一种新型人工骨材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及医用材料
技术领域：
，具体涉及一种新型人工骨材料及其制备方法和应用。
背景技术：
：骨水泥是一种广泛用于骨科手术的医用材料，骨水泥通常由固体粉剂和固化液两部分组成，在室温下将其按一定比例混合即可发生固化，将其置于更换关节或填充的部位，待反应结束后即可将关节固定或骨缺损修补。由于骨水泥具有可注射性，可最大限度减少小手术创口的面积，加快康复速度，减轻患者痛苦，故而常用于骨组织的填充材料和支架材料，起到支撑作用，是骨组织应用材料不可缺少的一员。自20世纪60年代初骨水泥问世以来，主要的骨水泥种类有聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)骨水泥、硫酸钙骨水泥和磷酸钙骨水泥。聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)骨水泥属于丙烯酸类材料，单体残留量低，具有低的耐疲劳性和应力开裂性，以及高的抗张强度和可塑性。pmma骨水泥在医学整形外科领域有着广泛的应用。早在四十年代就已经应用于齿科、颅骨和其它的骨修复领域。丙烯酸酯类骨水泥用于人体组织手术，至今在国内外临床中已应用了数十万例之多。但是聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥缺乏生物活性，不能与宿主骨形成牢固的化学键合，无法直接诱导骨组织生长，与宿主骨之间的界面结合力低，容易松动，在固化时形成过高的热积聚温度易造成周围组织及脊髓损伤，甚至导致组织坏死。硫酸钙是最简单的骨修复替代材料，并且在骨修复材料中应用已经超过了100年，有着最长的临床应用历史。硫酸钙具有良好的人体耐受性，可降解，在早年的研究中是自体骨移植的重要替代材料。硫酸钙骨水泥的固相主流是无水硫酸钙粉末，液相是生理盐水和其它的一些水溶液。当固相和液相混合时，硫酸钙发生水化反应，生成针状的二水硫酸钙晶须，相互桥连和堆积，从而固化成具有一定形状和强度的堆积体。硫酸钙骨水泥也缺乏生物活性，植入体内后，硫酸钙骨水泥会被迅速的吸收，且吸收速度远大于骨组织的再生速度，因此会在缺损部位留下孔隙，不利于骨的再生修复。磷酸钙骨水泥是一种新型的骨缺损修复材料，具有优异的生物相容性、生物活性和骨传导性能。磷酸钙骨水泥通常由固相粉剂和固化液组成。磷酸钙骨水泥的固相成分一般由两种或两种以上的磷酸钙盐粉末组成，如磷酸三钙、磷酸四钙和磷酸氢钙等；固化液可以是水、稀磷酸溶液、磷酸钠溶液、生理盐水以及磷酸铵盐溶液等。与传统的陶瓷型羟基磷灰石相比，磷酸钙骨水泥具有制备简单，任意塑形等优点。与传统的pmma骨水泥相比，磷酸钙骨水泥具有更好的生物相容性，且固化过程的热释放较低，不会对周围组织产生热损伤。目前，磷酸钙骨水泥在牙科、整形外科和脑外科方面已经有着广泛的应用，是生物医用材料领域的研究热点之一。目前人们虽然已经在pmma骨水泥改性研究上做了一些探索，但目前的改性pmma骨水泥仍然存在弹性模量高，易造成相邻椎体二次骨折，据相关文献报道二次骨折的临床发病率为12.4％～27.7％；相邻椎体发生的概率是非相邻椎体的4.62倍；需要继续对再骨折椎体行椎体成形术，增加患者的手术痛苦和经济负担，并继续带来术后并发症。还一方面，目前的改性pmma骨水泥还存在生物相容性差，可能在椎体里松动甚至滑脱的危险，对脊髓造成压迫的风险较高，必须通过再一次手术取出骨水泥硬块。技术实现要素：为了改进pmma骨水泥模量高和生物相容性差的问题，本发明的目的在于提供一种新型人工骨材料。本发明的还一目的是提供所述新型人工骨材料的制备方法和应用。为实现上述目的，本发明首先提供一种新型人工骨材料，所述人工骨材料为双组份系统的pmma骨材料，所述双组份系统由粉体组分和液体组分构成，所述粉体组分和液体组分的重量比为1：2.5～4.5；其中，在所述粉体组分中，按重量份计，包括改性矿化胶原粉末30-35份、聚甲基丙烯酸甲酯粉末25-40份、1,3-丁二烯粉末10-15份、苯乙烯粉末10-15份、硼化锶5-10份、硝酸镁5-10份、硝酸银5-10份、分子量在2x105～3x105的羧甲基壳聚糖10-20份；所述的液体部分包括对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，其中，对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液的重量比为1：50-100，对苯二甲酸二甲酯溶液中对苯二甲酸二甲酯的质量分数为4wt‰～6wt‰，甲基丙烯酸甲酯溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为99.4wt％～99.6wt％。优选的，所述改性矿化胶原为胶原/羟基磷灰石复合固体粉末。优选的，所述粉体组分中还含有纳米银3-5份。优选的，所述粉体组分中还添加dbm、bmp、抗生素或者化疗药物1-5份。骨形态发生蛋白(bmp)、脱钙骨基质(dbm)。进一步地本发明提供了一种改性矿化胶原的制备方法包括以下操作步骤：步骤s1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为5.0×10-5～5.0×10-3g/ml；步骤s2、持续搅拌步骤s1所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01～0.16mol；步骤s3、持续搅拌步骤s2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤s2中钙离子加入量的摩尔比为ca/p＝1/1～2/1；步骤s4、持续搅拌步骤s3所得溶液，缓慢滴加naoh溶液至混合体系ph＝6～8，当ph＝5～6时，混合体系开始出现沉淀，当ph＝7时，混合体系出现白色悬浊液；步骤s5、将步骤s4所得混合体系静置24～120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉体；步骤s6、称取一定量步骤s5获得的矿化胶原粉体，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在矿化胶原粉体上的压强达到900～1200mpa，保持压力30～300秒，脱模得到矿化胶原块；步骤s7、将步骤s6制得的矿化胶原块研磨，得矿化胶原粉末；步骤s8配置相同浓度的硝酸银、硝酸镁、硼化锶溶液，溶液的浓度为0.5mol/l；将三种溶液同时泵入到反应容器中，泵入速度为1～30ml/min，三种溶液同时结束泵入，泵入时间为10～30min，得到白色乳液，继续混合均匀；加入氨水，有白色沉淀逐渐析出，调整ph值为10～12，继续混合均匀；将白色沉淀从液体中分离，将白色沉淀转移到装有矿化胶原的隔离盒中，控制隔离盒在液体上层，液体正好浸没沉淀，在温度为150～250℃，压力为1～2mpa的条件下反应4～24h，清洗、干燥，最后500～1000℃，烧结3～12h，冷却、研磨得到5～200μm的改性矿化胶原粉末。进一步地，本发明提供了所述人工骨材料的制备方法，所述方法步骤如下：(1)改性矿化胶原的制备同上；(2)采用悬浮聚合法制备改性聚甲基丙烯酸甲酯，实验材料包括：甲基丙烯酸甲酯(mma)，丙烯酸甲酯(ma)，过氧化二苯甲酰(bpo)，聚乙烯醇(pva)，制备步骤如下：在容器中，加入蒸馏水，在搅拌下加入聚甲基丙烯酸甲酯，10min后加入1,3-丁二烯和苯乙烯单体，在10-20min内升至80℃，继续升温，在20-30min内，升至90℃，再在70-80min内升至100℃以上，持续30-100min；静置，用蒸馏水80℃洗涤过滤，重复三次；然后将洗涤过滤后的产物置于40℃的烘箱中干燥，干燥后研磨过筛得到改性pmma白色细粉颗粒；(3)按照重量分称取其余组分；将所述羧甲基壳聚糖溶于酸性溶液形成羧甲基壳聚糖溶液；将所述羧甲基壳聚糖溶液与步骤(1)(2)所得材料和其余组分改性煅烧混合形成混合物得人工骨材料的粉体组分；(4)将步骤(3)所得人工骨材料粉体组分加入对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，搅拌至粘稠状，吸进注射器内，缓慢推动除去气泡，然后缓慢注入圆柱形玻璃模具中，室温下固化24h，即得人工骨材料。进一步地，本发明提供了所述的人工骨材料在临床医学植骨填充剂中的应用。本发明的有益效果如下：本发明获得兼具高抗压强度和低弹性模量，且生物相容性好的人工股才老。在机械性能方面，该新型材料较单纯pmma骨水泥更复合人体骨组织的力学特性，降低了自体骨受到磨损的风险，也可以有效避免植入假体因挤压而遭到损坏。在生物相容性方面，改性矿化胶原复合材料能够与自体骨形成骨性结合，有利于提高骨粘合及填充材料在植入部位的稳定性，从而使得该新型材料的使用更安全可靠。此外本发明的人工骨材料无毒性。因此，本发明提供的改性矿化胶原复合pmma骨粘合及填充材料优势明显，能够有效减少目前pmma骨水泥并发症的产生，具有广阔的应用前景。附图说明图1所示本发明人工骨材料3和对照pmma骨水泥的细胞毒性cck8试验；图2急性全身毒性试验72小时小鼠肝脏和肾脏组织学切片；其中1肝脏，2肝脏汇管区，3肾皮质，4肾髓质。具体实施方式以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。实施例1改性矿化胶原的制备步骤s1、将胶原溶于盐酸、硝酸或醋酸中的任何一种，配制成胶原的酸溶液，其中胶原浓度为5.0×10-5～5.0×10-3g/ml；步骤s2、持续搅拌步骤s1所得溶液，缓慢滴加含钙离子的溶液，钙离子的加入量为每克胶原对应加入钙离子0.01～0.16mol；步骤s3、持续搅拌步骤s2所得溶液，缓慢滴加含磷酸根离子的溶液，磷酸根离子的加入量与步骤s2中钙离子加入量的摩尔比为ca/p＝1/1～2/1；步骤s4、持续搅拌步骤s3所得溶液，缓慢滴加naoh溶液至混合体系ph＝6～8，当ph＝5～6时，混合体系开始出现沉淀，当ph＝7时，混合体系出现白色悬浊液；步骤s5、将步骤s4所得混合体系静置24～120小时，分离出沉淀并洗去杂质离子，随后进行冷冻干燥，研磨后获得矿化胶原粉体；步骤s6、称取一定量步骤s5获得的矿化胶原粉体，装入模具中，然后向模具施加压力，并使施加在矿化胶原粉体上的压强达到900～1200mpa，保持压力30～300秒，脱模得到矿化胶原块；步骤s7、将步骤s6制得的矿化胶原块研磨，得矿化胶原粉末；步骤s8配置相同浓度的硝酸银、硝酸镁、硼化锶溶液，溶液的浓度为0.5mol/l；将三种溶液同时泵入到反应容器中，泵入速度为1～30ml/min，三种溶液同时结束泵入，泵入时间为10～30min，得到白色乳液，继续混合均匀；加入氨水，有白色沉淀逐渐析出，调整ph值为10～12，继续混合均匀；将白色沉淀从液体中分离，将白色沉淀转移到装有矿化胶原的隔离盒中，控制隔离盒在液体上层，液体正好浸没沉淀，在温度为150～250℃，压力为1～2mpa的条件下反应4～24h，清洗、干燥，最后500～1000℃，烧结3～12h，冷却、研磨得到5～200μm的改性矿化胶原粉末。实施例2改性矿化胶原人工骨材料的制备1所述人工骨材料为双组份系统的pmma骨材料，所述双组份系统由粉体组分和液体组分构成，所述粉体组分和液体组分的重量比为1：2.5；其中，在所述粉体组分中，按重量份计，包括改性矿化胶原粉末30份、聚甲基丙烯酸甲酯粉末40份、1,3-丁二烯粉末10份、苯乙烯粉末10份、硼化锶6份、硝酸镁6份、硝酸银7份、分子量在2x105～3x105的羧甲基壳聚糖12份；所述的液体部分包括对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，其中，对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液的重量比为1：60，对苯二甲酸二甲酯溶液中对苯二甲酸二甲酯的质量分数为4wt‰～6wt‰，甲基丙烯酸甲酯溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为99.4wt％～99.6wt％。制备方法如下：(1)改性矿化胶原的制备同上；(2)采用悬浮聚合法制备改性聚甲基丙烯酸甲酯，实验材料包括：甲基丙烯酸甲酯(mma)，丙烯酸甲酯(ma)，过氧化二苯甲酰(bpo)，聚乙烯醇(pva)，制备步骤如下：在容器中，加入蒸馏水，在搅拌下加入聚甲基丙烯酸甲酯，10min后加入1,3-丁二烯和苯乙烯单体，在10-20min内升至80℃，继续升温，在20-30min内，升至90℃，再在70-80min内升至100℃以上，持续30-100min；静置，用蒸馏水80℃洗涤过滤，重复三次；然后将洗涤过滤后的产物置于40℃的烘箱中干燥，干燥后研磨过筛得到改性pmma白色细粉颗粒；(3)按照重量分称取其余组分；将所述羧甲基壳聚糖溶于酸性溶液形成羧甲基壳聚糖溶液；将所述羧甲基壳聚糖溶液与步骤(1)(2)所得材料和其余组分改性煅烧混合形成混合物得人工骨材料的粉体组分；(4)将步骤(3)所得人工骨材料粉体组分加入对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，搅拌至粘稠状，吸进注射器内，缓慢推动除去气泡，然后缓慢注入圆柱形玻璃模具中，室温下固化24h，即得人工骨材料1。实施例3改性矿化胶原人工骨材料的制备2所述人工骨材料为双组份系统的pmma骨材料，所述双组份系统由粉体组分和液体组分构成，所述粉体组分和液体组分的重量比为1：3；其中，在所述粉体组分中，按重量份计，包括改性矿化胶原粉末35份、聚甲基丙烯酸甲酯粉末30份、1,3-丁二烯粉末12份、苯乙烯粉末14份、硼化锶11份、硝酸镁12份、硝酸银8份、分子量在2x105～3x105的羧甲基壳聚糖15份；所述的液体部分包括对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，其中，对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液的重量比为1：60，对苯二甲酸二甲酯溶液中对苯二甲酸二甲酯的质量分数为4wt‰～6wt‰，甲基丙烯酸甲酯溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为99.4wt％～99.6wt％。制备方法如下：(1)改性矿化胶原的制备同上；(2)采用悬浮聚合法制备改性聚甲基丙烯酸甲酯，实验材料包括：甲基丙烯酸甲酯(mma)，丙烯酸甲酯(ma)，过氧化二苯甲酰(bpo)，聚乙烯醇(pva)，制备步骤如下：在容器中，加入蒸馏水，在搅拌下加入聚甲基丙烯酸甲酯，10min后加入1,3-丁二烯和苯乙烯单体，在10-20min内升至80℃，继续升温，在20-30min内，升至90℃，再在70-80min内升至100℃以上，持续30-100min；静置，用蒸馏水80℃洗涤过滤，重复三次；然后将洗涤过滤后的产物置于40℃的烘箱中干燥，干燥后研磨过筛得到改性pmma白色细粉颗粒；(3)按照重量分称取其余组分；将所述羧甲基壳聚糖溶于酸性溶液形成羧甲基壳聚糖溶液；将所述羧甲基壳聚糖溶液与步骤(1)(2)所得材料和其余组分改性煅烧混合形成混合物得人工骨材料的粉体组分；(4)将步骤(3)所得人工骨材料粉体组分加入对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，搅拌至粘稠状，吸进注射器内，缓慢推动除去气泡，然后缓慢注入圆柱形玻璃模具中，室温下固化24h，即得人工骨材料2。实施例4改性矿化胶原人工骨材料的制备3所述人工骨材料为双组份系统的pmma骨材料，所述双组份系统由粉体组分和液体组分构成，所述粉体组分和液体组分的重量比为1：4；其中，在所述粉体组分中，按重量份计，包括改性矿化胶原粉末35份、聚甲基丙烯酸甲酯粉末35份、1,3-丁二烯粉末12份、苯乙烯粉末12份、硼化锶8份、硝酸镁8份、硝酸银8份、分子量在2x105～3x105的羧甲基壳聚糖15份；所述的液体部分包括对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，其中，对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液的重量比为1：50-100，对苯二甲酸二甲酯溶液中对苯二甲酸二甲酯的质量分数为4wt‰～6wt‰，甲基丙烯酸甲酯溶液中甲基丙烯酸甲酯的质量分数为99.4wt％～99.6wt％。制备方法如下：(1)改性矿化胶原的制备同上；(2)采用悬浮聚合法制备改性聚甲基丙烯酸甲酯，实验材料包括：甲基丙烯酸甲酯(mma)，丙烯酸甲酯(ma)，过氧化二苯甲酰(bpo)，聚乙烯醇(pva)，制备步骤如下：在容器中，加入蒸馏水，在搅拌下加入聚甲基丙烯酸甲酯，10min后加入1,3-丁二烯和苯乙烯单体，在10-20min内升至80℃，继续升温，在20-30min内，升至90℃，再在70-80min内升至100℃以上，持续30-100min；静置，用蒸馏水80℃洗涤过滤，重复三次；然后将洗涤过滤后的产物置于40℃的烘箱中干燥，干燥后研磨过筛得到改性pmma白色细粉颗粒；(3)按照重量分称取其余组分；将所述羧甲基壳聚糖溶于酸性溶液形成羧甲基壳聚糖溶液；将所述羧甲基壳聚糖溶液与步骤(1)(2)所得材料和其余组分改性煅烧混合形成混合物得人工骨材料的粉体组分；(4)将步骤(3)所得人工骨材料粉体组分加入对苯二甲酸二甲酯溶液和甲基苯烯酸甲酯溶液，搅拌至粘稠状，吸进注射器内，缓慢推动除去气泡，然后缓慢注入圆柱形玻璃模具中，室温下固化24h，即得人工骨材料3。实施例5人工骨材料的检测检测本发明制备的人工骨材料1、2和3，分别标记为对照选择德国heraeuspalacosmv生产的pmma骨水泥固化时间及可注射性测定：运用类似吉尔摩针压痕法来测定各骨水泥试样的固化时间，实验重复5次；抗压强度测定：将人工骨材料浆体填入φ10mm×5mm的模具中，0.5h后取出，置于37℃水浴锅中养护72h，利用万能力学试验机进行测试，载荷900n，加压速度为1mm/min，计算抗压强度，各组分人工骨水泥均采用5个平行样，计算结果取平均值；抗菌性能检测：将人工骨材料浆体制成φ5mm×2mm的圆柱体，购自atcc的大肠杆菌(35218)和金黄色葡萄球菌(25923)作为菌种，采用平板抑菌圈法测试各试样的抑菌性能，实验重复3次。表1人工骨材料的表征性能表征实施例2实施例3实施例4对照固化时间/min11121010可注射系数96909865抗压强度/mpa25232820抗菌圈直径/mm7895由表1可知本发明制备的人工骨材料，固化时间基本不变，不改变医生的手术习惯；此外，本发明提供的人工骨材料可注射性好，有利于医生操作，并且抗菌性能优异，抗压强度好，具有广阔的市场前景。尤其本发明实施例4制备的人工骨材料性能优异。实施例6实施例4制备的人工骨材料3性能测试本发明的人工骨材料3离体抗拔出力测试―将人工骨材料和对照骨水泥分别注射入羊椎体后并植入螺钉后抗拔出力力学性能的评价：拔出力为250n，本发明的人工骨材料3拔出力数据为1.75±0.55，而对照为1.02±0.41结果表明，在羊椎体离体抗拔出力实验中，本发明的人工骨材料3明显好于对照。图1所示本发明人工骨材料3和对照pmma骨水泥的细胞毒性cck8试验(与mg63细胞相互作用的结果)。结果表明，本发明的人工骨材料3与mg63细胞作用后，活性降低不明显，说明本发明的人工骨材料3的不具有细胞毒性。急性全身毒性试验：小鼠腹腔按照50ml/kg注射生理盐水(对照组)和本发明改性pmma浸提液，72小时后观察肝脏和肾脏组织学切片，结果如图2所示动物无死亡、物中毒表现、体重增长无差异。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页12