一种PMMA基的水合骨水泥及其制备方法与应用与流程

本发明属于医用骨水泥复合材料的制备技术领域，特别涉及一种pmma基的水合骨水泥及其制备方法与应用。

背景技术：

聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylatepmma)基骨水泥自1938年首次应用于猴和1941年首次应用于人的头盖骨修复的半个多世纪以来，尽管有一些难以克服的缺陷或不足，但一直是假体最常用的内固定材料。随着假体设计和假体材料以及手术技术，尤其是3d打印技术的日趋完善，今后影响假体长期功能效果的可能是假体的固定方法。尽管目前假体的固定材料研发结果日新月异，研究论文层出不穷，但pmma基骨水泥仍是无法取代的假体内固定材料，故研发一类生物相容性良好的pmma基骨水泥不仅具有现实的应用价值，而且对研发新型的多功能、多用途的骨科修复或填充材料有一定的指导意义。

丙烯酸类骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的聚甲基丙烯酸甲酯，也称丙烯酸基骨水泥。丙烯酸骨水泥固定可保证术后假体的即时稳定，允许术后早期负重，疗效肯定。丙烯酸类骨水泥是由pmma预聚体粉剂和以甲基丙烯酸甲酯单体为主的液剂，能室温自凝固的生物惰性材料，不能与宿主骨组织形成良好的生物界面结合，凝固聚合热效应、单体细胞毒性、固化后的结构缺陷等也限制了其临床应用的范围。

磷酸钙骨水泥(calciumphosphatecementcpc)是上世纪80年代由美国的brown和chow研制成功，是由一种或几种磷酸钙盐粉末的混合物与调和用的液相发生水合反应，在生理条件下能自固化的固定材料。由于cpc具有一定的生物可降解性和生物相容性而引起人们的广泛关注。cpc自问世以来，已经公布的配方有近千种，但因大部分的力学强度太差，其压缩强度介于松质骨与硬质骨之间，剪切强度和拉伸强度更低，无法应用于髋关节和膝关节的假体与骨之间的固定，临床应用受到很大的限制。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种pmma基的水合骨水泥，其颗粒间结合强度高，因此具有较高的抗压强度。

本发明的另一目的在于提供所述的pmma基的水合骨水泥的制备方法。

本发明的再一目的在于提供所述的pmma基的水合骨水泥的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种pmma基的水合骨水泥，由pmma、p(mma-hema)或/和p(mma-hema-pva)乳液中的至少一种，与固体磷酸盐混合物混合组成。

所述的固体磷酸盐混合物优选为α-tcp。

加入hema或/和pva，增强乳液的亲水性，利于与α-tcp结合，从而起到增强水合骨水泥的抗压强度等效果。同时，hema能与mma发生聚合反应，从而减少乳化剂和引发剂的用量，减少其对骨水泥性能的影响。

所述的pmma、p(mma-hema)或/和p(mma-hema-pva)乳液与固体磷酸盐混合物的配比优选为每毫升所述的乳液配比1～2g所述的固体磷酸盐混合物；进一步优选为每毫升所述的乳液配比2g所述的固体磷酸盐混合物。

所述的pmma基的水合骨水泥的制备方法，包括如下步骤：

(1)通过乳液聚合反应制备pmma、p(mma-hema)或p(mma-hema-pva)乳液；

(2)将步骤(1)制备得到的pmma、p(mma-hema)或p(mma-hema-pva)乳液与固体磷酸盐混合物混合，通过水化反应固化后，即得所述的水合骨水泥。

步骤(2)中所述的固体磷酸盐混合物与所述的乳液的混合的配比优选按固液比为1～2g：1ml混合；进一步优选为按固液比2g：1ml混合。

步骤(2)中所述的固体磷酸盐混合物优选为α-tcp。

步骤(2)中所述的混合，α-tcp与pmma、p(mma-hema)和p(mma-hema-pva)乳液中的水发生水化反应，其中水与α-tcp的质量比为1:1.5。

步骤(2)中所述的固化的温度优选为20～37℃，进一步优选为37℃；固化的湿度优选为95％～100％。

所述的乳液聚合的具体操作步骤为：

在惰性气氛的保护下，混合乳化剂、水和/或甲基丙烯酸羟乙酯、和/或聚乙烯醇后加热搅拌，再加入甲基丙烯酸甲酯单体和引发剂，混合后在70～90℃下在反应器中进行乳液聚合反应至少60min，即得稳定的乳液聚合物。

所述的甲基丙烯酸羟乙酯的用量优选为与甲基丙烯酸甲酯单体按体积比(0～3):40进行配比。

所述的聚乙烯醇的用量优选为与甲基丙烯酸甲酯单体按体积比(0～3):40进行配比。

所述的乳化剂优选为十二烷基苯磺酸钠或十二烷基硫酸钠中的一种或两种；所述的乳化剂的用量优选为总量的1％～10％(w/v)；进一步优选为总量的2％(w/v)。

所述的引发剂优选为过硫酸钾、过硫酸铵或v50中一种或至少两种；所述的引发剂的用量为甲基丙烯酸甲酯单体总量的5％(w/v)～10％(w/v)；进一步优选为甲基丙烯酸甲酯单体总量的10％(w/v)。

所述的甲基丙烯酸甲酯单体先5％naoh溶液清洗多次，再通过蒸馏提纯，以除去阻聚剂和其他杂质。

所述的乳液聚合反应的反应时间优选为60～120min。

所述的反应温度优选为70～80℃。

通过所述的制备方法制备的乳液能够在室温下稳定保存半年或以上，泛蓝相。

所述的α-tcp优选通过如下方法制备得到：

采用固相反应法，将磷酸氢钙与碳酸钙高温煅烧制得，可能混有β-tcp、其他磷酸钙盐。

所述的高温煅烧的具体操作为：

将磷酸氢钙与碳酸钙溶于乙醇中，干燥后在于900℃下进行第一次煅烧2h，冷却，再在1200℃以上进行第二次煅烧4h，快速冷却，取出研磨，干燥过筛即得所述的α-tcp。

所述的磷酸氢钙与碳酸钙的配比优选按摩尔比2.13:1配比。

所述的乙醇的用量优选为与磷酸氢钙与碳酸钙的总质量按质量比1:1进行配比。

所述的第二次煅烧的温度优选为1350℃以上；进一步优选为1350℃或1400℃。1150℃时β-tcp开始转化成α-tcp，1300℃时α-tcp占绝多大部分，1400℃是为纯α-tcp。

所述的惰性气氛优选为氮气气氛。

所述的高温煅烧优选在马弗炉中进行。

所述的pmma基的水合骨水泥可以用于骨缺损修复、人工关节置换、椎体肿瘤、生物医用材料、组织工程材料等诸多领域；尤其是在骨组织缺损的修复与治疗材料制备中的应用。

本发明利用乳液中的pmma代替常用骨水泥中的pmma粉体，而现在常用骨水泥的液相单体分散在了水溶液中，乳液中的水分恰恰可以与磷酸钙盐发生水合反应而固化成型，最终在体内形成pmma/羟基磷灰石复合体系。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1.本发明的新型骨水泥既接近pmma的强度，又具有良好的骨组织的相容性；同时还大大降低了骨水泥固化过程中的热效应和残余单体的含量。初步研究结果表明新型骨水泥的力学性能，尤其是抗压性能，弯曲性能等均达到了yy0459-2003/iso5833:2002(外科植入物丙烯酸类树脂骨水泥)标准的要求，而扩散性能，抑制气泡性能，细胞毒性，体外骨与骨水泥界面结合性能等均优于目前临床使用的cmw(howmedica)和osteopal(biomet)骨水泥产品。

2.本发明还通过加入hema和pva，进一步增强骨水泥的强度。在水合骨水泥的功能方面有更大的可调节性，具有良好的可塑性，可将调制好的浆料直接注入骨缺损部位，或者先在模具中固化成型后再植入骨缺损部位。

3.本发明提供的水合骨水泥制备方法不仅工艺技术不同于已有技术，整个工艺制备过程简单方便，成本低廉，适用于临床上工业化生产。本发明通过简单温和的方法制得的性能优异的骨水泥复合材料具有广阔的应用前景；在骨缺损修复、椎体肿瘤、骨组织工程支架材料有着广泛的应用前景，也可用于齿科修复材料。

附图说明

图1是本发明制得的不同的乳液粒径图，其中，“pmma”、“pmma/hema”和“pm/hm/pva”依次为实施例1、实施例5和实施例6制得的乳液。

图2是本发明制得的不同水合骨水泥固化产物分别在5000倍和20000倍下的sem图；其中，a、b、c分别对应实施例1、实施例5和实施例6制得的水合骨水泥。

图3是本发明制得的不同水合骨水泥固化产物的xrd图；其中，pmma/tcp、pm/hm/tcp、pm/hm/pva/tcp依次表示实施例1、实施例5和实施例6制得的水合骨水泥。

图4水合骨水泥的抗溃散性能测试结果图；其中，a为tcp，b为实施例1制得的水合骨水泥(pmma/tcp)，c为实施例5制得的水合骨水泥(pm/hm/tcp)，d为实施例6制得的水合骨水泥(pm/hm/pva/tcp)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中的α-tcp通过如下方法制备得到：

采用固相反应法，将磷酸氢钙与碳酸钙按摩尔比为2.13:1溶于乙醇中(原料与溶剂的质量比为1:1)，干燥后在马弗炉中于900℃下煅烧2h，冷却，再在1350℃煅烧4h，快速冷却，取出研磨，干燥过筛得到产品。

实施例1

搭建好装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置，加入80ml水、15ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例混合调配均匀，制备水合骨水泥。

根据美国材料与试验协会astmc190-03标准对凝结时间进行测试；将样品做成圆柱状8mm×12mm，采用电子万能材料试验机测试方法对抗压强度进行测试。

本发明制得的水合骨水泥初凝时间为7min，终凝时间为16min，抗压强度为25mpa。

实施例2

将91ml水、3ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠、1ml甲基丙烯酸羟乙酯(hema)，加入装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置中，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加15ml浓度为2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例复合制备水合骨水泥。测试方法同实施例1，其初凝时间为10min，终凝时间为20min，抗压强度为30mpa。

实施例3

将90.5ml水、3ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠、1.5ml甲基丙烯酸羟乙酯(hema)，加入装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置中，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加15ml浓度为2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例复合制备水合骨水泥。测试方法同实施例1，其初凝时间为12min，终凝时间为21min，抗压强度为34mpa。

实施例4

将90ml水、3ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠、2ml甲基丙烯酸羟乙酯(hema)，加入装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置中，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加15ml浓度为2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例复合制备水合骨水泥。测试方法同实施例1，其初凝时间为14min，终凝时间为24min，抗压强度为37mpa。

实施例5

将89ml水、3ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠、3ml甲基丙烯酸羟乙酯(hema)，加入装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置中，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加15ml浓度为2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例复合制备水合骨水泥。测试方法同实施例1，其初凝时间为15min，终凝时间为26min，抗压强度为40mpa。

实施例6

将86ml水、3ml浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠、3ml甲基丙烯酸羟乙酯(hema)、3ml浓度为2％(v/v)的pva(聚乙烯醇1788型，醇解度87.0％～89％，购自麦克林试剂)，加入装有回流管、温度计、加料漏斗和搅拌器的250ml的四口瓶装置中，在通氮气的环境氛围下，加热搅拌，在温度升到70℃左右时，滴加15ml浓度为2％(w/v)的引发剂过硫酸钾，再滴加40ml甲基丙烯酸甲酯(mma)单体，反应60～120min，通过乳液聚合得到白色泛蓝相的乳液。将乳液与合成好的α-tcp按1ml：2g的比例复合制备水合骨水泥。测试方法同实施例1，其初凝时间为14min，终凝时间为25min，抗压强度为47mpa。

实施例7

按实施例3的配方和制备方法进行，区别在于改变浓度为5％(w/v)的乳化剂十二烷基苯磺酸钠的用量为3ml、5ml、7ml、8.5ml、10ml，依次命名为(pmma/hema-1～pmma/hema-5)通过乳液聚合制备乳液，再与α-tcp固液调和均匀，复合制备得到不同类型的水合骨水泥，分别采用实施例1的测试方法测定其凝固和抗压性能。

表1不同乳化剂用量乳液制备的水合骨水泥的凝固和抗压性能

从表1中可以看出，水合骨水泥的液相配方中使用不同用量的乳化剂合成的乳液时，得到的骨水泥的凝固性能和抗压性能也不同，因为不同用量的乳化剂合成的乳液的黏度不同，使得骨水泥固化时的性能不同。

效果实施例1乳液性能分析

1.抗压性能

实施例1～6制备得到的不同类型的水合骨水泥复合材料的抗压性能(mpa)如表2所示：

表2不同类型水合骨水泥的抗压强度

从实施例1与实施例2至实施例5(实施例2～5为不同hema用量合成的乳液与α-tcp复合制备的水合骨水泥))对比可以看出，水合骨水泥的液相配方中使用有hema时，可以显著改善骨水泥的抗压强度，且hema在乳液中含量越高，得到的骨水泥的抗压强度也越高。对比实施例1、实施例5与实施例6可以看出，水合骨水泥的液相配方中含有hema和pva时，可以显著提高骨水泥的抗压强度。

2.乳液粒径分析

乳液粒径分析：用激光纳米粒度仪(zetasizernanozs型)按照动态散射光(dls)在室温下测定乳液的粒径分布。测量角度为90°，溶剂为水相，动态散射光为592nm。

分别对实施例1(pmma)、实施例5(pmma/hema)和实施例6(pmma/hema/pva)制备得到的水合骨水泥进行粒径分析。

结果如图1所示，图1是上述三种乳液(pmma/hema/pva)的粒径分布图。当加入hema和pva后，合成的乳液的粒径为212.3nm和207.2nm，都比pmma乳液的大，并且分散性指数(分别为0.319，0.267)也比pmma乳液(pdi为0.218)的大。加入hema和pva时，总用量越多，乳液粒径越大，粒径分布越宽，聚合过程中随机支化程度越大，聚合物中树枝状结构增多，聚合物链段的自由体积增大，表现为乳液粒径越大，粒径分布呈先宽后窄态势。从粒径分布图中也可以看出，乳液的粒径分布比较均匀，说明乳液分散性较好。

3.乳液稳定性分析

乳液稳定性分析：乳液的稳定性是以离心后相分离的重量百分数来表示，离心条件为室温下，3000r/min，离心10min。

φ＝(m1-m2)/(m1-m0)×100％

式中，m1：离心后离心管与样品总重量(g)；m2：放置24小时后离心管与样品总重量(g)；m0：空离心管重量(g)。

分别对实施例1～7制得的乳液分别进行稳定性分析。

表3实施例7不同乳化剂用量乳液的相分离重量百分数

表4不同hema量与加入pva的乳液的相分离重量百分数

表3和表4分别给出了不同乳化剂用量合成的乳液和不同hema量以及加入pva合成的乳液的相分离重量百分数。乳液的稳定性分析是通过相分离重量百分数(φ)来表示，相分离重量百分数φ数值越小，则表示该乳液稳定性越好。从表3可以看出，不同乳化剂用量的乳液的相分离重量百分数相差不大，但乳化剂用量最少时(即样品pmma/hema-1)，其相分离重量百分数最小，其乳液的稳定性最好。由于hema的加入，存在共聚，这与固含量的结果是一致的。因此，乳化剂的用量最优为样品1组的用量。在表4中可以看出，加入hema和pva后，制备的乳液的稳定性比pmma的稳定性好，随着hema加入量的增加，其乳液的相分离重量百分数依次减小，但减小的不是很大。当hema加入量占mma单体的7.5％时，乳液的相分离重量百分数最小，其乳液稳定性最好。加入pva后，乳液稳定性更好，是因为pva作为分散剂，使乳液分散性更好，从而乳液更稳定。总之，在表中可以看到合成的乳液的相分离重量百分数均比较小，乳液不易聚沉，故都能稳定放置保存。

效果实施例2水合骨水泥性能分析

1.水合骨水泥生物相容性

图2是水合骨水泥固化产物分别在5000倍和20000倍下的断面sem形貌图。从图中可以看出，水合骨水泥的断面结构细腻紧密，空隙和缺陷较少。断面的大部分位置都是由鳞片状晶体和颗粒状晶体紧密排列。也有少量水化产物的晶体向条棒状的晶体生长。这些晶体是羟基磷灰石。颗粒状的晶体有可能是由pmma乳胶粒的渗透和磷酸钙盐的沉积而导致的。同时，pmma是疏水性的，而hema和pva的亲水性基团，有利于α-tcp骨水泥颗粒的吸附。因此，水合骨水泥的水化产物形成了致密的结构。同时，也可以看到乳胶粒堆积成块在表面，乳液胶粒与tcp水化产物羟基磷灰石的界面相容性较好。众所周知，羟基磷灰石生物相容性好。

2.水合骨水泥固化产物的xrd衍射表征分析

图3是三种水合骨水泥样品固化产物的xrd图。固化产物样品的x射线衍射峰尖锐，说明骨水泥固化产物的结晶性良好。从图中可以看出，固化产物出现了羟基磷灰石(hap)和β-tcp两个晶相。β-tcp晶相的出现可能是因为合成的α-tcp不纯和水化反应不完全。与pm/hm/tcp和pm/hm/pva/tcp的xrd衍射峰相比，pmma/tcp的xrd衍射峰较宽且较低，说明羟基磷灰石的结晶度较小。这也有可能是水化程度和水化时间的差异导致的。磷酸钙骨水泥与三种乳液混合后并未明显影响最终产物羟基磷灰石的衍射峰，说明固化产物中并未出现新的结晶相。

3.水合骨水泥的抗溃散性定性测试

通过浸泡摇动定性测试骨水泥的抗溃散性：将成型好的水合骨水泥立即浸泡到37℃的去离子水中，置于恒温摇床中在37℃下以180r/min的速率摇动。用相机拍照0、5、15、30和60min时骨水泥样品的形貌和浸泡液的浑浊程度。

结果如图4所示，特别说明的是，烧杯中的白色细小碎屑是由于在摇动过程中骨水泥和烧杯碰撞而引起的。从图中可以看出，随着时间的延长，骨水泥样品在不断摇动中逐渐溃散，并且浸泡液越来越浑浊。本实验制备的水合骨水泥的溃散程度比纯的磷酸钙骨水泥的溃散程度要小。b、c、d的溃散程度越来越小，并且浸泡液也是逐渐澄清。说明pmma/hema/pva/tcp骨水泥的抗溃散性能最好。因此，实验研究表明，制备的水合骨水泥的抗扩散性能比磷酸钙的要好。

4.水合骨水泥细胞毒性检测(cck8检测法)

用cck8检测法测定细胞毒性试验的吸光度值和rgr结果如表5所示，其中，细胞为小鼠前成骨细胞mc3t3-e1。根据gb/t16886.5-2003(iso10993-5:1999)规定，材料上细胞的存活率大于75％时，即可视为无细胞毒性。细胞rgr越大，也间接地说明细胞的生长的密度越大，细胞生长越好。各组浸提液的细胞rgr均大于75％，评定细胞毒性为0～1级，符合细胞毒性的合格标准。表明各组骨水泥材料的浸提液具有良好的细胞相容性，无毒性作用。

表5细胞毒性试验的吸光度值和rgr结果

5.水合骨水泥的溶血试验

溶血试验适用于对材料的体外急性溶血性能进行测试，从而评价材料的血液相容性。表6是各组水合骨水泥材料浸提液的溶血试验吸光度值和溶血率。根据gb/t16886.4-2003/iso10993.4-2002判定标准：溶血率小于5％即为无溶血作用。从表中可以看出，各组材料的溶血率均小于5％，说明各组材料均符合溶血试验的标准要求，无溶血作用。并且，pmma/tcp(实施例1)、pmma/hema/tcp(实施例5)和pmma/hema/pva/tcp(实施例6)骨水泥的溶血率依次减小，表示它们的溶血性能越来越好。其中，阴性对照组加生理盐水，阳性对照组加蒸馏水。

表6溶血试验吸光度值与溶血率

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。