自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料及应用

摘要

本发明公开了一种自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料及应用，骨修复材料包括生物活性玻璃、半水硫酸钙、硅酸三钙和调和液，可替代现常用的惰性骨水泥而用于骨科椎体成型手术、膝髋关节置换手术以及其它骨折缺损填充手术中。所述新一代骨水泥修复材料能在合理的时间内凝固逐渐建立起一定的力学强度，能加快凝固时间，增强了生物活性及骨传导性以及缓慢降解性。材料由生物活性及骨传导性会引导本体骨生长，最终在骨水泥修复材料完全降解时，由生长的本体骨完全取而代之。所述新一代骨水泥修复材料可直接与抗菌素如庆大霉素液体调和，对凝固时间和力学强度无明显影响。将抗菌素引入体系中而缓释，以防止手术缺损伤口处的感染。

说明书

技术领域

本发明涉及医药生物材料领域，特别是涉及一种自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料及应用。

背景技术

随着生物科技的发展，医疗器械产业特别是骨科医疗器械技术和产业发展兴旺。目前，在骨科椎体成型手术、膝髋关节置换手术中，都需要用骨水泥来起到力学支撑或置换体的固定。椎体成型手术在中国从2010年前每年不到2万台手术到2015年12万台手术，预期每年会有15%的增长。椎体成型术为受害病人椎体因各种原因骨折塌陷导致疼痛以及不能正常行动，必须通过手术将塌陷的椎体撑起，使脊椎慢慢恢复正常工作，减轻病人痛苦。在膝髋关节置换手术中，骨水泥用来固定人工膝盖和髋柄，每年在中国有不低于百万台的手术。在这些手术中，多年来在国际国内填充到塌陷的椎体中或填充在缺损中来固定人工膝盖和髋柄用的是生物惰性骨水泥，化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate），代号PMMA。惰性骨水泥能在初期调配成膏体推注入椎体能迅速凝固，并具有强度起到支撑和固定作用。这些手术已很成熟。特别是椎体成型术是比较典型的现代微创手术，不用开刀，一剂膏体推注到椎体骨折塌陷处，数小时内病人可离开医院回家疗养恢复。但最大问题是惰性骨水泥不降解，与骨组织也不融合，几年后，如同一块硬石头存在在病人人体中，对周围组织会有破坏作用，存在椎体再次塌陷破裂的可能。基于这一缺点，骨科大夫通常会对年轻或中年的椎体骨折的病人比较慎重，会尽量避免使用惰性骨水泥而采取其它复杂手术办法来避免将来由惰性骨水泥带来的问题。

目前，在大部分膝髋关节置换手术中需要用这一惰性骨水泥来固定人工膝和髋关节置换体。由于惰性骨水泥与骨组织不形成骨性结合，一般在十年左右固定会出现松动而置换的关节体需要再行手术翻修，会产生更大缺损。

理想的骨水泥修复材料应为膏体剂型，可推注为最佳；能在合理的时间内凝固逐渐建立起一定的力学强度；基于在骨科手术中的临床应用，在10分钟后20分钟内凝固比较理想；这样，给予手术大夫有一定时间进行手术准备和操作，又能在骨水泥修复材料被放置在所填充的缺损处后迅速凝固成形；骨水泥修复材料被放置在所填充的缺损处后能在一定时间内， 如2星期内达到至少20MPa的抗压强度； 特别重要的是理想的骨水泥修复材料必须具有生物活性及骨传导性，又能缓慢降解，如2到3年时间完全降解，不能降解太快，否则未能达到支撑作用；也不能不降解将会成为一块硬石头；缓慢降解的同时，材料由生物活性及骨传导性会引导本体骨生长，最终，骨水泥修复材料完全降解时，由生长的本体骨完全取而代之。到目前为止，在椎体成型术、膝髋关节置换手术中和其它骨科手术中还没有这样一个理想的材料和产品来取代传统惰性骨水泥。

生物活性玻璃材料是目前人工合成的骨修复材料中生物活性最快的材料。生物活性玻璃材料开发出的人工骨修复产品已在全球以及中国在骨科临床上成功应用20年多。是目前唯一被美国FDA认可的具有骨激发（Osteostmulation）特性的产品，即能促进骨细胞的繁衍和增长，活化骨细胞的基因表达，这样加速新骨的形成。目前在国际上生物活性玻璃产品形式为颗粒、块体以及膏剂型，但都不会凝固来承受重力负荷。当小于50µm的生物活性玻璃与液体混合时，由其表面反应发生Si-O键以及水氢键的结合能发生凝固，但凝固强度十分微弱。

硫酸钙也是作为骨修复常用的材料。硫酸钙与液体混合在几分钟内凝固，但强度不太理想。最主要不足之处是硫酸钙降解速度太快，可能在3个月内绝大部分降解而失去了在塌陷缺损处的支撑作用。

硅酸三钙是著名的波特兰水泥的主要化学成分。其特点是可凝固成具有较高强度的材料，能成为建筑材料被使用。但缺点是凝固时间较长，一般需要1小时以上才能凝固。这在临床上是不实用的。但在较长的时间结构稳定保持较高的力学强度是作为可负载负荷的骨修复材料如用于椎体成形手术、膝髋关节置换手术以及某些骨折修复是比较需要的。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种生物活性膏剂骨修复材料及应用，采用生物活性玻璃-半水硫酸钙-硅酸三钙三元系统，具有更为理想的可推注自固化可吸收性，能作为骨修复替代材料用于椎体成型手术、膝髋关节置换手术以及其它一些骨折手术中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料，包括混合固体材料和液相，所述混合固体材料包括生物活性玻璃、半水硫酸钙和硅酸三钙，所述液相包括调和液。

在本发明一个较佳实施例中，所述混合固体材料的组成包括：以重量百分比计，生物活性玻璃 15%- 30%、半水硫酸钙 30%- 45%、硅酸三钙 30%- 40%；所述混合固体材料与所述液相的调和比为1g: 0.3 ml-1g: 0.8ml；所述生物活性玻璃的粒径小于等于100µm，所述半水硫酸钙的粒径小于等于100µm，所述硅酸三钙的粒径小于等于100µm。

在本发明一个较佳实施例中，所述混合固体材料的组成包括：以重量百分比计，生物活性玻璃 27%、半水硫酸钙 41.5%、硅酸三钙 31.5%；所述混合固体材料与所述液相的调和比为1g: 0.5 ml。

在本发明一个较佳实施例中，所述生物活性玻璃是组成为45S5的生物活性玻璃。

在本发明一个较佳实施例中，所述调和液为生理盐水、去离子水、无机盐溶液中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述无机盐溶液为碳酸盐溶液、氯化钙溶液、磷酸盐溶液中的一种或多种。

在本发明一个较佳实施例中，所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料的凝固时间为10-20分钟；所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料在生物环境中的力学强度是逐渐增强的；所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料具有缓慢降解性。

在本发明一个较佳实施例中，所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料在骨缺损填充手术中进行应用。

在本发明一个较佳实施例中，所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料在骨科椎体成型手术、膝髋关节置换手术中进行应用。

在本发明一个较佳实施例中，所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料在使用时能直接与抗菌素调和，同时保持了药效性又不影响凝固时间和强度；优选地，所述抗菌素为庆大霉素液体。

本发明的有益效果是：

1、三元混合体组成由于生物活性玻璃的存在增加的生物活性即作为骨修复材料的成骨性。

2、生物活性玻璃的引入加快了体系组成的凝固时间。

3、由于体系组成中硅酸三钙的存在，在液体环境中，硅酸三钙会继续反应至数月，并会使得凝固体的强度不断增加。最后为负荷应用的骨修复材料，这一特性至关重要。

4、本世纪初，大量临床证明抗菌素引入骨水泥中能在手术初期起抗感染作用，手术后的翻修率显著减少。由于惰性骨水泥用一种有机物溶液调和，抗菌素必须要预先加入粉体中，既影响其药效性，又影响固化时间。而本发明使用水溶液调和三元混合体，可直接在使用时使用抗菌素水溶液调和，能较方便理想的储存和保存药物和药性又不影响凝固反应时间和强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本发明所述膏剂的可推注示意图；

图2是本发明所述膏剂自固化后在拟人体溶液中反应1天、3天、7天后的红外光谱图；

图3是本发明所述膏剂的抗压强度随反应时间变化结果图；

图4是本发明所述膏剂进行动物实验的模型图；

图5是本发明所述膏体植入兔髁骨缺损3个月后组织学情况图；

图6是本发明所述膏体植入兔髁骨缺损后骨结合率即材料与骨组织形成骨性结合的面积百分比图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

提供一种自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料，包括生物活性玻璃、半水硫酸钙、硅酸三钙和调和液。

所述自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料，即生物活性玻璃-半水硫酸钙-硅酸三钙三元系统凝固反应机理如下：

当三元混合物与水混合调匀成膏体后，将有三个反应进行：

（1）生物活性玻璃颗粒表面遇水后迅速发生表面反应释放出钙和硅离子。

（2）硅酸三钙颗粒表面遇水后首先发生溶解。这时，颗粒空隙间的水中积聚钙硅离子到饱和，出现新的相的沉积。沉积物为水合硅酸钙凝胶（Calcium-Silicate-Hydrate gel, or C-S-H），反应式为：

2 Ca₃SiO₅>2O>2>2O>2。这一过程称为水化-沉积反应过程。沉积后水中离子浓度降低使得水解继续进行然后沉积又将出现，这样水化-沉积反应连续进行。

（3）半水硫酸钙颗粒遇水后的反应与硅酸三钙相似，只不过被认为反应更迅速。反应式为：CaSO₄·1/2H₂O>2O→>4·2H₂O。首先水化反应离子产物会迅速在周围表面和颗粒空隙中沉淀析晶为稳定相-二水硫酸钙。

反应（2）和（3）中的水化-沉积反应是一个动态连续过程，反应直至水分含量降低，新的沉积相填充颗粒间空隙使得密度增加强度增高以达到凝固，这是这两个材料自固化凝固的基本反应原理。不同之处是半水硫酸钙反应迅速，7分钟能达到终凝状态。而硅酸三钙反应较慢，通常需要60分钟以上达到终凝。

当上述三个反应在这三元混合体系中同时发生时，反应（1），即生物活性玻璃颗粒表面释放出钙和硅离子将会大大加快反应（2）和反应（3）的速度，即加快水合硅酸钙凝胶相和二水硫酸钙晶相的形成。这两个新的相的形成，一方面占据颗粒间隙提高材料密度，另一方面同时形成的新的相与原生物活性玻璃颗粒、硅酸三钙颗粒以及半水硫酸钙颗粒交织在一起增加了材料强度。这样导致三元材料凝固加快，固化时间变短。这一特性使得三元系统具有更广泛的实用性。

本发明所用的生物活性玻璃是组成为45S5的生物活性玻璃，是目前国际常用的生物活性玻璃骨修复产品的组成。半水硫酸钙和硅酸三钙按中国专利申请号为200610029067.3的方法制备。三个成分均为100µm以下的颗粒。

本发明的实验方法为将三种材料按不同比例以及生物活性玻璃按不同的颗粒尺寸进行充分混合，各混合物与调和液按液固质量比0.40-0.7 ml/g的比例充分调和1分钟，即得到我们所述的可推注的膏剂。本发明所用的调和液为生理盐水、去离子水、无机盐（碳酸盐、氯化钙、磷酸盐等）溶液中的一种。

凝固时间是上述理想的骨水泥修复材料最关键的指标，在10分钟后20分钟内凝固最为理想。所以凝固实验的测试是优化组成最重要的步骤。考虑到在实际临床应用时，材料是在手术创面创口会有流血的存在，作为对比，材料凝固实验分别在空气和水中进行。在水中凝固实验时，混合物与调和液调好2分钟后将调配物放入水中观察测试凝固时间。水中的凝固更接近实际临床应用有流血存在的环境。

凝固时间实验测试方法按ISO9597-1989E国际标准，采用维卡仪（Vicat）针对上述骨水泥糊状膏剂物的初凝时间（I）和终凝时间（F）进行测试。初凝时间定义为维卡仪针（280 g, 1.13 mm）垂直落下到装在小管中的膏剂时穿透深度为5 ± 1 mm 所需要的时间；终凝时间定义为维卡仪针（350 g, 2.0 mm）垂直落下到装在小管中的膏剂时在表面看不到明显印记所需要的时间。

（1）原材料单独凝固特性测试

调和液为去离子水，调和比为1g:0.5ml，凝固条件在空气中：

调和液为去离子水，凝固条件在水溶液中：

（2）三元系统的凝固时间测试

调和液为去离子水，凝固条件在空气中：

调和液为去离子水，凝固条件在水溶液中：

调和液为CaCl₂无机盐溶液，凝固条件在水溶液中：

凝固实验结果：

实验表明，半水硫酸钙对减少凝固时间起到主要作用。生物活性玻璃大颗粒的加入对系统凝固时间没有多大的改进，而小颗粒（<50 µm）的加入对三元系统的凝固起到了促进作用。主要原因是小颗粒比表面积大，表面反应快，起到促进凝固的作用。根据上述结果可以发现序号18、19、21是同一组成，无论是用水或无机盐溶液CaCl₂调和还是在空气中或者水中环境凝，固其凝固特性呈现出较理想的实用性。

实施例一：

序号为18号的自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料的推注和凝固实验测试：

称取18号组成混合物3克，称量1.5ml去离子水与混合物调拌混合60秒（调和比0.5ml/g）得到膏剂样品。推注性实验测试方法为将样品灌入15 mL容量的带有喷嘴内径（D）为2.0 mm针头的注射器，对其注射性进行试验。膏剂可从针筒中推注出，如图1所示。

推出膏剂到：6-mm直径×6-mm高度的模具中进行凝固时间测试。凝固时间实验测试方法按ISO9597-1989E国际标准，采用维卡仪对上述膏剂物的初凝时间（I）和终凝时间（F）进行测试。测试3个样品。下表为测试结果：

实施例二：

序号为18号的自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料的生物活性测试：

生物活性测试方法：自固化生物活性材料按配比调和，调和液为去离子水，调和比0.5ml/g，调和时间60秒。调成的膏剂再用模具：6-mm直径× 2-mm高度，凝固成圆片。样品数量3个。浸泡SBF时按照样品表面积/溶液体积=0.1 cm^-1将圆片分别悬挂在SBF中，在37°的环境中反应。反应为1天、3天和7天。反应样品进行FTIR红外反射谱进行表面测试。反射峰574cm^-1和608cm^-1的出现将表明羟基磷灰石的形成，即表明材料具有生物活性。检测结果见图2。

实施例三：

序号为18号的自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料的抗压强度测试：

力学抗压强度测试方法：新型自固化生物活性产品样品通过SBF拟人体溶液浸泡反应不同时间来测定抗压强度变化。自固化生物活性材料按配比调和，调和液为去离子水，调和比0.5ml/g，调和时间60秒。调成的膏剂再用模具：6-mm直径×12-mm高度，凝固成圆柱。样品数量30个。浸泡SBF时，每天换液，按照样品表面积/溶液体积=0.1cm^-1将圆柱分别悬挂在SBF中，在37°的环境中反应。反应为6个时间点，每个时间点为一组，样品分6组，每组测试5个样品。6个时间点为：1小时、2小时、8小时、1天、3天和7天。将每组测试结果进行统计取平均值并计算出正负差，抗压强度随反应时间变化结果如下表和图3所示。

实施例四：

序号为18号的自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料的动物实验：

动物实验用新西兰白兔2-3公斤。缺损模型为股骨远端(distal femur condyle)髁骨，6mm×10mm，如图4所示。植入3个月后的组织学观察，如图5所示。图5显示了18号膏体植入兔髁骨缺损3个月后的情况组织学情况。从图片来看，材料大体上保持了其形状特点（植入体为圆柱状块体），材料内部未见明显裂纹，材料表面未见明显颗粒剥落，材料边缘为白色，表面活性反应所致形成的多孔相表明溶解吸收反应开始。说明材料降解方式可能主要是由外向内溶解吸收。在染色过程中发现材料内部会被染成蓝色，乙醇未冲洗掉。对材料表面进行观察可以发现明显的新骨形成，图6为材料植入后骨结合率即材料与骨组织形成骨性结合的面积百分比。这表明材料表面和骨组织呈现良好的骨性结合。通常的生物活性骨修复材料在3个月时会出现明显降解。本发明的最佳组成18号在3个月时表面出现降解但材料基本上保持其形状，表明非常缓慢的降解速度。这是本发明所需要的可凝固能承受负荷力又具有生物活性的膏剂，会缓慢降解，引导骨组织形成，最后由本体骨组织取代，为最理想骨修复产品。

本发明公开的一种由生物活性玻璃-半水硫酸钙-硅酸三钙三元系统形成的可推注自固化可降解的生物活性膏剂骨修复材料，可替代现常用的惰性骨水泥而用于骨科椎体成型手术、膝髋关节置换手术以及其它骨折缺损填充手术中。这一新一代骨水泥修复材料能在合理的时间内凝固逐渐建立起一定的力学强度。特别重要的是这一新一代骨水泥修复材料由于引入生物活性玻璃而加快了凝固时间，增强了生物活性及骨传导性以及缓慢降解性。缓慢降解的同时，材料由生物活性及骨传导性会引导本体骨生长，最终，在骨水泥修复材料完全降解时，由生长的本体骨完全取而代之。另一特别重要的是这一新一代骨水泥修复材料与其它传统的骨水泥不同，可直接与抗菌素如庆大霉素液体调和，对凝固时间和力学强度无明显影响。将抗菌素引入体系中而缓释，以防止手术缺损伤口处的感染。

本发明的发明人之一曾专利报道了用半水硫酸钙/硅酸三钙两元系统复合自固化生物活性材料、制备方法及其应用，具体的申请号为200610029067.3和200810204780.6。为了研制出更为理想的骨水泥修复材料，本发明引入生物活性最强成骨性最快已在临床上成功应用20多年的组成代号为45S5的生物活性玻璃，使之成为一个生物活性玻璃-半水硫酸钙-硅酸三钙三元系统。由于微米生物活性玻璃颗粒的引入，将会使得新的材料凝固时间具有实用性，降解速率得到改善，生物相容性和成骨性得到提高。得到更理想的可推注自固化可吸收的膏剂骨水泥修复材料，作为骨修复替代材料能用于椎体成型手术、膝髋关节置换手术以及其它一些骨折手术中。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。