TWI587881B - 自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料及應用 - Google Patents

Description

自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料及應用

本發明關於醫藥生物材料領域，特別是關於一種自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料及應用。

隨著生物科技的發展，醫療器械產業特別是骨科醫療器械技術和產業發展興旺。目前，在骨科椎體成型手術、膝髖關節置換手術中，都需要用骨水泥來起到力學支撐或置換體的固定。椎體成型手術在中國從2010年前每年不到2萬台手術到2015年12萬台手術，預期每年會有15%的增長。椎體成型手術為受害病人椎體因各種原因骨折塌陷導，導致疼痛以及不能正常行動，必須通過手術將塌陷的椎體撐起，使脊椎慢慢恢復正常功能，減輕病人痛苦。在膝髖關節置換手術中，骨水泥用來固定人工膝蓋和髖柄，每年在中國有不低於百萬台的手術。在這些手術中，多年來在國內外填充到塌陷的椎體中，或填充在缺損中來固定人工膝蓋和髖柄用的是生物惰性骨水泥，化學名稱為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)，代號PMMA。惰性骨水泥能在初期調配成膏體推注入椎體能迅速凝固，並具有強度起到支撐和固定作用。這些手術已很成熟。特別是椎體成型手術是比較典型的現代微創手術，不用開刀，一劑膏體推注到椎體骨折塌陷處，數小時內病人可離開醫院回家療養恢復。但最大問題是惰性骨水泥不降解， 與骨組織也不融合，幾年後，如同一塊硬石頭存在在病人體中，對周圍組織會有破壞作用，存在椎體再次塌陷破裂的可能。基於這一缺點，骨科大夫通常會對年輕或中年的椎體骨折的病人比較慎重，會儘量避免使用惰性骨水泥而採取其它複雜手術辦法來避免將來由惰性骨水泥帶來的問題。

目前，在大部分膝髖關節置換手術中需要用惰性骨水泥來固定人工膝和髖關節置換體。由於惰性骨水泥與骨組織不形成骨性結合，一般在十年左右固定會出現鬆動而置換的關節體需要再進行手術翻修，會產生更大缺損。

理想的骨水泥修復材料應為膏體劑型，可推注為最佳；能在合理的時間內凝固逐漸建立起一定的力學強度；基於在骨科手術中的臨床應用，在10分鐘後20分鐘內凝固比較理想；這樣，給予手術醫生有一定時間進行手術準備和操作，又能在骨水泥修復材料被放置在所填充的缺損處後迅速凝固成形；骨水泥修復材料被放置在所填充的缺損處後能在一定時間內，如2星期內達到至少20MPa的抗壓強度；特別重要的是理想的骨水泥修復材料必須具有生物活性及骨傳導性，又能緩慢降解，如2到3年時間完全降解，不能降解太快，否則未能達到支撐作用；也不能不降解，否則會成為一塊硬石頭；緩慢降解的同時，材料由生物活性及骨傳導性會引導本體骨生長，最終，骨水泥修復材料完全降解時，由生長的本體骨完全取而代之。到目前為止，在椎體成型手術、膝髖關節置換手術中和其它骨科手術中還沒有這樣一個理想的材料和產品來取代傳統惰性骨水泥。

生物活性玻璃材料是目前人工合成的骨修復材料中生物活性最快的材料。生物活性玻璃材料開發出的人工骨修復產品已在全球以及中國在骨科臨床上成功應用20年多。是目前唯一被美國FDA認可的具有骨激發(Osteostmulation)特性的產品，即能促進骨細胞的繁衍和增長，活化骨細 胞的基因表達，這樣加速新骨的形成。目前在國際上生物活性玻璃產品形式為顆粒、塊體以及膏劑型，但都不會凝固來承受重力負荷。當小於50μm的生物活性玻璃與液體混合時，由其表面反應發生Si-O鍵以及水氫鍵的結合能發生凝固，但凝固強度十分微弱。

硫酸鈣也是作為骨修復常用的材料。硫酸鈣與液體混合在幾分鐘內凝固，但強度不太理想。最主要不足之處是硫酸鈣降解速度太快，可能在3個月內絕大部分降解而失去了在塌陷缺損處的支撐作用。

矽酸三鈣是著名的波特蘭水泥的主要化學成分。其特點是可凝固成具有較高強度的材料，能成為建築材料被使用。但缺點是凝固時間較長，一般需要1小時以上才能凝固。這在臨床上是不實用的。但在較長的時間結構穩定保持較高的力學強度是作為可負載負荷的骨修復材料如用於椎體成形手術、膝髖關節置換手術以及某些骨折修復是比較需要的。

本發明主要解決的技術問題是提供一種生物活性膏劑骨修復材料及應用，採用生物活性玻璃-半水硫酸鈣-矽酸三鈣三元系統，具有更為理想的可推注自固化可吸收性，能作為骨修復替代材料用於椎體成型手術、膝髖關節置換手術以及其它一些骨折手術中的應用。

為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，包括混合固體材料和液相，所述混合固體材料包括生物活性玻璃、半水硫酸鈣和矽酸三鈣，所述液相包括調和液。

在本發明一個較佳實施例中，所述混合固體材料的組成包括：以重量百分比計，生物活性玻璃15%-30%、半水硫酸鈣30%-45%、矽酸三 鈣30%-40%；所述混合固體材料與所述液相的調和比為1g：0.3ml-1g：0.8ml；所述生物活性玻璃的粒徑小於等於100μm，所述半水硫酸鈣的粒徑小於等於100μm，所述矽酸三鈣的粒徑小於等於100μm。

在本發明一個較佳實施例中，所述混合固體材料的組成包括：以重量百分比計，生物活性玻璃27%、半水硫酸鈣41.5%、矽酸三鈣31.5%；所述混合固體材料與所述液相的調和比為1g：0.5ml。

在本發明一個較佳實施例中，所述生物活性玻璃是組成為45S5的生物活性玻璃。

在本發明一個較佳實施例中，所述調和液為生理鹽水、去離子水、無機鹽溶液中的一種或多種。

在本發明一個較佳實施例中，所述無機鹽溶液為碳酸鹽溶液、氯化鈣溶液、磷酸鹽溶液中的一種或多種。

在本發明一個較佳實施例中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的凝固時間為10-20分鐘；所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在生物環境中的力學強度是逐漸增強的；所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料具有緩慢降解性。

在本發明一個較佳實施例中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在骨缺損填充手術中進行應用。

在本發明一個較佳實施例中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在骨科椎體成型手術、膝髖關節置換手術中進行應用。

在本發明一個較佳實施例中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在使用時能直接與抗菌素調和，同時保持了藥效性又不影響凝固時間和強度；優選地，所述抗菌素為慶大黴素液體。

本發明的有益效果是：

1、三元混合體組成由於生物活性玻璃的存在增加的生物活性即作為骨修復材料的成骨性。

2、生物活性玻璃的引入加快了體系組成的凝固時間。

3、由於體系組成中矽酸三鈣的存在，在液體環境中，矽酸三鈣會繼續反應至數月，並會使得凝固體的強度不斷增加。最後為負荷應用的骨修復材料，這一特性至關重要。

4、本世紀初，大量臨床證明抗菌素引入骨水泥中能在手術初期起抗感染作用，手術後的翻修率顯著減少。由於習知惰性骨水泥用一種有機物溶液調和，抗菌素必須要預先加入粉體中，既影響其藥效性，又影響固化時間。而本發明使用水溶液調和三元混合體，可直接在使用時使用抗菌素水溶液調和，能較方便理想的儲存和保存藥物和藥性又不影響凝固反應時間和強度。

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出圖破性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中：圖1是本發明所述膏劑的可推注示意圖；圖2是本發明所述膏劑自固化後在擬人體溶液中反應1天、3天、7天後的紅外光譜圖；圖3是本發明所述膏劑的抗壓強度隨反應時間變化結果圖；圖4是本發明所述膏劑進行動物實驗的模型圖；圖5是本發明所述膏體植入兔髁骨缺損3個月後組織學情況圖；以及 圖6是本發明所述膏體植入兔髁骨缺損後骨結合率，即材料與骨組織形成骨性結合的面積百分比圖。

下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出突破性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本發明保護的範圍。

提供一種自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，包括生物活性玻璃、半水硫酸鈣、矽酸三鈣和調和液。

所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，即生物活性玻璃-半水硫酸鈣-矽酸三鈣三元系統凝固反應機理如下。

當三元混合物與水混合調勻成膏體後，將有以下三個反應進行：

(1)生物活性玻璃顆粒表面遇水後迅速發生表面反應釋放出鈣和矽離子。

(2)矽酸三鈣顆粒表面遇水後首先發生溶解。這時，顆粒空隙間的水中積聚鈣矽離子到飽和，出現新的相的沉積。沉積物為水合矽酸鈣凝膠(Calcium-Silicate-Hydrate gel,or C-S-H)，反應式為：2 Ca₃SiO₅+7 H₂O→3 CaO．2 SiO₂．4 H₂O+3 Ca(OH)₂。這一過程稱為水化-沉積反應過程。沉積後水中離子濃度降低使得水解繼續進行然後沉積後又水解出現，這樣水化-沉積反應反覆連續進行。

(3)半水硫酸鈣顆粒遇水後的反應與矽酸三鈣相似，只不過被認為反應更迅速。反應式為：CaSO₄．1/2H₂O+3/2H₂O→CaSO₄．2H₂O。首先水化反應離子產物會迅速在周圍表面和顆粒空隙中沉澱析晶為穩定相-二水硫酸鈣。

反應(2)和(3)中的水化-沉積反應是一個動態連續過程，反應直至水分含量降低，新的沉積相填充顆粒間空隙使得密度增加強度增高以達到凝固，這是這兩個材料自固化凝固的基本反應原理。不同之處是半水硫酸鈣反應迅速，7分鐘能達到終凝狀態。而矽酸三鈣反應較慢，通常需要60分鐘以上達到終凝。

當上述三個反應在這三元混合體系中同時發生時，反應(1)，即生物活性玻璃顆粒表面釋放出鈣和矽離子將會大大加快反應(2)和反應(3)的速度，即加快水合矽酸鈣凝膠相和二水硫酸鈣晶相的形成。這兩個新的相的形成，一方面佔據顆粒間隙提高材料密度，另一方面同時形成的新的相與原生物活性玻璃顆粒、矽酸三鈣顆粒以及半水硫酸鈣顆粒交織在一起增加了材料強度。這樣導致三元材料凝固加快，固化時間變短。這一特性使得三元系統具有更廣泛的實用性。

本發明所用的生物活性玻璃是組成為45S5的生物活性玻璃，是目前國際常用的生物活性玻璃骨修復產品的組成。半水硫酸鈣和矽酸三鈣依照中國專利申請號為200610029067.3的方法製備。三個成分均為100μm以下的顆粒。

本發明的實驗方法為將三種材料按不同比例以及生物活性玻璃按不同的顆粒尺寸進行充分混合，各混合物與調和液依照液固質量比0.40-0.7ml/g的比例充分調和1分鐘，即得到我們所述的可推注的膏劑。本發明所用的調和液為去離子水、無機鹽(生理鹽水、碳酸鹽、氯化鈣、磷酸鹽等)溶液中的一種。

凝固時間是上述理想的骨水泥修復材料最關鍵的指標，在10分鐘後20分鐘內凝固最為理想。所以凝固實驗的測試是優化組成最重要的步驟。考慮到在實際臨床應用時，材料是在手術創傷傷口會有流血的存在， 作為對比，材料凝固實驗分別在空氣和水中進行。在水中凝固實驗時，混合物與調和液調好2分鐘後將調配物放入水中觀察測試凝固時間。水中的凝固更接近實際臨床應用有流血存在的環境。

凝固時間實驗測試方法按ISO9597-1989E國際標準，採用維卡儀(Vicat)針對上述骨水泥糊狀膏劑物的初凝時間(I)和終凝時間(F)進行測試。初凝時間定義為維卡儀針(280g,1.13mm)垂直落下到裝在小管中的膏劑時穿透深度為5±1mm所需要的時間；終凝時間定義為維卡儀針(350g,2.0mm)垂直落下到裝在小管中的膏劑時在表面看不到明顯印記所需要的時間。

(1)原材料單獨凝固特性測試。

調和液為去離子水，調和比為1g：0.5ml，凝固條件在空氣中：

調和液為去離子水，凝固條件在水溶液中：

(2)三元系統的凝固時間測試。

調和液為去離子水，凝固條件在空氣中：

調和液為去離子水，凝固條件在水溶液中：

調和液為CaCl₂無機鹽溶液，凝固條件在水溶液中：

凝固實驗結果：實驗表明，半水硫酸鈣對減少凝固時間起到主要作用。生物活性玻璃大顆粒的加入對系統凝固時間沒有多大的改進，而小顆粒(<50μm)的加入對三元系統的凝固起到了促進作用。主要原因是小顆粒比表面積大，表面反應快，起到促進凝固的作用。根據上述結果可以發現序號18、19、21是同一組成，無論是用水或無機鹽溶液CaCl₂調和還是在空氣中或者水中環境凝固，其凝固特性呈現出較理想的實用性。

實施例一：序號為18號的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的推注和凝固實驗測試。

稱取18號組成混合物3克，稱量1.5ml去離子水與混合物調拌混合60秒(調和比0.5ml/g)得到膏劑樣品。推注性實驗測試方法為將樣品灌入15mL容量的帶有噴嘴內徑(D)為2.0mm針頭的注射器，對其注射性進行試驗。膏劑可從針筒中推注出，如圖1所示。

推出膏劑到：6-mm直徑×6-mm高度的模具中進行凝固時間測試。凝固時間實驗測試方法按照ISO9597-1989E國際標準，採用維卡儀對上述膏劑物的初凝時間(I)和終凝時間(F)進行測試。測試3個樣品。下表為測試結果。

實施例二：序號為18號的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的生物活性測試。

生物活性測試方法：自固化生物活性材料按配比調和，調和液為去離子水，調和比0.5ml/g，調和時間60秒。調成的膏劑再用模具：6-mm直徑×2-mm高度，凝固成圓片。樣品數量3個。浸泡SBF時按照樣品表面積/溶液體積=0.1cm^-1將圓片分別懸掛在SBF中，在37℃的環境中反應。反應為1天、3天和7天。反應樣品進行FTIR紅外反射譜進行表面測試。反射峰574cm^-1和608cm^-1的出現將表示羥基磷灰石的形成，即表示材料具有生物活性。檢測結果見圖2。

實施例三：序號為18號的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的抗壓強度測試。

力學抗壓強度測試方法：新型自固化生物活性產品樣品通過SBF擬人體溶液浸泡反應不同時間來測定抗壓強度變化。自固化生物活性材料按照配比調和，調和液為去離子水，調和比0.5ml/g，調和時間60秒。調成的膏劑再用模具：6-mm直徑×12-mm高度，凝固成圓柱。樣品數量30個。浸泡SBF時，每天換液，按照樣品表面積/溶液體積=0.1cm^-1將圓柱分別懸掛在SBF中，在37℃的環境中反應。反應為6個時間點，每個時間點為一組， 樣品分6組，每組測試5個樣品。6個時間點為：1小時、2小時、8小時、1天、3天和7天。將每組測試結果進行統計取平均值並計算出正負差，抗壓強度隨反應時間變化結果如下表和圖3所示。

實施例四：序號為18號的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的動物實驗。

動物實驗用新西蘭白兔2-3公斤。缺損模型為股骨遠端(distal femur condyle)髁骨，6mm×10mm，如圖4所示。植入3個月後的組織學觀察，如圖5所示。圖5顯示了18號膏體植入兔髁骨缺損3個月後的情況組織學情況。從圖片來看，材料大體上保持了其形狀特點(植入體為圓柱狀塊體)，材料內部未見明顯裂紋，材料表面未見明顯顆粒剝落，材料邊緣為白色，表面活性反應所致形成的多孔相表明溶解吸收反應開始。說明材料降解方式可 能主要是由外向內溶解吸收。在染色過程中發現材料內部會被染成藍色，乙醇未沖洗掉。對材料表面進行觀察可以發現明顯的新骨形成，圖6為材料植入後的骨結合率，即材料與骨組織形成骨性結合的面積百分比。這表明材料表面和骨組織呈現良好的骨性結合。通常的生物活性骨修復材料在3個月時會出現明顯降解。本發明的最佳組成18號在3個月時表面出現降解但材料基本上保持其形狀，表示非常緩慢的降解速度。這是本發明所需要的可凝固能承受負荷力又具有生物活性的膏劑，會緩慢降解，引導骨組織形成，最後由本體骨組織取代，為最理想骨修復產品。

本發明公開的一種由生物活性玻璃-半水硫酸鈣-矽酸三鈣三元系統形成的可推注自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，可代替目前常用的惰性骨水泥而用於骨科椎體成型手術、膝髖關節置換手術以及其它骨折缺損填充手術中。本發明提供的新一代骨水泥修復材料能在合理的時間內凝固，逐漸建立起一定的力學強度。特別重要的是這新一代骨水泥修復材料由於引入生物活性玻璃而加快了凝固時間，增強了生物活性及骨傳導性以及緩慢降解性。緩慢降解的同時，材料由生物活性及骨傳導性會引導本體骨生長，最終，在骨水泥修復材料完全降解時，由生長的本體骨完全取而代之。另一特別重要的是這新一代骨水泥修復材料與其它傳統的骨水泥不同，可直接與抗菌素(如慶大黴素)液體調和，且對凝固時間和力學強度無明顯影響。將抗菌素引入體系中而緩釋，以防止手術缺損傷口處的感染。

本發明的發明人曾有專利，揭示了用半水硫酸鈣/矽酸三鈣兩元系統複合自固化生物活性材料、製備方法及其應用，具體的申請號為200610029067.3和200810204780.6。為了研製出更為理想的骨水泥修復材料，本發明引入生物活性最強、成骨性最快，且已在臨床上成功應用20多年的組成代號為45S5的生物活性玻璃，使之成為一個生物活性玻璃-半水硫 酸鈣-矽酸三鈣三元系統。由於微米生物活性玻璃顆粒的引入，將會使得新的材料凝固時間具有實用性，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劑骨水泥修復材料，作為骨修復替代材料能用於椎體成型手術、膝髖關節置換手術以及其它一些骨折手術中。

以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。

Claims (9)

1. 一種自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，包括：混合固體材料，包括生物活性玻璃、半水硫酸鈣和矽酸三鈣；以及液相，包括調和液，其中所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在使用時能直接與一抗菌素液體調和，同時保持了藥效性又不影響凝固時間和強度。
2. 如請求項1所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中所述混合固體材料的組成包括：以重量百分比計，生物活性玻璃15%-30%、半水硫酸鈣30%-45%以及矽酸三鈣30%-40%；所述混合固體材料與所述液相的調和比為1g：0.3ml-1g：0.8ml；所述生物活性玻璃的粒徑小於等於100μm；所述半水硫酸鈣的粒徑小於等於100μm；以及所述矽酸三鈣的粒徑小於等於100μm。
3. 如請求項2所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述混合固體材料的組成包括：以重量百分比計，所述生物活性玻璃27%、所述半水硫酸鈣41.5%以及所述矽酸三鈣31.5%；以及所述混合固體材料與所述液相的調和比為1g：0.5ml。
4. 如請求項1-3中之任一項所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述生物活性玻璃是組成為45S5的生物活性玻璃。
5. 如請求項1-3中之任一所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述調和液為去離子水、無機鹽溶液中的一種或多種。
6. 如請求項5所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述無機鹽溶液為碳酸鹽溶液、氯化鈣溶液、磷酸鹽溶液、生理鹽水中的一種或多種。
7. 如請求項1所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料的凝固時間為10-20分鐘；所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在生物環境中的力學強度是逐漸增強的；以及所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料具有緩慢降解性。
8. 如請求項1所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在骨缺損填充手術中進行應用。
9. 如請求項8所述的自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料，其中，所述自固化可降解的生物活性膏劑骨修復材料在骨科椎體成型手術、膝髖關節置換手術中進行應用。