一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法
阅读说明：本技术 一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法 (Preparation method of injectable self-expanding bone cement ) 是由 汤玉斐 张博 吴子祥 陈磊 赵康 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法,首先采用悬浮聚合法制备了低温膨胀微球,选用具有低软化温度的聚醋酸乙烯为壳结构,包裹沸点低的正戊烷,形成具有核壳结构的低温膨胀微球；然后将低温膨胀微球,和PMMA骨水泥粉体与液相混合均匀,搅拌后注射,得到可注射自膨胀骨水泥。将自膨胀骨水泥植入人体后,对人体无毒性反应,生物相容性好,且此方法所制备的骨水泥植入人体后,其膨胀性能不依赖于体液含量,而是依靠低温膨胀微球在骨水泥凝固过程中产生的热量进行软化汽化、膨胀凝固的过程而表现出良好的膨胀性能,因此在植入体内后依然具有良好的膨胀效果。(The invention discloses a preparation method of injectable self-expansion bone cement, which comprises the steps of firstly preparing low-temperature expansion microspheres by adopting a suspension polymerization method, selecting polyvinyl acetate with low softening temperature as a shell structure, and wrapping n-pentane with low boiling point to form the low-temperature expansion microspheres with a core-shell structure; then uniformly mixing the low-temperature expansion microspheres and PMMA bone cement powder with a liquid phase, stirring and injecting to obtain the injectable self-expansion bone cement. The self-expanding bone cement has no toxic reaction to human body and high biocompatibility, and the prepared bone cement has excellent expansion performance without depending on the body fluid content and through softening vaporization and expansion solidification with the heat the low temperature expanding microsphere produces in the bone cement solidifying process.)
技术领域
本发明属于生物医用材料制备方法技术领域，具体涉及一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法。
背景技术
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥在骨科临床应用已有数十年，成为骨科临床治疗，例如椎体成形术、关节置换术的首选粘结支撑材料。但传统骨水泥在其凝固过程中存在体积收缩3.82～7.08％的缺点，致无菌性松动，导致其后续治疗效果。因此解决骨水泥在凝固过程中的体积收缩问题成为骨水泥研究重点之一。前期研究人员针对骨水泥存在的问题研发了一种可注射吸水膨胀骨水泥，但是该骨水泥仍存在一些问题，研究人员将具有吸水膨胀的聚合物微球与PMMA骨水泥进行复合处理，在体外模拟体液中进行了吸水膨胀性能测试，掺有聚合物微球的骨水泥在体外表现出良好的吸水膨胀性能，理论上是解决了骨水泥体积收缩的缺点，但该膨胀性能主要依赖于聚合物微球的体液吸收。若将其植入体内时，考虑到所植入部位的体液含量不及甚至远低于体外模拟情况，导致骨水泥植入人体后的只在骨水泥的表面浅层进行吸水后便凝固，体内膨胀倍率远低于体外测量值，甚至起不到额外的支撑作用，治疗效果与传统的骨水泥无异，即便另有研究人员构建快速吸水通道以实现快速吸水膨胀，但是在填充部位体液含量低的情况下，膨胀倍率远低于体外测量值的缺点也是不可避免的。因此，开发一种不依赖于体液吸收，可在凝固过程中进行自发膨胀的骨水泥以解决现有吸水膨胀骨水泥植入体内后所存在的膨胀问题是解决骨水泥体积收缩的另一研究重点。
中国专利《一种可注射型吸水膨胀骨水泥及其制备方法》(申请号：201510014513.2，公开日：2015.05.20，公开号：CN104623726A)公开了一种可注射型吸水膨胀丙烯酸骨水泥及其制备方法，公开的膨胀骨水泥具有一定的膨胀性能，其膨胀作用依然是依赖于吸水树脂纤维的吸水性能，将其植入体内时，考虑到所植入部位的体液含量不及甚至远低于体外模拟情况，可导致骨水泥植入人体后的只在骨水泥的表面浅层进行吸水后便凝固，膨胀倍率远低于体外测量值，甚至起不到额外的支撑作用，治疗效果与传统的骨水泥无异。
中国专利《一种可注射膨胀型骨水泥及其制备方法》(申请号：201510344651.7，公开日：2015.09.23，公开号：CN104922733A)公开了一种可注射膨胀型骨水泥及其制备方法。虽然该专利公开的骨水泥具有一定的膨胀倍率，其膨胀作用依然是依赖于吸水微球的吸水性能，将其植入体内时，考虑到所植入部位的体液含量不及甚至远低于体外模拟情况，可导致骨水泥植入人体后的只在骨水泥的表面浅层进行吸水后便凝固，膨胀倍率远低于体外测量值，甚至起不到额外的支撑作用，治疗效果与传统的骨水泥无异。
因此，开发一种不依赖于体液吸收，可在凝固过程中进行自发膨胀的骨水泥以解决现有吸水膨胀骨水泥植入体内后所存在的膨胀问题是解决骨水泥体积收缩的另一研究重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法，可解决现有吸水膨胀骨水泥植入体内后所存在的膨胀问题。
本发明所采用的技术方案是：一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法，具体操作步骤如下：
步骤1，以聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相；将醋酸乙烯单体、引发剂偶氮二异丁腈的乙醇溶液，正戊烷溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相；然后在烧杯中依次加入分散相和油相，进行充分搅拌，得到稳定分散悬浮液；将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温，反应一定时长，反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤、真空干燥、最终得到低温膨胀微球；
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、聚甲基丙烯酸甲酯、硫酸钡和过氧化二苯甲酰混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相；
步骤3，将甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
本发明的特点还在于，
步骤1中，聚乙烯醇溶液浓度为0.05～0.15g/ml，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体质量的0.1～1％，正戊烷的质量为醋酸乙烯单体的15～35％，搅拌时长3～10min，聚合温度70～90℃，反应时长2～6h，洗涤2～4次。
步骤2中，可注射自膨胀骨水泥固相，按质量百分数，由20～48％的低温膨胀微球、50.4～77.25％的甲基丙烯酸甲酯、1.5～2.5％硫酸钡和0.1～0.25％的过氧化二苯甲酰组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3中，甲基丙烯酸甲酯、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为96.5～99.5：0.4～3：0.1～0.5。
步骤4中，可注射自膨胀骨水泥固相与液相的固液比为1：0.5～1.5g/ml。
本发明的有益效果是：本发明一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法。本发明所制备的自膨胀骨水泥克服了以往膨胀骨水泥主要依靠吸分散相进行吸水膨胀而造成的体内膨胀性能受限缺点。选择将低温膨胀微球与骨水泥复合处理，使骨水泥具有自发膨胀性能。低温膨胀微球在骨水泥凝固过程中，依靠骨水泥凝固温度的变化而进行膨胀。骨水泥在凝固过程中温度升高，低温膨胀微球在该温度变化下，热塑性外壳软化，壳内液体沸腾汽化，内部气体压力增加从而使膨胀微球体积显著增加。当骨水泥凝固冷却后，膨胀微球外壳再次变硬，体积固定，从而使骨水泥体积增加，具有膨胀性能。将此方法所制备的骨水泥植入人体后，其膨胀性能不依赖于体液含量，因此在植入体内后依然具有良好的膨胀性能。其次，所制备的骨水泥生物相容性好，不影响正常骨组织。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将浓度为0.05-0.15g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体质量的0.1～1％，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的15～35％，得到制备低温膨胀微球的油相，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，进行充分搅拌3～10min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至70～90℃，反应2～6h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤2～4次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径10～50μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量百分数，由20～48％的低温膨胀微球、50.4～77.25％的甲基丙烯酸甲酯、1.5～2.5％硫酸钡和0.1～0.25％的过氧化二苯甲酰组成，，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为96.5～99.5：0.4～3：0.1～0.5。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：0.5～1.5g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
本发明一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法，首先采用悬浮聚合法制备了低温膨胀微球，选用具有低软化温度(38℃)的聚醋酸乙烯为壳结构，包裹沸点低的正戊烷(36℃)，形成具有核壳结构的低温膨胀微球；然后将低温膨胀微球，和PMMA骨水泥粉体与液相混合均匀，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
其优点在于：1、选用聚醋酸乙烯以及正戊烷所制备的具有核壳结构的低温膨胀微球对人体无毒，因此将自膨胀骨水泥植入人体后，对人体无毒性反应，生物相容性好；2、自膨胀骨水泥克服了以往膨胀骨水泥依靠吸分散相进行膨胀的体内膨胀性能缺点，将低温膨胀微球与骨水泥复合处理，使骨水泥具有自发膨胀性能。低温膨胀微球在骨水泥凝固过程中，依靠骨水泥凝固温度的变化而进行膨胀。骨水泥在凝固过程中温度升高，低温膨胀微球在该温度变化下，热塑性外壳软化，壳内液体沸腾汽化，内部气体压力增加从而使膨胀微球体积显著增加。当骨水泥凝固冷却后，膨胀微球外壳再次变硬，体积固定，从而使骨水泥体积增加，具有膨胀性能。将此方法所制备的骨水泥植入人体后，其膨胀性能不依赖于体液含量，因次在植入体内后依然具有良好的膨胀性能；3、所加入的低温膨胀微球不会大幅度降低骨水泥的力学性能，使得骨水泥在植入人体且膨胀后依然具有一定的力学支撑性能。
实施例1
本发明一种可注射自膨胀骨水泥的制备方法，具体为：
步骤1，将浓度为0.05g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，得到制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体的0.1％，并将其溶于50ml乙醇溶液中形成AIBN乙醇溶液，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的15％，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，进行充分搅拌3min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至70℃，反应2h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤2次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径45.2μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量分数，由20％的低温膨胀微球、77.25％的PMMA、2.5％硫酸钡和0.25％的BPO组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为96.5：3：0.5。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：0.5g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
实施例2
步骤1，将浓度为0.07g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，得到制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体的0.2％，并将其溶于50ml乙醇溶液中形成AIBN乙醇溶液，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的18％，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，进行充分搅拌5min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至75℃，反应2.5h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤4次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径31.2μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量分数，由25％的低温膨胀微球、73％的PMMA、1.8％硫酸钡和0.2％的BPO组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为97.5：2：0.5。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：0.8g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
实施例3
步骤1，将浓度为0.09g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，得到制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体的0.4％，并将其溶于50ml乙醇溶液中形成AIBN乙醇溶液，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的25％，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，充分搅拌7min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至80℃，反应3h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤4次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径24.3μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量分数，由30％的低温膨胀微球、67.75％的PMMA、2.1％硫酸钡和0.15％的BPO组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为98.5：1：0.5。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：1.0g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
实施例4
步骤1，将浓度为0.12g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，得到制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体的0.8％，并将其溶于50ml乙醇溶液中形成AIBN乙醇溶液，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的30％，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，充分搅拌8min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至85℃，反应4h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤4次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径19.8μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量分数，由40％的低温膨胀微球、58.25％的PMMA、1.5％硫酸钡和0.25％的BPO组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为99：0.5：0.5。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：1.2g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
实施例5
步骤1，将浓度为0.15g/ml的聚乙烯醇溶液作为制备低温膨胀微球的分散相，得到制备低温膨胀微球的分散相，将醋酸乙烯(VAC)单体，引发剂AIBN的乙醇溶液，正戊烷(n-Pentane)溶液混合均匀，得到制备低温膨胀微球的油相，引发剂AIBN的质量为醋酸乙烯单体的1％，并将其溶于50ml乙醇溶液中形成AIBN乙醇溶液，正戊烷溶液的质量为醋酸乙烯单体的35％，然后在烧杯中依次加入分散相和油相，充分搅拌10min，得到稳定分散悬浮液。将稳定分散悬浮液转入烧瓶中，在氮气保护下，升温至90℃，反应6h。反应结束后降至室温，出料、过滤、洗涤4次、真空干燥、最终得到低温膨胀微球。微球平均直径12.1μm。
步骤2，将步骤1得到的低温膨胀微球、PMMA、硫酸钡和BPO混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥固相。可注射自膨胀骨水泥固相，按质量分数，由48％的低温膨胀微球、50.4％的PMMA、1.5％硫酸钡和0.1％的BPO组成，以上各组分的质量百分比总和为100％。
步骤3，将MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚混合均匀，得到可注射自膨胀骨水泥液相；MMA、N,N-二甲基对甲苯胺、对苯二酚的质量比为99.5：0.4：0.1。
步骤4，将步骤2得到的可注射自膨胀骨水泥固相以及步骤3得到可注射自膨胀骨水泥液相按照固液比为1：1.5g/ml混合，搅拌后注射，得到可注射自膨胀骨水泥。
对实施例1、2、3、4、5所制备的自膨胀骨水泥与传统骨水泥进行体外性能比较，如表1所示，
表1可注射自膨胀骨水泥与传统PMMA骨水泥性能比较
由表1可以看出，相比于传统PMMA骨水泥，实施例1、2、3、4、5所制备的可注射自膨胀骨水泥在体外依靠于低温膨胀微球的软化汽化、膨胀凝固过程而表现出良好的膨胀性能，随着骨水泥中膨胀微球的含量增多，本发明所制备的骨水泥体积变化率也呈增加趋势；由于所加入的膨胀微球属于硬相，因此掺有膨胀微球的骨水泥膨胀之后依然具有良好的抗压强度，虽然相比于传统骨水有一定的下降趋势，但其在体内膨胀后可对周围组织产生额外的支撑作用。