一种高无机组分的复合型骨水泥及其制备方法和应用与流程

本发明属于医用材料技术领域，更具体地，涉及一种高无机组分的复合型骨水泥及其制备方法和应用。

背景技术：

聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)骨水泥因具有良好生物力学特性与快速成型等优点，被广泛应用于髋关节置换等手术中。但也存在如下缺点：其一，自凝聚合过程当中放出大量热量，容易引起周围组织发生炎症反应，导致植入材料与宿主骨间发生松动。其二，pmma属惰性材料，无生物活性。其三，很难降解。

针对以上缺点，申请人前期已探究了经p（mma-co-mps）修饰后的纳米羟基磷灰石（n-ha）与pmma混合后的骨水泥的力学性能和生物性能。n-ha本具有优良的生物活性，经p（mma-co-mps）高度修饰的n-ha在混入骨水泥固化成型后被pmma基体紧密得包裹，孔径大小在数微米及微米以下，不足以使细胞透过。但是，在后期的动物体内实验中发现，上述骨水泥材料在动物体内非常稳定，新骨只存在于pmma骨水泥周围，也就说明修饰后的纳米羟基磷灰石降解速率更慢。

因此，急需一种解决上述降解和吸收仅发生在骨水泥表面，且吸收速率缓慢的问题，以更适应临床上骨水泥材料的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据现有技术中的不足，提供了一种复合型骨水泥。

本发明的另一目的在于提供上述复合型骨水泥的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述复合型骨水泥的应用。

本发明为解决上述问题，将磷酸三钙(β-tcp)与p(mma-co-mps)-nha复合，既能解决纳米羟基磷灰石吸收过慢的问题，又能进一步促进pmma骨水泥的生物活性，使其更适应临床需求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高无机组分的复合型骨水泥，包括固相组分和液相组分，所述固相组分由经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石、聚甲基丙烯酸甲酯、β-磷酸三钙和过氧化苯甲酰组成，所述液相组分由甲基丙烯酸甲酯和对苯二甲酸二甲酯组成；

所述复合型骨水泥的固体组分和甲基丙烯酸甲酯的质量体积比为1：(2.5~3.5)；

所述经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石和β-磷酸三钙的量之和占固相组分的35~40%。

优选地，所述经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石的修饰度为0.2~0.5。

优选地，所述复合型骨水泥的固体组分和甲基丙烯酸甲酯的质量体积比为1：3；所述经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石和β-磷酸三钙的量之和占固相组分的40%。

优选地，所述经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石与β-磷酸三钙的质量比为（3~7）：（3~7）。

优选地，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量为75万。

优选地，经p(mma-co-mps)表面修饰的羟基磷灰石采用如下方法进行制备：

s1.在惰性气体下，将甲基丙烯酸甲酯、偶氮二异丁腈、硅烷偶联剂、链转移剂和四氢呋喃加入容器中，在60~70℃搅拌反应6~8小时，得p（mma-co-mps）共聚物；

s2.将s1中所得p(mma-co-mps)共聚物加入丙酮溶解，然后加入甲醇溶液，用冰醋酸把ph值调至3.5~4.0，在40~60℃下反应1~3个小时，再加入含有纳米羟基磷灰石的甲醇溶液，调节ph至碱性，将产物干燥后即得。

优选地，所述p(mma-co-mps)共聚物与纳米羟基磷灰石的质量比为0.3:1。

首先，本文在保持无机成分占骨水泥粉剂35~40%的基础上，调整了p（mma-co-mps）在ha表面的修饰度，从而增加了pmma骨水泥的生物活性。

其次，ha在体内的降解速率本生就慢，再经修饰后降解速率更慢，不利于细胞透过。因此向骨水泥粉剂中加入β-tcp，增加了骨水泥的生物降解吸收速率，使其与细胞，组织生长速率更匹配。进一步促进了pmma骨水泥的生物活性。通过对pmma骨水泥配方的以上调整，其力学性能影响不大，生物活性得到显著增长，使其更适应临床的需求。

本发明提供的p(mma-co-mps)可参考之前专利201310545809.8进行制备。

本发明同时提供所述的复合型骨水泥的制备方法，室温下，将骨水泥的固体组分和液体组分按质量体积比混合后搅拌均匀，灌入模具，完全固化后取出样品。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

本发明为了提高pmma骨水泥的生物活性，在骨水泥粉剂中添加含量高达40%的无机成分：β-tcp以及经p（mma-co-mps）修饰的纳米羟基磷灰石。同时调整了p（mma-co-mps）对ha的修饰度，这在保证pmma骨水泥的力学性能不受影响的情况下，增强了nha的可吸收性。β-tcp的加入也进一步加强了pmma骨水泥的生物相容性，从而得到了力学性能和生物性能均优异的(nha+β-tcp)/pmma复合型骨水泥。本发明提供的制备方法简单可行，原料易得，适于工业化生产和临床应用。

附图说明

图1为β-tcp的x射线衍射图。

图2为实施例中提供的骨水泥材料力学性能图。

图3为实施例中提供的骨水泥材料在矿化前后的sem形貌图。

图4为实施例中提供的骨水泥材料的体外细胞毒性测试图。

具体实施方式

以下结合具体实施例和附图来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，本发明所用试剂和材料均为市购。

实施例1：原料制备：

1、pmma的合成：

将0.35g聚乙烯醇（pva），56mlmma和0.13g过氧化苯甲酰（bpo）溶解在360ml去离子水中，剧烈搅拌，升温至80℃反应2个小时，然后升温到87℃反应2个小时，最后升温至95℃反应2个小时，得到白色颗粒状产物，水洗2次，酒精洗2次，然后真空干燥。待产物完全干燥后使用球磨仪研磨，研磨后过100目筛子得白色pmma粉末，干燥保存。

2、p(mma-co-mps)的合成：

2.1原料纯化

thf纯化：向四氢呋喃（thf）中加入氢化钙后加热至62℃蒸馏。蒸馏后得到的液体再加入钠钾合金热至62℃蒸馏，得到纯度高的无水thf。

mps纯化：向硅烷偶联剂kh-570（mps）加入氢化钙后抽真空并加热至100℃蒸馏。

2.2p(mma-co-mps)的合成

p(mma-co-mps)通过自由基聚合的方式合成，以使用巯基乙醇（hsch2ch2oh）为链转移剂。在60ml四氢呋喃（thf），迅速加入25.49gmma、7.15gmps、0.12g引发剂aibn以及0.26ghsch2ch2oh。氩气保护下，升温至70℃反应6个小时后停止反应得到产物。得到产物用乙醚重沉淀3次，真空干燥后研磨干燥成品得到p(mma-co-mps)白色粉末，密封保存。

3、ha的合成

以聚乙二醇2000(peg2000)作为分散剂，再加入分别溶于500ml蒸馏水中的47.2g水合硝酸钙（ca(no3)2·4h2o）和13.2g磷酸氢二铵（(nh4)2hpo4），超声环境下，将(nh4)2hpo4溶液缓慢滴入(cano3)2·4h2o溶液中，同时用氨水调节ph至10，滴加结束后陈化24小时，将产物离心后水洗3次，真空干燥，研磨后得白色ha粉末，密封保存。

4、ha的表面修饰

将1.8gp(mma-co-mps)共聚物，加入60ml丙酮中。待溶解完全后加入100ml的90%甲醇溶液，用冰醋酸把ph值调至3.5-4.0，在50℃下反应1.5个小时，使p(mma-co-mps)中的硅氧烷完全水解。再加入含有6.0gha的90%甲醇溶液，使用10%naoh溶液调节ph至10.0促进缩合反应，反应24小时后停止反应。离心，干燥后用thf清洗粉末三次，干燥后密封保存，得到修饰度为0.3的p(mma-co-mps)-nha。记作0.3-nha。

5、β-tcp的合成

5.1、合成：采用水热法合成β-tcp。将9.45g硝酸钙（ca(no3)2·4h2o）和1.98g磷酸氢二铵（(nh4)2hpo4）分别溶于500ml蒸馏水中，再把(nh4)2hpo4溶液缓慢滴加入(cano3)2·4h2o溶液中，在40℃下，用氨水调节ph在5.5-6之间，滴定结束之后40℃陈化24小时，水洗3次，酒精洗3次干燥。干燥后再将产品放入马弗炉中950℃煅烧，研磨过100目筛子得白色β-tcp粉末，密封保存。

5.2、β-tcp的表征

x射线衍射：磷酸钙粉末的结构分析使用x射线衍射分析仪（cukα1），电子束能量为36kv，电子速电流为30ma，旋转速率为4^o/min，扫描角度为20°-70°，扫描速率为10°/min。

红外分析：使用傅里叶红外光谱仪（ftir）定性分析β-tcp的构成。使用vertex70光谱仪（bruker，德国）采集，扫描范围：4000~400cm^-1。

图1为β-tcp的x射线衍射图（xrd），经950℃煅烧后得到的β-tcp衍射峰窄且尖锐，说明其结晶度好。将此图谱与β-tcp的标准图谱进行对照，其三条主峰与标准图谱一致，几乎没有杂峰出现，说明我们制得的β-tcp纯度很高。

实施例2：骨水泥的合成：

室温下，将骨水泥的固体组分和液体组分按质量体积比（w/v）为1：3的比例混合后搅拌均匀，灌入模具，完全固化后取出样品。

其中固相组分中包含pmma、0.3-nha、β-tcp、baso4、bpo；液相组分中包含mma、dmt。其中pmma的分子量约为75万。实施例2~4的原料比例见表1所示：

表1

实施例3：力学性能测试

实施例2中骨水泥的力学性能表征主要选择测试成品的压缩性能。测试方法为：压缩实验骨水泥样品打磨成长12mm，直径6mm的圆柱体。使用万能材料试验机（wd-5a），加载速率为5mm/min。记录样品的应力-形变图，取应力-形变曲线中k值为2%时的应力，将其除以圆柱体的横截面积，即可求得压缩强度。

所有力学性能的测试均参照iso5833国际标准进行。

本发明中cap/ha-pmma骨水泥的力学性能用压缩强度来表征。从图2可知，掺入无机成分后，cap/ha-pmma骨水泥相对纯pmma骨水泥说压缩强度均有所增加。这是因为经修饰后的nha均匀分散在pmma中从而增强了nha与pmma的界面性。且随着β-tcp在无机组分中所占比例的增加，cap/ha-pmma骨水泥的力学性能有所下降，但整体无明显差异且都达到了临床需求。

实施例4：骨水泥的体外细胞毒性测试

1、样品准备与预处理

制备长5mm，直径6mm的圆柱体骨水泥样品，每组设置5个平行样本。测量并记录每个样品的质量yg，在48孔板中，分别用75%酒精和磷酸缓冲液（pbs）中浸泡1天。

2、浸提液的制备

从上述准备的样品中吸出pbs溶液，使用一定量的dmem浸泡样品一天。dmem用量计算公式：y(g)×5（ml/g）=zml,其中z为dmem的体积数。

3、mtt测试

在48孔板中接种p4代鼠骨髓间充质干细胞（rbmscs），每孔2.5万个细胞，加入200μl的培养基孵育24小时后，吸出100μl培养基，每孔加入100μl步骤2中制备的骨水泥浸提液，对照组加入100μl新鲜培养基，分别培养24小时和48小时后，吸出培养基，加入20μlmtt和180μl新鲜培养基，37℃下孵育4小时后，加入200μldmso孵育10min后，取出150μl于96孔板中，测试570nm波长下的吸光度（od）。

本发明用鼠骨髓间充质干细胞（rbmscs）测试了cap/ha-pmma骨水泥的细胞毒性。从图3可知，rbmscs在cap/ha-pmma复合型骨水泥中的成活率均在80%以上。结果说明，cap/ha-pmma复合型骨水泥材料无毒副作用。

实施例5：骨水泥的体外矿化实验

1、样品准备与预处理

制备长5mm，直径6mm的圆柱体骨水泥样品，每组设置5个平行样。在48孔板中，分别用75%酒精和磷酸缓冲液（pbs）中浸泡1天。

2、矿化样品制备

在48孔板中，使用sbf浸泡骨水泥样品，取出浸泡0天，7天，14天后的骨水泥样品，用无菌水小心清洗骨水泥表面三次，将干燥后的骨水泥样品表面喷上粗金，使用冷场发射扫描电镜(quanta400,philips)观察材料表面矿化情况，并使用能谱仪分析材料表面矿化14天的矿化层钙磷比。

图4为实施例中提供的骨水泥材料在矿化前后的sem形貌图，结果表明，随着骨水泥浸泡时间的推移，骨水泥表面形成越来越多的沉积层。矿化14天后，小块的磷灰石晶体聚集成更大的团聚物堆积在骨水泥表面。并且随着β-tcp比例的增加，骨水泥表面矿化层更厚。说明β-tcp与nha均能诱导骨水泥表面生物矿化，且β-tcp比nha的效果更明显，从而使骨水泥与宿主骨之间有更好的结合力。且14d中3/7-pmma骨水泥钙磷比值最接近人骨中的钙磷比。因此cap/ha-pmma骨水泥可作为一种生物活性材料被应用于人体的骨组织修复。矿化14天的结果表明，cap/ha-pmma骨水泥可以诱导类骨磷灰石在表面沉积。这表明骨水泥与宿主骨之间有良好的相容性。本发明提供的cap/ha-pmma骨水泥展现了它作为承重骨修复材料被应用于临床上的可能性。