可硬化的骨替代物的改进的凝固的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有改进的凝固（setting)的可硬化的陶瓷骨替代物组合物，用于这 样的组合物的粉末和他们的制备方法和在医疗中的应用。更具体地，本发明涉及具有改进 的凝固性能、包含硫酸钙和热处理的羟磷灰石（钝化的HA)的可硬化的骨替代物粉末和可 硬化的骨替代物糊状物，这样的骨替代物适用于支持性组织疾病例如骨质流失、骨折、骨创 伤、骨髓炎等的治疗。
【背景技术】
[0002] 骨骼是在血液之后第二最常见的被移植的组织。修复骨缺损最可靠的方法是使用 自生的骨骼，即，取自身体另一部位的骨骼，然而，在取移植物的第二手术位点处可能发生 问题。为避免该额外的创伤，可使用同种异体移植物，即，相同物种个体间的骨移植。同种 异体移植物比自体移植物具有更低的成骨能力且新骨形成的速率可能较低。它们也具有较 高的再吸收速率、更大的免疫源应答和接受者更低的血管重建。同种异体移植物也必须控 制病毒，因为它们可以传播，例如，HIV和肝炎。同种异体移植物的使用是现在用于骨移植 和修复骨缺损的最常见的方法。为解决供应、不可预知的感染强度和风险问题，合成骨替代 物已成为一个现实选择。因此，合成骨替代物的需求和合成骨替代物的使用快速增加。
[0003] 陶瓷基合成骨替代物可被分为两个主要类型。一个类型是基于磷酸钙作为凝固成 分且这些被称为磷酸钙骨水泥。另一个类型是基于硫酸钙作为凝固成分。具有硫酸钙的最 重要的优点是它优异的生物相容性。具有纯硫酸钙骨替代物的缺点是快速再吸收和低的强 度，这使它们在较大的或非包含的缺陷中和当骨折愈合超过4-6周时没那么有用。
[0004] Bone Support AB已研制出可硬化的和可注射的硫酸钙基骨替代物，其是粉末态 并包含约40wt%的烧结的羟磷灰石（HA) (Ca1Q (P04) 6 (0H) 2)和约60wt%的硫酸钙半水合物， CSH，（CaS04 ? 1/2H22)。在这两种成分中，仅CSH将在凝固过程中凝固。HA粉末将保持不溶 解。可注射糊状物的液相由水溶液组成，对于一些产品而言，所述水溶液包含碘苯六醇分子 以增强材料的辐射不透性（W02003/053488)。如果在骨替代物中仅有硫酸钙，那么将在约 4-6周内具有完全的材料再吸收。然而，由于样品中也具有HA，将减缓硫酸钙的再吸收。此 外。由于其高的结晶度和低的溶解度，样品中的HA将保持在移植位点较长的时间。
[0005]从糊状物至硬化的骨替代物的凝固时间是测定它们作为骨替代物的适用性的重 要参数。吉尔摩针（ASTM C266)常用于测量骨水泥的初始凝固时间（1ST)和最终凝固时间 (FST)。在临床情况下，1ST和FST可被如此理解：所述骨水泥应该在到达1ST之前被植入， 在FST后伤口准备愈合。约5-25min的1ST时间通常允许充足的时间用于水泥注入或成型， 且约10-40min的FST时间对于临床应用通常是可接受的。优选具有约5-15min的1ST时 间，例如少于lOmin。不同的产物具有不同的规格，因为它们将用于不同的应用。测定可硬 化的骨替代物的适用性的其它方法是本领域中已知的。
[0006] 对于各种应用，需要能够将不同的添加剂与骨替代物混合，其中硫酸钙是凝固成 分。含添加剂例如抗生素的骨替代物将是需要具有的以能够治疗或预防不同的疾病，例如， 骨髓炎（骨感染）。然而，已发现一些生物活性剂例如抗生素的添加以使凝固时间超过临床 可接受的值的方式延迟所述骨替代物的凝固。已发现不仅是添加剂，骨替代物的基本成分 例如HA也可对凝固性能具有负效应。已惊奇地证明，在含HA的硫酸钙基骨替代物中硫酸 钙凝固所必需的CSH水合作用速率高度依赖于HA的性能。
[0007] 发明简沐
[0008] 本发明是考虑到结合上述现有技术观察到的问题而作出的，本发明的目的是提供 问题的解决方案，该解决方案是提供HA，所述HA (无论是单独的或与不同添加剂例如抗生 素一起）不赋予基于硫酸钙（CSH)和羟磷灰石的可硬化的骨替代物以临床上不良的和/或 不可接受的凝固时间。
[0009] 当CSH与水混合时，它将根据下面的反应图式⑴水合成硫酸钙二水合物（CSD):
[0010] CaS04?0? 5H20+1. 5H20 = >CaS04?2H20+热量（1)
[0011] CSH的水合反应可被总结为三个阶段（N. B.Singh andB.Middendorf, Calcium sulfate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 53 (2007)57-77):
[0012] 1)CSH粉末与水混合后立刻开始诱导期。CSH溶解且溶液对于钙和硫酸根离子变 为过饱和的。这引起难溶的硫酸钙二水合物（CSD)沉淀。为了使水合反应能够进行，初始 形成的CSD核需要具有比"临界半径"（对于各具体体系有待测定的）更大的半径。诱导期 对于水合反应是关键的，且在该阶段对于CSH溶解度或CSD晶体生长的任何干扰将延迟进 一步的水合反应，其延迟程度比相同的干扰发生在过程后期时更高。
[0013] 2)当充足数量的CSD晶体已达到充当成核晶胚的临界尺寸时，开始加速或成长 期。所形成的CSD核然后将生长并形成大的晶体。所述晶体最终将足够大以彼此相互联锁， 且晶体之间的摩擦有助于所形成的固化材料的强度。
[0014] 3)第三阶段相对缓慢且由图1中以显示水合硫酸钙的分数作为时间的函数的示 意图的形式所示的CSH水合作用的完成构成。
[0015] 本发明的发明人已惊奇地发现，可通过将在可硬化的骨替代物中通常使用的烧结 的和微粉化的HA粉末（"原料HA粉末"）暴露于例如500°C的热处理步骤两小时（其中温 度和时间是负相关的）以得到"钝化的HA粉末"（pHA)而使HA实际上对CSH水合反应是 惰性的来克服最经常引起临床上不可接受的凝固时间的含CSH和HA的可硬化的骨替代物 (实施例1)的不可预知的凝固性能。当在使用前热处理烧结的和微粉化的原料HA("原料 HA粉末"）例如商购的羟磷灰石时，原料HA对可硬化的骨替代物中的硫酸钙凝固的负效应 可显著降低。当HA粉末（原料或钝化的）单独与CSH混合时，但特别地当其与以添加剂形 式的其它成分（例如抗生素）组合的CSH混合时，发现凝固时间延迟的下降。使烧结的和 微粉化的原料HA为实际上惰性的热处理在整个该文件中表示为"钝化处理"，且已经历热 处理的烧结的和微粉化的HA将被描述为"钝化的HA"（pHA)。
[0016] 钝化HA的另一个优点是通过添加进一步的化学物质例如加速剂，可硬化的骨替 代物的凝固将变得更为可靠并保持在控制之下，同时不改变骨替代物的组成。对于该发明， 当添加添加剂，例如抗生素时，不需要对所述可硬化的骨替代物应用特定的程序。这可看做 对先前由Bone Support AB作出的尝试的改进，其通过允许在向糊状物形式的骨替代物添 加任何其它添加剂例如抗生素之前开始CSH的水合反应以阻止不期望的凝固时间的延长 (WO 2011/098438)〇
[0017] 钝化的HA也显示更耐随时间的储存和耐储存的可硬化的骨替代物产物的周围环 境中温度和相对湿度的变化（参见实施例12)。此外，含不同批次（lot)的钝化的HA但具 有相同的CSH/HA比例的可硬化的骨替代物的凝固时间比使用非钝化的原料HA变得更加均 一，并因此更加可预知。凝固时间的最小化延伸也出人意料地独立于在钝化处理前由相同 的原料HA批次诱导的延迟程度。
[0018] 羟磷灰石
[0019] 可以多种方式制备原料HA。合成HA最通常的方式是通过使用正磷酸和氢氧化钙 作为原料的湿沉淀法，然后进行干燥和加热。
[0020] 10Ca (OH) 2+6H3P04- Ca 10 (P04) 6 (OH) 2+18H20
[0021] 已发现在所述过程的各阶段，沉淀颗粒的形貌和尺寸发生变化。干燥后，纳米颗粒 倾向于形成小的团聚体。
[0022] 也可通过固态反应制备HA，其中Ca2+和P0 43干混合然后被加热至高温。为混合 Ca2+和P0 43，可混合多种盐的组合。通过使用不同的盐的组合，可实施许多不同的沉淀/固 态反应。
[0023] 不管HA是如何制备的，Ca2+与P0 43以1. 67的比例混合。如果HA要被沉淀，那么 将所述Ca2+和P0 43添加至水溶液中并在HA沉淀时控制pH和温度。
[0024] 如果使用沉淀反应，那么将液体移除，并且沉淀物可在其干燥之前进行过滤，最后 在高温下例如900°C以上，优选在900-1350°C之间进行烧结。然后，烧结的羟磷灰石需要被 粉碎和研磨（grinded)/碾磨（milled)且也可被筛滤以达到合适的粒度分布的原料HA粉 末。图4说明了制备原料HA的一个方式中不同的步骤。
【附图说明】
[0025] 图1示出了水合CSH的分数（fraction)作为时间的函数。引自N. B. Singh and B. Middendorf, Calcium sulfate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 53(2007)57-77。
[0026] 图2示出了在HA钝化处理后缓冲能力的变化。虚线（和未填充的符号）代表在 钝化处理之前的HA批次（原料HA)的pH/缓冲结果。实线（和填充的符号）表示相同HA 批次在钝化处理后的结果。
[0027] 图3显示了在万古霉素存在时的缓冲能力。HA A是钝化处理前（原料HA)且HA B是钝化处理后。向上箭头表示当添加HA时，向下箭头表示当开始添加HC1时。
[0028] 图4示出了用于通过湿沉淀法制备羟磷灰石的过程的示意图。
[0029] 发明详沐
[0030] 在描述本发明的实施方案中，为了清楚的目的将使用特定的术语。然而，本发明不 旨在限于所选择的特定术语，且应理解的是各特定术语包括所有以相似方式操作以完成相 似目的的技术等价物。
[0031]本发明者已发现非凝固的成分羟磷灰石（HA)明显地影响凝固时间至这里和下面 实施例中描述的某一程度，所述非凝固的羟磷灰石不以与硫酸钙半水合物（CSH)相同的方 式经历再结晶，并因此可被合理地预期在硫酸钙的凝固过程中是惰性的。
[0032] 当基于CSH和HA粉末的可硬化的骨替代物按照现有技术中公开的方法制备时，相 同的组合物（区别仅在于原料（烧结的）HA成分来自不同的分批（batch)/批次（lot))可 给予完全不同的凝固时间，即使当原料HA具有相似的粒度分布和比表面积时。实施例1中 示出了该结果的一个例子。由于凝固时间差异的结果，当在本发明之前将CSH和HA混合时， 在选择和以较大量购买具有合适凝固性能的具体批次之前，必须实施来自供应商的所有可 能的HA批次的预测试。
[0033] 在实践中，这意味着必须测试来自相同或不同制造者的很多可用HA批次中的小 量在CSH/HA骨替代物组合物中的凝固性能，正如实施例1所述，且仅满足性能需求（可接 受的凝固时间）的批次被以较大的量购买，以用于可靠的骨替代物产品中。这也意味着仅 约3-4/10的被测试的原料HA批次可用于无添加剂的骨替代物组合物中，所述原料HA批次 具有可接受的但仍然是波动的凝固时间。
[0034] 当其他物质添加至所述CSH/HA组合物中时，例如当添加抗生素时，该差别更为显 著。通过引入添加剂，凝固时间大致相同的且无添加剂的两种组合物在引入添加剂后以非 常不同的速率凝固，其中一个体系保持临床相关的凝固时间且另一个显示太慢不能被临床 接受或甚至其中CSH完全水合被排除的凝固时间。实施例2示出了含抗生素、万古霉素盐 酸盐的体系中，HA批次与凝固时间变化的关系。当这样的进一步的添加剂，例如抗生素，被 混合在骨替代物中时，仅少量被测试的HA批次，即，仅十分之一或更少的所测试的批次可 被使用并具有满意的凝固结果。已发现，在仅含硫酸钙和水性液体的体系中对CSH水合作 用不具有减缓效应的添加剂，例如抗生素，当存在HA时在相同的体系中显示临床上不可接 受的长的凝固时间。这在实施例3中得到说明。HA对于含硫酸钙的骨替代物的凝固时间的 关键作用是出乎意料的，因为硫酸钙，而不是HA，是凝固成分。以前，HA被认为是"惰性的" 并因此不涉及上述CSH水合反应的任何步骤。
[0035]当比较基于CSH作为凝固成分，钝化的HA和未钝化的原料HA分别作为非凝固成 分的可硬化的骨替代物时，发现（参见实施例4)当使用钝化的HA替代原料HA时，这样的 可硬化的骨替代物的凝固时间显著下降。
[0036] 当CSH/HA组合物中存在添加剂例如抗生素时，在使用前钝化HA导致的凝固时间 的下降更为明显。这在实施例9-11中显示。
[0037]