专利名称：镓化磷酸钙生物材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种镓化磷酸钙生物材料(例如磷酸钙骨水泥)及其制备方法和使用方法。
背景技术：
人体骨活性的异常是多种骨病的诱因，例如骨质疏松症，帕哲氏(Paget’ s)病或溶骨性肿瘤。尤其是考虑到人类寿命的延长，骨质疏松症已成为一个公共健康问题，为了治疗骨质疏松症，人们已开展了多项研究。由于在考虑之中的这些骨病的诱因是骨重建与破骨细胞活性优势之间的失衡，因此其中一条治疗途径就是降低破骨细胞的活性以减缓骨材料的降解。骨是一种由生物聚合物组成的复合物，主要是胶原和一种称为碳酸羟基磷灰石的无机组分，分子式大致为(Ca，Mg，Na，M)10(P04, CO3, HPO4) 6 (OH, Cl)2。将合成磷酸钙材料作为可能的修复材料的概念和潜在优势最初于二十世纪初提出(Albee，1920 ；Ray 和 Ward，1951 ；Nery 等，1975)。LeGeros 等(1982)以及 Brown 和 Chow(1983)首先提出磷灰石或磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement,CPC)可作为可能的修复材料。目前，市场上有多种磷酸钙材料，其形式为粉末，颗粒，与生物兼容性聚合物组成的混合物，植入物，薄涂层或磷酸钙骨水泥(CPC)。使用最广泛的化合物是羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA，Ca10(PO4)6(OH)2)和磷酸三钙(Tricalcium Phosphate, TCP, Ca3 (PO4)) TCP的再吸收速度非常快，而HA因与生物磷灰石晶体具有相似的化学和物理性质而具有一些优点。TCP和HA组合在一起称为双相磷酸钙(Biphasic Calcium Phosphate, BCP)，它具有这些理想性质的组合(参见Legeros R.等，2003)。磷酸钙生物陶瓷可通过从起始化学品的水溶液中沉淀析出粉末来制备。这些粉末先经过高压压缩(IOOMpa和500MPa)，然后在1000°C至1300°C之间进行烧结(参见Jarcho， 1986)。双相磷酸钙(BCP)可通过生物的或合成的缺钙磷灰石经过700°C或以上温度烧结后获得。当磷灰石中Ca/P比低于纯羟基磷灰石钙的化学计量值1. 67时，这种磷灰石可称为缺钙磷灰石。为了获得适宜的多孔性，研究人员开发了聚合物-陶瓷复合物和聚合物网，但是这通常会舍弃材料的理想机械性能(参见Yang等，2001 ；Pompe W.等，2003)。至今，已有多种植入材料被用于修补，修复和强化骨组织。最常用的植入物包括自体骨，合成聚合物和惰性金属。使用这些材料的手术有明显缺点，包括患者疼痛，手术过程中的感染风险，生物兼容性差，费用昂贵，以及骨组织被所嵌入硬物再次损伤的风险。因此， 生物材料科学家的一个主要目标是开发可替代这些传统骨骼修复技术的新型骨替代产品。骨水泥，例如基于聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)的骨水泥，具有避免了固体植入物的使用的优点，但也有一些局限性。已知甲基丙烯酸酯和甲基丙烯酸对活组织具有刺激性，基于PMMA的骨水泥在体内固化后可产生破坏周围组织的自由基。不仅如此，这些材料的聚合反应会释放大量热量，而且固化过程中产生的热量可破坏组织。此外，这些材料不具有生物降解性。1982 年，LeGeros 等("Apatitic Calcium Phosphates :Possible Restorative Materials (磷灰石磷酸钙可能的修复材料)”，J Dent Res 61 (Spec lss) :343)最先介绍了磷灰石或磷酸钙骨水泥(CPC)作为一种可能修复材料的概念和潜在优点。目前市场上有几种商品化的CPC产品。CPC具有可塑性的优点，使得它们能匹配缺损的部位和形状。可注射性磷酸钙骨水泥的提出极大地改善了骨水泥的处理和输送性能， 开辟了 CPC的新应用领域。CPC系统由一种粉末和一种液体组分组成。粉末组分通常由一种或多种磷酸钙化合物组成，该磷酸钙化合物包含或不包含额外添加的钙盐。其他添加物的含量很小，用于调节凝结时间，增加可注射性，减小凝聚或膨胀时间，和/或引入大孔结构。此类材料在例如EP O 416 761，US 4，880，610，US 5，053，212，EP 0 664 133，EP
0543 765, WO 96/36562 和 WO 2004/000374 中已经揭露。法国专利申请FR-2715853描述了一种用于支持组织的再吸收/替换的生物材料复合物，包括一个由BCP或磷酸钙钛组成的无机物相，和一个液体水相，该液体水相包含纤维素基聚合物的水溶液。这些可注射性复合物中不含活性成分。许多研究证明镓具有抗再吸收活性，从而能抑制骨再吸收和降低血浆钙的浓度 (例如，Warrell 等，1984，1985 ；Warre 11 和 Bockman, 1989 ；Bernstein, L. R.，1988)。举例来说，US 4，5 . 593揭露了一种用镓化合物(例如硝酸镓)来有效抑制骨中的钙过量流失的方法。钙的过量丢失可导致低钙血症，骨质疏松症或甲状旁腺功能亢进症。镓化合物可以静脉、皮下或肌肉注射的方式给药。由于镓具有抗再吸收活性，镓也用于恶性肿瘤的低钙血症(Warrell和Bockman， 1989)和帕哲氏骨病(Bockman和Bosco，1994 ；Bockman等，1989，1995)的临床治疗。研究还证明镓在抑制与多发性骨髓瘤和骨转移相关的骨质溶解和骨疼痛中具有临床效果(Warrel 等，1987，1993)。镓还可以用来治疗骨质疏松症(Warrell等，19%)。研究还报道镓在体外作为抗菌剂的疗效(Valappi 1，2008)。很早就已知镓能在骨骼组织中积聚，特别是在骨沉积和重建区域(例如，Dudley 和Maddox, 1949 ；Nelson等，1972)。但是，镓被骨细胞摄取机制方面的信息非常少，并且镓在骨骼中富集的机制尚未明确。已知在体外吸收镓到合成羟基磷灰石上，从而导致羟基磷灰石的结晶程度降低，溶解度也可能降低(Donne 1 Iy和Boskey，1989 ；Blumenthal 和Cosma，1989)。最近的研究中，Korbas等^)04)报道了体外骨组织在体外吸收镓的实验，该镓具有和钙磷石相似的局部结构。所报道的掺镓模型化合物的Ca/P摩尔比为
1(无定形磷酸钙(Amorphous Calcium Phosphate, ACP)，钙磷石)和1. 66 (羟基磷灰石 (Hydroxyapat i te, HAP))。目前，市场上销售的硝酸镓的商品名是Ganite ，该产品通过静脉注射给药，用于治疗症状明确的癌症相关性低钙血症，其中该低钙血症对充分水合(Hydration)没有反应。根据Ganite 的FDA (食品及药物管理局)认证标签，硝酸镓通过抑制从骨中对钙的再吸收-可能是降低加快的骨转换(bone turnover)-来产生对低钙血症的疗效。事实上，镓可能对负责骨再吸收的破骨细胞具有抑制作用，并且镓对负责骨生长的成骨细胞具有增强作用而不对骨细胞产生细胞毒作用(Donnelly，R.等，1993)。向生物材料(如磷酸钙骨水泥)中掺入镓是非常重要的。实际上，磷灰石磷酸钙骨水泥糊状物的PH值接近中性，而镓离子仅在pH< 3的溶液中以八面体六水复合物的形式或者在PH > 8的溶液中以五倍子酸盐离子的形式存在时保持稳定。这种性质导致在骨水泥完全凝结之前无定形(^a(OH)3的沉淀反应非常迅速且不可控。此外，镓离子可能干扰骨水泥的凝结和硬化过程，原因是镓能在骨水泥凝结时捕获溶解和沉淀过程产生的磷酸根 1 子。
发明内容
技术问题因此，仍需要提供一种镓的替代给药途径，特别是用于强化脆弱的骨结构，该骨结构中由于如骨质疏松症，帕哲氏病或溶骨性肿瘤，因而需要局部抑制破骨细胞的活性，尤其是通过在位于骨部位附近的生物材料中引入镓来达到目的。提供这种方法的特定优势是能根据治疗需求精确调整镓释放的剂量和持续时间。
发明内容
本发明的发明人已证明可以从掺镓磷酸钙化合物来制备镓化磷酸钙生物材料。一些掺镓磷酸钙化合物的晶体点阵中包含fe(III)离子，这会限制镓对凝结反应的干扰能力，因为会发生沉淀。并且，还证明这种镓化磷酸钙生物材料能够在体内释放镓。最后，使用 Ca/P摩尔比在1.观-1. 5之间的掺镓磷酸钙化合物能获得最佳的镓释放特性。实际上，像掺镓钙磷石(Ca/P = 1)这种高水溶性磷酸钙化合物的镓释放速度很快，起效时间(activity span)短，因而存在过量给药的风险。但是，对于像掺镓羟基磷灰石(HAP) (Ca/P = 1. 66)这种低水溶性磷酸钙化合物，镓的释放速度又不足以达到治疗效果。因此，本发明的第一个目的涉及一种镓化磷酸钙生物材料，该镓化磷酸钙生物材料包含掺镓磷钙化合物。这种镓化磷酸钙生物材料包含自凝结磷酸钙骨水泥(CPC)和复合磷钙聚合物骨水泥。优选地，这种骨水泥是可注射性的。该可注射性骨水泥可通过注射直接引入所需的骨部位，在该骨部位，骨水泥凝结并随后在经骨细胞降解后在所需部位局部原位释放镓。此外，生物材料包括陶瓷植入物，例如由镓化磷酸钙生物材料制成的骨骼或牙齿植入物。这些材料之后可植入体内。本发明的第二方面进一步提出了掺镓磷酸钙生物材料的制备方法。本发明的第三方面进一步介绍了一种植入物的制备方法，该植入物包含镓化磷酸钙生物材料。 本发明的第四方面进一步介绍了一种试剂盒，该试剂盒包括掺镓磷酸钙生物材料和液相，例如液体或凝胶。 最后，本发明的第五方面介绍了一种骨重建外科手术的方法以及一种主要由破骨细胞功能障碍导致的骨病的治疗方法，该治疗方法包括将本发明的镓化磷酸钙生物材料引入到需治疗患者的待治疗骨部位附近。
定义在本发明的上下文中，术语“磷钙”或“磷酸钙”指的是包含钙离子(Ca2+)以及正磷酸根(PO43-)，偏磷酸根或焦磷酸根(P2O74-)的无机物，有时还包含其他离子，例如氢氧根离子或质子。具体的磷酸钙化合物是磷酸三钙(Tricalcium Phosphate, TCP) (Ca3(PO4)2)及其同素异形体，磷灰石(( (PO4)3X,其中X为F，Cl，0H)和羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)， 其中HA是一种额外离子主要为氢氧根的磷灰石。其他磷酸钙化合物是无定形磷酸钙(Amorphous Calcium Phosphate, ACP) (Cax (PO4) y · H2O)，一7jC磷酸钙(Monocalcium Phosphate Monohydrate, MCPM) (CaH4(PO4)2. H2O)，二水磷酸氢钙(Dicalcium Phosphate Dihydrate，DCPD) (CaHPO4 · 2H20)(也称为钙磷石)，无水磷酸氢钙(Dicalcium Phosphate Anhydrous，DCPA) (CaHPO4)(也称为三斜磷钙石)，沉淀或缺钙磷灰石(Calcium-deficient Apatite，CDA) (Ca, Na) 10(P04, HPO4)6(OH)2 ^P 磷酸四钙 CTetracalcium Phosphate, TTCP) (Ca4P2O9)(也称板磷钙石(Hilgenstockite))。此处所用的术语“生物兼容性”是指材料在宿主体内不引发明显的有害反应。术语“生物可再吸收性”是指材料在体内被再吸收的能力。在本发明的上下文中， “完全”再吸收的意思是没有明显的细胞外片段残留。再吸收过程是指在体液、酶或细胞作用下原始植入材料的消除。举例来说，再吸收的磷酸钙可能经过成骨细胞的作用而作为新的骨无机物再次沉积，或者在体内被再次利用或排泄。“强生物可再吸收性”是指磷酸钙植入物的大部分在一至五年内被再吸收。这种延迟效应不仅取决于磷酸钙植入物的固有特性，还与植入部位、患者年龄、植入物的初始稳定性等相关。在本发明的上下文中，“磷酸钙骨水泥”(Calcium Phosphate Cement,CPC)是指一种固体复合材料，该固体复合材料包括或由一种或多种磷酸钙化合物以及额外添加的钙盐制成，该固体复合材料在水或水溶液存在的条件下凝结和硬化。术语CPC指的是固体材料与水或水溶液混合后形成的糊状物，也指凝结后获得的硬化材料。其他添加物的量非常小， 它们用于调节骨水泥的性质，例如凝结时间和粘度，减小凝聚或膨胀时间，和/或引入大孔结构，使得最后硬化的产品具有弹性。 在本发明的上下文中，骨水泥的“凝结”是指在室温下骨水泥糊状物的传递性自我硬化，也就是说“凝结”与环境，室温和体温有关。在本发明的上下文中，“可注射性骨水泥”或“适合用于注射的骨水泥”是指可通过直径为几毫米的针头推注的骨水泥糊状物，针头直径优选采用1至5毫米，更优选是1至3 毫米，最优选的是2至3毫米。可注射性骨水泥特别重要的参数包括无大颗粒，适宜的粘度以及适宜的体外凝结时间(37°C下)。术语“生物陶瓷”用于描述具有生物兼容性的陶瓷材料。术语“生物材料”是指具有生物兼容性的材料。镓化磷酸钙生物材料本发明的第一方面描述了一种镓化磷酸钙生物材料，该镓化磷酸钙生物材料包含式⑴Ca(10.5_L5x) Gax (PO4)7(I)
其中0 < χ < 1的掺镓磷酸钙化合物、及其盐、水合物和混合物。该盐可尤其指式⑴的化合物，其中钙元素部分被其他元素置换，例如锌，铜，镁， 钠，钾。优选地，本发明的镓化磷酸钙材料包含式(I)的化合物，其中0 < χ < 0. 85。
优选地，式(I)的掺镓磷钙化合物可以选自由Ceiiq. 125Ga0.25 (PO4) 7，Ca9.75Ga0.5 (PO4) 7， Ca9.375Ga0.75 (PO4) 7 和 Ca9.27Ga0.82 (PO4) 7 组成的组。优选地，镓化磷酸钙生物材料包含具有β -磷酸三钙(β -TCP)型结构的磷钙化合物和/或具有缺钙磷灰石(CDA)型结构的磷酸钙化合物。在一些实施例中，镓化磷酸钙生物材料进一步包含聚合物。优选地，所使用的掺镓磷钙化合物具有β -磷酸三钙(β -TCP)型结构(Dickens， B.等，1974 ；Yashima,M.等，2003)。这种结构显示出空间群为R3c，并且作为镓含量的函数， 具有在以下范围内变化的晶胞参数a= 10.31-10.44 A,c = 37.15-37.5入，α =90°，β =90° 和 γ = 120°。尽管没有特别限定，大多数应用中镓化磷酸钙材料中镓的含量优选最多为6. 35 重量％，特别是0. 001重量％至6. 0重量％，最优选是0. 01重量％至5. 3重量％。通常，镓化材料中镓至少部分地位于掺镓化合物的晶体点阵内，优选是钙位点。在本发明的优选实施例中，描述了一种镓化磷酸钙生物材料，该镓化磷酸钙生物材料包含掺镓缺钙磷灰石(CDA)，并且(Ca+Ga)/P摩尔比为1.3-1.67。该镓化磷酸钙生物材料的制备方法采用下列两种之一 (i)从包含镓、钙和磷酸盐离子的水溶液中沉淀获得， 优选通过调节PH值接近7进行沉淀(镓的含量最多为4.5重量％)，(ii)使CDA悬浮在控制PH值接近8的硝酸镓溶液中(镓的含量最多为0. 65重量％ )。本发明的第三方面进一步描述了一种包含镓化磷酸钙生物材料的植入物的制备方法，包括以下步骤(i)将本发明的自凝结镓化磷酸钙生物材料与适量的水性液相混合，得到骨水泥糊状物；以及(ii)将骨水泥糊状物塑形为植入物。待骨水泥凝结后，所制备的包含镓化磷酸钙生物材料的植入物可用于修补，修复和强化骨骼和/或充填骨质或牙齿缺损。本发明的第四方面进一步描述了一种试剂盒，该试剂盒包括掺镓磷酸钙生物材料以及液相，例如液体或凝胶。磷酸钙骨水泥本发明的优选的镓化磷酸钙生物材料应是自凝结材料，例如磷酸钙骨水泥(CPC)。凝结时间是磷酸钙骨水泥的一个重要性质。如果凝结时间太短，医生在骨水泥硬化前没有足够时间进行处理。如果凝结时间太长，医生在等待骨水泥凝结时会损失缝合伤口最佳时间。凝结时间与不同的参数相关，例如固相和液相的组成，固液比，磷酸钙组分的比例和固相组分的颗粒大小。凝结时间通常采用吉尔摩针(Gillmore needle)装置在模型样品上测定。本文中主要在水合骨水泥糊状物形成时测定抗渗性的几个有限数值。依据特定尺寸和重量的针头穿透骨水泥糊状物样本达到特定深度的时间或未能穿透骨水泥糊状物样本的时间来确定初凝时间和终凝时间。吉尔摩针装置包含两根不同直径和不同重量的针头。第一根针直径较大，但重量较轻，用于测定初凝时间。第二根针直径较小但重量较大，用于测定终凝时间 (C266 ASTM 标准)。或者，可以采用纹理分析法来估计使用骨水泥所需的晾置时间。本方法包括随时间按测定挤压骨水泥糊状物所需的压力，直到无法挤压为止。为了适用于手术用途，CPC在37°C时的初凝时间通常应少于1小时，更优选是少于 45分钟，最优选是少于10分钟；CPC在37°C时的终凝时间应少于3小时，优选是少于40分钟，最优选是少于20分钟。本发明中的镓化CPC —旦硬化后具有较高的抗压强度，通常超过lOMPa，优选是超过20MPa，这样镓化CPC就能满足这种材料的期望用途。注射前骨水泥糊状物的制备方法包括将分别适量的选定固相和选定液相混合约2 分钟。对于磷灰石骨水泥，水溶液中的主要固体组分是α-TCP，α-TCP能水合形成缺钙羟基磷灰石(CDA)。对于钙磷石骨水泥，主要固体组分是β-TCP，β-TCP能转化成二水磷酸氢钙(DCPD)，也称作钙磷石。这两种情况中，反应都使复合物硬化，从而可以进行自固化磷酸钙骨水泥的制备。自固化材料，例如磷酸钙骨水泥，具有可塑性的有点，使得它们能够匹配缺损的部位和形状，同时使植入物具有初始机械稳固性。因此，本发明的另一目的是提供一种镓化磷酸钙骨水泥，这种骨水泥包含或由本发明的掺镓化合物组成，对于在骨部位附近原位局部施用镓特别重要。优选地，镓化磷酸钙骨水泥是适于注射的形式。可注射性镓化CPC对于修复骨质疏松性骨折特别有用。近年来，骨质疏松性骨折的发生率急剧上升。由于缺少适合的治疗方法以及老年人口的迅速增加，骨质疏松性骨折的发生率预计还将继续上升。骨质疏松性骨折的修复非常困难，原因是骨骼非常脆弱。因此，插入螺钉稳固接骨板的方法一般不大可行。解决这个问题的一种方法是在骨质疏松骨内注入CPC来强化骨组织。a.固相凝结前的磷酸钙骨水泥属于一种细粒复合物，包括本发明的掺镓磷钙化合物。优选地，掺镓磷酸钙化合物应得自β -TCP或CDA。进一步地，除了掺镓磷钙化合物，磷酸钙骨水泥的固相优选地进一步包括其他化合物，用于优化磷酸钙骨水泥的性质，例如凝结行为、弹性和机械阻力。优选地，固相包括钙和/或磷酸钙化合物，例如HA、α -TCP、β -TCP、ACP, MCPM、 DCPA、DCPD、CDA、CaSO4 · 2H20 和 CaCO3。最常见的情况是固相包括CaHPO4和一种或多种其他磷钙化合物。通常，骨水泥的主要组分是α -TCP。因此，镓化磷酸钙骨水泥粉末优选包含30重量％-90重量％的α-TCP。磷酸盐骨水泥还包含最多为50重量％，优选5重量％-30重量％的CaHP04。此外，磷酸钙骨水泥还包含最多为50重量％，优选是10重量％ -30重量％ 的β -TCP，该β -TCP可以是掺镓的。磷酸钙骨水泥进一步包含最多为30重量％，优选是1 重量％ -15重量％&CDA，该CDA可以是掺镓的。
对于磷灰石骨水泥，这类CPC的固相可包含至少40 %，50 %，60 %，78 %或甚至是最多为100%的α-TCP。本发明中CPC的固相最优选为α-TCP(其中包含最多为20%的 β -TCP), DCPD, MCPM，羟丙基甲基纤维素(HPMC)和沉淀缺钙羟基磷灰石(CDA)的混合物。 在这种情况下，镓以掺镓β-TCP或掺镓α-TCP的形式引入固相。对于钙磷石骨水泥，更优选地，固相包括β -TCP和MCPM。在一个优选实施例中，本发明中的CPC的固相包括至少70^^80%或甚至90%的β-TCP。最优选的固相由β-TCP 和MCPM的混合物组成。在这种情况下，镓以掺镓β-TCP的形式引入固相。本发明的镓化磷酸钙骨水泥的固相还可以进一步包括有机组分，例如一种或多种生物兼容性和生物可再吸收性的聚合物。具体来说，这种聚合物可以特别地选自多元酸，聚酯或多糖。特别有用的是聚乳酸，聚乙醇酸，聚ε-己内酯，聚磷腈，树枝状聚合物和多糖， 聚原酸酯，聚酸酐，聚对二氧环己酮，透明质酸，聚羟基烷酸和聚羟基丁酸、以及它们的盐、 共聚物、掺和物和混合物。聚磷腈，树枝状聚合物，多糖，聚ε -己内酯，聚酯，聚羟基烷酸以及它们的盐和混合物是优选的。除物理和机械性质外，它们还可生产为具有适宜的再吸收速率，亲水性质和溶解性。一旦溶解，骨水泥中形成连通微孔，用于控制镓化材料的可再吸收性和导向吸收-替换性。聚磷腈优选地选自由聚(氧基苯甲酸乙酯)磷腈(PN-EOB)，聚(氧基苯甲酸丙酯) 磷腈(PN-POB)，聚(双-羧基苯氧基钠)磷腈(Na-PCPP)，聚(双-羧基苯氧基钾)磷腈 (Ka-PCPP)，聚(双-丙氨酸乙酯)磷腈(PAlaP)，聚(双-羧基苯氧基)磷腈(酸性PCPP) 以及它们的盐和混合物所组成的组。多糖是最优选的聚合物，特别是纤维素醚，例如羟丙基甲基纤维素(HPMC)和羧甲基纤维素(CMC)。生物兼容性和生物可再吸收性聚合物可作为细粉末，纤维或微粒使用。在这些复合物中，无机组分能与天然骨之间紧密键合并获得成骨性质，而有机组分在无机物矩阵中形成互联大孔结构并改善骨水泥的粘聚性，弹性，流变学性质和可注射性。如果镓化磷酸钙骨水泥中包含有机组分，则该有机组分的含量通常应为固相的 0. 1重量％ -30重量％，优选是0. 5重量％ -5重量％，更优选是0. 5重量％ -3重量％，尤其是1重量％ -2重量％。可参考本领域中已知的传统方法来制备本发明的镓化磷酸钙骨水泥，例如采用国际申请W020080232M中揭露的方法。通常，骨水泥粉末的组分在混合之前或之后经过精细研磨。举例来说，组分经过研磨后约5 0重量％固体的颗粒大小为0. 1 μ m-8 μ m，2 5重量％固体的颗粒大小为 8 μ m-25 μ m，剩余25重量％固体的颗粒大小为25 μ m-80 μ m。可根据包括以下步骤的方法来制备自凝结镓化磷酸钙生物材料-准备适量的可选地镓化的TCP(Ca3 (PO4) 2)；-将TCP与适量的一种或多种掺镓磷钙化合物混合，可选地还与其他添加剂混合； 以及-研磨这些组分，以形成磷酸钙骨水泥的固相。
b.液相用于使磷酸钙骨水泥凝结的液相优选是水，或者化合物的水溶液，该化合物例如盐，聚合物，PH值调节剂(例如酸)，或者具有药学活性的组分，例如表1所列的物质。表I :CPC液相中适合添加的化合物
组分化合物
钠NaF、NaCL Na2CO3、NaHCO3、Na2S04、Na2SiO3、正磷酸钠
钾KF、K2CO3、K2S04、KCL K2SiO3,正磷酸钾
镁MgHP04、Mg3(PO4)2 XH2CK MgF2、MgCO3 > MgO、CaMg(CO3)2^ Mg(OH)2
锌Zn3(PO4)2 XH2CK ZnF2. ZnCO3. ZnS04、ZnO. Zn(OH)2. ZnCl2
钙Cii5(P04;)30H、CaSO4、CaSO41Z2H2CK CaS04.2H20、CaF2^ CaCO3、CaCl2
生物聚合物蛋白质、肽、蛋白多糖、粘多糖、碳水化合物、聚羟基脂肪酸醋
有机酸种檬酸、丙二酸、丙酮酸、酒石酸
无机酸轉酸
合成聚合物聚乳酸、聚乙醇酸
生长因子TGF-β、骨钙素、GLA蛋白在大多数情况下，液相中上述化合物的浓度较低。通常，相对于最终液相的重量， 所述化合物的含量为0. 001重量％ -5重量％，优选是0. 01重量％ -3重量％，最优选是0. 1
重量％ -1重量％。液相的PH值优选应调整到5-10，更优选是5-9，最优选是5_7。对于磷灰石磷酸钙骨水泥，优选的液相是Na2HPO4水溶液，NaH2PO4水溶液或者柠檬酸溶液。更优选地，液相是Na2HPOyK溶液。例如，可以使用约0.5重量％-5重量％的 Na2HPO4于蒸馏水中的溶液，或者约0. 5重量％ -5重量％的NaH2PO4于蒸馏水中的溶液，或者约0. 5重量％ -5重量％的柠檬酸于蒸馏水中的溶液。对于钙磷石磷酸钙骨水泥，优选的液相是H3PO4水溶液。溶液中上述化合物的浓度是 0. 25mol/L-3. Omol/L，最优选是 3. Omol/L0磷酸钙骨水泥的液相和固相之比变化范围很大，特别要考虑各种参数，例如期望用途所需的粘度和固化时间。CPC的液相/固相(L/S)比通常在0.aiil/g-0.9ml/g，优选是 0. 3ml/g-0. 8mg/l，更优选是 0. 25ml/g-0. 5ml/g。如果液相是水，液相/固相(L/S)比优选是约0. 20ml/g-约0. 9ml/g,更优选是约 0. 25ml/g-约 0. 8ml/g，进一步优选是约 0. 25ml/g-约 0. 45ml/g，最优选是约 0. 30ml/g-约 0.45ml/g。如果液相是Na2HPO4或NaH2PO4水溶液，那么液相/固相(L/S)比优选是约0. 25ml/ g-约 0. 9ml/g,更优选是约 0. 30ml/g-约 0. 45ml/g。如果液相是柠檬酸水溶液，那么液相/固相(L/S)比优选是约0.20ml/g_约
110. 8ml/g,更优选是约 0. 25ml/g-约 0. 30ml/g。磷酸钙骨水泥可采用本领域中已知的常规方法制备成形。生物陶瓷在另一个实施例中，本发明的镓化磷酸钙生物材料包含或者由一种生物陶瓷组成。这种生物陶瓷可作为生物可再吸收性和骨传导性骨移植替代物，并可以用来制造植入物。优选地，所述生物陶瓷包含或由一种或多种烧结磷酸钙化合物组成，该烧结磷酸钙化合物选自由β-磷酸三钙(β-TCP)和羟基磷灰石(HA)组成的组，其中至少有一种是掺镓的。这类生物陶瓷可制成颗粒状或聚附颗粒状，或者锥形，圆柱状和棒状。使用包埋在凝胶中的颗粒状生物陶瓷特别令人感兴趣。这种应用中，颗粒的尺寸优选是40 μ m-5000 μ m,更优选是40 μ m-80 μ m之间。镓掺杂磷钙化合物及其制备本发明的生物材料中包含的式(I)Ca(10.5_L5x) Gax (PO4)7(I)其中0 < χ < 1，优选是0 < χ < 0. 85，特别是0 < χ < 0. 82的掺镓磷钙化合物、 以及它们的盐、水合物和混合物可依据下文所述的方法制备。可通过粉末X射线衍射法和31P和71^i固态NMR法来证明镓的掺杂和磷钙支架的存在，这两种方法显示了镓的掺杂和磷钙支架的存在。事实上，钙被镓置换后，磷酸基团结合到镓，使得31P NMR谱线发生高磁场位移，同时根据的化学位移值获得镓的配位几何构型。不限于理论，发明人指出，通过使晶体点阵中Ca(II)离子被fe(III)离子取代，以及阳离子电荷差异补偿空缺的形成，镓离子至少部分被引入到磷钙化合物中。由于fe(III) 离子的离子半径小于Ca(II)离子的离子半径，预计取代反应将导致晶胞收缩。因此，掺镓化合物以畸形结构存在。优选的掺镓磷钙化合物基于β "TCP或者CDA结构。掺镓磷钙化合物可以全部地或者部分地为无定形态，但优选地至少部分是晶体。 具体来说，磷钙化合物可包含一个或多个结晶相。特别地，掺镓磷钙化合物的结晶相与β-磷酸三钙(β-TCP)相关(Dickens， B.等；1974 ;Yashima，Μ·等，2003)。磷酸三钙(TCP)的分子式是Qi3(PO4)2，也称作正磷酸钙，三代(tertiary)磷酸钙，三元(trikisic)磷酸钙或者骨灰。β-TCP以空间群R3c结晶，它具有以下晶胞参数 a = 10.435 A, c = 37.403 A, = 90°，β = 90° 和 γ = 120°。优选地，镓包含在磷钙化合物的晶体点阵中。这种情况下，特别优选地，镓离子占据钙位点。但是，研究表明低温条件下获得的掺镓磷钙化合物可能包含吸附在表面的镓物质。加热这些化合物一般可使镓扩散到晶体结构中。下面将介绍上述掺镓磷钙化合物的两种不同的制备方法，一种是固态法，另外一种是溶液法。第一种方法是固态法，包括以下步骤
(a)在适量的镓化合物存在下，使磷酸钙与碳酸钙接触；(b)烧结该混合物，以形成掺镓磷钙化合物；以及(c)回收该掺镓磷钙化合物由此，由此制备的化合物的镓含量最多为5. 3重量％。优选地，本方法在无水条件下进行。因此，优选使用磷酸氢钙，例如DCPA或DCPD 或者其混合物。同样地，反应物优选无水化合物。碳酸钙分解后产生二氧化碳，这样能防止不需要的阴离子对样本的污染。本方法的(a)步骤中优选使用的镓化合物选自室温下不易挥发和稳定的物质，特别地包括氧化镓和可在烧结过程中转化成氧化物的前体化合物，例如氢氧化镓。如果镓是以氧化物的形式引入，可以用以下方程来表示此反应7CaHP04+ (3. 5-1. 5x) CaCO3+ (x/2) Ga2O3 — Ca10.5_L 5xGax (PO4) 7+3. 5H20+(3. 5-1. 5x) CO2其中，0 < χ < 1。优选地，本方法使用化学计量量的反应物。优选地，步骤(b)的温度选择为接近或高于反应物的熔解温度。通常， 7500C -1570°C，优选是800°C -1550°C，特别是900°C _1360°C，最优选是1000°C的温度是适合的。优选地，实施步骤(b)直到完全烧结，通常这需要超过12小时，更优选是M小时或更长。研磨生成的固体并进行再次煅烧是有利的。本过程可以重复几次。采用上述固态法可制备掺镓磷钙化合物。采用本方法制得结晶形式的改性磷钙化合物，这种结晶在工艺条件下形成。 更具体来说，采用所述的方法可制备与β-TCP结构相近的掺镓磷钙化合物。这种结构显示出空间群为R3C，并且作为镓含量的函数，具有在以下范围内变化的晶胞参数 a = 10.31-10.44 A, c = 37.15-37.5 A, = 90° ； β = 90° 和 γ = 120°。所述掺镓磷钙化合物的另一种制备方法是在溶液中进行的。本方法描述了从包含镓、钙和磷酸根离子的水溶液沉淀而获得掺镓磷钙化合物的方法，优选通过降低溶液PH值进行沉淀。更具体来说，在水溶液中制备掺镓磷钙化合物的方法包括以下步骤(a)制备包含钙化合物和适量镓化合物的水溶液；(b)如果必要，调节步骤(a)所得溶液的pH值至8. 5-12，优选是9-11，更优选是 9-9. 5 ；(c)在该溶液中加入适量的磷酸盐化合物；(d)通过调节该溶液的pH值至7. 0-12，优选是7. 5-9,更优选是7. 5-8,使掺镓磷钙化合物沉淀析出；以及(e)从该溶液中将沉淀析出的该掺镓磷钙化合物分离出来。由此制备的化合物的镓含量最多为0.65重量％，(Ca+Ga)/P的摩尔比通常为 1. 3-1. 67。步骤(a)中用于制备溶液的钙和镓化合物可以选自很多种水溶性化合物，例如盐或络合物(complex)。
13
优选地，步骤(a)中的镓化合物选自由醋酸镓，碳酸镓，柠檬酸镓，氯化镓，溴化镓，碘化镓，氟化镓，甲酸镓，硝酸镓，草酸镓，硫酸镓，氧化镓或氢氧化镓，以及它们的水合物所组成的组。特别优选使用硝酸镓，因为其溶解度大。优选地，钙化合物选自由硝酸钙，醋酸钙，氯化钙和氟化钙，以及它们的水合物所组成的组。作为镓化合物，特别优选硝酸钙，尤其是四水合硝酸钙，因为其溶解度大。为了提高所制备化合物的纯度，优选使用超纯水来配制本方法所使用的溶液。“超纯水”是指电阻率至少为18ΜΩ cm的水。步骤(b)通过加入pH调节剂(如碱或酸)以方便地实施。优选选用不引入其他离子的强酸和强碱。适宜的PH调节剂是氨水。步骤(c)所使用的磷酸盐化合物可以是包含期望掺镓化合物中磷酸根阴离子的任何可溶性盐或络合物。方便地，这种盐可以是磷酸氢盐。最优选地，阳离子是挥发性的，例如氨基，以避免其他阳离子取代钙而对化合物造成污染，从而确保化合物的高纯度。优选地，也可以使用磷酸盐。有利地，事先将该盐溶于水。步骤(c)中，掺镓磷钙化合物开始沉淀析出时溶液变为白色。为了确保反应物的浓度均勻，优选地在步骤(C)和(d)期间搅拌反应混合物。步骤(d)中，优选地在50°C温度下搅拌反应混合物至少30分钟。优选地，反应物的摩尔比是化学计量比，因此主要取决于所需的(Ca+Ga)/P比。为了加快反应速度，步骤(d)中的沉淀析出优选在20°C -100°C下进行，更优选是 400C -80°C，最优选是 50°C。步骤(d)所使用的pH调节剂也优选使用不向反应混合物引入其他离子的化合物。 特别优选地使用氨水。反应在数分钟或数小时内平稳地进行。优选地，步骤(d)的时间为15分钟至72 小时，更优选是30分钟至6小时，进一步优选是30分钟至2小时，最优选是30分钟。反应完成后，在步骤(e)中，采用传统方法(如过滤)从反应混合物中分离获得的沉淀物。然后，对所得的掺镓磷钙化合物进行进一步纯化和/或转化。特别地，纯化步骤 (e)所得的化合物，具体是洗涤和干燥。特别地，粗产物使用超纯水洗涤，然后在适宜温度下干燥，例如800C 0这样所得的磷钙化合物通常具有与缺钙磷灰石(CDA)类似的结构，证据是Ca/P 比在1.44-1. 67范围内，2. 9ppm处的31P NMR宽共振，特征X射线粉末衍射宽线ΟΘ = 26° (中)和 32° (强))和红外吸收(OH( 3570cm"1)和 PO4( 1040 和 llOOcnT1))。 镓可能包含在晶体内，或者以物理吸附，化学吸附或析出镓物质的形式存在于晶体表面。采用上述方法所制备的掺镓磷钙化合物的(Ca+Ga) /P摩尔比在1. 3-1. 67范围内， 镓含量最多为4.5重量％。接着，对所得的掺镓磷钙化合物进行煅烧获得具有β -TCP型结构的镓化化合物， 例如通常加热至800°C -1500°C，更优选是900°C -1300°C，最优选是1100°C，并且优选地维持几个小时，特别是3-5小时，通常是4小时。最后，掺镓磷钙化合物的另一种制备方法依赖于固/液反应，其中，使缺钙磷灰石(CDA)悬浮在镓的水溶液中，然后混合物用于在特定PH值下反应，优选在搅拌条件下反应。 该反应的优选PH范围是弱碱性pH，例如在8-9。接着，采用适宜的方法将已反应的固体从反应混合物中分离出来，例如离心，然后进行洗涤和干燥。由掺镓磷钙化合物制成的镓化磷酸钙生物材料可依如下方法使用。使用方法本发明的另一目的是提供一种本发明的镓化磷酸钙生物材料在牙科和医药领域的应用，特别是与骨修复，强化，重建，再生，以及骨病(如骨质疏松症)治疗相关的应用。其他医药用途包括骨质缺损的修复，脊柱融合术骨折的修复，假体(髋、膝、肩或其他)手术修正，骨强化以及癌症治疗相关的骨重建。本发明的材料特别地可用于充填骨质或牙缺损或骨折，诸如由创伤，骨质疏松症， 溶骨性肿瘤，或者关节或牙齿假体手术导致的骨质或牙缺损或骨折。特别地，这种复合物可用于整形手术例如脊柱手术，其中CPC移植物的精确定位至关重要，更广泛地，这种复合物可用于需要抑制病理性骨再吸收活性的各种骨环境中。在牙科中，它的主要用途是牙周缺损修复，窦提升，颂面重建，盖髓材料，颚裂修复以及作为牙齿植入物的辅料。可注射性镓化磷酸钙骨水泥可植入到身体的不可触及部位，特别适合用于微创外科手术，以减少损伤和疼痛同时加速功能恢复。因此，本发明的另一目的是提供一种骨重建外科手术的方法，以及一种主要由破骨细胞功能障碍导致的骨病的治疗方法，该治疗方法包括将本发明的镓化磷酸钙生物材料引入需治疗的患者的待处理骨部位附近。在本发明的优选实施例中，通过注射进行引入。举例来说，这种磷酸钙骨水泥可应用于经皮脊椎成形术。该手术包括一种经皮穿刺方法，用来稳固和矫直通常由骨质疏松导致的胸腰段脊椎压缩性骨折。在骨质疏松的过程中，由于骨架的负荷能力降低，胸段(TSC)和腰段(LSC)脊椎区域会出现非常疼痛的脊椎压缩性骨折。这会导致或多或少的脊椎明显变形，甚至导致脊椎压缩性骨折。这两种情况可通过X射线轻易识别。脊椎完全压缩性骨折和整个脊柱的严重变形都可能发生。在局部麻醉，或者全身麻醉(如果需要)的情况下，在例如X射线的引导下，将一根细穿刺针插入脊椎。针头可在脊椎的某一点(所谓的蒂(pedicel))处穿入骨头而无任何风险。随后，通过穿刺针将液态骨水泥注射入脊椎；待骨水泥硬化后，脊椎就稳定了(脊椎成形术)。如果脊椎严重变形(例如呈楔形)，那么注入骨水泥前应先矫直压缩性骨折的脊椎。这里，先通过穿刺针将一个球囊插入脊椎，然后高压注入液体使其膨胀。成功完成矫直后，去除球囊，用骨水泥充填留下的空腔(球囊扩张脊椎成形术(balloon-kyphoplasty))。 在这种情况中，由于植入物中包含镓，植入物的辐射不透性增加，因此方便在X光透视的引导下进行手术，另一个优点是植入后可以追踪植入物的代谢情况。
本发明会进一步结合下面的附图和各种实例进行说明。图1为根据实例1(顶端)制备的掺镓磷钙化合物和无镓TCP (底部)的X射线显微放射图，显示出本发明的化合物具有较高的辐射不透性；图2为Caltl. ^5xGiix (PO4)7粉末状样品的31P魔角旋转(MAS) NMR谱图，其中X为不同值，在7. OT条件下使用4毫米探测头和氧化锆转子进行记录；图3为Caia5^5xGEix(PO4)7粉末状样品的71Ga回波MAS NMR谱图，其中0. 17 < χ <0.71，在17. 6Τ条件下进行记录；以及图4为掺镓CDA粉末状样品的31P MAS NMR谱图，其中掺镓CDA分离为初始fei/P 比为0. 07，且在7. OT条件下进行记录。经过1000°C煅烧后获得Qia75GEia5 (PO4) 7。
具体实施例方式^M实例1 固杰反应法制备掺镓磷酸钙将无水磷酸钙(0. 174mol)与一定量的碳酸钙和氧化镓在研钵中充分混合，其中， 根据以下反应式计算碳酸钙和氧化镓的量，使(Ca+Ga) /P摩尔比与所需的X值一致。将该混合物在坩埚中1000°C煅烧M小时，通常以5克的制备规模进行煅烧(加热速率:5°C /min ；冷却速率:5°C /min)7CaHP04+ (3. 5-1. 5x) CaC03+x/2G￡i203 —Ca10.5_L 5xGax (PO4) 7+3. 5H20+ (3. 5-1. 5x) CO2通过对X射线粉末衍射图样的里德伯尔德(Rietveld)精修来获得化合物的结构， 用配备有垂直PW 1050 ( θ/2 θ )测角仪和PW 1711 Xe检测器的飞利浦(Philips)PW 1830 发生器进行记录。以逐步方式用过滤Ni的铜Ka辐射采集数据初始2 θ为10°，最终2 θ 为100°，步骤2 θ =0.03°，每步时间2. 3秒。由此所得的Qi9.27Ga0.82 (PO4) 7的原子坐标见表1。从数据中可以清楚地判断化合物具有β "TCP结构，其中5个钙位点中的一个逐步被镓取代，而第2个钙位点空缺用于电荷补偿。空间群是R3C，其中a= 10.322 A,c = 37.179A, α = 90° ； β =90° 以及 γ = 120°。获得了化合物的31P MAS NMR谱图，该谱图是在7. OT条件下使用4毫米探测头和氧化锆转子进行记录的，如图2。谱图示出了随着结合镓的磷酸盐位点的增加，NMR峰发生高磁场位移。在17. 6T条件下记录的Caia H5xGeix (PO4)7的回波MAS NMR谱图，如图3。谱图示出了化合物中存在镓离子，具有(^aO6环境(_38ppm至-46ppm)的各向同性化学位移特征，符合X射线结构测定结果。表1 =Ca^1Ga-(POJz的精细原子坐标
原子Wyckoff 位置位点占用x/ay/bz/cU[A2]Cal18b10.7226(5)0.8565(7)0.1656(2)0.0096(6)Ca218b10.6215(5)0.8243(8)-0.0348(2)0.0096(6)Ca318b10.1303(6)0.2781(4)0.0589(2)0.0096(6)Ga6a30.81700-0.266320.0055(14)
权利要求
1.一种镓化磷酸钙化合物生物材料，其特征在于，该镓化磷酸钙化合物生物材料包含式⑴Ca (10.5-1.5x) Gax (PO4) 7 (I)其中0 < χ < 1的掺镓磷钙化合物、及其盐、水合物和混合物。
2.根据权利要求1所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，式(I)中0< χ < 0. 85。
3.根据权利要求1或2所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，式(I)的所述掺镓磷 丐化合物选自由 Cii10.125Ga0.25 (PO4) 7，Ca9.75Ga0.5 (PO4) 7，Ca9.375Ga0.75 (PO4) 7 禾Π Ca9.5Ga0.82 (PO4) 7 所组成的组。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，该镓化磷酸钙生物材料采用固态方法制备，包括以下步骤(a)在适量的镓化合物存在下，使磷酸钙与碳酸钙接触；(b)烧结混合物，以形成掺镓磷钙化合物；以及(c)回收该掺镓磷钙化合物；并且，该镓化磷酸钙生物材料的镓含量最多为5. 3重量％。
5.一种镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，包含由以下步骤所组成的方法制备的掺镓磷钙化合物(a)制备包含钙化合物和适量镓化合物的水溶液；(b)如果必要，调节步骤(a)所得溶液的pH值至8.5-12 ；(c)在该溶液中加入适量的磷酸盐化合物；(d)通过调节该溶液的pH值至7.0-12，使掺镓磷钙化合物沉淀析出；以及(e)从该溶液中将沉淀析出的该掺镓磷钙化合物分离出来；并且该镓化磷酸钙生物材料的(Ca+Ga)/P摩尔比为1. 3-1. 67，镓含量最多为4. 5重量％。
6.一种镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，该镓化磷酸钙生物材料包含由以下步骤所组成的固/液方法制备的掺镓磷钙化合物(a)使磷酸钙悬浮在镓的水溶液中，该溶液的pH值调节至8-9；(b)在室温下搅拌所得悬浮液；以及(c)从该溶液中分离获得掺镓磷钙化合物；并且，该镓化磷酸钙生物材料的(Ca+Ga)/P摩尔比为1. 3-1. 67，镓含量最多为0. 65重量％。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，包含具有 β-磷酸三钙(β-TCP)型结构的磷钙化合物。
8.根据权利要求5至6中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，包含具有缺钙磷灰石(CDA)型结构的磷钙化合物。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，该材料是自凝结的。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料，其特征在于，还包含聚合物。
11.一种制备根据权利要求9所述的镓化磷酸钙生物材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤-准备适量的TCP (( (PO4)2)；-将TCP与适量的一种或多种掺镓磷钙化合物混合，可选地还与其他添加剂混合；以及 -研磨该组分，以形成磷酸钙骨水泥的固相。
12.—种植入物，其特征在于，该植入物包含根据权利要求1至10中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料。
13.一种制备根据权利要求12所述的植入物的方法，其特征在于，包括以下步骤(i)将根据权利要求9至10中任一项所述的自凝结镓化磷酸钙生物材料与适量的水性液相混合，得到骨水泥糊状物；以及( )将骨水泥糊状物塑形为植入物。
14.一种试剂盒，其特征在于，该试剂盒包含根据权利要求1至10中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料以及液体组分。
15.一种根据权利要求1至10中任一项所述的镓化磷酸钙生物材料在充填骨质或牙齿缺损中的用途。
全文摘要
本发明涉及一种镓化磷酸钙生物材料，该镓化磷酸钙生物材料包含式(I)Ca(10.5-1.5x)Gax(PO-O4)7，其中0＜x＜1，的掺镓磷钙化合物、及其盐、水合物和混合物，和/或者缺钙磷灰石结构，其中特别地该缺钙磷灰石结构的(Ca+Ga)/P摩尔比为1.3-1.67，且镓含量最多为4.5重量％。本发明还涉及上述材料的制备方法及其用途，特别是作为牙齿或骨骼植入物的用途。本发明还涉及由一种试剂盒，该试剂盒包括该镓化磷酸钙生物材料和液体组分。最后，本发明还涉及一种镓化磷酸钙生物材料的使用方法，主要是Ga(III)离子能增加骨移植后的辐射不透性以及释放后可抑制骨再吸收。
文档编号C04B35/447GK102438667SQ201080019575
公开日2012年5月2日 申请日期2010年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者C·梅里尔, I·海朗, J-M·布莱, V·施尼茨勒, 布鲁诺·布卓利, 帕斯卡尔·让维耶 申请人:南特大学, 国家科学研究中心, 格里福特斯公司