專利名稱：可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)用材料，尤其是涉及一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
由于腫瘤、創(chuàng)傷、感染、畸形等原因造成的骨缺損，需要對缺損的部位進(jìn)行充填和再生修復(fù)，以恢復(fù)其形態(tài)和功能。雖然自體骨移植能夠提供新骨生長的支架，并且含有大量具有活性的成骨細(xì)胞，從而促進(jìn)骨生成(Cypher TJ, Grossman JP, J Fooot Ankle Surg. 1996; 35: 413-417)。但是在自體骨移植過程中，骨塊內(nèi)的成骨細(xì)胞不一定能夠存活，所以臨床效果不能完全有效(Sandhu HS, Grewal HS, Orthop Clin North Am. 1999; 30:685-698)。同時，自體骨移植存在骨量較少、二次創(chuàng)傷等缺點(diǎn)，臨床應(yīng)用受到很大限制。 有學(xué)者報道在移植部位，8-39%有并發(fā)感染、血腫、神經(jīng)和尿路損傷、骨盤失穩(wěn)、術(shù)后疼痛等。同種異體骨移植和異種骨移植由于受到受體免疫排斥反應(yīng)的影響，生物相容性相對較差，因此使用比較局限 Gtevenson S, Horowitz Μ, J Bone Joint Surg. 1992;74:939; Asselmeier MA, et al, Am J Sports Med. 1993; 21:170)。隨著生物材料科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，人工骨修復(fù)材料已經(jīng)越來越多的應(yīng)用在臨床領(lǐng)域。目前，植入材料一般由鈣磷基(如羥基磷灰石、磷酸三鈣、磷酸氫鈣)陶瓷和自固化材料、 硫酸鈣自固化材料、鈣硅基材料(如生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷)等(Van der Stok J, et al, Acta Biomater. 2011; 7739-750)。與其它人工植入材料相比，硫酸鈣的臨床應(yīng)用最為悠久，最早應(yīng)用于臨床的報道是1892年德國的Dreesman將其充填與空腔性骨缺損(Dreesman H, Beitr Klin Chir. 1892，804-810)。作為一種生物相容性優(yōu)良的骨缺損填充修復(fù)生物材料，硫酸鈣擁有較好的理化和生物學(xué)性能。譬如，在移植部位能夠提供大量的鈣離子，抑制了該區(qū)域破骨細(xì)胞的活性，刺激成骨細(xì)胞的增殖和分化，促進(jìn)類骨基質(zhì)的合成(Mailland M, et al. Endocrinology. 1997; 138: 3601)。其次，硫酸鈣在人體骨骼缺損內(nèi)被吸收代謝速率較快而且完全，并較少出現(xiàn)炎癥反應(yīng)(Scarano A，et al, Implant Dent. 2007; 16:195 ；Bahn SL, Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. 1966; 21: 672)。 目前硫酸鈣已經(jīng)應(yīng)用于部分骨缺損的修復(fù)領(lǐng)域。雖然硫酸鈣具有理想生物材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是該材料的不足是降解速度過快。 在骨缺損修復(fù)中，硫酸鈣過快的被吸收和代謝，不僅造成其生物力學(xué)作用喪失，而且骨再生尚未完成，導(dǎo)致部分缺損孔隙仍然存在，造成不能實現(xiàn)缺損完全修復(fù)或者修復(fù)失敗(Hing KA, et al. Spine J. 2007; 7: 475)。因此，純的硫酸鈣自固化材料因其吸收過快的問題在臨床中的應(yīng)用受到制約。其次，硫酸鈣的生物活性效應(yīng)并沒有得到廣泛認(rèn)同，僅僅為骨缺損區(qū)域提供鈣離子并不能顯著促進(jìn)骨再生，尤其是在骨質(zhì)疏松性骨損傷等病理性骨缺損修復(fù)問題。近年來，隨著省材料學(xué)、組織學(xué)以及細(xì)胞生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)通過微量元素?fù)饺胍氲饺斯す切迯?fù)材料的方法可以改善材料的生物學(xué)性能。微量元素鍶作為一種細(xì)胞代謝過程的調(diào)節(jié)因子，在許多生物過程，包括細(xì)胞信號傳導(dǎo)、核酸合成、骨重建等
3過程起到重要作用，并能調(diào)節(jié)骨骼內(nèi)鈣濃度和骨代謝，并顯著降低骨質(zhì)疏松病人骨折發(fā)生率的作用。體外實驗也證實鍶具有促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖和抑制破骨細(xì)胞活性的作用。中國發(fā)明專利200810301291. 2公開了一種由α -半水硫酸鈣與含鍶的化合物機(jī)械混合研磨而成的復(fù)合物材料，試圖用于骨損傷修復(fù)應(yīng)用。這種材料盡管在一定程度上改善了硫酸鈣自固化材料的生物活性，但是采用機(jī)械混合形成的復(fù)合物中各組分均一性、顆粒度控制以及硫酸鈣的降解性均難以達(dá)到滿意的效果。根據(jù)現(xiàn)有專利技術(shù)、國內(nèi)外文獻(xiàn)報道來看，迫切需要探索一種能優(yōu)化和改進(jìn)硫酸鈣自固化材料，從而擴(kuò)展改善硫酸鈣材料的臨床應(yīng)用范圍和效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應(yīng)用；能優(yōu)化和改進(jìn)硫酸鈣自固化材料，從而擴(kuò)展改善硫酸鈣材料的臨床應(yīng)用范圍和效果。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
一、一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料
它由摻鍶的硫酸鈣微粒經(jīng)水化反應(yīng)并固化而成的材料，其組分以氧化物形式表示的摩爾百分?jǐn)?shù)含量為 CaO 20 30% ； SO2 30^40% ； SrO 0. Γ10% ； 其余為水；上述組分之和為100%。二、種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的制備方法，包括以下步驟
1)將含Ca2+和Sr2+的無機(jī)鹽溶液與十二烷基磺酸鈉溶液混合，混合溶液中Sr2+: Ca2+的摩爾比為((TlO) :30, Ca2+和十二烷基磺酸鈉的濃度分別為0. 05 0. 5 mol/L和0. 02 0. 5 mol/L,再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含S042_的無機(jī)鹽溶液中，Ca2+和Sr2+ 的總摩爾數(shù)與S042_的摩爾數(shù)之比是1:1，反應(yīng)析出摻鍶二水硫酸鈣微粒，過濾，洗滌，干燥。2)將步驟1)制備的摻鍶二水硫酸鈣微粒在15(T170 0C熱處理廣3小時后，轉(zhuǎn)化為摻鍶α -半水硫酸鈣微粒，再按固/液比0. 5^2. 0的比例將摻鍶α -半水硫酸鈣微粒與生理鹽水調(diào)和形成糊狀物，經(jīng)水化反應(yīng)后固化并形成的材料。所述的含Sr2+的無機(jī)鹽是Sr (NO3)2、SrCl2, Sr (CH3COO)2中的一種或幾種的任意組
口 O所述的含Ca2+的無機(jī)鹽是Ca(NO3)2、CaCl2, Ca(CH3COO)2以及CaO溶于水后形成 Ca(OH)2中的一種或幾種的任意組合。所述的含SO/—的無機(jī)鹽來源于(NH4)2SCV Na2SO4, K2SO4中的一種或幾種的任意組
口 O三、一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的應(yīng)用
在骨科、整形外科、顱頌面外科、腦外科或口腔科中的骨、齒損傷填充再生修復(fù)和藥物緩釋系統(tǒng)的應(yīng)用。本發(fā)明具有的有益效果是
經(jīng)過簡單的濕化學(xué)反應(yīng)形成粒度極為細(xì)小、比表面積高的微粒，經(jīng)熱處理后能快速水化形成自固化材料；其次，反應(yīng)溶液中的十二烷基磺酸鈉能調(diào)控微粒的形態(tài)，低濃度形成片狀微粒，提高十二烷基磺酸鈉濃度有利于形成纖維狀微粒，纖維狀微粒有利于增強(qiáng)自固化材料的力學(xué)強(qiáng)度；再次，由于鍶摻入到硫酸鈣中部分鈣離子空位，從而調(diào)節(jié)硫酸鈣的生物降解速率，并在吸收過程中同步釋放鍶離子，能顯著促進(jìn)成骨相關(guān)細(xì)胞的生物活性和改善骨損傷的修復(fù)進(jìn)程，極大地提高植入材料的生物學(xué)效應(yīng)。此外，該摻鍶硫酸鈣材料的微粒是在常溫下一步濕化學(xué)工藝合成，僅經(jīng)歷短期低熱處理，不涉及高溫高熱反應(yīng)，耗能低，制備工藝簡單易行。本發(fā)明的含鍶硫酸鈣材料，在體內(nèi)能持續(xù)降解并同步釋放鈣、鍶和硫酸根離子，在骨缺損修復(fù)、組織引導(dǎo)再生、上頌竇提升、牙槽嵴保存、藥物緩釋系統(tǒng)等領(lǐng)域均可廣泛應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的摻鍶硫酸鈣材料X射線衍射圖譜，圖中(a)曲線為摻鍶0. 52%的材料的圖譜，(b)曲線為摻鍶1.23%的材料的圖譜，(c)曲線為摻鍶3. 68%的材料的圖譜， (d)曲線為摻鍶8. %的材料的圖譜。圖2是本發(fā)明的摻鍶硫酸鈣材料掃描電鏡照片，圖中(a)為摻鍶0. 52%的材料的照片，(b)為摻鍶1. 23%的材料的照片，(c)為摻鍶3. 68%的材料的照片，(d)為摻鍶8. 26% 的材料的照片。圖3是本發(fā)明的摻鍶硫酸鈣材料的自固化糊狀物外觀照片，圖中(a)為摻鍶0.52% 的材料的照片，(b)為摻鍶1. 23%的材料的照片，(c)為摻鍶3. 68%的材料的照片。圖4是本發(fā)明的摻鍶硫酸鈣材料的自固化糊狀物對骨質(zhì)疏松性骨折促進(jìn)愈合修復(fù)的股骨外觀大體形態(tài)照片，圖中(a)假手術(shù)對照組未植入材料的照片，(b)實驗組植入摻鍶1.23%材料的照片，(c)實驗組植入摻鍶3. 68%材料的照片，(d)實驗組植入摻鍶 8. 26%材料的照片。圖5是本發(fā)明的摻鍶硫酸鈣材料的自固化物中載藥緩釋曲線。圖中(a)純硫酸鈣自固化物中載藥緩釋曲線，(b)摻鍶1.23%硫酸鈣自固化物中載藥緩釋曲線的照片，(c) 摻鍶3. 68%硫酸鈣自固化物中載藥緩釋曲線。
具體實施例方式實施例1
1)將含 0.2 mol/L CaCl2 和 0.04 mol/L Sr(NO3)2 的 250 mL 水溶液與含 0. 04 mol/L 十二烷基磺酸鈉的250 mL水溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含 0. 12 mol/L (NH4)2S04&500 mL水溶液中，發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)，析出微粒，經(jīng)離心過濾，用去離子水和無水乙醇分別洗滌2次，然后在80°C真空下干燥，得到摻鍶二水硫酸鈣。2)將上述步驟1)制備的摻鍶二水硫酸鈣微粒在155 0C烘箱熱處理1小時，再將熱處理后的10 g微粒與6 g生理鹽水調(diào)和形成糊狀物，經(jīng)水化反應(yīng)4小時后逐漸固化并形成多孔性固化材料。經(jīng)火焰等離子體發(fā)射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為0. 52%，結(jié)合附圖1(a)和附圖2(a)的熱處理后的微粒X-射線衍射圖譜和掃描電鏡圖可見，熱處理后的微粒為片狀摻鍶α-半水硫酸鈣微粒，附圖3(a)為熱處理后的微粒用生理鹽水調(diào)和的自固化糊狀物，表明該材料具有良好的自固化性能。
實施例2
制備方法同實施例1，所不同的是步驟1)中將含0.4 mol/L CaCl2和0. 08 mol/L Sr (AC) 2的250 mL水溶液與含0. 08 mol/L十二烷基磺酸鈉的250 mL水溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含0. 24 mol/L (NH4)2SO4的500 mL水溶液中，發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)，對干燥后的微粒在160°C下處理2小時，其余處理同實施例1。經(jīng)火焰等離子體發(fā)射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為1. 23%，附圖1 (b)經(jīng)熱處理后的微粒X-射線衍射圖譜主要為α -半水硫酸鈣的衍射峰，并含有微弱的SrSO4的衍射峰，表明微粒中含有少量SrSO4 ；附圖2(b)的掃描電鏡圖可見熱處理后的微粒為片狀和棒狀混雜的微粒；附圖3(b)為熱處理后的微粒用生理鹽水調(diào)和，表明該材料具有良好的自固化性能。實施例3
制備方法同實施例1，所不同的是步驟1)中將含0.8 mol/Lmol/L
Sr (NO3) 2的250 mL水溶液與含0. 2 mol/L十二烷基磺酸鈉的250 mL水溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含0. 52 mol/L K2SO4的500 mL水溶液中，發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)，其余處理同實施例1。經(jīng)火焰等離子體發(fā)射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為3. 68%，附圖1 (c)經(jīng)熱處理后的微粒X-射線衍射圖譜主要為α -半水硫酸鈣的衍射峰， 并含有少量的SrSO4的衍射峰，表明微粒中含有少量SrSO4 ；附圖2(c)的掃描電鏡圖可見熱處理后的微粒為棒狀微粒；附圖3(c)為熱處理后的微粒用生理鹽水調(diào)和，顯示該材料具有良好的自固化性能。實施例4
制備方法同實施例1，所不同的是步驟1)中將含1.2 mol/L &(12和0. 36 mol/L SrC12 的250 mL水溶液與含0.15 mol/L十二烷基磺酸鈉的250 mL水溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含0. 78 mol/L Na2SO4的500 mL水溶液中，發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)，對干燥后的微粒在165°C下處理3小時，再將熱處理后的10 g微粒與12 g生理鹽水調(diào)和形成糊狀物，經(jīng)水化反應(yīng)4小時后逐漸固化并形成多孔性固化材料。其余處理同實施例 1。經(jīng)火焰等離子體發(fā)射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為8. 26%,附圖1 (d)經(jīng)熱處理后的微粒X-射線衍射圖譜主要為α -半水硫酸鈣的衍射峰，并含有SrSO4的衍射峰，表明微粒中含有SrSO4 ；附圖2(d)的掃描電鏡圖可見熱處理后的微粒為棒狀微粒。實施例5
制備方法同實施例4，所不同的是步驟1)中與CaCl2和SrCl2水溶液混合的十二烷基磺酸鈉水溶液的濃度為0. 3 mol/L，其余處理同實施例1。熱處理后的微粒為更長、更細(xì)的棒狀物。實施例6
應(yīng)用實施例2、制備的材料進(jìn)行骨質(zhì)疏松癥大鼠股骨骨折愈合和骨再生效率測試，具體方法和結(jié)果如下對樣品進(jìn)行Y射線輻射滅菌，對對只3月周齡SD雌性大鼠，其中18 只摘除卵巢，為OVXed實驗組；其余6只僅在卵巢出摘除少量脂肪組織，為Siam假手術(shù)對照組。待M只大鼠正常清潔飼養(yǎng)到8月周齡時，活體測試實驗組和對照組股骨骨密度分別為為0. 10士0. 043和0. 18士0. 06并具有統(tǒng)計學(xué)顯著性差異，表明實驗組大鼠已經(jīng)患骨質(zhì)疏松癥。再通過Y射線輻射對材料樣品進(jìn)行滅菌，對OVXed組等分為三組，在無菌和麻醉條件下對所有大鼠其中一只后腿股骨進(jìn)行骨折，并對實驗組分別注射無菌樣品1.0 g，然后縫合皮層，實施外固定；假手術(shù)對照組不植入材料，直接縫合和外固定。繼續(xù)飼養(yǎng)8后，按注射過量麻醉劑方法處死大鼠，取完整股骨，對其進(jìn)行普通數(shù)碼拍照。如圖4(b-d)所示實驗組股骨骨折部位第8周時均完全愈合，但是如圖4(a)假手術(shù)對照組形成骨肉瘤，表明摻鍶α-半水硫酸鈣微粒自固化材料具有優(yōu)良的促進(jìn)骨折愈合和完全修復(fù)功效。實施例7
制備方法同實施例1，所不同的是步驟1)中將純1.2 mol/L CaCl2 250 mL水溶液與含0.15 mol/L十二烷基磺酸鈉的250 mL水溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含0.60 mol/L K2SO4W 500 mL水溶液中，發(fā)生化學(xué)沉淀反應(yīng)，對干燥后的微粒在165°C下處理3小時，得到純的α-半水硫酸鈣微粒。應(yīng)用上述純的α-半水硫酸鈣微粒作為對照組，將實施例2和3制備的摻鍶α -半水硫酸鈣微粒為實驗組，各取4. 0 g微粒， 將其分別與含慶大霉素為5%的生理鹽水4. 0 g進(jìn)行調(diào)和，水化反應(yīng)2小時后，將三種固化材料分別放置于盛有PH和Tris的濃度分別為7. 40和0. 05 mol/L的20 mL Tris-HCl緩沖溶液玻璃瓶中，將玻璃瓶密閉后并置入37°C恒溫飽和水蒸氣的機(jī)械振動水浴器中，在振蕩2、4、8、12、24小時和2、3、5、7、14、21、28天后，取各自的浸泡液0. 2 mL測試慶大霉素的濃度，并補(bǔ)充等量新鮮Tris-HCl緩沖溶液，維持浸泡液體積不變。如圖5(a)所示，經(jīng)吸光光度測試顯示，純硫酸鈣自固化物中載藥緩釋曲線早期濃度急劇上升，后期濃度較為穩(wěn)定， 表明早期慶大霉素釋放過快，后期釋放極為緩慢；但是摻鍶1. 23%硫酸鈣自固化物(如圖5 (b))和摻鍶3.68%(如圖5 (c))硫酸鈣自固化物中載藥緩釋早期平穩(wěn)，后期仍然維持良好釋放，表明摻鍶α -半水硫酸鈣微粒自固化材料對載藥具有優(yōu)良的緩釋性能。但這些實例并不限制本發(fā)明的范圍，凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)和制備的材料均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。實施例所使用試劑純度均不低于其分析純試劑純度指標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料，其特征在于它由摻鍶的硫酸鈣微粒經(jīng)水化反應(yīng)并固化而成的材料，其組分以氧化物形式表示的摩爾百分?jǐn)?shù)含量為CaO 20 30% ；SO2 30^40% ；SrO 0. Γ10% ；其余為水；上述組分之和為100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)將含Ca2+和Sr2+的無機(jī)鹽溶液與十二烷基磺酸鈉溶液混合，混合溶液中Sr2+:Ca2+的摩爾比為((TlO) :30, Ca2+和十二烷基磺酸鈉的濃度分別為0. 05 0. 5 mol/L和0. 02 0. 5 mol/L，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含S042_的無機(jī)鹽溶液中，Ca2+和Sr2+ 的總摩爾數(shù)與S042_的摩爾數(shù)之比是1:1，反應(yīng)析出摻鍶二水硫酸鈣微粒，過濾，洗滌，干燥；2)將步驟1)制備的摻鍶二水硫酸鈣微粒在15(T170熱處理廣3小時后，轉(zhuǎn)化為摻鍶 α -半水硫酸鈣微粒，再按固/液比0. 5^2. 0的比例將摻鍶α -半水硫酸鈣微粒與生理鹽水調(diào)和形成糊狀物，經(jīng)水化反應(yīng)后固化并形成的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的制備方法，其特征在于所述的含Sr2+的無機(jī)鹽是Sr(N03)2、SrCl2, Sr(CH3COO)2中的一種或幾種的任意組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的制備方法，其特征在于所述的含Ca2+的無機(jī)鹽是Ca (NO3) 2、CaCl2, Ca(CH3COO)2以及CaO溶于水后形成 Ca(OH)2中的一種或幾種的任意組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的制備方法，其特征在于所述的含SO/—的無機(jī)鹽來源于(NH4)2S04、Na2SO4, K2SO4中的一種或幾種的任意組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料的應(yīng)用，其特征在于在骨科、整形外科、顱頌面外科、腦外科或口腔科中的骨、齒損傷填充再生修復(fù)和藥物緩釋系統(tǒng)的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應(yīng)用。其制備方法是將含Ca2+和Sr2+的溶液與十二烷基磺酸鈉溶液混合，再將該混合溶液滴加到持續(xù)超聲和攪拌處理的含SO42-的無機(jī)鹽溶液中，析出摻鍶二水硫酸鈣微粒，經(jīng)過濾、洗滌、干燥后，在150~170oC熱處理后轉(zhuǎn)化為摻鍶α-半水硫酸鈣微粒，再按固/液比0.5~2.0的比例將摻鍶α-半水硫酸鈣微粒與生理鹽水調(diào)和形成糊狀物，經(jīng)水化反應(yīng)并固化形成的材料。這種材料在骨損傷中持續(xù)降解并釋放鈣、鍶和硫酸根離子，適宜于各種人體骨齒損傷修復(fù)、藥物緩釋等應(yīng)用。本發(fā)明具有制備工藝簡單、微粒形貌和尺寸容易控制、鍶摻雜比例易于操控等特點(diǎn)。
文檔編號A61K6/027GK102430147SQ20111025782
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月2日
發(fā)明者張峰, 楊賢燕, 汪麟, 茍中入, 陳曉怡 申請人:浙江大學(xué)