学检测
取出颅骨标准件，由岛津材料力学性能测试机测定抗压强度，施加载荷速度为1mm/min。
将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物植入3个月内，血Ca、血P及血Mg都维持在政党的生理水平，未出现明显的浓度变化，除血P的浓度稍有波动外，血Ca、血P及血Mg的浓度相当稳定。该结果表明，材料的植入不会导致动物体代谢的显著变化，生物体的新陈代谢作用完全能够平衡血Ca、血P及血Mg的浓度。
植入试验表明，将实施例1所调制均匀的无机骨粘合剂稠糊状物与机体亲和性好，植入后无明显异物反应，无炎症反应，无组织坏死，材料可降解，易于新生骨替代生长。
综上所述，本发明所说的无机骨粘合剂是一种材料安全有效的骨粘合剂，并具有如下几大优点①体系水化速率快，早期强度高，有利于被固定部位的稳定。特别是在手术过程当中，有利于手术快速闭合，缩短手术操作时间；②浆体的胶粘性好，非常有利于粘结和固定；③最终水化反应物成份为磷酸镁铵类生物矿石及羟基磷灰石类成份，对机体无刺激反应，生物相容性好，对于远期强度的维持是有益处的，甚至，植入人体后可以被机体逐步代谢吸收，有利于新生骨的长入。
实施例1将直径小于10μm，但大于1μm的干燥的活性氧化镁粉末同干燥的聚磷酸铵按氧化镁∶聚磷酸铵=1∶1(重量比)的比例混合，即可获得具有水化粘结性能的无机骨粘合剂粉末。用生理盐水作为固化液，按比例4.5∶1(重体积比)与其混合均匀，调成稠的糊状，即可植入体内。
实施例2将直径小于10μm的干燥的活性氧化镁粉末同干燥的聚磷酸二氢铵按氧化镁∶聚磷酸二氢=10∶5(重量比)的比例混合，即可得到高活性具有水化反应粘结性能的无机骨粘合剂粉末，再按粉末∶缓凝剂=10∶0.5(重量比)的比例混合即可得到水化速率较缓慢的无机骨粘合剂，或将缓凝剂按同样比例溶于固化液中，用生理盐水按4∶1(重量体积比)调和粉末呈稠糊状物后，即可植入体内。
实施例3～4
将实施例1或2中混合好的粉末同普通磷酸钙骨水泥粉末按粉末∶磷酸钙骨水泥粉末=10∶5(重量比)混合，即获混和型无机骨粘合剂，用生理盐水混合调和呈稠糊状物后，即可植入体内。
权利要求
1．一种无机骨粘合剂，其特征在于组分和重量百分比含量包括碱性化合物30％～80％磷酸盐20％～70％；缓凝剂碱性化合物和磷酸盐总重量的0～10％；磷酸钙骨水泥碱性化合物和磷酸盐总重量的0～20％；所说的碱性化合物为氧化镁或/和氧化钙；所说的磷酸盐为磷酸二氢盐；所说的缓凝剂为氯化钠、氟硅酸钠、聚磷酸钠、硼酸盐或硼酸酯中的一种及其混合物。
2．如权利要求1所述的无机骨粘合剂，其特征在于组分和重量百分比含量包括碱性化合物55％～65％磷酸盐35％～45％；缓凝剂碱性化合物和磷酸盐总重量的2％～6％；磷酸钙骨水泥碱性化合物和磷酸盐总重量的0～20％。
3．如权利要求1或2所述的无机骨粘合剂，其特征在于，所说的碱性化合物为氧化镁。
4．如权利要求1所述的无机骨粘合剂，其特征在于，所说的磷酸盐包括磷酸二氢铵、磷酸二氢钙、聚磷酸铵和磷酸及其混合物。
5．如权利要求4所述的无机骨粘合剂，其特征在于，所说的磷酸盐为聚磷酸铵或磷酸二氢铵。
6．如权利要求1或2所述的无机骨粘合剂，其特征在于，所说的缓凝剂为硼酸钠。
7．如权利要求1或2所述的无机骨粘合剂，其特征在于，所说的磷酸钙骨水泥为磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙、磷酸二氢钙、羟基磷灰石或氟磷灰石中的一种及其混合物。
8．如权利要求1、2、4或5任一所述的无机骨粘合剂的应用，其特征在于，可应用于人体硬组织的修复或用于制备人体硬组织的修复材料。
9．如权利要求3所述的无机骨粘合剂的应用，其特征在于，可应用于人体硬组织的修复或用于制备人体硬组织的修复材料。
10．如权利要求7所述的无机骨粘合剂的应用，其特征在于，可应用于人体硬组织的修复或用于制备人体硬组织的修复材料。
全文摘要
本发明公开了一种无机骨粘合剂及其在人体硬组织修复中的应用。该无机骨粘合剂包括碱性化合物、磷酸盐、磷酸钙骨水泥和缓凝剂,用于人工关节固定、螺钉固定及破碎骨片的粘结固定。该无机骨粘合剂是一种材料安全有效的骨粘合剂,具有水化速率快,早期强度高,有利于手术快速闭合,最终水化反应物成份为磷酸镁铵类生物矿石及羟基磷灰石类成份,生物相容性好,植入人体后可以被机体逐步代谢吸收,有利于新生骨的长入。
文档编号A61L24/02GK1307908SQ0110537
公开日2001年8月15日 申请日期2001年2月22日 优先权日2001年2月22日
发明者刘昌胜, 黄粤 申请人:华东理工大学