专利名称：医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统的构建方法
技术领域：
本发明涉及一种医用抗感染金属植入材料的制备方法，具体涉及一种 医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统的构建方法。
技术背景感染是金属材料植入人体后最严重的并发症。目前预防和控制植入后 感染发生有多种方法，使金属植入材料自身具备抗感染能力就是其中之 一。为了使金属植入材料具有有效的抗感染能力，许多学者进行了多方面 的探索。有人试图利用金属银离子的抑菌作用，来预防和控制金属植入材料周围感染的发生。但Masse A[Masse A， Bruno A, Bosetti M， et al. Prevention of pin track infection in external fixation with silver coated pins: clinical and microbiological results. J Biomed Mater Res. 2000 S印；53 (5) :600-604]和Coester LM[Coester LM， N印ola JV， Allen J， et al. The effects of silver coated external fixation pins. Iowa 0rthop J. 2006:26:48-53]的研究结果显示，骨折外固定架金属半 针是否经过银喷涂处理，对钉道周围感染的预防和控制没有明显差异。此 夕卜，Chen W等人使用银-HA联合喷溅的方法，将银与HA以10:300的比例 在植入物表面沉积3小时，而后400摄氏度烧结3小时，并对其抗感染效 果进行了体外实验研究，结果证实该复合涂层可以降低细菌在植入物表面 的附着力[ChenW， Liu Y， Courtney HS， et al. In vitro anti-bacterial and biological properties of magnetron co—sputteredsilver—containing hydroxyapatite coating. Biomaterials. 2006 Nov;27(32) :5512-5517 ]。另有学者尝试将抗生素复合于金属材料表面的 生物涂层中，以研究抗生素在体内的抗菌效果。Alt V等人[Alt V， Bitschnau A， 0sterling丄et al. The effects of combined gentamicin-hydroxyapatite coating for cementless joint prostheses on the reduction of infection rates in a rabbit infection prophylaxis model. Biomaterials. 2006 S印；27(26): 4627- 4634]在髓内针表面复合了 HA、 庆大霉素-HA、庆大霉素-RGD-HA三种涂层，并观察在家兔体内的抗感染效 果，发现表面复合有庆大霉素的两种涂层的金属植入物对于感染具有明显 的控制作用。除了HA药物涂层外，PLGA、 PLLA等亦可作为抗生素缓释的 涂层材料，达到缓释药物的效果。[MakinenTJ， Veiranto M， Lankinen P， et al. In vitro and in vivo release of ciprofloxacin from osteoconductive bone defect filler. J Antimicrob Chemother. 2005; 56(6): 1063-1068; Lucke M， Schmidmaier G, Sadoni S， et al. Gentamicin coating of metallic implants reduces implant-related osteomyelitis in rats. Bone. 2003 May; 32 (5) :521-531] 。
K51icke T等人将利福平和 夫西地酸与PLLA混合后附着于植入物表面构建起一层30微米的抗感染 层。[K^licke T， Schierholz J, Schlegel U, et al. Effect on infection resistance of a local antiseptic and antibiotic coating on osteosynthesis implants: an in vitro and in vivo study. J Orthop Res. 2006 Aug;24 (8) :1622-1640]。但目前研究的金属表面药物涂层材料 存在着两个主要缺陷， 一是涂层与金属材料之间的有效结合问题没有解 决，涂层易受理化因素影响而发生脱落，不利临床使用，二是难以实现对抗生素缓释的精确调控。 发明内容本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种在医用钛合 金植入物表面制备稳定的缓释型抗生素生物涂层，使内固定材料在保持优 良力学特性的同时具有良好的抗感染能力，以降低植入后感染并发症的发 生的医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统的构建方法。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是1) 医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备-首先将直径为0.2-0.3mm的钛珠粒或钛粉末与添加剂混合，其中钛珠 粒或钛粉占混合物质量的30—70%，所说的添加剂为尿素、镁粉、甲基纤 维素或硬脂酸，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层厚度为0.5-1.0mm， 并将其置于真空炉中在1000-1200°C烧结1-3小时使钛珠熔结在一起，同 时与假体熔结；2) 医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入质量浓度为30 %的过氧化氢溶液中，温度控制在60-80°C，保持12-24h后取出，用丙酮 溶液清洗后再将其置于羰基二咪唑(l, l'-carbonyldiimidazole， CDI)/丙 酮混合溶液中搅拌30min， CDI与丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液 中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶液清洗，去除未偶联的CDI，将已偶联 CDI的试样放入溶解RGD(Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢 钠的配比为225g: (84-420) g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所 有试样在应用前用质量浓度为70%的乙醇清洗，紫外线消毒24h;3) 明胶-药物控释微球与材料表面的结合将庆大霉素或利福平骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物占混合物质量的2.5%-25%，然后再使用蛋白交联剂碳化二亚胺 [(1-ethy-3-(3-dimethy-laminopropyl)carbodijmide)， EDC]、辛二酸二琥 珀酰亚胺酯(disuccinimidyl suberate, DSS)或双N-羟琥珀酰亚胺戊二酸 (Disuccinimidyl glutarate, DSG)将载药微球与经过RGD修饰的医用钛合 金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂浓度控制在10-100 mmol/L， 最终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统。本发明借助现有的金属材料表面的微孔制备技术和RGD化学修饰方 法构建医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统，大大提高了金属表面的物 理吸附和化学键结合能力，再加上蛋白交联剂的作用可以使缓释微球与植 入体之间达到稳定的结合强度。
图1是本发明构建的表面复合平均直径为15pm含有抗生素的明胶控 释微球的显微图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。 实施例1:1)医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备首先将直径为0.2 -0.3mm的钛珠粒与添加剂尿素混合，其中钛珠粒或 钛粉占混合物质量的40%，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层厚度为 0.5-1.0mm，并将其置于真空炉中在IOO(TC烧结3小时使钛珠熔结在一起， 同时与假体熔结；利用高温将添加剂自然挥发，而接近熔点的温度会将珠 子彼此熔结在一起，同时将其与假体熔结。钛珠烧结一般为双层或三层，烧结后，三排珠尺寸相加为0.6-0.9mm，孔隙尺寸为100-300 y m，平均空 隙率为30-60%;2) 医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入30%过氧化氢 溶液中，温度控制在6(TC，保持24h后取出，用丙酮溶液清洗，将用丙酮 溶液清洗过的医用钛合金植入物置于羰基二咪唑 (1， 1，-carbonyldiimidazole， CDI)/丙酮混合溶液中搅拌30min， CDI与 丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶 液清洗，去除未偶联的CDI，将己偶联CDI的试样放入溶解 RGD(Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢钠的配比为 225g: (84-420) g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所有试样在应 用前用质量浓度为70%的乙醇清洗，紫外线消毒24h;3) 明胶-药物控释微球与材料表面的结合将庆大霉素骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物 占混合物质量的2.5。/。，然后再使用蛋白交联剂碳化二亚胺[(1-ethy-3-(3-dimethy- laminopropyl)carbodiimide), EDC将载药微球与经过RGD修饰的医用钛合金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂浓度控制在 10mmol/L，最终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统，见图1。 实施例2:1)医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备首先将直径为0.2-0.3mm的钛粉末与添加剂镁粉混合，其中钛珠粒或 钛粉占混合物质量的60%，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层厚度为 0.5-1.0mm，并将其置于真空炉中在IIO(TC烧结2小时使钛珠熔结在一起，同时与假体熔结，同时将其与假体熔结；2) 医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入30%过氧化氢 溶液中，温度控制在67。C，保持20h后取出，用丙酮溶液清洗，将用丙酮 溶液清洗过的医用钛合金植入物置于羰基二咪唑 (1， l'-carbonyldiimidazole, CDI)/丙酮混合溶液中搅拌30min， CDI与 丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶 液清洗，去除未偶联的CDI，将已偶联CDI的试样放入溶解 RGD (Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢钠的配比为 225g: (84-420) g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所有试样在应 用前用质量浓度为70%的乙醇清洗，紫外线消毒24h;3) 明胶-药物控释微球与材料表面的结合将利福平骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物占 混合物质量的10%，然后再使用蛋白交联剂辛二酸二琥珀酰亚胺酯 (disuccinimidyl suberate， DSS)将载药微球与经过RGD修饰的医用钛合 金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂浓度控制在70mmol/L，最终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统。 实施例3:1)医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备首先将直径为0.2-0.3mm的钛珠粒与添加剂甲基纤维素混合，其中钛 珠粒或钛粉占混合物质量的30%，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层 厚度为0.5-1.0mm，并将其置于真空炉中在1050°C烧结2.5小时使钛珠熔 结在一起，同时与假体熔结，同时将其与假体熔结；2) 医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入30%过氧化氢 溶液中，温度控制在73"C，保持16h后取出，用丙酮溶液清洗，将用丙酮 溶液清洗过的医用钛合金植入物置于羰基二咪唑 (1， l'-carbonyldiimidazole, CDI)/丙酮混合溶液中搅拌30min， CDI与 丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶 液清洗，去除未偶联的CDI，将已偶联CDI的试样放入溶解 RGD (Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢钠的配比为 225g: (84-420) g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所有试样在应 用前用质量浓度为70%的乙醇清洗，紫外线消毒24h;3) 明胶-药物控释微球与材料表面的结合将庆大霉素骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物 占混合物质量的20%,然后再使用蛋白交联剂双N-羟琥珀酰亚胺戊二酸 (Disuccinimidyl glutarate, DSG)将载药微球与经过RGD修饰的医用钛合 金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂浓度控制在40mmol/L，最 终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统。实施例4:1) 医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备首先将直径为0.2 -0.3mm的钛粉末与添加剂硬脂酸混合，其中钛珠粒 或钛粉占混合物质量的70%，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层厚度 为0.5-1.0mm，并将其置于真空炉中在1200°C烧结1小时使钛珠熔结在 一起，同时与假体熔结，同时将其与假体熔结；2) 医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入30%过氧化氢溶液中，温度控制在8(TC，保持12h后取出，用丙酮溶液清洗，将用丙酮 溶液清洗过的医用钛合金植入物置于羰基二咪唑 (1， l'—carbonyldiimidazole, CDI)/丙酮混合溶液中搅拌30min， CDI与 丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶 液清洗，去除未偶联的CDI，将已偶联CDI的试样放入溶解 RGD(Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢钠的配比为 225g: (84-420) g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所有试样在应 用前用质量浓度为70%的乙醇清洗，紫外线消毒24h; 3)明胶-药物控释微球与材料表面的结合将利福平骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物占 混合物质量的2.5、 10、 20、 25%，然后再使用蛋白交联剂碳化二亚胺 [(1-ethy-3- (3- dimethy- laminopropyl)carbodiimide)， EDC]将载药微球与 经过RGD修饰的医用钛合金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂 浓度控制在100 mmol/L，最终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系 统。本发明选择医用钛合金作为植入材料，通过表面微孔层制备和化学改 性技术，使包裹抗生素的控释微球与材料表面微孔有效地嵌(结)合，构 建出一种能够控释抗生素的有效系统，为抗感染金属材料的研制和开发奠 定了基础。同时，本发明在扩大金属材料植入的临床适应症，降低失败率， 降低患者治疗费用，更新金属材料的传统使用观念等方面具有重要的理论 和实际应用价值。
权利要求
1、医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统的构建方法，其特征在于1)医用钛合金植入物表面微孔层形态的制备首先将直径为0.2-0.3mm的钛珠粒或钛粉末与添加剂混合，其中钛珠粒或钛粉占混合物质量的30-70％，所说的添加剂为尿素、镁粉、甲基纤维素或硬脂酸，然后将混合物涂敷于假体的表面，涂层厚度为0.5-1.0mm，并将其置于真空炉中在1000-1200℃烧结1-3小时使钛珠熔结在一起，同时与假体熔结；2)医用钛合金植入物表面化学性质的修饰将步骤1得到的医用钛合金植入物经超声清洗后，浸入质量浓度为30％的过氧化氢溶液中，温度控制在60-80℃，保持12-24h后取出，用丙酮溶液清洗后再将其置于羰基二咪唑(1，1’-carbonyldiimidazole，CDI)/丙酮混合溶液中搅拌30min，CDI与丙酮溶液的混合比例为每毫升丙酮溶液中含CDI10-30mg，然后再用丙酮溶液清洗，去除未偶联的CDI，将已偶联CDI的试样放入溶解RGD(Arg-Gly-Asp)的碳酸氢钠溶液中，RGD与碳酸氢钠的配比为225g∶(84-420)g，在室温下震荡36h，取出后用PBS清洗，所有试样在应用前用质量浓度为70％的乙醇清洗，紫外线消毒24h；3)明胶-药物控释微球与材料表面的结合将庆大霉素或利福平骨感染局部常用药物与明胶复合制成载药微球，其中药物占混合物质量的2.5％-25％，然后再使用蛋白交联剂碳化二亚胺[(1-ethy-3-(3-dimethy-laminopropyl)carbodiimide)，EDC]、辛二酸二琥珀酰亚胺酯(disuccinimidyl suberate，DSS)或双N-羟琥珀酰亚胺戊二酸(Disuccinimidyl glutarate，DSG)将载药微球与经过RGD修饰的医用钛合金植入物表面微孔层进行结合，蛋白质交联剂浓度控制在10-100mmol/L，最终得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统。
全文摘要
医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统的构建方法，首先将钛珠粒或钛与添加剂混合，然后将混合物涂敷于假体的表面烧结使钛珠熔结在一起，同时与假体熔结；再将其经超声清洗后，浸入过氧化氢溶液中，再用丙酮溶液清洗后再将其置于羰基二咪唑/丙酮混合溶液中，再用丙酮溶液清洗后放入溶解RGD的碳酸氢钠溶液中，取出后用PBS清洗，将治疗和预防骨感染的药物与明胶复合制成载药微球，然后再使用蛋白交联剂将载药微球与假体表面微孔层结合得到医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统。本发明构建的医用钛合金植入物表面抗生素缓释系统，提高了金属表面的物理吸附和化学键结合能力，再加上蛋白交联剂的作用使缓释微球与植入体之间达到稳定的结合强度。
文档编号A61L27/00GK101224314SQ20081001729
公开日2008年7月23日 申请日期2008年1月15日 优先权日2008年1月15日
发明者红 吴, 郝玉琳, 征 郭, 勃 高 申请人:征 郭