可注射液態(tài)金屬骨水泥及其制備方法和專用注射裝置制造方法
【專利摘要】一種可注射液態(tài)金屬骨水泥，以液態(tài)金屬為主要成分，液態(tài)金屬的熔點為45～100℃，為鉍基合金或者鎵基合金，本發(fā)明同時提供了所述可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法和實現該制備方法的專用器具，本發(fā)明骨水泥可注射，固化速度快，凝固溫度低，制備工藝簡單，體內外環(huán)境中結構穩(wěn)定，可回收利用，且具有X射線自顯影功能。
【專利說明】可注射液態(tài)金屬骨水泥及其制備方法和專用注射裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及骨缺損修復【技術領域】，特別涉及一種可注射液態(tài)金屬骨水泥及其制備方法和專用注射裝置。
【背景技術】
[0002]長久以來，骨質疏松、骨腫瘤、骨缺損等骨疾病和關節(jié)疾病作為重大類疾病嚴重危害著人類健康。尤其在老年人群體中，該類疾病患病率呈逐年增高趨勢。骨水泥作為一種廣泛應用于臨床骨科疾病的修復材料，可以有效的改善該類疾病患者的身體狀況。其主要應用包括人工關節(jié)置換術，骨缺損修復和替代等?，F如今臨床常用的骨水泥主要包括聚甲基丙烯酸甲酯和磷酸鈣骨水泥。
[0003]其中，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥常被用于骨科內置物的固定，在人工關節(jié)的固定中，PMMA填充于假體和宿主骨之間，形成固定帶，使假體和宿主嚙合在一起。PMMA型骨水泥具有一定的生物相容性和較高的力學強度。然而臨床實踐也發(fā)現其仍存在不足。其修復部分經常會出現骨斷裂，并且摩擦產生的磨損顆粒會導致假體松動。隨著時間的推移，嚴重者會出現骨水泥和骨體發(fā)生脫離，因而經常有些病人需要重新置換假體，由此給病人帶來了大的精神痛苦與物質壓力，并且也給手術增加了難度。另外，PMMA骨水泥的固化溫度為90°C，由此產生的熱量容易灼傷周圍組織。
[0004]此外，上述提及的磷酸鈣骨水泥常被用于骨缺陷的修復。其聚合溫度較低，生物相容性良好。但這種材料的力學強度較低，而且在硬化過程中容易出現缺陷，從而導致水泥硬化后，在外力作用下被破壞，影響使用效果和壽命。并且這種無機鈣基骨水泥遇到血液容易發(fā)生潰散，從而導致肺栓塞等不良影響，即使加入其它改良劑，提高了骨水泥的粘性，但又會導致固化時間的延長。
[0005]由于PMMA和磷酸鈣材料本身并不具備X射線顯影功能，因此需要在其中加入顯影劑如硫酸鋇。然而硫酸鋇進入血液會嚴重危害人體健康。并且這兩種骨水泥材料都需要固相和液相的調和進行固化，操作起來較為復雜。
[0006]因此，除傳統(tǒng)骨水泥所具備的優(yōu)點之外，一種穩(wěn)定性好、自身可放射顯影、操作簡單、固化溫度低、固化速度快的骨水泥是臨床急需的。

【發(fā)明內容】

[0007]為了克服上述現有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種可注射液態(tài)金屬骨水泥及其制備方法和專用注射裝置，該骨水泥可注射，固化速度快，凝固溫度低，制備工藝簡單，體內外環(huán)境中結構穩(wěn)定，可回收利用，具有X射線自顯影功能。
[0008]為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0009]—種可注射液態(tài)金屬骨水泥，以液態(tài)金屬為主要成分。
[0010]所述液態(tài)金屬的熔點為45?100°C，為鉍基合金或者鎵基合金，其中，鉍基合金組分為:金屬秘的質量百分含量為33?78%,金屬銦的質量百分含量為7?60%,金屬錫的質量百分含量為7?60%,金屬鋅的質量百分含量為O?9% ;鎵基合金組分為:金屬鎵的質量百分含量為10?80%,金屬銦的質量百分含量為15?80%,金屬錫的質量百分含量為5?60%。
[0011 ] 進一步地，該可注射液態(tài)金屬骨水泥中，還包括加入至所述液態(tài)金屬中的用于增加骨水泥強度或提供人體所需元素的營養(yǎng)元素，以保證與液態(tài)金屬骨水泥接觸部位周圍骨組織的正常生長，其中所述營養(yǎng)元素包括鈣、鎂、磷、鐵元素，以原子或以化合物形式存在。
[0012]進一步地，該可注射液態(tài)金屬骨水泥中，還包括加入至所述液態(tài)金屬中的抗生素，以減少或避免在手術過程中引起微生物感染，其中所述抗生素包括鹽酸四環(huán)素(TTCH)和單相α —磷酸三鈣(a-TCP)。
[0013]本發(fā)明同時提供了所述可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，包括如下步驟:
[0014]步驟一，制備液態(tài)金屬骨水泥材料1:
[0015]將裝有預定配比各成分金屬材料的燒杯放置于真空干燥箱中加熱，設置溫度為200?400°C，持續(xù)時間約為10?36小時，然后利用磁力攪拌加熱器對呈熔融狀態(tài)的金屬混合物進行混合攪拌，設置溫度60?200°C，攪拌時間3?5小時，最終形成均勻的液態(tài)金屬骨水泥材料I ;
[0016]步驟二，液態(tài)金屬骨水泥 材料I填充至目標區(qū)固化成型為支撐體3:
[0017]將裝有液態(tài)金屬骨水泥材料I的容器4放置在加熱平臺5上，待液態(tài)金屬骨水泥材料I熔化后，用注射器2吸取至儲存室，然后注射至目標區(qū)并經過加壓處理固化成型為結構可控的支撐體3。
[0018]所述支撐體3為實心結構、空心結構或者微孔結構。
[0019]優(yōu)選地，可利用局部加熱方法，使用注射器2將液態(tài)金屬骨水泥材料I從目標區(qū)域取出，所述局部加熱方法包括電熱棒加熱和激光加熱。
[0020]所述液態(tài)金屬骨水泥材料I包括共晶類型和非共晶類型的低熔點合金。
[0021]所述加壓處理是在注射過程中進行，加壓方式為氣體加壓或機械加壓。
[0022]本發(fā)明還提供了一種實現所述可注射液態(tài)金屬骨水泥制備方法的專用注射裝置，包括注射器2，在注射器2的外部設置有保溫層或加熱裝置9。
[0023]本發(fā)明可注射液態(tài)金屬骨水泥經細胞實驗驗證對小鼠胚胎成纖維細胞無毒副作用，具有良好的生物相容性。驗證實驗按照IS09003醫(yī)療器械生物學評價中細胞毒性測試方法進行:(I)首先將液態(tài)金屬骨水泥I經過模具成型為固化的圓柱體，在37°C的細胞正常培養(yǎng)基中浸泡5天后，提取浸泡后的培養(yǎng)液；(2)利用提取液取代正常的細胞培養(yǎng)基進行細胞培養(yǎng)2天，同時選取利用正常培養(yǎng)基進行同樣操作的細胞為對照組；(3)毒性測試結果顯示，由浸泡過液態(tài)金屬骨水泥I的培養(yǎng)基處理過的細胞，其活性是對照組的60%?95%，表明該液態(tài)金屬骨水泥I的細胞毒性很弱或幾乎沒有細胞毒性。
[0024]同時，本發(fā)明可注射液態(tài)金屬骨水泥還具有很好的X光顯影效果。
[0025]與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0026](I)本發(fā)明所采用的低熔點液態(tài)金屬，在較低的加熱溫度下即可熔化，在室溫下又可自行固化，用傳統(tǒng)注射器就可以完成骨水泥的填充，操作簡單。
[0027](2)本發(fā)明所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥1，熔化后流動性好，固化速度快，塑形能力強，適用于各種形狀的骨修復，憑借其可注射的特點，可以用注射器方便地直接注射到缺損部位，并在該位置固化，整個過程簡單一體化；而且，一旦需要取出固化后的金屬骨水泥，只需對其采用微波、激光、電阻加熱等方式予以加熱，即可在其融化后通過注射器抽吸出體夕卜，這對于已康復組織的正常生長十分有利。
[0028](3)本發(fā)明所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥1，由于固化溫度較低、固化時間短，與傳統(tǒng)骨水泥的高聚合溫度相比，可以降低或避免周圍臨近組織被灼傷，有利于周圍骨組織的正常生長和生理狀態(tài)不受影響。
[0029](4)本發(fā)明所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥I在室溫下，性質穩(wěn)定，可長期室溫保存。但為了其能更好的發(fā)揮作用，最好能密封保存，保證低氧，遠離酸堿環(huán)境。其結構穩(wěn)定性還體現在作為骨水泥固化后的狀態(tài)上，磷酸鈣骨水泥的固化受體液和血液的影響，并在固化后易形成缺陷，對后期使用效果影響較大，但低熔點液態(tài)金屬相比之下，固化條件簡單，注射缺損位置即可迅速固化，受周圍環(huán)境影響較小，且由于其剛性較小，經實驗測試，即使施加很大的壓力也不會出現裂縫。
[0030](5)本發(fā)明所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥1，在生物體內有很好的X光影像，由于液態(tài)金屬骨水泥這種獨特的性質，不需要在額外添加其他造影劑，即可利用X光機進行監(jiān)視，避免了因骨水泥泄露給手術增加難度和給病人帶來痛苦，便于對骨水泥的位置進行觀察和確認。
[0031](6)本發(fā)明所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥1，制備工藝簡單，成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1可注射液態(tài)金屬骨水泥注射前的準備和操作示意圖。
[0033]圖2帶有保溫層的可注射液態(tài)金屬骨水泥注射器具。
[0034]圖3豬股骨中成型 的液態(tài)金屬骨水泥支撐體的X光影像。
[0035]圖4可注射液態(tài)金屬骨水泥在固化過程中的溫度變化曲線。
【具體實施方式】
[0036]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做具體說明，但本發(fā)明的應用范圍不會只局限于以下實施例中。
[0037]實施例1
[0038]首先制備液態(tài)金屬骨水泥材料I，其采用鉍(Bi)基合金:
[0039]將金屬鉍(Bi)、金屬銦(In)、金屬錫(Sn)和金屬鋅(Zn)按照35%、48.7%、15.9%和
0.4%的質量分數混合在一個空的燒杯里。把燒杯放入真空干燥箱中，在溫度為360°C下，連續(xù)加熱20小時。此時，幾種金屬混在一起，呈金屬液的狀態(tài)。為了保證合金成分的均勻性，將其放在磁力攪拌加熱器上，在160°C下加熱熔化，充分攪拌4小時即可。得到的低熔點合金熔點為59.1°C。制得的低熔點合金骨水泥密封后，可在室溫下長期保存。
[0040]完成液態(tài)金屬骨水泥材料I的制備后，繼而可將其填充至目標區(qū)固化成型為支撐體3，用于人工關節(jié)固定，骨缺損修復和骨組織支架。如圖1所示，將裝有液態(tài)金屬骨水泥材料I的容器4放置在加熱平臺5上，待液態(tài)金屬骨水泥材料I熔化后，通過注射器活塞8由注射器2吸取至儲存室，然后注射至骨頭6的目標位置7處，并經過加壓處理固化成型為結構可控的支撐體3。[0041]在液態(tài)金屬骨水泥材料I注射的過程中，或注入到目標位置7之后，可對液態(tài)金屬骨水泥材料I進行加壓，使其更好地填充于目標區(qū)域。加壓方法為氣體加壓或機械加壓。氣體加壓時采用惰性氣體進行加壓，機械加壓采用手動或者機械裝置進行施壓。施壓時間與所述液態(tài)金屬骨水泥材料I的固化時間對應一致。
[0042]本實施例中的鉍銦錫鋅組成的骨水泥，具有較低的熔點，而且固化速度快。為了驗證該特點，把新鮮豬骨放入37°C的水浴鍋中，再將熱電偶分別放置于該骨的骨髓腔中和空氣中。如圖4所示，液態(tài)金屬骨水泥注射后不到lOmin，其溫度即降至室溫。
[0043]為了測試液態(tài)金屬骨水泥的細胞毒性，將熔化了的液態(tài)金屬骨水泥用注射器注入到圓柱形模具中，固化后取出，得到高為29.4_，直徑4.8_的圓柱。用紫外滅菌后，根據IS09003標準，放入1.6ml培養(yǎng)基中，37°C放置5天。將液態(tài)金屬制成的圓柱從培養(yǎng)基中取出，得到的提取液用來培養(yǎng)細胞。按照標準，選用小鼠胚胎成纖維細胞(3T3)作為實驗對象，在用正常培養(yǎng)基培養(yǎng)24h后，改用完全提取液培養(yǎng)2天，對照組用正常培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。之后用中性紅染色，酶標儀讀出OD值。經過計算，細胞活性是對照組的69%。證明該液態(tài)金屬材料可以用來制作骨水泥。
[0044]為了測試該骨水泥的X光顯影性，將液態(tài)金屬骨水泥熔化后，用注射器注入新鮮豬股骨中，并在X射線下進行成像，得到結果如圖3所示，該液態(tài)金屬骨水泥自身具有十分清晰地顯影性，不需要額外添加造影劑，便于監(jiān)測。
[0045]實施例2
[0046]與實施例1不同的是，本實施例中的液態(tài)金屬骨水泥材料為鎵(Ga)基合金，其組分為:金屬鎵(Ga)的質量百分含量為40%，金屬銦(In)的質量百分含量為30%，金屬錫(Sn)的質量百分含量為30%。其他材料與步驟與實施例1相同。
[0047]實施例3 [0048]與實施例1不同，本實施例采用專門注射器具進行注射，如圖2所示，該專門注射器具是在注射器2外部加上保溫層或加熱裝置9，利用外部設備通過連接線10對保溫層或加熱裝置9的溫度進行控制，實現溫度可控可測。
[0049]由于液態(tài)金屬骨水泥材料I熔點較低，固化速度快，而本實施例中的專門注射器具能使得其在注射裝置內保持液體狀態(tài)的時間，防止其在注射器中就發(fā)生固化。在液態(tài)金屬骨水泥材料I未吸入注射器2之前，采用外部控制設備，對注射器2外部的保溫層或加熱裝置9進行加熱。通過保溫層或加熱裝置9內置的溫度傳感器，將溫度數值反饋給控制設備，以此保持保溫層溫度的恒定。保溫層或加熱裝置9的溫度可設置為實施例1中鉍銦錫鋅合金的熔點溫度。利用該專門注射器具吸入的熔化的液態(tài)金屬骨水泥材料1，可以在注射器具中較長時間的保持液態(tài)而不固化，從而為操作者提供了充裕的時間來做注射前的準備。降低了對骨水泥操作者的要求，以免在液態(tài)金屬骨水泥吸入注射器后，一段時間內未注射，而固化在注射器內，影響注射操作。
[0050]其他材料與步驟與實施例1相同。
[0051]實施例4
[0052]實施例4中，可注射液態(tài)金屬骨水泥材料成分為:金屬秘(Bi)、金屬銦(In)和金屬錫(Sn)，質量分數分別是32.5%、51%和16.5%。制備過程與實施例1相同，最終得到的低熔點合金熔點為59°C。制得的低熔點合金骨水泥密封后，可在室溫下長期保存。[0053]為了測試該液態(tài)金屬骨水泥的細胞毒性，按照與實施例1相同的步驟進行實驗。經過計算，細胞活性是對照組的90%。證明該材料可以用來制作骨水泥。
[0054]實施例5
[0055]與實施例4不同，本實施例采用注射裝置進行注射，使得溫度可控可測。在液態(tài)金屬骨水泥未吸入注射器2之前，采用外部控制設備，對注射器2外部的保溫層進行加熱。通過保溫層內置的溫度傳感器，將溫度數值反饋給控制設備，以此保證保溫層溫度的恒定。保溫層的溫度可設置為實施例3中鉍銦錫合金的熔點溫度。
[0056]其他材料與步驟與實施例4相同
[0057]實施例6
[0058]與實施例1不同的是，本實施例骨水泥中添加有營養(yǎng)元素。采用實施例1所述的配制好的鉍(Bi)基合金骨水泥，在其中添加其重量比10%的鈣、鎂、磷、鐵元素類納米顆粒，用于增加骨水泥強度或提供人體所需元素的營養(yǎng)元素，以保證與液態(tài)金屬骨水泥接觸部位周圍骨組織的正常生長。其他材料與步驟與實施例1相同。
[0059]實施例7
[0060]與實施例2不同的是，本實施例骨水泥中添加有抗生素。采用實施例2所述的配制好的鎵(Ga)基合金骨水泥，在其中添加其重量比10%的納米顆粒抗生素如鹽酸四環(huán)素(TTCH)，和單相α —磷酸三鈣(α-TCP)，以減少或避免在手術過程中引起微生物感染。其他材料與步驟與實施例2相同。
[0061]實施例8.
[0062]與實施例1不同的是，本實施例骨水泥中添加有營養(yǎng)元素和抗生素。
[0063]實施例9
[0064]與實施例1不同的是，本實施例中的液態(tài)金屬骨水泥材料組份為:金屬鉍質量分數78%，金屬銦質量分數7%，金屬錫質量分數7%，金屬鋅質量分數8%。
[0065]實施例10
[0066]與實施例1不同的是，本實施例中的液態(tài)金屬骨水泥材料組份為:金屬鎵質量分數10%，金屬銦質量分數30%，金屬錫質量分數60%。
【權利要求】
1.一種可注射液態(tài)金屬骨水泥，其特征在于，以液態(tài)金屬為主要成分。
2.根據權利要求1所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥，其特征在于，所述液態(tài)金屬的熔點為45?100°C,為秘基合金或者鎵基合金，其中，秘基合金組分為:金屬秘的質量百分含量為33?78%，金屬銦的質量百分含量為7?60%，金屬錫的質量百分含量為7?60%，金屬鋅的質量百分含量為O?9% ;鎵基合金組分為:金屬鎵的質量百分含量為10?80%,金屬銦的質量百分含量為15?80%,金屬錫的質量百分含量為5?60%。
3.根據權利要求1所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥，其特征在于，還包括加入至所述液態(tài)金屬中的用于增加骨水泥強度或提供人體所需元素的營養(yǎng)元素，以保證與液態(tài)金屬骨水泥接觸部位周圍骨組織的正常生長，其中所述營養(yǎng)元素包括鈣、鎂、磷、鐵元素，以原子或以化合物形式存在。
4.根據權利要求1或3所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥，其特征在于，還包括加入至所述液態(tài)金屬中的抗生素，以減少或避免在手術過程中引起微生物感染，其中所述抗生素包括鹽酸四環(huán)素(TTCH)和單相α —磷酸三鈣(a-TCP)。
5.權利要求1所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟一，制備液態(tài)金屬骨水泥材料(I): 將裝有預定配比各成分金屬材料的燒杯放置于真空干燥箱中加熱，設置溫度為200?400°C，持續(xù)時間約為10?36小時，然后利用磁力攪拌加熱器對呈熔融狀態(tài)的金屬混合物進行混合攪拌，設置溫度60?200°C，攪拌時間3?5小時，最終形成均勻的液態(tài)金屬骨水泥材料(I); 步驟二，液態(tài)金屬骨水泥材料(I)填充至目標區(qū)固化成型為支撐體(3): 將裝有液態(tài)金屬骨水泥材料(I)的容器(4)放置在加熱平臺(5)上，待液態(tài)金屬骨水泥材料(I)熔化后，用注射器(2)吸取至儲存室，然后注射至目標區(qū)并經過加壓處理固化成型為結構可控的支撐體(3)。
6.權利要求5所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，其特征在于，所述支撐體(3)為實心結構、空心結構或者微孔結構。
7.權利要求5所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，其特征在于，利用局部加熱方法，使用注射器(2 )將液態(tài)金屬骨水泥材料(I)從目標區(qū)域取出，所述局部加熱方法包括電熱棒加熱和激光加熱。
8.權利要求5所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，其特征在于，所述液態(tài)金屬骨水泥材料(I)包括共晶類型和非共晶類型的低熔點合金。
9.權利要求5所述的可注射液態(tài)金屬骨水泥的制備方法，其特征在于，所述加壓處理是在注射過程中進行，加壓方式為氣體加壓或機械加壓。
10.一種實現權利要求5所述可注射液態(tài)金屬骨水泥制備方法的專用注射裝置，其特征在于，包括注射器(2 )，在注射器(2 )的外部設置有保溫層或加熱裝置(9 )。
【文檔編號】A61L31/14GK103432624SQ201310351402
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權日:2013年8月13日
【發(fā)明者】衣麗婷, 金超, 劉靜 申請人:清華大學