一种复合多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法

专利名称：一种复合多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法
技术领域：
本发明属于磷酸钙骨水泥复合材料技术领域，特别涉及一种复合的可体内降解成孔的磷酸钙骨水泥复合材料及其制备方法。
背景技术：
自固化磷酸钙骨水泥具有在常温或人体生理环境温度下原位固化、固化体结构和成份与自然骨矿物相结构和成分相似、手术中可任意塑型、能填充各种形状的骨缺损等特点，可广泛应用于骨折固定、骨缺损修复、齿科与颌面外科修复及药物载体等临床范围，是骨修复和硬组织替代材料领域研究的热点。
普通磷酸钙骨水泥材料虽然也具有一定的孔隙率，但由于孔隙尺度为纳米级或亚微米级，缺少促使骨组织生长的大孔，不但骨细胞不能长入，连组织液也难以渗入，该材料在体内的降解吸收过程是逐层进行的，因而吸收率低，降解缓慢，阻碍了新骨组织的生成和重建。唐佩福将碳酸氢钠加入碳酸化羟基磷灰石骨水泥的固化液中，制备多孔骨水泥材料，固化体中70微米以上的大孔率可达40％，孔径主要分布在160～390微米范围，抗压强度约为6兆帕，骨内植入16周后，新骨生长面积占原骨缺损面积的35％。(见《多孔碳酸化羟基磷灰石骨水泥的实验研究》[博士学位论文]北京中国人民解放军总医院，2002)。在上述研究中，虽然骨水泥材料孔隙率增加，提高了材料的体内降解速度和成骨能力，但未能解决孔径和孔隙率增加所带来的材料强度降低的问题。其抗压强度仅为普通微孔磷酸钙骨水泥的十分之一左右，只能用于不承载或承载力很低的骨缺损部位的修复。董利民依据壳聚糖微球在体内降解速度比磷酸钙骨水泥快的特点，将壳聚糖微球与磷酸钙骨水泥复合，制备可体内降解成孔、初期强度高、后期降解速度快的磷酸钙骨水泥复合材料(《可在体内降解成孔的磷酸钙骨水泥的制备方法》，专利申请号200510092982.2)，使复合材料的强度提高到了15MPa，但由于壳聚糖微球降解产物呈碱性，从而抑制了磷酸钙骨水泥基体的降解，复合材料的强度和降解性还有待于进一步提高。

发明内容
本发明目的是为了克服以往多孔磷酸钙骨水泥强度低和降解速度慢的不足，提供一种复合多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法。该复合骨水泥初始固化强度高，植入后期降解快，且降解速度可调控，降解后形成的多孔结构有利于新骨组织生长和自体骨的重建。可用于骨缺损修复和骨组织工程支架材料，也可做为齿科修复材料。
本发明提出的复合多孔磷酸钙骨水泥，其特征在于，由磷酸钙骨水泥固相粉末与用Co60γ射线进行辐照处理的3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球与固化液组成；各组成成分的体积百分比为磷酸钙骨水泥固相粉3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球为5～50∶50～95，固化液与磷酸钙骨水泥固相粉和3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球总量的体积比为1∶0.5～3。
本发明提出的制备如权利要求1所述的复合磷酸钙骨水泥的方法，该方法包括以下步骤
(1)制备磷酸钙骨水泥固相粉末；(2)配制模拟体液；(3)将PHBV微球用Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度36～38℃，湿度60～90％的条件下，浸泡处理，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80～100℃烘干；(6)步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比5～50∶50～95混合，配制PHBV微球/磷酸钙骨水泥复合粉末；(7)配制缓冲溶液；(8)配制固化液在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液0.2～1.0摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制成固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液体积比0.5～3∶1配制复合骨水泥浆料。
本发明的特点及技术效果3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物(PHBV)是一种存在于微生物细胞中的天然脂肪族聚酯，在体内可发生水解和酶解反应而降解，且具有良好的生物相容性。将PHBV微球添加到磷酸钙骨水泥基体中，微球在材料植入的初期能够对基体起增强作用，其降解后形成多孔支架，有利于骨细胞和骨组织的长入。同时，由于其降解产物呈弱酸性，可促进呈弱碱性的磷酸钙骨水泥基体的降解，从而加快了复合材料的降解，有利于新骨的形成与重建。
本发明利用PHBV微球在体内降解速度比磷酸钙骨水泥快的特点，将经Co60γ射线辐照和模拟体液表面处理的PHBV微球添加到磷酸钙骨水泥基体中，制备有机/无机复合的可在体内降解成孔的磷酸钙骨水泥复合材料。普通多孔磷酸钙骨水泥材料，由于存在大量孔隙，强度较低。在PHBV微球与磷酸钙骨水泥复合材料中，初期凝固后，固化体中只有微孔，且孔隙率低，强度较高。微孔形成的体液通道，可促使PHBV微球在体内降解，随着PHBV微球在体内的降解，复合材料中大孔增多，孔隙率增加，从而实现采用体内降解成孔的方法制备磷酸钙骨水泥复合材料的目的。PHBV微球与磷酸钙骨水泥复合材料植入体内后，由于PHBV微球降解较快，可在磷酸钙骨水泥基体中逐渐形成与微球尺寸大小相应的孔隙，骨细胞能够在孔内生长，有利于材料的血管化，并保证营养向材料内部组织供给，从而促进新骨组织的生长和自体骨的重建。同时，由于PHBV微球的降解产物呈弱酸性，又可促进呈弱碱性的磷酸钙骨水泥基体的降解，维持体内微环境的酸碱平衡，提高复合材料整体的降解性，也避免了由于酸性环境所造成的炎症等副作用，有利于新骨的形成与重建。
本发明的复合材料初始固化强度高，植入后期降解快，且降解速度可调控，降解后形成的多孔结构有利于新骨组织生长和自体骨的重建。
本发明采用不同剂量的Co60γ射线对PHBV微球进行辐照处理，以调控PHBV微球在体内降解成孔的速度，可满足不同骨缺损部位的修复对复合材料降解速度的要求。
本发明制备的PHBV微球与磷酸钙骨水泥复合材料，主要用于骨缺损修复和骨组织工程支架材料，也可做为齿科修复材料。使用时，可将调制好的浆料，直接用注射器注入骨缺损部位；也可将浆料注入模具中，在体外固化成型后，再植入骨缺损部位；或将PHBV微球与磷酸钙骨水泥复合材料在体外降解成孔，制备多孔磷酸钙骨水泥材料，用于骨组织工程支架。
具体实施例方式
本发明的内容结合实施例进一步详细说明如下本发明提出的一种复合多孔磷酸钙骨水泥，由磷酸钙骨水泥固相粉末与用Co60γ射线进行辐照处理的3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球与固化液组成；各组成成分的体积百分比为磷酸钙骨水泥固相粉3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球为5～50∶50～95，固化液与磷酸钙骨水泥固相粉和3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球总量的体积比为1∶0.5～3。
所述磷酸钙骨水泥固相粉末可由α型磷酸三钙、磷酸二氢钙和碳酸钙粉末组成，各成分的摩尔比为α型磷酸三钙∶磷酸二氢钙∶碳酸钙＝(8～12)∶(1～2)∶(3～5)所述用Co60γ射线对-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球进行辐照处理的剂量可为5～100kGy；本发明的制备方法包括以下步骤(1)制备磷酸钙骨水泥固相粉末(已知的磷酸钙骨水泥有多种均可使用，其制备方法为公知技术，例如一种磷酸钙骨水泥固相粉末的具体制备方法为α型磷酸三钙、磷酸二氢钙和碳酸钙粉末按摩尔比α型磷酸三钙/磷酸二氢钙/碳酸钙＝(8～12)/(1～2)/(3～5)在无水乙醇介质中球磨混合，80～100℃烘干)；(2)配制模拟体液在1000毫升去离子水或蒸馏水中加入氯化钠8.00～24.00克，碳酸氢钠0.35～1.01克，氯化钾0.23～0.69克，磷酸氢二钾0.23～0.69克，氯化镁0.31～0.93克，氯化钙0.28g～0.84克，硫酸钠0.07～0.21克，三羟甲基氨基甲烷6.06～18.18克，配制模拟体液，并用1摩尔浓度的盐酸溶液将模拟体液的PH值调到7.2～7.4；(3)将PHBV微球(制备方法为公知技术)用剂量为5～100kGy的Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度36～38℃，湿度60～90％的条件下，浸泡处理2～20天，期间每隔24～48小时，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80～100℃烘干；(6)步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比5～50∶50～95混合，配制PHBV微球/磷酸钙骨水泥复合粉末；(7)用分析纯磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾试剂和去离子水或蒸馏水配制浓度在0.2～1.0摩尔的等摩尔浓度的磷酸二氢钠和磷酸氢二钠缓冲溶液或磷酸二氢钾和磷酸氢二钾缓冲溶液；(8)在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液0.2～1.0摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液体积比0.5～3∶1配制复合骨水泥浆料。
将上述制备的骨水泥浆料可直接用注射器注入骨缺损部位，也可注入模具固化后，再植入骨缺损部位，或将PHBV微球与磷酸钙骨水泥复合材料在体外降解成孔，制备多孔磷酸钙骨水泥，用于骨组织工程支架材料。
实施例1(1)将α型磷酸三钙、磷酸二氢钙和碳酸钙粉末按摩尔比α型磷酸三钙∶磷酸二氢钙∶碳酸钙＝8∶1∶3在无水乙醇介质中球磨混合，80℃烘干，制备磷酸钙骨水泥固相粉末；(2)在1000毫升去离子水或蒸馏水中加入氯化钠12克，碳酸氢钠0.53克，氯化钾0.34克，磷酸氢二钾0.34克，氯化镁0.46克，氯化钙0.42克，硫酸钠0.1克，三羟甲基氨基甲烷9.09，配制模拟体液，并用1摩尔浓度的盐酸溶液将模拟体液的PH值调到7.2；(3)将PHBV微球用剂量为5kGy的Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度36℃，湿度70％的条件下，浸泡处理5天，期间每隔24小时，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)将步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80～100℃烘干；(6)将步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比5∶95混合，配制PHBV微球/磷酸钙骨水泥复合粉末；(7)用分析纯磷酸二氢钠、磷酸氢二钠试剂和去离子水或蒸馏水配制0.2摩尔浓度的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲溶液；(8)在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液0.2摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液比0.5∶1配制复合骨水泥浆料。
(10)将步骤(8)配制的骨水泥浆料直接用注射器注入骨缺损部位。
实施例2(1)将α型磷酸三钙、磷酸氢钙、磷酸四钙和碳酸钙粉末按摩尔比α型磷酸三钙∶磷酸氢钙∶磷酸四钙∶碳酸钙＝10∶1∶1.5∶3在无水乙醇介质中球磨混合，80℃烘干，制备磷酸钙骨水泥固相粉末；(2)在1000毫升去离子水或蒸馏水中加入氯化钠8.00克，碳酸氢钠0.35克，氯化钾0.23克，磷酸氢二钾0.23克，氯化镁0.31克，氯化钙0.28g克，硫酸钠0.07克，三羟甲基氨基甲烷6.06克，配制模拟体液，并用1摩尔浓度的盐酸溶液将模拟体液的PH值调到7.3；(3)将PHBV微球用剂量为25kGy的Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度37℃，湿度80％的条件下，浸泡处理10天，期间每隔36小时，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)将步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80℃烘干；(6)将步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比30∶70混合，配制壳聚糖微球/磷酸钙骨水泥复合粉末。
(7)用分析纯磷酸二氢钾、磷酸氢二钾试剂和去离子水或蒸馏水配制0.6摩尔浓度的磷酸二氢钾/磷酸氢二钾缓冲溶液；(8)在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液0.6摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液比2∶1配制复合骨水泥浆料。
(10)步骤(9)配制的骨水泥浆料注入模具中，在温度37℃，湿度90％的条件下固化6小时，然后置于步骤(2)配制的模拟体液中，在温度37℃下浸泡处理6天，取出后用去离子水或蒸馏水清洗干净，80℃烘干备用。
实施例3(1)α型磷酸三钙、磷酸氢钙和碳酸钙粉末按摩尔比α型磷酸三钙∶磷酸氢钙∶碳酸钙＝10∶10∶3在无水乙醇介质中球磨混合；80℃烘干，制备磷酸钙骨水泥固相粉末；(2)在1000毫升去离子水或蒸馏水中加入氯化钠24.00克，碳酸氢钠～1.01克，氯化钾0.69克，磷酸氢二钾0.69克，氯化镁0.93克，氯化钙0.84克，硫酸钠0.21克，三羟甲基氨基甲烷18.18克，配制模拟体液，并用1摩尔浓度的盐酸溶液将模拟体液的PH值调到7.4；(3)将PHBV微球用剂量为100kGy的Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度36℃，湿度70％的条件下，浸泡处理15天，期间每隔48小时，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)将步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80～100℃烘干；(6)将步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比50∶50混合，配制PHBV微球/磷酸钙骨水泥复合粉末；(7)用分析纯磷酸二氢钠、磷酸氢二钠试剂和去离子水或蒸馏水配制1.0摩尔浓度的磷酸二氢钠/磷酸氢二钠缓冲溶液；(8)在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液1.0摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液比3∶1配制复合骨水泥浆料。
(10)将步骤(9)配制的骨水泥浆料直接用注射器注入模具中，在温度37℃，湿度90％的条件下固化4小时，然后置于步骤(2)配制的模拟体液中，在温度37℃下浸泡处理6天，取出后用去离子水或蒸馏水清洗干净，80～100℃烘干，再植入骨缺损部位。
权利要求
1.一种复合多孔磷酸钙骨水泥，其特征在于，由磷酸钙骨水泥固相粉末与用Co60γ射线进行辐照处理的3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球与固化液组成；各组成成分的体积百分比为磷酸钙骨水泥固相粉∶3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球为5～50∶50～95，固化液与磷酸钙骨水泥固相粉和3-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球总量的体积比为1∶0.5～3。
2.如权利要求1所述的复合多孔磷酸钙骨水泥，其特征在于，所述磷酸钙骨水泥固相粉末由α型磷酸三钙、磷酸二氢钙和碳酸钙粉末组成，各成分的摩尔比为α型磷酸三钙∶磷酸二氢钙∶碳酸钙＝(8～12)∶(1～2)∶(3～5)。
3.如权利要求1所述的复合多孔磷酸钙骨水泥，其特征在于，所述用Co60γ射线对-羟基丁酸-CO-3-羟基戊酸共聚物微球进行辐照处理的剂量为5～100kGy。
4.一种制备如权利要求1所述的复合磷酸钙骨水泥的方法，该方法包括以下步骤(1)制备磷酸钙骨水泥固相粉末；(2)配制模拟体液；(3)将PHBV微球用Co60γ射线进行辐照处理；(4)将(3)辐照处理后的PHBV微球用去离子水清洗烘干后，置于玻璃容器中，加入步骤(2)配制的模拟体液，并使PHBV微球完全浸泡在模拟体液中，在温度36～38℃，湿度60～90％的条件下，浸泡处理，倒去陈液，更换相同浓度的新鲜模拟体液；(5)步骤(4)浸泡处理后的PHBV微球，用去离子水或蒸馏水反复清洗后，在80～100℃烘干；(6)步骤(5)烘干后的PHBV微球与步骤(1)制备的固相粉末按体积比5～50∶50～95混合，配制PHBV微球/磷酸钙骨水泥复合粉末；(7)配制缓冲溶液；(8)配制固化液在(7)配制的缓冲溶液中按每1000毫升溶液0.2～1.0摩尔的比例，分别添加分析纯碳酸氢钠和海藻酸钠试剂，配制成固化液；(9)将步骤(6)配制的固相复合粉末与步骤(8)配制的固化液按固液体积比0.5～3∶1配制复合骨水泥浆料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中制备磷酸钙骨水泥固相粉末的具体方法为α型磷酸三钙、磷酸二氢钙和碳酸钙粉末按摩尔比α型磷酸三钙/磷酸二氢钙/碳酸钙＝(8～12)/(1～2)/(3～5)在无水乙醇介质中球磨混合，80～100℃烘干。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于步骤(2)中，模拟体液的配制按照在1000毫升去离子水或蒸馏水中加入氯化钠8.00～24.00克，碳酸氢钠0.35～1.01克，氯化钾0.23～0.69克，磷酸氢二钾0.23～0.69克，氯化镁0.31～0.93克，氯化钙0.28g～0.84克，硫酸钠0.07～0.21克，三羟甲基氨基甲烷6.06～18.18克，配制成模拟体液，并用1摩尔浓度的盐酸溶液将模拟体液的PH值调到7.2～7.4。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述步骤2)用Co60γ射线进行辐照处理的剂量为5～100kGy。
8.根据权利要求4所述的可体内降解成孔的磷酸钙骨水泥复合材料制备方法，其特征在于所述步骤(4)中，所述浸泡处理的时间为2～20天，期间每隔24～48小时。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述步骤(7)配制缓冲溶液的具体方法为用分析纯磷酸二氢钠、磷酸氢二钠试剂和去离子水或蒸馏水配制浓度在0.2～1.0摩尔的等摩尔浓度的磷酸二氢钠和磷酸氢二钠缓冲溶液；或用分析纯磷酸二氢钾、磷酸氢二钾试剂和去离子水或蒸馏水配制浓度在0.2～1.0摩尔的等摩尔浓度的磷酸二氢钾和磷酸氢二钾缓冲溶液。
全文摘要
本发明涉及一种复合多孔磷酸钙骨水泥及其制备方法，属于磷酸钙骨水泥制备技术领域。该磷骨水泥由磷酸钙骨水泥固相粉末与用Co
文档编号A61L27/58GK1927416SQ20061011346
公开日2007年3月14日 申请日期2006年9月29日 优先权日2006年9月29日
发明者董利民, 王晨, 昝青峰, 刘海兰, 李兆新, 田杰谟 申请人:清华大学