含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺

摘要

本发明公开了一种缓释特殊药理性锶元素且无毒副作用的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺。本制备工艺采取水泥固相为一定颗粒度分布且按一定摩尔比配制的Ca4(PO4) 2O、CaHPO4、SrHPO4混合粉末，液相为0.5～1mol/l的磷酸H3PO4水溶液，固/液比为1.5～3.0。生理环境下的最终固化产物为含锶缺钙羟基磷灰石，微观形态呈菊花瓣或曲棒状纳米晶体结构。该种水泥除了具有较高的力学及可操作性能之外，还将缓释具特殊药理功能的锶离子，且初步细胞毒性测试结果表明无毒性。该材料较之传统磷酸钙骨水泥具有更广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及含锶纳米磷酸钙生物活性水泥的制备技术，尤其涉及一种缓释特殊药理性锶元素且无毒副作用的含锶羟基磷灰石骨修复材料的制备工艺。

背景技术

磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement，简称CPC)，属多孔结构且固化产物是羟基磷灰石，具有良好的生物相容性、骨传导性，尤其可处理成浆料形式直接注入骨缺陷中并原位固化，因而在牙科骨替代、矫正及重建外科中得到广泛应用。磷酸钙骨水泥主要由两部分组成：磷酸钙粉末与固化液。固化液一般是水或者稀磷酸水溶液，磷酸钙粉末主要有磷酸四钙(Ca₄(PO₄)₂O)、磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O或CaHPO₄)、磷酸二氢钙(Ca(H₂PO₄)₂·H₂O或Ca(H₂PO₄)₂)、磷酸八钙(Ca₈H₂(PO₄)₂·5H₂O)、磷酸三钙(α-或β-Ca₃(PO₄)₂)、焦磷酸钙(Ca₂P₂O₇)等。此外，据报道，锶(Sr)是人体中存在的一种微量元素，在骨中的含量约占其重量的0.01％，人体中含有的99％以上的Sr、Ca均积聚在骨骼之中。Sr与Ca均属碱土金属，具有许多相似的性质。以离子形态存在的Sr²⁺分享着与Ca²⁺相同的生理路线，最终沉积在骨的矿化结构中(Blake，G.M et al.. Sr-89 therapystrontium kineticls in metastatic bone disease.J.Nucl.Med.1986，27：1030/Blake，D.M.，et al.Sr-89 strontium kineticls in disseminated carcinoma of the prostate.Eur.J.Nucl.Med.1986，12：447-454)。已有研究表明，锶具有以下几个方面的特殊药理作用：首先，在骨骼病区的矿化与重建方面，低剂量的锶有助于增加骨的质量与体积，目前尚未没有发现它对矿化形貌和矿物化学组成产生不利的影响(Grynpa M.D.，et al.Strontium increases vertebral bone volume in rats at a low dosethat does not induce detectable mineralizaion defect.Bone，1996，18：253～259)；其次，在骨代谢方面，在外界不断供给条件下，锶在骨中的含量因体内解剖学位置不同而异，并发现锶可以与骨中磷灰石晶体表面的少量钙发生交换(Dahl，S.G.，Allain，P.，Marie，P.L.，et al.Incorporation and Distribution of Strontium in Bone.Bone.2001，28(4)：446-453)；其三，在骨传导性方面，Johal等比较了不同含锶量的玻璃离子水泥后，发现含锶量最高组LG125具有最好的骨传导性(Johal K.K.，etal.In vivo response of strontium and zince-based ionomeric cement implants in bone.Journal of materials science：materials in medicine.2002，13：375-379)；其四，在治疗骨质疏松病症方面，锶也发挥了显著疗效，近年来，发现Strontium ranelate(S12911)是一种很有应用潜力的抗骨质疏松药物，体内外实验均表明，S12911具有刺激骨的形成、抑制骨再吸收的作用(Canalis，E.，Hott，M.，Deloffre，P.，Tsouderos，Y.，and Marie，P.J.The divalent strontium salt S12911 enhances bonecell replication and bone formation in vitro.Bone 1996，8：517-523)；其五，早在1988年，⁸⁹SrCl₂就被批准为一种减轻病人痛苦的镇静剂，往往在其它治疗方法无效时，它却发挥显著疗效(Lewington，V.J.，Zivanovic，M.A.，Blake，G.B.，et al.Treatment ofbone pain indisseminated prostrate cancer using strontium-89.Nucl.Med.Commun.1988，9：172-186)。此外，国内外学者还研究表明，低剂量Sr(一般低于10％)置换磷灰石中部分钙而获得的含锶羟基磷灰石，不仅具有较之纯羟基磷灰石更好的组织相容性、骨传导性、甚至一定程度上的骨诱导能力(廖大鹏，周正炎，顾云峰等.锶磷灰石修复下颌骨缺损的实验研究.上海口腔医学.2000；9(2)：73～75)，还改变了其溶解动力学，提高了生物降解性(J.Christoffersen，M.R.Christoffersen，N.Kolthoff，et al.Effects of strontium ions on growth and dissolutionof hydroxtapatite and on bone mineral detection.Bone.1997，20(1)：47～54)。因此，若将锶掺入磷酸钙骨水泥中，获得含锶磷灰石产物，既可保持传统骨水泥的诸多优点，又可充分发挥锶或者含锶磷灰石的上述良好药理性能或者生物学性能。2001年法国学者(L.Lerous，J.L.Lacout.Preparation of calcium strontiumhydroxyapatites by a new route involving calcium phosphate cements.J.Mater.Res.2001，16(1)：171～178)首次采用制备磷酸钙骨水泥的方法合成了含锶羟基磷灰石，采用的固相粉末为Ca₄(PO₄)₂O和α-Ca₃(PO₄)₂，液相为Sr(NO₃)₂与H₃PO₄的水溶液，但缺点是最终固化产物中含有大量对人体组织不利的NO₃^-离子，不适于临床上人体骨修复等应用，有关力学性能方面的后续研究及类似内容还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有缓释特殊药理性锶离子且无毒副作用的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥的制备工艺。

本发明的技术方案是这样解决的：

1)固相粉末的组成：将Ca₄(PO₄)₂O、SrHPO₄、CaHPO₄粉末按照摩尔比2∶x∶(2-x)混和，其中x＝0.1～1；

2)液相的制备：配制浓度为0.5～1mol/l的磷酸H₃PO₄水溶液作为水泥固化液。

3)固/液比选择：固相粉末与液相调和时的质量比为1.5～3.0。

采用本发明的制备工艺制成的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥，其最终固化产物为掺锶缺钙羟基磷灰石(Ca_(10-x)Sr_x(PO₄)_{(6+1.005z/y+0.047xz)}2OH)，钙磷摩尔比Ca/P为1.48～1.62，微观形态为菊花瓣(瓣厚40～45nm，宽300～350nm)或曲棒状(直径40～50nm，长1.0～1.5μm)纳米晶体结构。

采用本发明的制备工艺制成的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥，其固化后的压缩强度为40～60MPa，初凝时间为4～11min，终凝时间为10～17min，适合人体非负载部位的骨修复。固相粉末磷酸四钙Ca₄(PO₄)₂O、磷酸氢锶SrHPO₄、磷酸氢钙CaHPO₄的平均粒度范围分别为8～13μm、0.7～1.3μm、0.8～1.5μm。

采用本发明的制备工艺制成的含锶纳米磷酸钙生物活性骨水泥，具有缓释锶离子作用，从而延长锶离子对植入部位的药理性治疗功效，而且锶与部分钙的置换有利于提高这种骨水泥的降解性。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步详细说明：

实施例1：将0.6g水泥混合粉末与0.4g浓度为1mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝0.5，即Sr/(Sr+Ca)＝5％；固/液质量比为1.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF(模拟体液)中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成分为含锶缺钙羟基磷灰石(Ca_9.5Sr_0.5(PO₄)_6.692OH，Ca/P＝1.49)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为53.16MPa，最大压缩强度为60.20MPa。2周后的平均压缩强度为47.37MPa，最大压缩强度为51.72MPa。初凝时间为5.5min，终凝时间为12min。细胞毒性试验结果为0级。在生理盐水中静态浸泡实验结果表明，随浸泡时间延长，锶的释放量逐渐增加但较缓慢，4周后锶释放量为其总量的7.4％。

实施例2：将0.6g水泥混合粉末与0.24g浓度为0.5mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝0.5，即Sr/(Sr+Ca)＝5％；固/液质量比为2.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成分为含锶缺钙羟基磷灰石(Ca_9.5Sr_0.5(PO₄)_6.212OH，Ca/P＝1.61)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为51.55MPa，最大压缩强度为57.68MPa。初始凝结时间为4min，最终凝结时间为10min。

实施例3：将0.6g水泥混合粉末与0.3g浓度为0.5mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝0.5，即Sr/(Sr+Ca)＝5％；固/液质量比为2.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成分为含锶缺钙羟基磷灰石(Ca_9.5Sr_0.5(PO₄)_6.262OH，Ca/P＝1.60)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为45.12MPa，最大压缩强度为47.77MPa。初始凝结时间为7min，最终凝结时间为13min。

实施例4，将0.6g水泥混合粉末与0.4g浓度为1.0mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝1，即Sr/(Sr+Ca)＝10％；固/液质量比为1.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成分为含含锶缺钙羟基磷灰石(Ca₉Sr(PO₄)_6.722OH，Ca/P＝1.49)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为36.92MPa，最大压缩强度为45.01MPa。初始凝结时间为6min，最终凝结时间为13min。细胞毒性试验结果为0级。在生理盐水中静态浸泡实验结果表明，4周后锶释放量为其总量的14.16％。

实施例5：将0.6g水泥混合粉末与0.24g浓度为0.5mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝1，即Sr/(Sr+Ca)＝10％；固/液质量比为2.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化20min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成份为含含锶缺钙羟基磷灰石(Ca₉Sr(PO₄)_6.222OH，Ca/P＝1.61)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为44.41MPa，最大压缩强度为47.77MPa。初始凝结时间为11min，最终凝结时间为17min。

实施例6：将0.6g水泥混合粉末与0.20g浓度为0.5mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝1，即Sr/(Sr+Ca)＝10％；固/液质量比为3.0∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成份为含锶缺钙羟基磷灰石(Ca₉Sr(PO₄)_6.192OH，Ca/P＝1.62)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为44.32MPa，最大压缩强度为47.77MPa。初始凝结时间为7.5min，最终凝结时间为14min。

实施例7：将0.6g水泥混合粉末与0.40g浓度为0.5mol/l的H₃PO₄水溶液(其中x＝0.1，即Sr/(Sr+Ca)＝1％；固/液质量比为1.5∶1)用药匙调和30s以形成均匀一致的水泥浆料，填入直径为6mm、高为12mm的不锈钢圆柱体模具中并施加0.7MPa的压力压实，将制成的圆柱体试样塞进直径6.5mm、高13mm的玻璃管中，然后置入温度为37℃、相对湿度为100％的环境中固化，固化15min后，将试样取出并迅速浸入SBF中，每隔3天更换一次SBF，2周后形成固化体的最终产物成份为含锶缺钙羟基磷灰石(Ca_9.9Sr_0.1(PO₄)_6.342OH，Ca/P＝1.58)。试样在SBF中浸泡1天的平均压缩强度为50.15MPa，最大压缩强度为56.37MPa。初始凝结时间为5.0min，最终凝结时间为11min。