本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別涉及一種具有生物活性和抑菌性的復(fù)合骨水泥及制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

硫酸鈣作為骨修復(fù)材料已有100多年的歷史，其具有可注射性、可降解性、良好的骨傳導(dǎo)性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，而且其原料來(lái)源廣泛、成本低廉，具有較為優(yōu)良的應(yīng)用前景。但單純的硫酸鈣骨水泥固化時(shí)間過(guò)短，可操作性低，而且降解速率過(guò)快，無(wú)法與新骨的生長(zhǎng)速率相匹配，易形成“骨真空區(qū)”，使其力學(xué)性能在降解過(guò)程中過(guò)快衰減而無(wú)法提供有效支持。研究發(fā)現(xiàn)，CaSO₄的快速溶解可能是其在體內(nèi)過(guò)快降解的主要原因。此外，硫酸鈣的骨誘導(dǎo)能力差，在植入初期不可以與植入處的骨組織形成緊密的生物化學(xué)界面聯(lián)系。因此，單純的CaSO₄植入人體時(shí)沒(méi)有辦法滿足骨水泥材料的基本要求，在應(yīng)用方面遇到了很多技術(shù)問(wèn)題。

PEG是在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的高分子有機(jī)物，其長(zhǎng)鏈上含有豐富的羥基(-OH)和羧基(-COOH)，能夠與硫酸鈣中的Ca2+發(fā)生螯合作用，從而阻礙Ca2+與水的接觸，進(jìn)而影響Ca2+的水化行為，然后就能夠?qū)α蛩徕}骨水泥的固化行為實(shí)現(xiàn)控制。同時(shí)，向液相中添加有機(jī)高分子可以通過(guò)提高整個(gè)體系的粘稠度和穩(wěn)定性來(lái)對(duì)骨水泥漿體的流變行為產(chǎn)生影響。并且相對(duì)于無(wú)機(jī)成分，有機(jī)高分子的降解速率較慢，具有良好的生物相容性。

羥基磷灰石與人體骨骼的無(wú)機(jī)成分類(lèi)似，是一種應(yīng)用廣泛的生物活性材料，但是在通常情況下，因?yàn)槠浣Y(jié)晶度較高，植入體內(nèi)后比較穩(wěn)定難降解，長(zhǎng)期殘留于體內(nèi)很容易成為感染源，使植入處發(fā)生炎癥反應(yīng)，從而影響骨缺損部位的完全康復(fù)。同時(shí)很多研究表明，鍶作為人體內(nèi)的一種必需的微量元素，可以通過(guò)取代羥基磷灰石中鈣的位置，使其發(fā)生晶格畸變，因而降低了其結(jié)晶性，改善其降解性。并且，鍶具有促進(jìn)成骨細(xì)胞分化和抑制破骨細(xì)胞吸收的雙重作用，如果在摻鍶羥基磷灰石中加入銀，在保證骨水泥具有較好生物活性的同時(shí)還能夠具有較好的抗菌性，這種骨水泥產(chǎn)品在臨床上將會(huì)具有很好的應(yīng)用前景。目前研究通常采用含10％鍶的摻鍶羥基磷灰石來(lái)應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有所存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明主要想要制備一種具有相對(duì)適宜的固化時(shí)間和力學(xué)性能、降解速率與新骨生成速度較為匹配，并且具有良好的生物活性和抑菌性的骨水泥材料。

半水硫酸鈣晶體的水化反應(yīng)過(guò)程主要就是鈣離子和硫酸根離子的溶出與再結(jié)晶和沉積的過(guò)程。當(dāng)水化過(guò)程完成后，即半水硫酸鈣完全轉(zhuǎn)變?yōu)槎蛩徕}，骨水泥呈現(xiàn)固化狀態(tài)不可以注射。因此，可以通過(guò)改變半水硫酸鈣的水化反應(yīng)中鈣離子的行為來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硫酸鈣的固化過(guò)程的控制。

此外，PEG作為一種有機(jī)大分子聚合物，分子量的應(yīng)用范圍很寬(從幾百到幾萬(wàn))，但是分子量較低的PEG的吸濕性較明顯，為了保證其穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)選用分子量較高的PEG。

而本發(fā)明中復(fù)合骨水泥的固相組分為半水硫酸鈣與銀鍶羥基磷灰石的混合物，因此適當(dāng)提高羥基磷灰石中鍶的含量來(lái)保證其生物活性。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有生物活性和抑菌性的骨水泥；其組成成分包括固相組分和液相組分，固相組分由兩種不同的無(wú)機(jī)鹽，半水硫酸鈣和銀鍶羥基磷灰石混合組成，其中半水硫酸鈣占固相的質(zhì)量百分含量為70～90％，銀鍶摻雜羥基磷灰石占固相的質(zhì)量百分含量為10～30％；液相組分為濃度為0.3wt.％～1.0wt.％的分子量為6000-10000的聚乙二醇水溶液。

所述銀鍶羥基磷灰石中的原子比為鈣：鍶：銀＝7.9：2：0.1。

本發(fā)明的具有生物活性和抑菌性的骨水泥中，銀鍶羥基磷灰石的制備方法是：

(1).配置硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀以及磷酸氫二銨水溶液；

(2).將步驟1)的硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀溶液依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)pH為9.0～10.0攪拌。

(3).將步驟2)得到的溶液置于反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)后，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌，抽濾得到白色沉淀，再經(jīng)干燥研磨的到銀鍶羥基磷灰石粉末；

(4).將固相成分和液相成分?jǐn)嚢杌旌?，得到骨水泥漿體；骨水泥漿體的固化時(shí)間在3～6分鐘；固相成分和液相成分均勻混合的固液比為2.0g/ml。

骨水泥漿體在固化之前為流動(dòng)體，可以通過(guò)注射器注射到人體的骨缺損部位。

本發(fā)明的骨水泥的應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)中骨損傷修復(fù)材料。

納米銀具有良好的抗菌性，常被應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，對(duì)于大多數(shù)的耐藥菌株，也具有良好的抗性。研究認(rèn)為納米銀的主要抗菌機(jī)制是銀能夠產(chǎn)生自由基來(lái)破壞細(xì)菌的生物膜，同時(shí)所釋放的銀離子可以通過(guò)干擾細(xì)菌DNA的復(fù)制來(lái)達(dá)到抑菌的效果。選擇銀在一個(gè)適當(dāng)?shù)臐舛燃瓤梢员ＷC其抑菌性又能使其生物毒性維持在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)。

本發(fā)明的復(fù)合骨水泥在固化行為方面有良好的改善，因此增加了手術(shù)操作的便利，提高了手術(shù)的成功率，同時(shí)具有生物活性和抑菌性，因此，作為骨修復(fù)材料具有實(shí)用性和良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1復(fù)合硫酸鈣骨水泥隨降解時(shí)間的失重情況。

如圖1所示，折線圖表明了液相中濃度為0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥試樣在不同降解時(shí)間的失重變化情況，隨液相PEG濃度的增大，復(fù)合骨水泥的降解速率減緩，有利于復(fù)合骨水泥在人體內(nèi)的穩(wěn)定存在。

圖2復(fù)合硫酸鈣骨水泥在不同降解時(shí)間的抗壓強(qiáng)度。

如圖2所示，柱形圖表明了液相中濃度為0、0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG的骨水泥試樣在不同降解時(shí)間的抗壓強(qiáng)度的變化情況，可以看到PEG濃度的升高有效增加了試樣的抗壓強(qiáng)度，使得復(fù)合骨水泥能夠在體內(nèi)起到很好的支撐作用。

圖3復(fù)合硫酸鈣骨水泥降解28天時(shí)的微觀形貌。

圖3是液相中濃度為0、0.5wt.％、0.7wt.％和1.0wt.％的PEG試樣在降解28天時(shí)的表面微觀形貌，可以看到隨著PEG濃度的增加，試樣表面趨于顆?；?，表面積增加，增大了骨水泥與骨組織的接觸面積，有利于發(fā)揮引導(dǎo)成骨作用。

圖4復(fù)合硫酸鈣骨水泥抑菌環(huán)測(cè)試結(jié)果。

如圖4所示為復(fù)合骨水泥試樣的在對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌兩種細(xì)菌進(jìn)行抑菌環(huán)測(cè)試的結(jié)果，兩種細(xì)菌均有明顯的抑菌環(huán)，證明了復(fù)合骨水泥的抑菌性。

圖5復(fù)合硫酸鈣骨水泥細(xì)胞毒性測(cè)試結(jié)果。

如圖5所示為用MTT法對(duì)復(fù)合骨水泥試樣進(jìn)行細(xì)胞毒性的測(cè)試結(jié)果，由此可見(jiàn)骨水泥試樣試樣可以促進(jìn)細(xì)胞增殖，增加細(xì)胞的生物活性。

附表說(shuō)明

表1復(fù)合硫酸鈣骨水泥的可注射時(shí)間。

表1表示含不同濃度PEG的復(fù)合骨水泥的可注射時(shí)間，隨PEG濃度的增加時(shí)間變長(zhǎng)，增加了手術(shù)過(guò)程中的可操作性。

表2復(fù)合硫酸鈣骨水泥降解過(guò)程的pH。

表2表示降解過(guò)程中試樣pH的變化情況，可以看到含不同濃度的PEG的骨水泥試樣在降解過(guò)程中pH穩(wěn)定于7.2-7.4，而人體體液環(huán)境pH大概在7.4，由此可見(jiàn)復(fù)合骨水泥對(duì)人體體液環(huán)境沒(méi)有明顯影響。

表3復(fù)合硫酸鈣骨水泥降解過(guò)程中鈣離子釋放情況。

表3表示含不同濃度PEG的骨水泥試樣在降解過(guò)程中鈣離子的釋放情況，鈣離子的釋放速率隨PEG濃度的升高而減緩，骨水泥試樣的降解速率減緩。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所制備得一種具有生物活性和抑菌性的骨水泥材料，主要分為固相組分和液相組分兩個(gè)組成成分。

其固相組分為半水硫酸鈣與銀鍶羥基磷灰石按質(zhì)量比均勻混合的粉體。

其液相組分分別是濃度為0.3wt.％、0.5wt.％、0.7wt.％、1.0wt.％的PEG水溶液

下面結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的使用方法做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的保護(hù)范圍包含但不僅限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1：不同pH環(huán)境下的銀鍶羥基磷灰石的制備。

制備pH為9環(huán)境下的銀鍶羥基磷灰石：

(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸鍶(Sr(NO₃)₂)、硝酸銀(AgNO₃)以及磷酸氫二銨((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應(yīng)。

(3)、將混合均勻的溶液置于反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)6小時(shí)后取出，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結(jié)2h得到銀鍶羥基磷灰石。

制備pH為9.5環(huán)境下的銀鍶羥基磷灰石：

(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸鍶(Sr(NO₃)₂)、硝酸銀(AgNO₃)以及磷酸氫二銨((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應(yīng)。

(3)、將混合均勻的溶液置于反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)6小時(shí)后取出，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結(jié)2h得到銀鍶羥基磷灰石。

制備pH為10環(huán)境下的銀鍶羥基磷灰石：

(1)、配置一定濃度的硝酸鈣(Ca(NO₃)₂·4H₂O)、硝酸鍶(Sr(NO₃)₂)、硝酸銀(AgNO₃)以及磷酸氫二銨((NH₄)₂HPO₄)、水溶液。

(2)、將溶液以硝酸鈣、硝酸鍶、硝酸銀的順序依次添加在磷酸氫二銨的水溶液中，并用氨水調(diào)節(jié)pH分別為9，攪拌9～11分鐘，使其充分反應(yīng)。

(3)、將混合均勻的溶液置于反應(yīng)釜中，在150℃下反應(yīng)6小時(shí)后取出，依次用去離子水和無(wú)水乙醇洗滌三次，抽濾得到白色沉淀。

(4)、在60℃下，恒溫干燥24h、研磨成粉末后800℃燒結(jié)2h得到銀鍶羥基磷灰石。

通過(guò)后期對(duì)三種pH條件下所制得的銀鍶羥基磷灰石進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所制得的銀鍶羥基磷灰石的強(qiáng)度較高，粒徑均勻，符合復(fù)合骨水泥的標(biāo)準(zhǔn)。選用pH＝9.5環(huán)境下制得的銀鍶羥基磷灰石作為固相組分與半水硫酸鈣混合，再與不同濃度的PEG液相混合制備骨水泥漿體。以下實(shí)施例將展現(xiàn)不同濃度的PEG液相對(duì)于骨水泥力學(xué)性能、微觀形貌、抑菌性和生物活性的影響。

實(shí)施例2：0wt.％PEG/硫酸鈣復(fù)合骨水泥的制備與表征。

按照0wt.％的質(zhì)量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質(zhì)量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫?cái)嚢杓s10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實(shí)施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進(jìn)行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實(shí)端部處理平整，放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中使其固化，等復(fù)合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進(jìn)行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中，分別在第1、5、28天時(shí)將試樣從離心管中取出。進(jìn)行可注射性能、力學(xué)強(qiáng)度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。

實(shí)施例3：0.3wt.％PEG/硫酸鈣復(fù)合骨水泥的制備與表征。

按照0.3wt.％的質(zhì)量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質(zhì)量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫?cái)嚢杓s10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實(shí)施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進(jìn)行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實(shí)端部處理平整，放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中使其固化，等復(fù)合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進(jìn)行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中，分別在第1、5、28天時(shí)將試樣從離心管中取出。進(jìn)行可注射性能、力學(xué)強(qiáng)度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。

實(shí)施例4：0.5wt.％PEG/硫酸鈣復(fù)合骨水泥的制備與表征。

按照0.5wt.％的質(zhì)量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質(zhì)量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫?cái)嚢杓s10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實(shí)施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進(jìn)行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實(shí)端部處理平整，放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中使其固化，等復(fù)合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進(jìn)行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中，分別在第1、5、28天時(shí)將試樣從離心管中取出。進(jìn)行可注射性能、力學(xué)強(qiáng)度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。

實(shí)施例5：0.7wt.％PEG/硫酸鈣復(fù)合骨水泥的制備與表征。

按照0.7wt.％的質(zhì)量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質(zhì)量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫?cái)嚢杓s10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實(shí)施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進(jìn)行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實(shí)端部處理平整，放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中使其固化，等復(fù)合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進(jìn)行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中，分別在第1、5、28天時(shí)將試樣從離心管中取出。進(jìn)行可注射性能、力學(xué)強(qiáng)度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。

實(shí)施例6：1.0wt.％PEG/硫酸鈣復(fù)合骨水泥的制備與表征。

按照1.0wt.％的質(zhì)量比將PEG添加入生理鹽水(由去離子水和氯化鈉以質(zhì)量比為99.1:0.9配置所得)中，恒溫?cái)嚢杓s10min使其完全溶解，得到不同濃度的溶液作為骨水泥的液相。再與半水硫酸鈣和實(shí)施例1中所得銀鍶羥基磷灰石以8:2的比例均勻混合的混合粉體作為固相分別與液相按照2g/mL的固液比進(jìn)行混合，攪拌約30s，然后將混合均勻的漿體轉(zhuǎn)移至聚四氟乙烯模具中，并將其壓實(shí)端部處理平整，放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中使其固化，等復(fù)合CSC試樣固化完成后，取出待用。然后將制好的骨水泥試樣分別置于離心管中進(jìn)行浸泡，并將離心管放置于37℃、100％相對(duì)濕度環(huán)境中，分別在第1、5、28天時(shí)將試樣從離心管中取出。進(jìn)行可注射性能、力學(xué)強(qiáng)度、表面形貌、降解行為、抑菌性和生物活性的表征。

附表：

表1復(fù)合硫酸鈣骨水泥的可注射時(shí)間。

表2復(fù)合硫酸鈣骨水泥的不同降解時(shí)間的pH。

表3復(fù)合硫酸鈣骨水泥的不同降解時(shí)間的Ca²⁺濃度。

本發(fā)明公開(kāi)和提出的一種具有生物活性和抑菌性的復(fù)合骨水泥的制備方法和應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過(guò)借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變條件路線等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，盡管本發(fā)明的方法和制備技術(shù)已通過(guò)較佳實(shí)施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和技術(shù)路線進(jìn)行改動(dòng)或重新組合，來(lái)實(shí)現(xiàn)最終的制備技術(shù)。特別需要指出的是，所有相類(lèi)似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容中。