一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥及制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥及制备方法与应用 (Injectable bone cement with tissue self-bonding performance and preparation method and application thereof ) 是由 于涛 钟伟彬 周长忍 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥及制备方法与应用。本发明的固化液在水化前期通过柠檬酸维持氧化海藻酸钠的醛基活性的同时,适当地避免醛基跟钙离子螯合,当水化进行到一定程度时,所述的醛基与组织、血液中的氨基发生键合产生粘合力,以提高材料的抗溃散性；同时加强材料与组织之间的整合性,提高界面强度。由所述的固化液组成的具备组织自粘结性能的可注射骨水泥通过科学巧妙地设计,使其中的组分在水化、固化过程中有机地协同配合,实现了组织与材料之间的粘结,并改善材料本身的抗溃散性能及其促水化性能,具有优异的可注射性、可塑性及促骨组织粘结性,可应用于骨损伤修复医用材料的制备中,具有良好的应用前景。(The invention provides injectable bone cement with tissue self-bonding performance, and a preparation method and application thereof. The solidification liquid disclosed by the invention maintains the aldehyde group activity of oxidized sodium alginate through citric acid in the early stage of hydration, and simultaneously properly avoids aldehyde groups from being chelated with calcium ions, and when the hydration is carried out to a certain degree, the aldehyde groups are bonded with amino groups in tissues and blood to generate adhesive force so as to improve the collapsibility resistance of the material; meanwhile, the integration between the material and the tissue is enhanced, and the interface strength is improved. The injectable bone cement with tissue self-bonding performance, which is composed of the curing liquid, is scientifically and skillfully designed, so that the components in the injectable bone cement are organically and cooperatively matched in the hydration and curing processes, the bonding between tissues and materials is realized, the anti-collapsibility and the hydration promotion performance of the materials are improved, and the injectable bone cement has excellent injectability, plasticity and bone tissue bonding promotion performance, can be applied to the preparation of medical materials for repairing bone injury and has good application prospect.)
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域，特别涉及一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥及制备方法与应用。
背景技术
骨骼是人体的重要器官，由于各种原因造成的复杂骨缺损、大块骨缺损的自修复性差，因此需要大量的骨修复材料来填补和修复缺损部位，从而引发了人们对骨修复材料的广泛研究。生物医用无机自固化骨修复材料具有良好的低温固化、可注射、可根据骨缺损部位的形状任意塑形和良好的生物相容性，成为近年来骨修复材料的研究热点。
α-TCP是一种重要的无机自固化骨修复材料，拥有良好的自固化性、骨传导性和生物相容性等。但仍存在抗压强度较低、降解速度和骨生成速度不匹配、凝固时间长、抗溃散性及骨整合性较差等问题。因此，新型骨水泥体系的研制与开发具有重大意义。
海藻酸钠以其良好的生物相容性、低毒性及相对低的成本，被广泛应用于生物医学领域。海藻酸钠(SA)会同钙(Ca)离子反应生成海藻酸钙水凝胶，有效抑制了骨水泥的溃散，但由于人体缺乏降解海藻酸钠的酶，故在体内降解较慢，且降解产物分子量较大，排出体外需要较长时间。若能开发出一种可注射促组织自粘结的复合骨水泥，有望能够更好地用于骨缺损的治疗与修复。
发明内容
本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于磷酸钙基骨水泥的固化液。
本发明的另一目的在于提供一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥及其制备方法。
本发明的再一目的在于提供所述的适用于磷酸钙基骨水泥的固化液和/或具备组织自粘结性能的可注射骨水泥的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种适用于磷酸钙基骨水泥的固化液，包括：
A液：含有柠檬酸和磷酸氢二钠的混合溶液；
B液：氧化海藻酸钠溶液。
所述的A液和B液优选按体积比1:1进行配比。
所述的A液中，所述的柠檬酸的浓度优选为0.2mol/L；所述的磷酸氢二钠的浓度优选为10wt％。
所述的B液中的氧化海藻酸钠的浓度优选为2wt％～24wt％。
所述的B液优选通过如下方法配制：将氧化海藻酸钠加入水中，搅拌1～5小时得到。
所述的氧化海藻酸钠的分子量优选为1000～200000；所述的氧化海藻酸钠的氧化度优选为低氧化度的氧化海藻酸钠(氧化度25％～35％)。
所述的氧化海藻酸钠优选通过海藻酸钠与可溶性高碘酸盐反应得到；更优选地，通过如下方法制备得到：在海藻酸钠溶液中加入高碘酸盐，避光反应2h，加入二乙二醇终止反应1h，将反应液加入至无水乙醇中，固液分离后取沉淀，透析后冻干即得所述的氧化海藻酸钠。
所述的可溶性高碘酸盐优选为高碘酸钠。
所述的海藻酸钠与高碘酸盐的摩尔比优选为1:1。
所述的透析优选用透析分子量为3500kDa的透析袋进行；透析的时间优选为3天，每天至少换水3次。
一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥的制备方法，将磷酸钙基骨水泥与所述的适用于磷酸钙基骨水泥的固化液调和得到。
优选的，先加入所述的适用于磷酸钙基骨水泥的固化液中的A液，再加入B液。
所述的磷酸钙基骨水泥与所述的适用于磷酸钙基骨水泥的固化液优选按固液比0.6mL/g的比例进行调和。
所述的磷酸钙基骨水泥指的是本领域中通常使用的磷酸三钙体系骨水泥；具体为“磷酸二氢钙―α-磷酸三钙―碳酸钙”系统骨水泥，“磷酸四钙―α-磷酸三钙”系统骨水泥，“磷酸四钙―β-磷酸三钙―磷酸二氢钙”系统骨水泥，或“磷酸氢钙―α-磷酸三钙―碳酸钙”系统骨水泥中的任一种。
一种具备组织自粘结性能的可注射骨水泥，通过所述的制备方法得到。
所述的具备组织自粘结性能的可注射骨水泥具有以下一个或多个特征：
(1)促骨组织粘结性能：刚调配好的复合骨水泥填充进骨缺损部位，至凝结前2min，最大挤出应力5～50N；
(2)可注射率：41％～71％；
(3)凝结时间：18～93分钟；
(4)抗压强度：养护2天后，抗压强度大于12MPa。
所述的适用于磷酸钙基骨水泥的固化液和/或所述的具备组织自粘结性能的可注射骨水泥在制备骨损伤修复医用材料中的应用；包括骨科、牙科等。
所述的骨损伤修复医用材料优选为用于微创治疗或复杂骨缺损形状的填充的材料。
将所述的固化液与所述的磷酸钙骨水泥混合均匀，调和成糊状物，糊状物通过器械直接植入手术部位使用，进行临床应用。
本发明通过高碘酸钠部分氧化海藻酸钠，使得糖醛酸单元中的顺式邻二醇结构断裂而形成双醛结构，这样不仅增加了海藻酸钠的降解性，同时引入的双醛可与组织氨基发生可逆动态反应生成亚胺键，以促进缺损部位填充的修复材料与周围组织的整合；同时，保持了海藻酸钠的G单元与钙离子螯合形成凝胶的特性。同时，柠檬酸作为固化液在水化前期可以比醛基更快地与钙离子螯合，一定程度可避免醛基跟钙离子螯合；前期酸环境也可能维持醛基的活性。当随着水化的进行，整个骨水泥体系(具备组织自粘结性能的可注射骨水泥)的pH上升至7左右，这个时候醛基可与氨基反应，正好与组织产生比较好的整合性。本发明的骨水泥体系在固化过程中以材料本身具备的氧化海藻酸物质与组织上的氨基及其血液内的氨基物质发生键合，而产生一种粘结力，可以有效地防止组织材料被血液冲散，而提高材料的抗溃散性；同时加强材料与组织之间的整合性，提高界面强度。所以，本发明中的柠檬酸、磷酸氢二钠(加速水化，对钙离子的结合起到竞争作用)、氧化海藻酸缺一不可，形成了良好的协同作用。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1.本发明的固化液及由其组成的骨水泥体系通过科学巧妙地设计，使其中的组分在水化、固化过程中有机地协同配合，尤其是氧化海藻酸钠和柠檬酸在骨水泥体系的协同作用，不仅仅实现了组织与材料之间的粘结，还可以改善材料本身的抗溃散性能及其促水化性能。
2.本发明的可注射促骨粘结的复合骨水泥材料具有良好的黏性，其可注射性、可塑性、凝结时间和力学强度等性能可以通过调节组成进行调控。
3.本发明具有制备工艺简单易行、成本低廉、易规模化制备等优点。
附图说明
图1为实施例1～6所得到的骨水泥浆体的抗压强度结果分析图。
图2为实施例1～6所得到的骨水泥浆体的凝结时间结果分析图。
图3为实施例1～6所得到的骨水泥浆体的可注射率结果分析图。
图4为实施例1～6所得到的骨水泥浆体的抗冲刷的照片图。
图5为实施例1～6所得到的骨水泥浆体的黏性力学实验曲线图。
图6为实施例1～6所得到的骨水泥的XRD图。
图7为实施例1～6所得到的骨水泥的红外光谱图，其中a为TCP-con；b为TCP+1％氧化海藻酸钠；c为TCP+3％氧化海藻酸钠；d为TCP+6％氧化海藻酸钠；e为TCP+9％氧化海藻酸钠；f为TCP+12％氧化海藻酸钠。
图8为实施例1～6所得到的骨水泥断裂面的水化结晶SEM图。
图9为实施例5中的复合骨水泥与骨组织之间的粘结情况SEM图，其中，A和B为实施例1未加OSA的TCP骨水泥(TCP-con)的结果，C和D为实施例5制得的复合骨水泥。
图10为海藻酸钠氧化前后的核磁谱图(A)与红外谱图(B)。
具体实施方式
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
在以下实施例中，我们对不同氧化度(25％、30％、35％)的氧化海藻酸钠进行了系统测试，其呈现的结果在一定的氧化度范围内(25％～35％)无显著性差异，故以下实施例选取35％左右的氧化度氧化海藻酸钠实施给予呈现。
图10展示了海藻酸钠氧化前后的核磁谱图(A)与红外谱图(B)，合成OSA经1H NMR和FTIR谱确证，氧化后，OSA的FTIR谱中出现了一个约为～1732cm-1(醛羰基)的信号(图10-B)，这是由于醛类产物的形成。但峰值强度(1732cm-1)较弱；所以我们用核磁共振氢谱对红外光谱结果进行了验证。如图10-A所示，OSA的1H NMR谱中出现了一个新的CHO信号峰值，约为8.4ppm，这是OSA的特征峰。
实施例1
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)α-tcp骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(液相为A液：0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液)，调和均匀，得到α-tcp骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具
本实施例制得的样品记为TCP-con，凝结时间约为93.0min。
实施例2
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)氧化海藻酸钠的制备
称取5g海藻酸钠于250mL去离子水中充分溶解，加入5.4g高碘酸钠(n海藻酸钠:n高碘酸钠＝1)，避光反应2h，然后加入1.5mL的二乙二醇终止反应1h。接着将反应混合液加入到剧烈搅拌的400mL无水乙醇中。抽滤后将产物用蒸馏水充分溶解后，接着将混合液用3500kDa的透析袋透析3天，每天换水至少三次，然后冻干得产物氧化海藻酸钠(OSA)。
(3)氧化海藻酸钠溶液的配备
称取0.4g的冻干后的氧化海藻酸钠(OSA)，加入20mL去离子水中，于室温下搅拌均匀，得到2wt％的氧化海藻酸钠(OSA)溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(4)α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(其中液相以A液：B液体积比1：1加入，A液为0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液，B液为氧化海藻酸钠(OSA)水溶液)，调和均匀，得到α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具
本实施例制得的样品记为TCP+1％氧化海藻酸钠，凝结时间约为41.8min。
实施例3
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)氧化海藻酸钠的制备
称取5g海藻酸钠于250mL去离子水中充分溶解，加入5.4g高碘酸钠(n海藻酸钠:n高碘酸钠＝1)，避光反应2h，然后加入1.5mL的二乙二醇终止反应1h。接着将反应混合液加入到剧烈搅拌的400mL无水乙醇中。抽滤后将产物用蒸馏水充分溶解后，接着将混合液用3500kDa的透析袋透析3天，每天换水至少三次，然后冻干得产物。
(3)氧化海藻酸钠溶液的配备
称取1.2g的冻干后的氧化海藻酸钠(OSA)，加入20mL去离子水中，于室温下搅拌均匀，得到6wt％的氧化海藻酸钠(OSA)溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(4)α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(其中液相以A液：B液体积比1：1依次加入，A液为0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液，B液为氧化海藻酸钠(OSA)水溶液)，调和均匀，得到α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具 中，挤出浆体气泡，推出骨水泥浆体，接着置于37℃，100％湿度的环境中养护。
本实施例制得的样品记为TCP+3％氧化海藻酸钠，凝结时间约为35.4min。
实施例4
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)氧化海藻酸钠的制备
称取5g海藻酸钠于250mL去离子水中充分溶解，加入5.4g高碘酸钠(n海藻酸钠:n高碘酸钠＝1)，避光反应2h，然后加入1.5mL的二乙二醇终止反应1h。接着将反应混合液加入到剧烈搅拌的400mL无水乙醇中。抽滤后将产物用蒸馏水充分溶解后，接着将混合液用3500kDa的透析袋透析3天，每天换水至少三次，然后冻干得产物。
(3)氧化海藻酸钠溶液的配备
称取2.4g的冻干后的氧化海藻酸钠(OSA)，加入20mL去离子水中，于室温下搅拌均匀，得到12wt％的氧化海藻酸钠(OSA)溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(4)α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(其中液相以A液：B液体积比1：1依次加入，A液为0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液，B液为氧化海藻酸钠(OSA)水溶液)，调和均匀，得到α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具
本实施例制得的样品记为TCP+6％氧化海藻酸钠，凝结时间约为23.2min。
实施例5
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)氧化海藻酸钠的制备
称取5g海藻酸钠于250mL去离子水中充分溶解，加入5.4g高碘酸钠(n海藻酸钠:n高碘酸钠＝1)，避光反应2h，然后加入1.5mL的二乙二醇终止反应1h。接着将反应混合液加入到剧烈搅拌的400mL无水乙醇中。抽滤后将产物用蒸馏水充分溶解后，接着将混合液用3500kDa的透析袋透析3天，每天换水至少三次，然后冻干得产物。
(3)氧化海藻酸钠溶液的配备
称取3.6g的冻干后的氧化海藻酸钠(OSA)，加入20mL去离子水中，于室温下搅拌均匀，得到18wt％的氧化海藻酸钠(OSA)溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(4)α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(其中液相以A液：B液体积比1：1依次加入，A液为0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液，B液为氧化海藻酸钠(OSA)水溶液)，调和均匀，得到α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具
本实施例制得的样品记为TCP+9％氧化海藻酸钠，凝结时间约为22.3min。
实施例6
(1)0.2mol/L柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠的水溶液的配备
称取42.028g的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠，加入1L去离子水中，于室温下搅拌1小时，得到含柠檬酸0.2mol/L及磷酸氢二钠10wt％的水溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(2)氧化海藻酸钠的制备
称取5g海藻酸钠于250mL去离子水中充分溶解，加入5.4g高碘酸钠(n海藻酸钠:n高碘酸钠＝1)，避光反应2h，然后加入1.5mL的二乙二醇终止反应1h。接着将反应混合液加入到剧烈搅拌的400mL无水乙醇中。抽滤后将产物用蒸馏水充分溶解后，接着将混合液用3500kDa的透析袋透析3天，每天换水至少三次，然后冻干得产物。
(3)氧化海藻酸钠溶液的配备
称取4.8g的冻干后的氧化海藻酸钠(OSA)，加入20mL去离子水中，于室温下搅拌均匀，得到24wt％的氧化海藻酸钠(OSA)溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
(4)α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥的制备：
称取适量α-tcp粉体，往粉体中加入液固比为0.6mL/g的液相(其中液相以A液：B液体积比1：1依次加入，A液为0.2mol/L的柠檬酸及10wt％的磷酸氢二钠混合配制的水溶液，B液为氧化海藻酸钠(OSA)水溶液)，调和均匀，得到α-tcp/氧化海藻酸钠复合骨水泥浆体，于室温条件下将水泥浆体注入钢制模具
本实施例制得的样品记为TCP+12％氧化海藻酸钠，凝结时间约为18.8min。
效果实施例
1.抗压强度测试
分别将实施例1～6得到的骨水泥浆体养护2天后进行抗压强度的测试。结果如图1所示。
压强度测试：α-tcp粉体与液相调和后的样品分别用直径为6mm，高为12mm的钢模(抗压强度测试样品)和直径为6mm，高为3mm的钢模(径向拉伸强度测试样品)成型，之后立即用直接为5.6mm的圆柱以700kPa的力压5秒钟，以排出样品中残余的大气泡，之后样品放到37℃，95％湿度的恒温恒湿箱中养护，养护一定时间后脱膜，使用美国INSTRON公司的INSTRON 5567型电子万能材料实验机测试样品的抗压强度，加载速率为1mm/min。每个样品重复6次，计算平均值和标准偏差。
2.XRD、FTIR及SEM分析
完成抗压强度测试后的骨水泥置于室温环境干燥7天，对骨水泥进行XRD及FTIR分析，对断裂面进行SEM分析，并作出性能评价。
将制备好的圆柱形骨水泥样品放在37℃的烘箱中养护3d后取出，冷冻干燥后，研磨成粉末，用X射线衍射仪对样品的物相组成进行表征。实验所用的X射线衍射仪(XRD；Bruker D8 Focus,Germany)所使用的发射源为Cu靶。Cu Kα靶发射源(λ＝15418A)，电压40kV，电流40mA。物相组成数据用JCPDS(粉末衍射标准联合委员会)卡片索引分析；同时对样品进行红外测试(FTIR；Vector33-MIR,Bruker,Germany)与SEM分析(FESEM；ULTRA 55,Zeiss,Germany)。
XRD分析结果如图6所示，FTIR分析结果如图7所示，SEM分析结果如图8所示。
3.抗溃散性
将实施例1～6步骤(4)中骨水泥浆体于室温条件下分别注入钢制模具
结果如图4所示。
4.可注射性
将实施例1～6步骤(4)中骨水泥浆体于室温条件下分别注入一个10mL注射器(针口
结果如图3所示。
5.凝结时间
将实施例1～6步骤(4)中骨水泥浆体于室温条件下分别注入钢制模具
结果如图2所示。
6.骨水泥与组织的粘结力
于市场获得新鲜猪膝关节，垂直关节面用打孔器获得的贯穿孔，分别取将实施例1～6步骤(4)中骨水泥浆体0.5g，于室温条件下分别注入猪膝关节孔中，挤出浆体气泡，并置于37℃，100％湿度的环境中养护至各自平均终凝结时间，在万能力学试验机的压缩模式下对凝固的骨水泥浆体施加1mm/min的力，得到力学实验曲线。
黏性力学实验曲线结果如图5所示。
图9展示了实施例5制得的骨水泥与骨与骨组织之间的粘结情况，其中，图9B、图9D展现了22.3min时的骨水泥与骨与骨组织之间的粘结情况。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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