一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥及其制备和应用

1.本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥及其制备和应用。


背景技术：

2.骨水泥又称作骨粘固剂，是一种具有室温环境下自凝性的生物医用材料。其物理性质和固化后的外形与建筑的普通水泥相似，因此俗称骨水泥。骨水泥的主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯和氧化锆或硫酸钡，被广泛应用于人工关节置换手术和各类骨修补术中。在使用过程中，骨水泥的主要作用是填充骨髓腔，加固人工关节假体和分散应力，使得假体、骨水泥和骨组织这三者之间紧密结合，从而增强植入假体的牢固性和稳定性，避免人工关节松动引起的一系列问题，允许患者术后早期负重，减少患者因为长期卧床导致的各种并发症，并使患者尽快恢复日常生活能力。
3.关节置换手术过程中的细菌污染以及术后伤口感染是现代手术中可能发生的严重的不良事件。尽管目前外科手术在无菌条件下进行，并添加了防腐剂，但开放式手术总是有感染的风险，尤其是生物材料植入手术更加增加了感染的风险，无法杜绝感染的发生。在骨水泥中掺入抗生素是预防关节置换术中感染发生的措施之一，即就是将小分子季铵盐、含银抗菌剂、氨基糖苷类抗生素之一或联合掺入骨水泥，以便降低术后感染的风险。实践证明这种抗生素骨水泥可以通过浓度梯度向周围扩散抗生素，在局部达到预防和治疗感染的目的。目前，植入含抗生素的骨水泥已成为术后感染病患翻修手术的主要方案，同时也是预防术后感染的常用方法。然而，研究表明，目前商用含药骨水泥植入后初始有较大的抗生素释放量，往后的释放量很低，也就是说抗生素只能在短期内有效的释放，且药物释放量只占总药物量的约5％，绝大部分的抗生素都被陷在丙烯酸树脂基质中无法释放出来。手术过程中，局部抗生素浓度必须超过最小的抑菌浓度；抗生素骨水泥必须在初始阶段有一个相对较高的药物浓度，并在以后的数天、数周中仍能向局部缓慢释放抗生素。这一要求目前尚未达到。另外，对于含抗生素骨水泥，若局部浓度低于最小抑菌浓度，将会使创伤处的细菌逐渐产生药物耐受性，这将对感染治疗带来更大挑战。


技术实现要素：

4.当前亟待开发一种抗菌剂分散均匀、抗菌剂扩散无限制的能够持续缓慢释放抗菌剂的持久抗菌骨水泥，其中，将抗菌剂通过化学键嫁接于树脂上有望避免药物扩散限制等问题，但能否达成杀灭细菌并抑制细菌感染决定这一技术的成败及其发展前景，有待探索。
5.本发明的目的是提供一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥及其制备和应用，该脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥具有持久抗菌功能且力学性能良好。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂的制备方法，包括以下步骤：在有机溶剂中，在设定温度下，将脂肪烷基二甲基叔胺与甲基丙烯酰氯进行反应，反应结束后经分离提纯得到目标产物脂肪烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化
铵。
7.进一步地，所述脂肪烷基二甲基叔胺包括八烷基～十二烷基二甲基叔胺，具体为正辛烷基二甲基叔胺、正壬烷基二甲基叔胺、正癸烷基二甲基叔胺、十一烷基二甲基叔胺以及正十二烷基二甲基叔胺；所述有机溶剂包括丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇或乙腈中的一种或多种；所述反应温度为40～80℃；所述反应时间为10～24h；所述反应体系中有机溶剂、脂肪烷基二甲基叔胺以及甲基丙烯酰氯的摩尔比为4:1:1.2～6:1:1.2。
8.进一步地，所述分离提纯步骤为首先在45～55℃下减压蒸馏除去有机溶剂，再用无水乙醚洗涤产物，常压蒸馏除去乙醚，最后经真空干燥即得到目标产物脂肪烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵。
9.本发明的目的之二在于，提供一种采用上述制备方法制备的脂肪烷基季铵盐型抗菌剂。
10.本发明的目的之三在于，提供一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥的制备方法，包括以下步骤：先将脂肪烷基季铵盐型抗菌剂加入到骨水泥前体的液剂的其他组分中得到液剂，再将固剂混合料粉剂加入含有脂肪烷基季铵盐型抗菌剂的液剂中，搅拌30～40秒，得到均匀浆料，最后在室温环境下固化后即得到目标产物持久抗菌丙烯酸树脂型骨水泥。
11.进一步地，所述粉剂包括聚甲基丙烯酸甲酯、氧化锆或硫酸钡以及过氧化苯甲酰；其中，粉剂中聚甲基丙烯酸甲酯、氧化锆或硫酸钡以及过氧化苯甲酰按质量百分比计含量分别为：
12.聚甲基丙烯酸甲酯：83.8％；
13.氧化锆或硫酸钡：14.8％；
14.过氧化苯甲酰：1.4％。
15.进一步地，所述液剂包括甲基丙烯酸甲酯、n,n-二甲基对甲苯胺以及脂肪烷基季铵盐型抗菌剂。
16.进一步地，所述液剂中甲基丙烯酸甲酯、n,n-二甲基对甲苯胺以及脂肪烷基季铵盐型抗菌剂按质量百分比计含量分别为：
17.甲基丙烯酸甲酯：77％～85％；
18.n,n-二甲基对甲苯胺：3％；
19.脂肪烷基季铵盐型抗菌剂：12％～20％。
20.进一步地，所述粉剂与液剂的质量比为2:1～2:1.2。
21.本发明的目的之四在于，提供一种采用上述制备方法制备的脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥。
22.本发明的目的之五在于，提供一种脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥的应用，将所述脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥应用在制备骨修复材料中。具体地，在人工关节置换手术和各类骨修补术中，将脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥填充进骨髓腔内，以加固人工关节假体和分散应力，使得假体、骨水泥和骨组织这三者之间紧密结合，从而增强植入假体的牢固性和稳定性，避免人工关节松动引起的一系列问题，使患者术后能够早期负重，减少患者因为长期卧床导致的各种并发症，并使患者尽快恢复日常生活能力。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.1、本发明通过设计合成具有抗菌活性的脂肪烷基季铵盐型抗菌剂，并将其嫁接于丙烯酸树脂基质中，制备出了脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，该骨水泥具有持久抗菌效果；
25.2、本发明制备的脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥克服了传统的抗生素骨水泥扩散限制问题，该脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥中具有抗菌活性的季铵盐型抗菌剂基团通过化学键均匀嫁接在骨水泥骨架中，抗菌剂分散均匀，抗菌剂扩散无限制，能够持续缓慢释放抗菌剂，该骨水泥具有持久抗菌活性且力学性能良好，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等都有明显的抑菌作用；
26.3、本发明脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥植入体内后，由于具有抗菌活性的季铵盐型抗菌剂基团通过化学键均匀嫁接于骨水泥骨架中，骨水泥的表面或微孔道内各处均含有抗菌基团，这样抗菌组分不会随时间而流失，赋予骨水泥持久的抗菌效果。
附图说明
27.图1为本发明脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥对金黄色葡萄球菌抗菌实验结果；
28.图2为本发明脂肪烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥对大肠杆菌抗菌实验结果。
具体实施方式
29.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。需要指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
30.以下各实施例中所使用的聚甲基丙烯酸甲酯购自赢创特种化学(上海)有限公司，平均分子量为80万，其余试剂均为市售试剂。以下实施例中使用的设备皆为市售设备。
31.实施例1：脂肪烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
32.在有机溶剂中，在设定温度下，将脂肪烷基二甲基叔胺与甲基丙烯酰氯进行反应，反应结束后经分离提纯得到目标产物。
33.其中，分离提纯步骤为首先在45～55℃下减压蒸馏除去有机溶剂，再用无水乙醚洗涤产物，常压蒸馏除去乙醚，最后经真空干燥即得目标产物脂肪烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵。
34.实施例2：十二烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
35.将50ml丙酮、0.16mol正十二烷基二甲基叔胺以及0.192mol甲基丙烯酰氯加入到150ml装有冷凝管的反应器中，在50℃下反应20小时，反应结束后于45℃下减压旋蒸除去丙酮，然后用40ml无水乙醚洗涤粗产品3次以上，常压蒸馏除去乙醚后，再在50℃下真空干燥6小时即得到目标产品十二烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵，产率为76％。
36.实施例3：正辛烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
37.将94ml乙腈、0.30mol正辛烷基二甲基叔胺以及0.36mol甲基丙烯酰氯加入到250ml装有冷凝管的反应器中，在80℃下反应24小时，反应结束后于55℃下减压旋蒸除去乙腈，然后用90ml无水乙醚洗涤3次以上，常压蒸馏除去乙醚后，再在60℃下真空干燥12小时即得到目标产品正辛烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵，产率为81.1％。
38.实施例4：正壬烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
39.将145ml乙醇、0.5mol正壬烷基二甲基叔胺以及0.6mol甲基丙烯酰氯加入到500ml装有冷凝管的反应器中，在70℃下反应10小时，反应结束后于50℃下减压旋蒸除去乙醇，然后用150ml无水乙醚洗涤3次以上，常压蒸馏除去乙醚后，再在50℃下真空干燥12小时即得到目标产品正壬烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵，产率为80.2％。
40.实施例5：正癸烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
41.将194ml甲醇、0.8mol正癸烷基二甲基叔胺以及0.96mol甲基丙烯酰氯加入到500ml装有冷凝管的反应器中，在40℃下反应24小时，反应结束后于45℃下减压旋蒸除去甲醇，然后用300ml无水乙醚洗涤3次以上，常压蒸馏除去乙醚后，再在45℃下真空干燥24小时即得到目标产品正癸烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵，产率为79.1％。
42.实施例6：十一烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵的合成
43.将88ml丙酮、0.20mol十一烷基二甲基叔胺以及0.24mol甲基丙烯酰氯加入到250ml装有冷凝管的反应器中，在40℃下反应16小时，反应结束后于50℃下减压旋蒸除去丙酮，然后用60ml无水乙醚洗涤3次以上，常压蒸馏除去乙醚后，再在50℃下真空干燥16小时即得到目标产品十一烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵，产率为78.7％。
44.实施例7
45.分别称取骨水泥前体的粉剂20g以及液剂10g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基丙烯酸甲酯80％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，十二烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵17％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌30秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的十二烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作a。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为105.2mpa，抗弯强度为60.1mpa。
46.将骨水泥样品a制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，并观察和测量骨水泥圆片周围抑菌环的大小。实验结果见图1和图2。从图中可以看出骨水泥样品a的抑菌环直径在20mm左右，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品a抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
47.实施例8
48.分别称取骨水泥前体的粉剂20g以及液剂10g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基丙烯酸甲酯79％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，十一烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵18％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌35秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的十一烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作b。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为103.2mpa，抗弯强度为69.1mpa。
49.将骨水泥样品b制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，并观察和测量骨水泥圆片周围抑菌环的大小。实验结果见图1和图2。从图中可以看出骨水泥样品b的抑菌环直径基本在16～20mm，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品b抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
50.实施例9
51.分别称取骨水泥前体的粉剂20g以及液剂10g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基丙烯酸甲酯78％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，正癸烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵19％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌36秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的正癸烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作c。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为100.1mpa，抗弯强度为59.2mpa。
52.将骨水泥样品c制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，并观察和测量骨水泥圆片周围抑菌环的大小。实验结果见图1和图2。从图中可以看出骨水泥样品c的抑菌环直径基本在17～20mm，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品c抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
53.实施例10
54.分别称取骨水泥前体的粉剂20g以及液剂10g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基丙烯酸甲酯77％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，正壬烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵20％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌37秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的正壬烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作d。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为100.2mpa，抗弯强度为60.0mpa。
55.将骨水泥样品d制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，并观察和测量骨水泥圆片周围抑菌环的大小。实验结果见图1和图2。从图中可以看出骨水泥样品d的抑菌环直径在16～20mm，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品d抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
56.实施例11
57.分别称取骨水泥前体的粉剂20g以及液剂10g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基丙烯酸甲酯77％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，正辛烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵20％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌35秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的正辛烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作e。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为90.1mpa，抗弯强度为55.1mpa。
58.将骨水泥样品e制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，并观察和测量骨水泥圆片周围抑菌环的大小。实验结果见图1和图2。从图中可以看出骨水泥样品e的抑菌环直径在20mm左右，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品e抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
59.实施例12
60.分别称取骨水泥前体的粉剂50g以及液剂30g(粉剂按质量百分比计组成为聚甲基丙烯酸甲酯83.8％，氧化锆14.8％，过氧化苯甲酰1.4％；液剂按质量百分比计组成为甲基
丙烯酸甲酯85％，n,n-二甲基对甲苯胺3％，十二烷基-二甲基-甲基丙烯酰基氯化铵12％)，将固剂混合料粉剂加入液剂中，搅拌40秒，得到均匀浆料，再在室温环境下固化后即得到持久抗菌的十二烷基季铵盐型抗菌剂复合骨水泥，记作a
′
。按照行业标准iso 5833:2002测定骨水泥力学性能，骨水泥抗压强度为92mpa，抗弯强度为58mpa。
61.将骨水泥样品a
′
制成厚度为2mm，直径为6mm的圆片，将骨水泥样品分别放入含金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的培养基中，在37℃下培养，进行连续5次的抗菌实验，每隔18小时更换一次培养基，观测到骨水泥样品a
′
的抑菌环直径在18mm左右，连续5次实验变化不大，说明骨水泥样品抑菌效果明显，且持续抗菌效果良好。
62.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。