一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥及其制备方法与流程

本发明属于生物医用材料技术领域，具体涉及一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥及其制备方法。

背景技术：

全球范围内的老年化趋势不断加重，与此同时随着疾病诊疗、康复及护理水平的不断提高，老年人群的预期寿命越来越长，老年人口的比例将越来越高。骨质疏松性椎体压缩性骨折是一种常见的骨质疏松性脆性骨折成为老年人群的常见病和多发病，据《中国骨质疏松防治白皮书》报道，我国每年新发椎体压缩性骨折就高达181万例。椎体压缩性骨折最突出的临床症状为背部疼痛，致患者日常生活受限，严重影响生活质量。

目前，基于传统骨水泥的椎体成形术是治疗椎体压缩性骨折的主要手术方式，通过骨水泥的粘合作用稳定骨折、恢复椎体高度、改善脊柱畸形，从而缓解患者的临床症状，提高患者的生活满意度。但不可忽视的是传统骨水泥存在弹性模量过高易导致临近椎体再次骨折、聚合反应过程中急剧放热导致神经组织损伤甚至骨坏死等缺陷。更为重要的是，传统骨水泥在聚合放热反应过程中，其自身的化学性质及随着温度降低而出现一定程度的骨水泥收缩，有研究者对临床上常用的五种骨水泥进行研究，发现其体积收缩率为3%~8%。这种体积收缩常常被认为是导致骨水泥型关节假体松动的原因之一，是影响骨水泥有效粘接椎体内微小骨折块的潜在因素。

硫酸钙骨水泥和磷酸钙骨水泥都是具有良好生物相容性的骨替代材料，可在植入时随意塑形，固化后留下大量微孔，同时阻止纤维组织的长入，进而发挥其骨诱导和传导的功能，硫酸钙骨水泥或磷酸钙骨水泥在实际应用时，其凝固过程不产生热量，不会对周围组织造成影响。

交联聚乙烯醇材料具有极强的吸水膨胀性能、较好的力学性能以及良好的生物相容性，在生物医用材料领域的发展得到越来越多的重视与开发。其具有的三维多孔结构在组织修复、药物/基因的传递以及医疗诊断等方面表现出良好的应用前景。在骨组织工程方面，虽然孔隙的存在会在一定程度上降低支架材料的机械性能和抗压能力，但是经过适当的调整和巧妙的设计，孔隙材料不仅在结构上可以模拟骨组织生长的细胞外基质环境，而且材料的孔隙可以用来携带活性因子或药物，从而成为一种良好的骨修复材料。

基于以上论述，为了克服传统骨水泥在应用中存在的，发热、弹性模量过高以及固化后体积收缩，细胞难以长入等的问题。本发明设计了一种具有可注射型，在凝固过程中能够产生体积膨胀并且凝固后形成多孔结构的骨水泥，用以解决骨修复、骨缺损、骨质疏松、压缩性骨折等治疗中骨水泥存在的上述问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥，所述复合骨水泥包括粉体材料，固化液和膨胀材料，

所述粉体材料包括硫酸钙骨水泥粉末、磷酸钙骨水泥粉末或聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粉末中的一种或几种；

所述固化液为去离子水、生理盐水或甲基丙烯酸甲酯溶液；

所述膨胀材料为交联聚乙烯醇材料；

进一步地，所述粉体材料与固化液混合均匀后浸入模拟体液中产生体积膨胀，体积膨胀倍率为1%~20%；复合骨水泥的孔径为60 µm~300 µm；凝固时间可控，初凝时间为3~10 min；

进一步地，所述粉体材料体积分数为80%~99%，膨胀材料体积分数为1%~20%；

进一步地，所述硫酸钙骨水泥和磷酸钙骨水泥粉末的粒径为400目~100目；

进一步地，所述固化液的量控制在液体与固体的比值0.4~1 ml/g；

进一步地，所述膨胀材料为交联聚乙烯醇材料，交联度为50%~65%；孔隙率为80%~90%；孔径在100~500 μm之间；膨胀材料颗粒尺寸小于1 mm，体积膨胀率为1000%~2000%；

进一步地，所述复合骨水泥用于骨修复、骨缺损、骨质疏松或压缩性骨折；

进一步地，一种仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的制备方法，所述方法包括：

S1：将粉体材料与膨胀材料按一定比例进行混合；

S2：向固体粉末中加入固化液，并充分搅拌至浆状；

S3：将浆体注入模具中固化；

S4：将固化后的样品脱模便得到膨胀后的复合多孔骨水泥；

进一步地，所述S3中浆体注入模具前模具要先喷涂中性脱模剂；

本发明的有益效果如下：

1）：选用交联聚乙烯醇膨胀材料作为骨水泥填充材料，减少了PMMA的用量，减少了PMMA骨水泥在固化过程中的放热量不会对周围组织产生影响，固化后力学性能与人体松质骨相适应；

2）：交联聚乙烯醇膨胀材料具有极强的吸液膨胀性，其加入可以使骨水泥凝固过程时在体液环境中可以产生明显的体积膨胀，不会使骨/水泥界面产生空隙，能够使骨/水泥界面结合更紧密，增强修复效果；

3）：膨胀材料为复合骨水泥引入多级孔结构，使骨水泥具有类似骨小梁的仿生结构，这样形成的骨水泥具有优异的生物相容性，能够促进细胞的成骨分化以及组织长入。

附图说明

图1为本发明一种仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥设计原理图；

图2为本发明仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的吸水膨胀实物图，其中（A）膨胀前；（B）膨胀后；

图3为普通骨水泥和本发明中所述仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的扫描电镜图，其中（A）普通骨水泥；（B）自膨胀、可注射、多孔复合骨水泥。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图3所示，本发明提供一种仿骨小梁结构的可注射膨胀复合骨水泥及其制备方法，该可注射膨胀骨水泥具有可注射性，在凝固过程中能够产生体积膨胀并且凝固后形成多孔结构的骨水泥，可以解决传统骨水泥在应用中存在的发热、弹性模量过高、体积收缩等问题，同时还具有良好的生物相容性与可降解性。

其制备方法具体如下：

将粉体材料与膨胀材料按一定比例混合均匀，加入一定量固化液，迅速搅拌成浆状；将形成的浆体注入模具中，将模具放入恒温恒湿箱中固化一定时间；固化完成后脱模得到相应产品。

步骤一、膨胀材料的合成及前处理：

（1）将聚乙烯醇与去离子水混合，在95℃水浴中搅拌充分溶解；

（2）将所得聚乙烯醇溶液发泡，使溶液中形成大小均匀的气泡；

（3）向发泡后的溶液中加入交联剂和催化剂，将溶液倒入模具；

（4）成型后从模具中取出，冲洗干净，干燥后机械破碎城颗粒状，颗粒尺寸小于1mm。

步骤二、复合骨水泥粉体的制备：

将粉体材料与膨胀材料混合，充分搅拌混合均匀。其中粉体材料体积分数为80%~99%，膨胀材料的体积分数为1%~20%。

步骤三、复合骨水泥浆体的制备：

向步骤二中所述的复合骨水泥粉体中加入固化液，固液比为0.4~1 ml/g，不断搅拌，直至形成均匀的复合骨水泥浆体。

步骤四、复合骨水泥的固化：

将步骤三中的浆体注入模具中，刮平上表面，将模具移入恒温恒湿箱中固化，固化后脱模，得到复合骨水泥固化体。

实施例1

本实施实例的仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的粉体材料为体积分数为95%的半水硫酸钙粉末，体积分数为5%的膨胀材料；固化液为去离子水，液固比为0.5 ml/g。

本实施实例中的膨胀材料按以下步骤制备：将聚乙烯醇与去离子水混合，搅拌充分溶解；将所得聚乙烯醇溶液发泡，使溶液中形成大小均匀的气泡；向发泡后的溶液中加入交联剂和催化剂，将溶液倒入模具；成型后从模具中取出，冲洗干净，干燥后机械破碎成颗粒状，颗粒尺寸小于1 mm。

仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的制备步骤如下：

（1）取一定量的半水硫酸钙粉末，将膨胀材料与半水硫酸钙按照体积比为5:95的比例混合均匀；

（2）按液固比为0.5 ml/g，向复合骨水泥粉体中加入去离子水，不断搅拌直至形成均匀的浆体。

（3）将浆体注入模具中，刮平上表面，将模具移入恒温恒湿箱，调整温度为37℃，相对湿度为97%，固化24小时后脱模，得到复合骨水泥固化体。

实施例2

本实施实例的仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的粉体材料为体积分数为90%的磷酸钙骨水泥粉末，体积分数为10%的膨胀材料；固化液为生理盐水溶液，液固比为0.5 ml/g。

本实施实例中的膨胀材料按以下步骤制备：将聚乙烯醇与去离子水混合，搅拌充分溶解；将所得聚乙烯醇溶液发泡，使溶液中形成大小均匀的气泡；向发泡后的溶液中加入交联剂和催化剂，将溶液倒入模具；成型后从模具中取出，冲洗干净，干燥后机械破碎城颗粒状，颗粒尺寸小于1 mm。

仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的制备步骤如下：

（1）取一定量的磷酸钙骨水泥粉末，将膨胀材料与磷酸钙骨水泥粉末按照体积比为1:9的比例混合均匀；

（2）按固液比为0.5 ml/g，向复合骨水泥粉体中加入生理盐水，不断搅拌直至形成均匀的浆体。

（3）将浆体注入模具中，刮平上表面，将模具移入恒温恒湿箱，调整温度为37℃，相对湿度为97%，固化24小时后脱模，得到复合骨水泥固化体。

实施例3

本实施实例的仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的粉体材料为体积分数为85%的聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粉末，体积分数为15%的膨胀材料；固化液为甲基丙烯酸单体液剂，液固比为0.5 ml/g。

本实施实例中的膨胀材料按以下步骤制备：将聚乙烯醇与去离子水混合，搅拌充分溶解；将所得聚乙烯醇溶液发泡，使溶液中形成大小均匀的气泡；向发泡后的溶液中加入交联剂和催化剂，将溶液倒入模具；成型后从模具中取出，冲洗干净，干燥后机械破碎城颗粒状，颗粒尺寸小于1 mm。

仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的制备步骤如下：

（1）取一定量聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥粉末与膨胀材料按照体积比为85:15的比例混合均匀；

（2）按固液比为0.5 ml/g，向复合骨水泥粉体中加入甲基丙烯酸甲酯溶液，不断搅拌直至形成均匀的浆体。

（3）将浆体注入模具中，刮平上表面，将模具移入恒温恒湿箱，固化后脱模，得到复合骨水泥固化体。

实施例4

本实施实例的仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的粉体材料为体积分数为80%的硫酸钙骨水泥粉末，体积分数为20%的膨胀材料；固化液为去离子水，液固比为0.5 ml/g。

本实施实例中的膨胀材料按以下步骤制备：将聚乙烯醇与去离子水混合，搅拌充分溶解；将所得聚乙烯醇溶液发泡，使溶液中形成大小均匀的气泡；向发泡后的溶液中加入交联剂和催化剂，将溶液液倒入模具；成型后从模具中取出，冲洗干净，干燥后机械破碎城颗粒状，颗粒尺寸小于1 mm。

仿骨小梁结构的可注射膨胀骨水泥的制备步骤如下：

（1）取一定量的硫酸钙骨水泥粉末，将膨胀材料与硫酸钙按照体积比为2:8的比例混合均匀；

（2）按固液比为0.5 ml/g，向复合骨水泥粉体中加入去离子水，不断搅拌直至形成均匀的浆体。

（3）将浆体注入模具中，刮平上表面，将模具移入恒温恒湿箱，调整温度为37℃，相对湿度为97%，固化24小时后脱模，得到复合骨水泥固化体。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。