一种具有生物活性和抑菌性的复合骨水泥及制备方法和应用与流程

本发明属于生物医用材料领域，特别涉及一种具有生物活性和抑菌性的复合骨水泥及制备方法和应用。

背景技术：

硫酸钙作为骨修复材料已有100多年的历史，其具有可注射性、可降解性、良好的骨传导性、良好的生物相容性等优点，而且其原料来源广泛、成本低廉，具有较为优良的应用前景。但单纯的硫酸钙骨水泥固化时间过短，可操作性低，而且降解速率过快，无法与新骨的生长速率相匹配，易形成“骨真空区”，使其力学性能在降解过程中过快衰减而无法提供有效支持。研究发现，CaSO₄的快速溶解可能是其在体内过快降解的主要原因。此外，硫酸钙的骨诱导能力差，在植入初期不可以与植入处的骨组织形成紧密的生物化学界面联系。因此，单纯的CaSO₄植入人体时没有办法满足骨水泥材料的基本要求，在应用方面遇到了很多技术问题。

PEG是在生物医药领域应用较为广泛的高分子有机物，其长链上含有丰富的羟基(-OH)和羧基(-COOH)，能够与硫酸钙中的Ca2+发生螯合作用，从而阻碍Ca2+与水的接触，进而影响Ca2+的水化行为，然后就能够对硫酸钙骨水泥的固化行为实现控制。同时，向液相中添加有机高分子可以通过提高整个体系的粘稠度和稳定性来对骨水泥浆体的流变行为产生影响。并且相对于无机成分，有机高分子的降解速率较慢，具有良好的生物相容性。

羟基磷灰石与人体骨骼的无机成分类似，是一种应用广泛的生物活性材料，但是在通常情况下，因为其结晶度较高，植入体内后比较稳定难降解，长期残留于体内很容易成为感染源，使植入处发生炎症反应，从而影响骨缺损部位的完全康复。同时很多研究表明，锶作为人体内的一种必需的微量元素，可以通过取代羟基磷灰石中钙的位置，使其发生晶格畸变，因而降低了其结晶性，改善其降解性。并且，锶具有促进成骨细胞分化和抑制破骨细胞吸收的双重作用，如果在掺锶羟基磷灰石中加入银，在保证骨水泥具有较好生物活性的同时还能够具有较好的抗菌性，这种骨水泥产品在临床上将会具有很好的应用前景。目前研究通常采用含10％锶的掺锶羟基磷灰石来应用于生物医疗领域。

技术实现要素：

根据现有所存在的技术问题，本发明主要想要制备一种具有相对适宜的固化时间和力学性能、降解速率与新骨生成速度较为匹配，并且具有良好的生物活性和抑菌性的骨水泥材料。

半水硫酸钙晶体的水化反应过程主要就是钙离子和硫酸根离子的溶出与再结晶和沉积的过程。当水化过程完成后，即半水硫酸钙完全转变为二水硫酸钙，骨水泥呈现固化状态不可以注射。因此，可以通过改变半水硫酸钙的水化反应中钙离子的行为来实现对硫酸钙的固化过程的控制。

此外，PEG作为一种有机大分子聚合物，分子量的应用范围很宽(从几百到几万)，但是分子量较低的PEG的吸湿性较明显，为了保证其稳定性，本实验选用分子量较高的PEG。

而本发明中复合骨水泥的固相组分为半水硫酸钙与银锶羟基磷灰石的混合物，因此适当提高羟基磷灰石中锶的含量来保证其生物活性。

本发明的技术方案如下：

一种具有生物活性和抑菌性的骨水泥；其组成成分包括固相组分和液相组分，固相组分由两种不同的无机盐，半水硫酸钙和银锶羟基磷灰石混合组成，其中半水硫酸钙占固相的质量百分含量为70～90％，银锶掺杂羟基磷灰石占固相的质量百分含量为10～30％；液相组分为浓度为0.3wt.％～1.0wt.％的分子量为6000-10000的聚乙二醇水溶液。

所述银锶羟基磷灰石中的原子比为钙：锶：银＝7.9：2：0.1。

本发明的具有生物活性和抑菌性的骨水泥中，银锶羟基磷灰石的制备方法是：

(1).配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸银以及磷酸氢二铵水溶液；

(2).将步骤1)的硝酸钙、硝酸锶、硝酸银溶液依次添加在磷酸氢二铵的水溶液中，并用氨水调节pH为9.0～10.0搅拌。

(3).将步骤2)得到的溶液置于反应釜中，在150℃下反应后，依次用去离子水和无水乙醇洗涤，抽滤得到白色沉淀，再经干燥研磨的到银锶羟基磷灰石粉末；

(4).将固相成分和液相成分搅拌混合，得到骨水泥浆体；骨水泥浆体的固化时间在3～6分钟；固相成分和液相成分均匀混合的固液比为2.0g/ml。

骨水泥浆体在固化之前为流动体，可以通过注射器注射到人体的骨缺损部位。

本发明的骨水泥的应用于微创手术中骨损伤修复材料。

纳米银具有良好的抗菌性，常被应用于生物医疗领域，对于大多数的耐药菌株，也具有良好的抗性。研究认为纳米银的主要抗菌机制是银能够产生自由基来破坏细菌的生物膜，同时所释放的银离子可以通过干扰细菌DNA的复制来达到抑菌的效果。选择银在一个适当的浓度既可以保证其抑菌性又能使其生物毒性维持在一个可以接受的范围内。

本发明的复合骨水泥在固化行为方面有良好的改善，因此增加了手术操作的便利，提高了手术的成功率，同时具有生物活性和抑菌性，因此，作为骨修复材料具有实用性和良好的应用前景。

附图说明

图1复合硫酸钙骨水泥随降解时间的失重情况。

如图1所示，折线图表明了液相中浓度为0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥试样在不同降解时间的失重变化情况，随液相PEG浓度的增大，复合骨水泥的降解速率减缓，有利于复合骨水泥在人体内的稳定存在。

图2复合硫酸钙骨水泥在不同降解时间的抗压强度。

如图2所示，柱形图表明了液相中浓度为0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥试样在不同降解时间的抗压强度的变化情况，可以看到PEG浓度的升高有效增加了试样的抗压强度，使得复合骨水泥能够在体内起到很好的支撑作用。

图3复合硫酸钙骨水泥降解28天时的微观形貌。

图3是液相中浓度为0、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG试样在降解28天时的表面微观形貌，可以看到随着PEG浓度的增加，试样表面趋于颗粒化，表面积增加，增大了骨水泥与骨组织的接触面积，有利于发挥引导成骨作用。

图4复合硫酸钙骨水泥抑菌环测试结果。

如图4所示为复合骨水泥试样的在对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌两种细菌进行抑菌环测试的结果，两种细菌均有明显的抑菌环，证明了复合骨水泥的抑菌性。

图5复合硫酸钙骨水泥细胞毒性测试结果。

如图5所示为用MTT法对复合骨水泥试样进行细胞毒性的测试结果，由此可见骨水泥试样试样可以促进细胞增殖，增加细胞的生物活性。

附表说明

表1复合硫酸钙骨水泥的可注射时间。

表1表示含不同浓度PEG的复合骨水泥的可注射时间，随PEG浓度的增加时间变长，增加了手术过程中的可操作性。

表2复合硫酸钙骨水泥降解过程的pH。

表2表示降解过程中试样pH的变化情况，可以看到含不同浓度的PEG的骨水泥试样在降解过程中pH稳定于7.2-7.4，而人体体液环境pH大概在7.4，由此可见复合骨水泥对人体体液环境没有明显影响。

表3复合硫酸钙骨水泥降解过程中钙离子释放情况。

表3表示含不同浓度PEG的骨水泥试样在降解过程中钙离子的释放情况，钙离子的释放速率随PEG浓度的升高而减缓，骨水泥试样的降解速率减缓。

具体实施方式

本发明所制备得一种具有生物活性和抑菌性的骨水泥材料，主要分为固相组分和液相组分两个组成成分。

其固相组分为半水硫酸钙与银锶羟基磷灰石按质量比均匀混合的粉体。

其液相组分分别是浓度为0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％、1.0wt.％的PEG水溶液

下面结合实施例，对本发明的使用方法做进一步说明。本发明的保护范围包含但不仅限于以下实施例。

实施例1：不同pH环境下的银锶羟基磷灰石的制备。

制备pH为9环境下的银锶羟基磷灰石：

(1)、配置一定浓度的硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸锶(Sr(NO₃)₂)、硝酸银(AgNO₃)以及磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、将溶液以硝酸钙、硝酸锶、硝酸银的顺序依次添加在磷酸氢二铵的水溶液中，并用氨水调节pH分别为9，搅拌9～11分钟，使其充分反应。

(3)、将混合均匀的溶液置于反应釜中，在150℃下反应6小时后取出，依次用去离子水和无水乙醇洗涤三次，抽滤得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒温干燥24h、研磨成粉末后800℃烧结2h得到银锶羟基磷灰石。

制备pH为9.5环境下的银锶羟基磷灰石：

(1)、配置一定浓度的硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸锶(Sr(NO₃)₂)、硝酸银(AgNO₃)以及磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、将溶液以硝酸钙、硝酸锶、硝酸银的顺序依次添加在磷酸氢二铵的水溶液中，并用氨水调节pH分别为9，搅拌9～11分钟，使其充分反应。

(3)、将混合均匀的溶液置于反应釜中，在150℃下反应6小时后取出，依次用去离子水和无水乙醇洗涤三次，抽滤得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒温干燥24h、研磨成粉末后800℃烧结2h得到银锶羟基磷灰石。

制备pH为10环境下的银锶羟基磷灰石：

(1)、配置一定浓度的硝酸钙(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸锶(Sr(NO₃)₂)、硝酸银(AgNO₃)以及磷酸氢二铵((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、将溶液以硝酸钙、硝酸锶、硝酸银的顺序依次添加在磷酸氢二铵的水溶液中，并用氨水调节pH分别为9，搅拌9～11分钟，使其充分反应。

(3)、将混合均匀的溶液置于反应釜中，在150℃下反应6小时后取出，依次用去离子水和无水乙醇洗涤三次，抽滤得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒温干燥24h、研磨成粉末后800℃烧结2h得到银锶羟基磷灰石。

通过后期对三种pH条件下所制得的银锶羟基磷灰石进行性能测试，发现所制得的银锶羟基磷灰石的强度较高，粒径均匀，符合复合骨水泥的标准。选用pH＝9.5环境下制得的银锶羟基磷灰石作为固相组分与半水硫酸钙混合，再与不同浓度的PEG液相混合制备骨水泥浆体。以下实施例将展现不同浓度的PEG液相对于骨水泥力学性能、微观形貌、抑菌性和生物活性的影响。

实施例2：0wt.％PEG/硫酸钙复合骨水泥的制备与表征。

按照0wt.％的质量比将PEG添加入生理盐水(由去离子水和氯化钠以质量比为99.1:0.9配置所得)中，恒温搅拌约10min使其完全溶解，得到不同浓度的溶液作为骨水泥的液相。再与半水硫酸钙和实施例1中所得银锶羟基磷灰石以8:2的比例均匀混合的混合粉体作为固相分别与液相按照2g/mL的固液比进行混合，搅拌约30s，然后将混合均匀的浆体转移至聚四氟乙烯模具中，并将其压实端部处理平整，放置于37℃、100％相对湿度环境中使其固化，等复合CSC试样固化完成后，取出待用。然后将制好的骨水泥试样分别置于离心管中进行浸泡，并将离心管放置于37℃、100％相对湿度环境中，分别在第1、5、28天时将试样从离心管中取出。进行可注射性能、力学强度、表面形貌、降解行为、抑菌性和生物活性的表征。

实施例3：0.3wt.％PEG/硫酸钙复合骨水泥的制备与表征。

按照0.3wt.％的质量比将PEG添加入生理盐水(由去离子水和氯化钠以质量比为99.1:0.9配置所得)中，恒温搅拌约10min使其完全溶解，得到不同浓度的溶液作为骨水泥的液相。再与半水硫酸钙和实施例1中所得银锶羟基磷灰石以8:2的比例均匀混合的混合粉体作为固相分别与液相按照2g/mL的固液比进行混合，搅拌约30s，然后将混合均匀的浆体转移至聚四氟乙烯模具中，并将其压实端部处理平整，放置于37℃、100％相对湿度环境中使其固化，等复合CSC试样固化完成后，取出待用。然后将制好的骨水泥试样分别置于离心管中进行浸泡，并将离心管放置于37℃、100％相对湿度环境中，分别在第1、5、28天时将试样从离心管中取出。进行可注射性能、力学强度、表面形貌、降解行为、抑菌性和生物活性的表征。

实施例4：0.5wt.％PEG/硫酸钙复合骨水泥的制备与表征。

按照0.5wt.％的质量比将PEG添加入生理盐水(由去离子水和氯化钠以质量比为99.1:0.9配置所得)中，恒温搅拌约10min使其完全溶解，得到不同浓度的溶液作为骨水泥的液相。再与半水硫酸钙和实施例1中所得银锶羟基磷灰石以8:2的比例均匀混合的混合粉体作为固相分别与液相按照2g/mL的固液比进行混合，搅拌约30s，然后将混合均匀的浆体转移至聚四氟乙烯模具中，并将其压实端部处理平整，放置于37℃、100％相对湿度环境中使其固化，等复合CSC试样固化完成后，取出待用。然后将制好的骨水泥试样分别置于离心管中进行浸泡，并将离心管放置于37℃、100％相对湿度环境中，分别在第1、5、28天时将试样从离心管中取出。进行可注射性能、力学强度、表面形貌、降解行为、抑菌性和生物活性的表征。

实施例5：0.7wt.％PEG/硫酸钙复合骨水泥的制备与表征。

按照0.7wt.％的质量比将PEG添加入生理盐水(由去离子水和氯化钠以质量比为99.1:0.9配置所得)中，恒温搅拌约10min使其完全溶解，得到不同浓度的溶液作为骨水泥的液相。再与半水硫酸钙和实施例1中所得银锶羟基磷灰石以8:2的比例均匀混合的混合粉体作为固相分别与液相按照2g/mL的固液比进行混合，搅拌约30s，然后将混合均匀的浆体转移至聚四氟乙烯模具中，并将其压实端部处理平整，放置于37℃、100％相对湿度环境中使其固化，等复合CSC试样固化完成后，取出待用。然后将制好的骨水泥试样分别置于离心管中进行浸泡，并将离心管放置于37℃、100％相对湿度环境中，分别在第1、5、28天时将试样从离心管中取出。进行可注射性能、力学强度、表面形貌、降解行为、抑菌性和生物活性的表征。

实施例6：1.0wt.％PEG/硫酸钙复合骨水泥的制备与表征。

按照1.0wt.％的质量比将PEG添加入生理盐水(由去离子水和氯化钠以质量比为99.1:0.9配置所得)中，恒温搅拌约10min使其完全溶解，得到不同浓度的溶液作为骨水泥的液相。再与半水硫酸钙和实施例1中所得银锶羟基磷灰石以8:2的比例均匀混合的混合粉体作为固相分别与液相按照2g/mL的固液比进行混合，搅拌约30s，然后将混合均匀的浆体转移至聚四氟乙烯模具中，并将其压实端部处理平整，放置于37℃、100％相对湿度环境中使其固化，等复合CSC试样固化完成后，取出待用。然后将制好的骨水泥试样分别置于离心管中进行浸泡，并将离心管放置于37℃、100％相对湿度环境中，分别在第1、5、28天时将试样从离心管中取出。进行可注射性能、力学强度、表面形貌、降解行为、抑菌性和生物活性的表征。

附表：

表1复合硫酸钙骨水泥的可注射时间。

表2复合硫酸钙骨水泥的不同降解时间的pH。

表3复合硫酸钙骨水泥的不同降解时间的Ca²⁺浓度。

本发明公开和提出的一种具有生物活性和抑菌性的复合骨水泥的制备方法和应用，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。