专利名称：医药用生物可分解性陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种医药用生物可分解性陶瓷及其制造方法，尤指一种适用于骨骼组织修复的医药用生物可分解性陶瓷及其制造方法。
本发明亦相关于一种骨骼组织修复的方法及装置，以及一种骨组织与骨骼组织修复药物的传导系统。
背景技术：
由以往的研究发现，新骨骼生成(neo-osteogenesis)的来源有三种第一种为活骨细胞移植；第二种为骨组织引导生成(osteoconduction)，意即，使骨缺损区周围的骨细胞长到移植体的架构上；第三种为骨组织诱导生成(osteoinduction)，意即，使间质细胞(mesenchymal cell)受某些生长因子影响而分化为骨母细胞，进而产生骨组织。
一般而言，骨骼缺损的治疗通常须填充一适当物质，以维持缺损处附近组织的物理状态。最适合的填充物质便是自体移植物，因为它可兼具骨组织引导生成(osteoconduction)与骨组织诱导生成(osteoinduction)作用；但移植物的来源与数量皆有所限制。因此，近年来此领域的科学家皆努力研发可作为骨髂替代物的新材料，目前已发现磷酸钙与生物活性玻璃，皆具有生物相容性与生物活性，可与骨骼形成化学键结，并已成功地应用于临床骨骼缺损修补与骨组织的扩张。然而，这些医药用骨陶瓷仅具有骨组织引导生成(osteoconduction)能力，却缺乏骨组织诱导生成(osteoinduction)能力，无法如自体移植物一样，具有二相式修复机制；该二相式修复机制包括将骨母细胞直接转移至移植物(graft)上，以及将诱导与生长因数自移植物的骨骼基质中释放出来，使骨母细胞可进一步生成骨组织。
因此，目前对于医药用骨陶瓷的要求重点便在于寻求一种良好的传导系统，最好是该骨陶瓷本身即为一良好的传导系统，使该骨陶瓷可接受组织本身的生长因子或外加的骨骼生长药物，进而具有骨组织诱导生成(osteoinduction)能力。
此外，用于骨骼组织修复用的骨陶瓷较佳为生物可分解性或生物可吸收性，待修复的组织生成后，便不需再进行二次手术将其取出。目前已使用monolithic block与disk系统，作为一生物可分解性的传导系统。然monolithic block会堵塞骨髓的空隙，而该处正是骨骼前驱细胞含量丰富之处，因此对于骨骼组织修复的效果便大打折扣。
因此，目前仍需要一种新的骨陶瓷材料，可作为一良好的传导系统，使该骨陶瓷同时具有骨组织引导生成(osteoconduction)与骨组织诱导生成(osteoinduction)能力。同时该材料亦具生物可分解性，颗粒大小不会堵塞骨髓空隙，适合骨母细胞或骨髓基质细胞生长；不需二次手术，并可充分利用骨组织本身的再生功能，以达快速的骨骼再生效果。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种医药用生物可分解性陶瓷，可作为骨骼细胞的骨架(scaffolds)，适合骨母细胞或骨髓基质细胞的生长，同时兼具骨组织引导生成(osteoconduction)与骨组织诱导生成(osteoinduction)能力，可制成不同形状与大小以应用于各种骨骼缺损的再生修补。
本发明的另一目的在于提供一种医药用生物可分解性陶瓷的制造方法，使该陶瓷上接有一适当的有机分子，可作为一良好的传导系统。
本发明的又一目的在于提供一种生物可分解性的传导系统，该传导系统适用于骨组织的再生或修复，使骨组织中的生长因子或骨骼生长诱导因子，以及骨骼治疗用的药物可传导至骨母细胞或骨髓基质细胞的生长处，或待修复的骨组织处。
本发明的又一目的在于提供一种骨骼组织修复的方法，以及生物可分解性的骨骼组织修复装置，不需二次手术，充分利用骨组织本身的再生能力达到迅速有效的骨骼再生与修复效果。
为实现上述目的，本发明提供的医药用生物可分解性陶瓷，其包含一表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
所述的医药用陶瓷，其中该有机分子以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
本发明提供的制备上述医药用生物可分解性陶瓷的方法，包含以下步骤(A)提供5至20g重的磷酸氢钙粉末，该粉末粒径约0.1μm；(B)将该磷酸氢钙粉末溶于无水有机溶剂中，于无水气环境下搅拌约1小时；以及(C)加入3-12ml的六亚甲基二异氰酸，并于无水气环境下反应1-6小时，反应温度为20-70℃。
所述的制备方法，其中该步骤(B)的有机溶剂至少一种选自由二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯碳化合物组成的群组。
所述的制备方法，其中该步骤(C)的反应温度介于40-60℃，推荐温度为50℃。
所述的制备方法，其中该步骤(C)包含将一催化试剂加入该反应中。
所述的制备方法，其中至少一种该催化剂为二-十二烷丁基锡。
本发明提供的生物可分解性的传导系统，包含一表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
所述的传导系统，其中该传导系统用于骨组织的再生或修复。
所述的传导系统，其中该传导系统用于传导骨组织本身的生长因子或骨骼生长诱导因子，及/或传导骨骼治疗用的药物。
所述的传导系统，其中该药物为生长因子或骨骼生长诱导因子。
所述的传导系统，其中该药物是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
本发明提供的生物可分解性的骨骼组织修复装置，其包含表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
所述的骨骼组织修复装置，其中该有机分子是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
本发明提供的骨骼组织修复的方法，包含将表面经有机分子修饰的磷酸氢钙投予待修复的骨骼组织处，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
所述的修复方法，其中该磷酸氢钙为生物可分解性。
所述的修复方法，其中该有机分子是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
为能更了解本发明的技术内容，特举数较佳具体实施例并结合
如下图1为磷酸氢钙(CHP)的热重量分析(TGA)与热差分析(DTA)图谱。
图2为本发明表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热重量分析(TGA)与热差分析(DTA)图谱。
图3为本发明各实施例所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热重量分析(TGA)图谱。
图4为本发明各实施例所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热差分析(DTA)图谱。
图5为本发明所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的31P-NMR图谱。
图6为本发明所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的13C-NMR图谱。
图6a为纯HMDI的13C-NMR图谱。
图6b为50℃下(实施例4)所制备的MCHP的13C-NMR图谱。
图6c为60℃下(实施例5)所制备的MCHP的13C-NMR图谱。
图7为本发明所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)植入兔子髁状突(condyle)位置后骨组织新生情况。
具体实施例方式
如前所述，骨骼组织修补有三大要素骨架(scaffold)、细胞以及生长因子(growth factors)。骨架提供细胞附著增生及分化的位置，同时维持组织体结构稳定。目前应用于组织工程中的多为含钙陶瓷，尤其是多孔性羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)，适合由外骨膜或骨髓腔细胞所培养出的骨母细胞生长。此外，多孔性羟基磷灰石为生物可分解性，相当适合用于作为骨组织的骨架。然，如发明背景中所述，仅使用多孔性羟基磷灰石，只能具有骨组织引导生成(osteoconduction)能力，而无法具备骨组织诱导生成(osteoinduction)能力，无去使骨母细胞接收生长因子而进一步分化。因此，多孔性径基磷灰石表面须再接上有机基团，使其成为一良好的生长因子传导系统。一般而言，有两种方式可利用有机分子修饰多孔性羟基磷灰石表面，常用的方法之一为表面吸附方式，利用物理性作用力将有机分子吸附至多孔性羟基磷灰石表面上；然此种吸引力不强，该有机基团很容易在生理环境下被冲刷下来，而失去传导作用。另一种方式则是通过该有机基团与该羟基磷灰石的OH基结合形成共价键。
本发明即是利用第二种结合方式，利用特殊的有机基团与羟基磷灰石的OH基结合形成共价键。本发明利用六亚甲基二异氰酸(Hexamethylene diisocyanate，HMDI)上的CN基与羟基磷灰石的OH基结合形成共价键。其制备方法是将5-20g的磷酸氢钙粉末溶于无水有机溶剂中，该有机溶剂较佳为二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基亚飒(DMSO)或氯碳化合物(CC)；该磷酸氢钙粉末的粒径较佳为约0.1μm。之后于无水气环境下，如氮气或惰性气体环境下，搅拌约1小时。待该磷酸氢钙粉末完全溶于该有机溶剂中，加入5-20g重的六亚甲基二异氰酸(Hexamethylene diisocyanate，HMDI)，并于无水气环境下，如氮气或惰性气体环境下，反应1-10小时，较佳为4小时；反应温度为20-70℃，较佳为60℃，更佳为50℃。反应中可视需要加入适当的催化剂，该催化剂较佳为二-(十二烷丁基锡)(dibutylin dilaurate)。此时便可得表面有修饰的磷酸氢钙，将该磷酸氢钙粉末过滤出，并以DMF清洗以除去多余的HMDI-多体。将该表面有修饰的磷酸氢钙以丙酮清洗三次，移除掉剩余的DMF，并干燥。
该磷酸氢钙表面上接有HMDI，使骨组织中的生长因子或诱导因子可经由HMDI基团传导至贴覆生长于该磷酸氢钙表面的骨母细胞上因此，本发明的另一观点为一种生物可分解性的传导系统，包含一该表面经HMDI修饰的磷酸氢钙。该传导系统适用于骨组织的再生或修复，且可用于传导骨组织本身的生长因子或骨骼生长诱导因子，或是用于传导外加的骨骼治疗用药物，该药物较佳为生长因子(growth factor)或骨骼生长诱导因子。
由于该磷酸氢钙本身为一良好的医用陶瓷材料，表面经HMDI修饰后便成为一良好的传导系统；因此本发明的另一观点为提供一种生物可分解性的骨骼组织修复装置，其包含上述表面经HMDI修饰的磷酸氢钙。本发明的又一观点在提供一种骨骼组织修复的方法，包含将表面HMDI修饰的磷酸氢钙投予待修复的骨骼组织处。
需注意的是，下述仅为实施例，而非限制于实施例。譬如此不脱离本发明基本架构，皆应为本专利所主张的权利范围，而应以专利申请范围为准。
A.制备与实施例材料准备六亚甲基二异氰酸(Hexamethylene diisocyanate，HMDI)购自Aldrich，直接用于实验中无须经过进一步纯化。磷酸氢钙(CaHPO4)的制备是将磷酸氢钙二水合物(CaHPO4.2H2O)于200℃下加热8小时，并先以FTIR与X-ray折射图谱鉴定。二甲基甲酰胺(DMF)是以蒸馏方式纯化并加入4埃分子筛存放。二-十二烷丁基锡(dibutylin dilaurate)购自Acros，不须纯化直接使用。
实施例1将平均粒径为0.1μm的12.0克干燥CaHPO4粉末，150毫升DMF与0.1 2毫升二-十二烷丁基锡(dibutylin dilaurate)置入250毫升烧瓶中；在此系统中，二-十二烷丁基锡作为催化剂。于氮气环境下搅拌1小时。之后加入6毫升HMDI，于20℃、氮气环境下下持续反应4小时，便可得经表面修饰的磷酸氢钙(MCHP)沉淀。将该MCHP沉淀粉末过滤出，并以DMF清洗三次以去除多余的HMDI-寡体。MCHP之后再以丙酮清洗三次，移除残余的DMF，并干燥。
实施例2、3、4、5、6反应过程大致如同实施例1，不同之处在于加入HMDI后的反应温度分别如下
B.性质分析分析例1热力学分析本实验以热重量分析(thermal gravimetric analysis，TGA)与热差分析(Differential thermal analysis，DTA)作为热分析数据，测量仪器为SDT2960(TA仪器公司)。在此实验中，分析温度由室温至600℃，升温速率为20℃/min。将CHP或MCHP置放于铝坩埚中，并加入10毫克的α-Al2O3，作为参考物质。嫁接至CHP上的HMDI量假设等同于加热过程中所损失的质量，并以相对于总粉末重量的重量百分比表示。结果列于图1与图2。
请参照图1，为磷酸氢钙(CHP)的热重量分析(TGA)与热差分析(DTA)图谱。图1中曲线a(热差分析，DTA)显示CHP的吸热尖峰出现于455.8℃，此时CHP会转换成Ca2P2O7；图1中曲线b(热重量分析，TGA)显示在445-482℃之间有明显的质量损失，为CHP会转换成Ca2P2O7所散失的水分子。
请参照图2，为本发明表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热重量(TGA)分析与热差分析(DTA)图谱。图2中曲线a(热差分析，DTA)显示MCHP有两个吸热尖峰，分别出现于422.2℃与294.6℃；与图1曲线a相较后发现，于422.2℃出现的尖峰是由于CHP本身进行转换而引起的，而294.6℃的尖峰则是由于HMDI燃烧所引起的。图2中曲线b(热重量分析，TGA)显示有两段质量损失，与图1曲线b相较可知，后段的质量损失为CHP本身即有的，而前段的质量损失则是由于HMDI燃烧所损失的重量。
由上述可知，MCHP的热差分析会有两个吸热尖峰出现，热重量分析亦会有两个变化区间；而由于HDMI燃烧所引起的变化出现于第一个吸热尖峰与第一个变化区间。由于我们假设嫁接至CHP上的HMDI量等同于加热过程中所损失的质量，因此，由HMDI燃烧引起所损失的质量(第一变化区间的差值)愈大，表示HDMI所接上的百分比愈高。
请参照图3，为本发明各实施例所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热重量分析(TGA)图谱。图上显示所有的曲线皆出现两段变化曲间，意即所有实施例皆可有效制备出表面接有HMDI的MCHP。由图3中可发现，不同温度下所制备出的MCHP，其表面的HMDI含量并不相同，其中以60℃制备出的MCHP所含的HMDI量最高，达18.1wt％。同样的结果亦显示于图4，图4为本发明各实施例所制备的表面经修饰的磷酸氢钙(MCHP)的热差分析(DTA)图谱。
由上述可知，依据本发明方法可有效制备出表面经HMDI修饰的磷酸氢钙(MCHP)。
2、NMR分析MCHP的表面键结情形是以31P-NMR图谱(图5)与13C-NMR图谱(图6)进行分析。由31P-NMR图谱(图5)可知，CHP表面的磷原子与HMDI上的碳原子，通过氧原子形成共价键，亦即CHP表面磷酸根的OH基会与HMDI的CN基进行化学反应而形成共价键。
图6的13C-NMR图谱表示在50℃下(实施例4)与60℃下(实施例5)所制备的MCHP，其表面HMDI分子与CHP的键结情况。图6a为纯HMDI的13C-NMR图谱，图6b为反应温度为50℃(实施例4)所制备的MCHP的13C-NMR图谱，图6c反应温度为60℃(实施例5)所制备的MCHP的13C-NMR图谱。图6显示结果如同图5，证实CHP表面磷酸根的OH基会与HMDI的CN基进行化学反应而形成共价键；且由图6b与图6c相较，反应温度为60℃时，其表面HMDI分子可能会继续与HMDI分子形成键结；因此，最佳的情况为，该反应温度维持于50℃。
由上可知，本发明的表面经HMDI修饰的磷酸氢钙(MCHP)，其表面的HMDI是以共价键方式与CHP相连结，结合能力与结合效率都相当好。CHP本身即具生物可分解性与生物可吸收性，接上有机分子HMDI后，便成为一具良好传导特性的骨陶瓷，该HMDI分子可有效传递骨骼生长因子，使MCHP同时兼具骨组织引导生成(osteoconduction)与骨组织诱导生成(osteoinduction)能力。此种特性使得MCHP不仅可作为适合骨母细胞或骨髓基质细胞长的骨架(scaffolds)，其上的HMDI分子更可有效传递骨骼生长因子至此处，促使这些前驱细胞更进一步分化发育成骨组织。
应用例将由实施例4所制备的材料，植入兔子髁状突(condyle)位置直径6mm的缺陷，两周后发现原缺陷已被新生骨组织取代，完全修复，如图7所示。
综上所述，本发明的医药用生物可分解性陶瓷具有具生物可分解性，植入后不需二次手术取出；且其颗粒大小不会堵塞骨髓空隙，相当适合骨母细胞或骨髓基质细胞生长。此外，其表面具有HMDI分子，可作为一良好的传递系统，使骨骼生长所需因子可有效传递至细胞生长处；进而使MCHP同时兼具骨组织引导生成(osteoconduction)与骨组织诱导生成(osteoinduction)能力。经实验证实，本发明的医药用生物可分解性陶瓷的确可有效帮助骨骼的生成与修复。依此特性，本发明的医药用生物可分解性陶瓷更可进一步应用为一种骨骼组织修复的方法，以及一种生物可分解性的骨骼组织修复装置，不需二次手术取出，并充分利用骨组织本身的再生能力，达到迅速有效的骨骼再生与修复效果。
权利要求
1.一种医药用生物可分解性陶瓷，包含一表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
2.如权利要求1所述的医药用陶瓷，其特征在于，其中该有机分子以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
3.一种医药用生物可分解性陶瓷的制造方法，包含以下步骤(A)提供5至20g重的磷酸氢钙粉末，该粉末粒径约0.1μm；(B)将该磷酸氢钙粉末溶于无水有机溶剂中，于无水气环境下搅拌约1小时；以及(C)加入3-12ml的六亚甲基二异氰酸，并于无水气环境下反应1-6小时，反应温度为20-70℃。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中该步骤(B)的有机溶剂至少一种选自由二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、氯碳化合物组成的群组。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中该步骤(C)的反应温度介于40-60℃。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中该步骤(C)的反应温度为50℃。
7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中该步骤(C)包含将一催化试剂加入该反应中。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中至少一种该催化剂为二-十二烷丁基锡。
9.一种生物可分解性的传导系统，包含一表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
10.如权利要求9所述的传导系统，其特征在于，其中该传导系统用于骨组织的再生或修复。
11.如权利要求9所述的传导系统，其特征在于，其中该传导系统用于传导骨组织本身的生长因子或骨骼生长诱导因子，及/或传导骨骼治疗用的药物。
12.如权利要求11所述的传导系统，其特征在于，其中该药物为生长因子或骨骼生长诱导因子。
13.如权利要求12所述的传导系统，其特征在于，其中该药物是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
14.一种生物可分解性的骨骼组织修复装置，其包含表面经有机分子修饰的磷酸氢钙，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
15.如权利要求14所述的骨骼组织修复装置，其特征在于，其中该有机分子是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
16.一种骨骼组织修复的方法，包含将表面经有机分子修饰的磷酸氢钙投予待修复的骨骼组织处，其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中该磷酸氢钙为生物可分解性。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，其中该有机分子是以共价键方式嫁接至该磷酸氢钙上。
全文摘要
本发明是关于一种医药用生物可分解性陶瓷，其包含表面经有机分子修饰的磷酸氢钙。其中该有机分子为六亚甲基二异氰酸(Hexamethylenediisocyanate，HMDI)，是以共价键方式嫁接(graft)至该磷酸氢钙上。本发明又相关于该医药用生物可分解性陶瓷的制造方法。此外，该医药用生物可分解性陶瓷可应用于骨骼组织修补。因此，本发明是相关于一种骨骼组织修复的方法及装置，以及一种骨骼组织修复药物的传导系统。
文档编号A61L27/00GK1535932SQ03110229
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月7日 优先权日2003年4月7日
发明者林峰辉, 董国忠 申请人:瑞安大药厂股份有限公司