专利名称：提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂及磷酸镁水泥的制作方法
技术领域：
本发明属于医用生物材料；具体来说涉及的是磷酸镁水泥，涉及对骨骼及其附属结构损伤的治疗，作为骨填充物，用于对骨缺损的治疗，作为骨接合物，用于对断裂的骨骼或重建的韧带固定，还可用于对假体的稳定。
背景技术：
磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，MPC)是由氧化镁和酸性磷酸盐在常温下通过在水介质中的酸碱中和反应所形成的一类磷酸镁盐化学结合陶瓷材料 (chemically bonded magnesium phosphate ceramics)。这类材料具有下列特点1.其性质介于烧结陶瓷和传统水泥之间，合成过程与传统水泥类似，同时还具有烧结陶瓷的结构和特征；2.快速凝固，质地坚硬，具有膨胀性，能与多种材料形成牢固结合；3.是全无机、pH中性材料，没有毒性；4.能在很宽pH范围内保持稳定；5.由天然矿物合成，原材料来源广泛；6.具有自结合能力(self-bonding)，即后一层材料能牢固结合前一层已凝固材料；7.作为生物材料，与皮质骨的密度接近。在实际应用中，通常磷酸镁盐作为胶结物与添加物组成复合物。材料制备过程通常是这样的，首先将氧化镁和酸性磷酸盐粉末与添加物粉末按比例混合，然后再与作为激活液的一定比例水溶液混合，形成胶状物，在此时进行应用，此后胶状物发生固化反应，形成固化复合物。添加物特征的改变能影响复合物的性状，通过改变添加物的特征，可得到一系列具有所希望特征的材料。实际应用的MPC根据酸性磷酸盐的不同分为两类；采用磷酸二氢铵(NH4H2PO4)的称为铵盐型MPC，采用磷酸二氢钾(KH2PO4)的称为钾盐型MPC。铵盐型MPC最早得到开发， 因为这种材料在制备中会放出大量的刺激性氨气，污染环境，用途狭窄，只适宜在户外修筑路面使用。钾盐型MPC的开发较晚，用途广泛，已得到开发的领域包括有毒或放射性物质的包埋材料、建筑材料和生物材料。钾盐型MPC在某种程度上是对铵盐型MPC的替代和升级；它对环境友好，生物相容性和强度更好、粘合性大和可操作性强。铵盐型和钾盐型MPC 作为生物材料都已受到深入的研究和开发。我国华东理工大学在铵盐型MPC生物材料的开发方面做了大量基础研究和动物试验，取得了一定的成果，并已有了相关专利授权。国外成功MPC生物材料的开发使用的是钾盐型MPC，一种已取得专利授权的钾盐型MPC已于2009 年获得美国FDA批准作为骨缺损填充物在临床使用。最近也有酸性磷酸盐分别采用磷酸二氢钙和磷酸二氢钠的MPC作为生物材料开发的研究报道和相关专利申请。MPC作为一种新型骨水泥材料弥补了目前临床应用骨水泥的不足，拓广了骨水泥材料的应用领域。迄今为止，临床上使用的无机骨移植/填充材料的99%为钙基复合物。然而由于钙基复合物过高的钙磷比导致的体内降解吸收缓慢和无粘合性使得它们只能充当促进骨形成材料的载体为骨的长入提供支架，而不能为骨愈合提供任何有利的帮助。从生物力学的角度考虑，钙基水泥或填充材料不具有粘接能力，并且在张力条件下十分脆弱， 不具备足够的拉伸强度。MPC骨修复材料克服了钙基骨水泥和填料临床应用的局限性。它们不仅具有生物相容性，生物可吸收性，同时还具有强大的粘合力和足够的压缩和拉伸强度以及更快的降解速度；因此，除了可用做骨填充修复物外，MPC的临床应用还扩展到了骨接合固定领域。它们可替代骨钉、骨板粘接断裂的骨端；在韧带和肌腱的重建手术中发挥粘接和固定作用；还可加强和稳定假体和金属固定物；此外，也有促进软骨生长和骨创面止血的作用。随着对这种材料研究的深入，其临床应用还会将不断扩展。例如CN101076344A 公开的“多用途生物材料组合物”，公开了采用磷酸或磷酸盐，金属氧化物，含钙化合物以及糖样化合物构成的骨增生生物材料组合物，可用作生物粘合剂、骨和牙科接合剂、骨填料、 骨锚和骨移植物的多用途生物材料。其中磷酸盐通常是采用磷酸二氢钾(KH2PO4),金属氧化物为氧化镁，含钙化合物通常为羟基磷灰石(Caltl (PO4) 6 (OH) 2)。另外，尽管MPC作为生物材料的研究已经取得很大进展，已有一种基于钾盐型MPC 生物材料获准在临床使用。但是，MPC作为生物材料的开发仍有许多问题有待解决。对临床应用重要的两个问题是1.在作为骨粘合剂开发时，材料如何在保证连接稳定的情况下， 进一步加快降解速度。目前已开发的MPC生物材料尽管降解速度明显快于磷酸钙盐材料， 但仍落后于骨折的正常愈合速度，对骨折的愈合有阻碍作用。2.如何进一步提高材料的生物相容性。从已开发的MPC生物材料动物研究结果来看，这些材料仍存在一定程度的过度炎症反应，对组织愈合产生不利影响。例如，在一项CN101076344A专利保护产品的动物研究(J Hand Surg Am. 2009 ；34 (6) :1066_1073)，组织学分析表明，这种基于钾盐型MPC的生物材料作为异物能引起变态反应或明显的组织慢性炎症，而且这种比较差的生物相容性表现是导致这种材料没有达到预期治疗效果的原因。
发明内容
针对目前的MPC生物材料存在的上述问题，本发明的目的就在于提供一种提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，以改善磷酸镁水泥的生物相容性。本发明的另一个目的还在于提供一种磷酸镁水泥，具有较好的生物相容性。为实现本发明的第一个目的，本发明采用的技术方案是一种提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，其特征在于是一种金属离子螯合剂。本发明也提供一种磷酸镁水泥，包括氧化镁和磷酸盐或磷酸，其特征在于含有金属离子螯合剂。所述螯合剂为与钾离子或镁离子具有螯合作用的糖衍生物、糖替代物中的一种或一种以上的混合物。所述糖衍生物可以为与钾离子或镁离子具有较强螯合作用的葡萄糖酸钠或维生素C糖苷，或两者的混合物。所述糖替代物为与钾离子或镁离子具有较强螯合作用的甘露醇、山梨醇或木糖醇，或甘露醇、山梨醇、木糖醇中两种或三种的混合物。在磷酸镁水泥中，所述糖衍生物和糖替代物等糖类化合物可以占磷酸镁水泥粉体重量的1_15%。所述螯合剂为氨基酸，所述氨基酸为谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸或蛋氨酸，或为其中两种或两种以上的混合物，氨基酸总量占磷酸镁水泥粉体重量百分比0. 5 5%。特别是酸性氨基酸(谷氨酸和天冬氨酸)，除具有与钾离子和镁离子产生较强螯合作用以降低这些离子过多释放对组织的毒性外，酸性氨基酸还能缓冲和减轻降解产物对体液的碱化作用。所用氨基酸中，最好要使用至少一种酸性氨基酸，而且占氨基酸含量不应小于50%。此外，这些氨基酸也是构建组织的原料，有利于组织的修复。生物相容性是指材料与生物体之间相互作用后产生的各种生物、物理、化学等反应的一种概念。一般地讲，就是材料植入人体后与人体相容程度，也就是说是否会对人体组织造成毒害作用。对于可降解生物材料来说，其生物相容性在很大程度上取决于降解产物的生物安全性。钾盐型MPC的组成主要是胶凝物(MgKP04 -6H20)和未反应的氧化镁(MgO)。 胶凝物是一种离子型化合物，降解终产物是钾、镁、磷酸根离子；氧化镁溶出后会与水发生反应，生成氢氧化镁，再解离生成镁离子和氢氧根离子。发明人研究发现，钾盐型MPC在机体降解会引起局部体液钾、镁等离子的异常增多和PH升高带来的碱性化；这种降解结果存在着导致机体局部酸碱平衡失调和电解质紊乱的趋势，从而对组织愈合带来不利的影响。 发明人认为在已开发MPC生物材料的动物研究中所表现出来的比较差的生物相容性表现是与这种材料的降解产物引起机体局部内环境紊乱有密切关系。为了改善MPC材料的生物相容性，本发明在材料设计中引入针对性的纠正酸碱失衡和电解质紊乱的方案是一种有效措施。本发明利用对钾离子和镁离子能产生较强螯合作用的配体(螯合剂)作为磷酸镁水泥的提高生物相容性的助剂，以使其在材料降解时能与释放出来的钾离子和镁离子生成螯合物，螯合物的生成降低这些金属离子在体液中的游离浓度，减轻这些离子异常增多产生的毒性。例如，糖衍生物、氨基酸和糖醇的使用。作为磷酸镁水泥主要成份的磷酸盐，可以采用磷酸二氢钾，在本发明中优选磷酸盐组合物，包括占水泥粉体重量35 60 %的磷酸二氢钾、0 10 %的磷酸二氢镁和1 15%的磷酸二氢钠。这三种酸性磷酸盐在材料中的反应产物为=MgKPO4. 6H20， MgNaPO4. 6H20, MgHPO4. 3H20。反应式为1)Mg0+RH2P04+5H20 — MgRPO4. 6H20 ；式中 R 代表 K 和 Na2) MgO+Mg (H2PO4) 2+5H20 — 2MgHP04. 3H20由于孔隙度对于骨修复材料的骨传导性和可降解性是至关重要的；但同时孔隙度的存在会损害材料的力学性能。如何解决这一矛盾是骨修复材料研制所面临的重要问题。 材料中快速降解相的存在能很好解决这一问题。所谓快速降解相是指材料中所含有的在体内比主体成分降解更快的成分。快速降解相的存在能使材料在初始制备时有很少孔隙，因此具有很好的力学性能；但放入体内后，快速降解相迅速降解形成空隙，引导组织长入。当材料中含有几种快速降解相，而且这几种快速降解相能形成降解速度梯度，产生有序降解时，材料的降解速度与组织长入速度容易形成匹配关系；随着组织的长入，材料逐渐发生降解，所长入的组织与材料交织嵌和在一起，产生牢固生物学固定。这种材料构建方法对于作为骨粘合剂的可降解材料是至关重要的，因为它能有效保证材料连接的稳定性。磷酸二氢钠和磷酸二氢镁的溶解度高于磷酸二氢钾，因此形成结晶的反应速度快于磷酸二氢钾；可以增强材料早期的力学强度；同时它们的反应产物也是快速降解相，可加速材料的降解。本发明提供的磷酸镁水泥材料，包含有四种快速降解相，降解速度由快到慢分别是糖类物质 < CaSO4 · 2H20 < MgNaPO4. 6H20 < MgHPO4. 3H20。此外，磷酸二氢钠也是为了取得材料中离子的平衡引入钠离子的途径。机体中富含的离子之间存在既互相拮抗又相互协调的关系， 通过引入钠离子，使水泥中含有钾、钠、钙、镁、磷酸根和硫酸根离子，这种关系在维持机体内环境的稳定和保障细胞正常功能具有重要意义。所述水泥粉体中还可以含有半水和硫酸钙(CaS04 1/2 H2 0，CSH)，CSH在粉体中的重量百分比为10 0.5%。钙盐的添加可以增加材料的生物相容性和力学性能。CSH的反应产物为石膏(CaS042H20)，反应式为CaS04 1/2 H2 0+3/2H2 0 — CaS042H20石膏的生成具有膨胀性，可进一步加强材料的膨胀性，从而加强材料的粘合强度； 石膏也是快速降解相加速材料的降解，同时也为材料的离子平衡提供了硫酸根。发明人认为，解决磷酸镁水泥生物相容性，可以从下面角度入手1.在材料中包含酸性物质，以使其在材料降解时能缓冲和减轻体液的碱性化。例如，酸性氨基酸的使用。2.在材料中包含对钾或镁离子能产生螯合作用的配体(螯合剂)，以使其在材料降解时能与体液中的钾离子或镁离子生成螯合物，降低这些金属离子在体液中的游离浓度，减轻这些离子异常增多产生的毒性。例如，糖衍生物、氨基酸和糖醇的使用。3.在材料中进一步包含机体中富含的离子，以促进材料降解时体液中离子平衡的建立，减轻对机体电解质稳态的干扰。机体中富含的离子之间存在即互相拮抗又相互协调的关系，这种关系在维持机体内环境的稳定和保障细胞正常功能具有重要意义。例如，钠和硫酸根离子的引入。本发明的有益效果是通过使用金属离子螯合剂作为提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，利用其与磷酸镁水泥降解时释放出来的钾离子和镁离子生成螯合物，降低这些金属离子在体液中的游离浓度，减轻这些离子异常增多产生的毒性，达到提高磷酸镁水泥生物相容性的效果。特别是采用具有螯合作用的糖衍生物、糖替代物，除提高磷酸镁水泥的生物相容性外，还达到CN101076344A中采用糖类化合物的提高材料粘合性、生物吸附和骨增生质量效果。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1粉体(质量百分数)氧化镁45% ；磷酸二氢钾41% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；葡萄糖酸钠；山梨醇；氨基酸天冬氨酸0. 5%， 苷氨酸0.5%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例2粉体(质量百分数)氧化镁45% ；磷酸二氢钾41% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；葡萄糖酸钠2% ；苷氨酸1%。
按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例3粉体(质量百分数)氧化镁45% ；磷酸二氢钾41% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；维生素C糖苷3%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例4粉体(质量百分数)氧化镁34% ；磷酸二氢钾40% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；葡萄糖酸钠8% ；木糖醇7%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例5粉体(质量百分数)氧化镁41% ；磷酸二氢钾41% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；甘露醇7%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例6粉体(质量百分数)氧化镁41% ；磷酸二氢钾43% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；天冬氨酸5%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。实施例7粉体(质量百分数)氧化镁41% ；磷酸二氢钾45% ；磷酸二氢钠3% ；磷酸二氢镁；羟基磷灰石5% ；硫酸钙2% ；谷氨酸3%。按比列10 2. 5 (质量体积比)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。
对比实施例CN101076344A专利文献所述的一个实施例粉体(质量百分数)氧化镁45%;磷酸二氢钾45%;羟基磷灰石8%;蔗糖占2%;按比列10 2.5(质量体积比，克/毫升)，将粉体和水混合，搅拌成膏体状，供注射或直接使用。为进一步验证本发明，进行如下实验。1.不同糖类添加物组成对材料生物相容性的影响为了比较不同糖类添加物组成对材料生物容性的影响，进行对比实验，采用体外细胞毒性试验来验证生物相容性，生物相容性好，细胞增殖率越高。对比实施例作为阳性对照，试验样品1-8是将实施例1中的糖类成份分别用葡萄糖酸钠、维生素C糖苷、甘露醇、山梨醇、木糖醇、维生素C糖苷和甘露醇组合、葡萄糖酸钠和山梨醇组合、蔗糖代替，采用两种糖类化合物的组合时，每种化合物各占50%。
实验方法将粉体用高效紫外线照射2小时，作为固化液的水经0. 22um滤过器除菌，将除菌后的粉体与固化液按10 2. 5 (质量体积比，克/毫升)比例充分混合，固化后取部分样品用于检测。检验和执行标准采纳GB/T16886. 5-2003。结果0. 2g/ml样品浸提液细胞增殖率RGR见表1表1糖类组成不同的磷酸镁水泥的细胞增殖率
权利要求
1.一种提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，其特征在于是一种金属离子螯合剂。
2.如权利要求1所述的助剂，其特征在于所述金属离子螯合剂为与钾离子或镁离子具有螯合作用的糖衍生物、糖替代物、氨基酸中的一种或一种以上的混合物。
3.如权利要求2所述的助剂，其特征在于所述糖衍生物为葡萄糖酸钠或维生素C糖苷，或葡萄糖酸钠与维生素C糖苷的混合物。
4.如权利要求2所述的助剂，其特征在于所述糖替代物为甘露醇、山梨醇或木糖醇， 或甘露醇、山梨醇、木糖醇中两种或三种的混合物。
5.如权利要求2所述的助剂，其特征在于所述氨基酸为谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸或蛋氨酸，或为其中两种或两种以上的混合物，且至少含有谷氨酸或天冬氨酸中的一种。
6.一种磷酸镁水泥，包括氧化镁和磷酸盐或磷酸，其特征在于还包括金属离子螯合剂。
7.如权利要求6所述的磷酸镁水泥，其特征在于所述金属离子螯合剂为与钾离子或镁离子具有螯合作用的糖衍生物、糖替代物、氨基酸中的一种或一种以上的混合物。
8.如权利要求6所述的磷酸镁水泥，其特征在于所述糖衍生物为葡萄糖酸钠、维生素 C糖苷，或葡萄糖酸钠与维生素C糖苷的混合物；所述糖替代物为甘露醇、山梨醇、木糖醇， 或甘露醇、山梨醇、木糖醇中两种或三种的混合物；所述糖衍生物、糖替代物占粉重重量百分比为1_15%。
9.如权利要求6所述的磷酸镁水泥，其特征在于所述氨基酸为谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸或蛋氨酸，或为其中两种或两种以上的混合物，且至少含有谷氨酸或天冬氨酸中的一种，氨基酸总量占粉体重量百分比0. 5 5%。
10.如权利要求6所述的磷酸镁水泥，其特征在于所述磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸二氢钠和磷酸二氢镁，所述磷酸二氢钾占粉体重量百分比为35 60%，磷酸二氢钠为1 15%，磷酸二氢镁为0 10% ；还含有占粉体重量0. 5 10%的半水和硫酸钙。
全文摘要
本发明属于医用生物材料领域，涉及一种提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，和含有该助剂的磷酸镁水泥，这种助剂是一种金属离子螯合剂，特别是与钾离子或镁离子具有螯合作用的糖衍生物、糖替代物、氨基酸中的一种或一种以上的混合物。通过使用金属离子螯合剂作为提高磷酸镁水泥生物相容性的助剂，利用其与磷酸镁水泥降解时释放出来的钾离子和镁离子生成螯合物，降低这些金属离子在体液中的游离浓度，减轻这些离子异常增多产生的毒性，达到提高磷酸镁水泥生物相容性的效果。
文档编号A61L27/12GK102488921SQ20111043432
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月22日 优先权日2011年12月22日
发明者韩大庆 申请人:韩大庆