技术领域
[0001] 本
发明涉及一种锶磷灰石骨
水泥及制备方法,主要用于骨科材料领域。
背景技术
[0002] 聚
丙烯酸酯骨水泥是目前临床上应用最多的一种骨水泥,它由粉体和液体两部分组成。粉体主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),液体主要成分是甲基丙烯酸甲酯
单体。PMMA骨水泥可注射成型和制成任意形状,
力学强度高,但同时PMMA骨水泥还存在一些局限性[Belkoff,S.M et al...Temperature measurement during polymerization of polymethylmethacrylatecementused for vertebroplasty.Spine.2003,28:1555-1559],如单体具有一定的毒性,
生物相容性欠佳,注入人体后不能吸收降解,同时其无成骨作用,与骨结合不牢固,易松动,并且聚合过程中的放热反应可能造成神经功能损伤[Cortet,B et al...Percutaneous vertebroplasty in patients with osteolyticmetastases or multiple myeloma.Rev RhumEnglEd.1997,64(3):177-83/Bartucci,E.J et al...The effect of adjunctive methylmethacrylate on failures of fixation and function in patients with intertrochanteric fractures and osteoporosis.J.Bone Joint Surg(am).1985,67(7):1094]等。
[0003] 磷灰石是人体硬组织(骨和牙)的无机质的物质组成,其化学成分和
晶体结构与
脊椎动物骨的矿物成分非常接近,与人体组织有良好的生物相容性,且无毒性,并能与骨组织形成很好的骨性结合。
[0004] 锶(Sr)是人体中存在的一种微量元素,锶与
钙的元素性质相近。锶是一种亲骨性元素,人体中含有的99%以上的锶都存在于骨中,与骨结合的这部分锶有0.65%的可溶解于细胞外液中,使锶处于动态平衡中,在新骨形成的初期锶离子的浓度较高,最后锶离子在骨基质中保持一定的比例维持骨质的正常功能[Blake,G.M et al...Sr-89therapy strontium kineticls in metastatic bone disease.J.Nucl.Med.1986,27:1030/Dab,S.G et al...Incorperation and distribution of strontium in bone J.Bone,2001,28:446-453]。因此在制备磷灰石过程中,锶离子可以取代钙离子,制备锶磷灰石,增强骨水泥的骨诱导活性。目前基本都采用湿法、高温
烧结,或固相反应、高温烧结等方法制备,其产物结晶度高,不利于锶离子的释放、降解;且加入骨水泥粉体中,各粉体的粒度没有控制优化,致使骨水泥不宜混合,且注射时间短。
[0005] 本发明选择特定粒度范围的聚丙烯酸酯、锶磷灰石、
硫酸钙、硫酸钡为粉体成分,控制配比制备锶磷灰石骨水泥,形成粒度梯度,易于骨水泥搅拌混合,改善骨水泥的注射性,其中锶磷灰石的制备以锶、磷元素为主,辅以钙元素,采用水热、汽热相结合的方法,先水热,再高温高压引导晶体生长制备形貌可控的低结晶度、易释放降解的锶磷灰石,对本发明相近的研究内容未见报道。
发明内容
[0006] 根据本发明的研究,我们提出了一种新的锶磷灰石骨水泥,该骨水泥粉体含有聚丙烯酸酯、锶磷灰石、硫酸钙、硫酸钡;液体含有甲基丙烯酸甲酯单体、N,N二甲基对
甲苯胺、对苯二酚。并采用水热、汽热相结合的方式制备一种未高温烧结的低结晶度、易释放降解的锶磷灰石,辅以选择的粒度级别不同的聚丙烯酸酯、硫酸钙、硫酸钡,形成粉体粒度优化,制备一种易混合、注射性好、力学强度高的骨水泥。
[0007] 本发明的技术方案如下:
[0008] 骨水泥由粉体和液体组成,粉体含有锶磷灰石、硫酸钙、聚丙烯酸酯和硫酸钡,液体含有甲基丙烯酸甲酯单体、N,N二甲基对甲苯胺、对苯二酚,骨水泥粉体中聚丙烯酸酯的粒度分布范围为10~150μm,硫酸钡的粒度分布范围为0.1~20μm,锶磷灰石的粒度分布范围为2.5~53μm,硫酸钙的粒度分布范围为5~53μm。
[0010] 粉体:
[0011] 聚丙烯酸酯 40~70%;
[0012] 锶磷灰石 10~50%;
[0013] 硫酸钙 0~40%;
[0014] 硫酸钡 10~30%;
[0015] 液体:
[0016] N,N二甲基对甲苯胺0.5~5%;
[0017] 对苯二酚0.05~2%;
[0018] 甲基丙烯酸甲酯93~99.45%。
[0019] 选用的聚丙烯酸酯可以是均聚物、共聚物或多聚物,优选分子量为10~60万的聚丙烯酸酯均聚物。
[0020] 选用的锶磷灰石采用以下方法制备:
[0021] (1)配置0.05~0.5mol/L的
硝酸锶、硝酸钙混合溶液A,配置与溶液A相同浓度的
磷酸氢二铵溶液B;
[0022] (2)在90~95℃的水溶中,按照溶液体积比A:B为1.67:1,将溶液B加入到溶液A中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌0.5~1h后再加入
氨水,有白色沉淀逐渐析出,调整pH值为9~11,反应2h;
[0023] (3)将白色沉淀在
温度为100~300℃,压力为0.1~2MPa的汽体环境中反应3~24h,干燥,过筛得到锶磷灰石。
[0024] 其中A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例不小于0.15,优选锶占锶钙摩尔总量的比例不小于0.4;
[0025] 骨水泥的制备方法为:
[0026] (1)按照粉体质量百分比称取聚丙烯酸酯、锶磷灰石、硫酸钙、硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0027] (2)称取一定量的骨水泥粉体,按照粉液质量比1~3:1将骨水泥液体加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,
固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为5~10min。
[0028] 本发明的优点在于选择的特定粒度范围的锶磷灰石、聚丙烯酸酯、硫酸钙、硫酸钡,各粒度级别形成粒度配合,减少骨水泥粉体的毛体积,增加粉体颗粒的
比表面积,利于骨水泥液体浸润,易于混合均匀,且制备的锶磷灰石是一种粒度形貌可控的未经高温烧结的低结晶度、易释放降解的锶磷灰石。将锶磷灰石、硫酸钙加入到骨水泥中,锶磷灰石、硫酸钙均匀分布在骨水泥中,植入体内后,硫酸钙引导骨水泥的降解,在体内锶、钙离子逐步降解释放,形成三维孔洞网络结构,诱导骨细胞长入,使骨水泥与骨形成紧密结合,防止松动;制备的锶磷灰石骨水泥的抗压强度都在60MPa以上。
附图说明
[0029] 图1:锶磷灰石的SEM图;
[0030] 图2:锶磷灰石的模拟降解曲线;
[0031] 图2中,a为
实施例1制备的锶磷灰石的降解曲线,b为实施例6的,c实施例3的,可知锶磷灰石中,锶含量越高,降解速率越快;
[0032] 图3:锶磷灰石骨水泥的平均抗压强度图;
[0033] 图4:复合锶磷灰石骨水泥的平均抗压强度图。
具体实施方式
[0034] 下面结合实施例对本发明的内容作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
[0035] 骨水泥由粉体和液体组成,粉体含有锶磷灰石、硫酸钙、聚丙烯酸酯均聚物(聚甲基丙烯酸甲酯)、硫酸钡,液体含有为甲基丙烯酸甲酯单体、N,N二甲基对甲苯胺、对苯二酚,骨水泥粉体中聚丙烯酸酯的粒度分布范围为10~150μm,硫酸钡的粒度分布范围为0.1~20μm,锶磷灰石的粒度分布范围为2.5~53μm。
[0036] 骨水泥的制备按照以下步骤:
[0037] (1)锶磷灰石的制备
[0038] 首先配置0.05~0.5mol/L的硝酸锶、硝酸钙混合溶液A,配置与A相同浓度的磷酸氢二铵溶液B;A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例不小于0.15,优选锶占锶钙摩尔总量的比例不小于0.4;
[0039] 在90~95℃的水溶中,按照体积比A:B为1.67,将B加入到A中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌0.5~1h后再加入氨水,有白色沉淀逐渐析出,调整pH值为9~11,反应2h;
[0040] 最后将白色沉淀在温度为100~300℃,压力为0.1~2MPa的汽体环境中反应3~24h,干燥,过筛得到锶磷灰石。
[0041] (2)骨水泥的制备
[0042] 按照粉体质量百分比称取40~70%的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,优选分子量为10~60万)、10~50%锶磷灰石、硫酸钙0~40%、10~30%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0043] 称取一定量的骨水泥粉体,按照粉液质量比1~3:1将骨水泥液体加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为5~10min。
[0044] 实施例1
[0045] PMMA粒度分布范围选择为53~100μm、锶磷灰石为5~37μm、硫酸钡5~10μm[0046] (1)锶磷灰石的制备
[0047] 首先配置200mL×0.05mol/L的硝酸锶、硝酸钙混合溶液A,配置100mL×0.05mol/L的磷酸氢二铵溶液B;A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例为0.4;
[0048] 在95℃的水溶中,按照体积比A:B为1.67,将100mL B加入到167mLA中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌0.5h后再加入氨水,有白色沉淀析出,调整pH值为10,反应2h;
[0049] 最后在温度为250℃,压力为1.5MPa的汽体环境中反应24h,干燥,过筛得到锶磷灰石;
[0050] (2)骨水泥的制备
[0051] 按照粉体质量百分比称取70%的PMMA、20%锶磷灰石、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0052] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比2:1将骨水泥液体(0.5%的N,N二甲基对甲苯胺、2%的对苯二酚、97.5%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为7min。
[0053] 对制备的锶磷灰石进行围观形貌观察,如图1所示SEM图谱,可知,制备的锶磷灰石为颗粒球状,粒度分布范围为5~37μm。
[0054] 对制备的锶磷灰石采用SBF模拟体液浸泡降解,24h换一次液体,每周测重量,如图2-a所示,制备的锶磷灰石7周降解量接近30%,说明制备的锶磷灰石具有很好的降解性能,可快速降解。
[0055] 将制备的锶磷灰石骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图3-C所示,所测试样平均抗压强度为71.9MPa。
[0056] 实施例2:
[0057] PMMA粒度分布范围选择为10~53μm、锶磷灰石为2.5~20μm、硫酸钡0.2~8μm[0058] (1)锶磷灰石的制备
[0059] 首先配置200mL×0.5mol/L的硝酸锶、硝酸钙混合溶液A,配置100mL×0.5mol/L;A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例为0.15;
[0060] 在90℃的水溶中,按照体积比A:B为1.67,将100mL B加入到167mLA中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌1h后再加入氨水,有白色沉淀逐渐析出,调整pH值为11,反应2h;
[0061] 最后在温度为300℃,压力为2MPa的汽体环境中反应3h,干燥,过筛得到锶磷灰石;
[0062] (2)骨水泥的制备
[0063] 按照粉体质量百分比称取40%的PMMA、50%锶磷灰石、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0064] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比1:1将骨水泥液体(5%的N,N二甲基对甲苯胺、0.05%的对苯二酚、94.95%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为10min。
[0065] 将制备的锶磷灰石骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图3-D所示,所测试样平均抗压强度为70.2MPa。
[0066] 实施例3
[0067] PMMA粒度分布范围选择为100~150μm、锶磷灰石为33~53μm、硫酸钡10~20μm[0068] (1)锶磷灰石的制备
[0069] 首先配置200mL×0.2mol/L的硝酸锶溶液A,配置100mL×0.2mol/L;A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例为1;
[0070] 在92℃的水溶中,按照体积比A:B为1.67,将100mL B加入到167mLA中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌0.8h后再加入氨水,有白色沉淀逐渐析出,调整pH值为11,反应2h;
[0071] 最后在100℃,压力为0.1MPa的汽体环境中反应12h,干燥,过筛得到锶磷灰石;
[0072] (2)骨水泥的制备
[0073] 按照粉体质量百分比称取60%的PMMA、10%锶磷灰石、30%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0074] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比3:1将骨水泥液体(2%的N,N二甲基对甲苯胺、1%的对苯二酚、97%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为5min。
[0075] 如图2-c所示,制备的锶磷灰石的7周降解量在35%以上,说明锶磷灰石具有很好的降解性能。
[0076] 将制备的锶磷灰石骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图3-E所示,所测试样平均抗压强度为74.5MPa。
[0077] 实施例4
[0078] PMMA粒度分布范围选择为74~100μm、锶磷灰石为33~53μm、硫酸钡2.5~10μm[0079] (1)按照实施例3所述的方法制备锶磷灰石;
[0080] (2)骨水泥的制备
[0081] 按照粉体质量百分比称取50%的PMMA、30%锶磷灰石、20%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0082] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比1.5:1将骨水泥液体(1%的N,N二甲基对甲苯胺、0.5%的对苯二酚、98.5%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为8min。
[0083] 将制备的锶磷灰石骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图3-F所示,所测试样平均抗压强度为76.1MPa。
[0084] 实施例5
[0085] PMMA粒度分布范围选择为20~89μm、锶磷灰石为5~33μm、硫酸钙为10~33μm、硫酸钡1~10μm
[0086] (1)按照实施例3所述的方法制备锶磷灰石;
[0087] (2)骨水泥的制备
[0088] 按照粉体质量百分比称取50%的PMMA、20%的锶磷灰石、20%的硫酸钙、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0089] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比1.5:1将骨水泥液体(1.5%的N,N二甲基对甲苯胺、1%的对苯二酚、97.5%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为8min。
[0090] 将制备的骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图4-G所示,所测试样平均抗压强度为72.1MPa。
[0091] 实施例6
[0092] PMMA粒度分布范围选择为53~100μm、锶磷灰石为20~44μm、硫酸钙为20~44μm、硫酸钡5~10μm
[0093] (1)锶磷灰石的制备
[0094] 首先配置200mL×0.1mol/L的硝酸锶、硝酸钙混合溶液A,配置100mL×0.1mol/L;A溶液中,锶占锶钙摩尔总量的比例为0.6;
[0095] 在95℃的水溶中,按照体积比A:B为1.67,将100mL B加入到167mLA中,搅拌混合,得到浑浊沉淀悬浮液;加入硝酸调整pH值为2,溶液变清澈,搅拌1h后再加入氨水,有白色沉淀逐渐析出,调整pH值为11,反应2h;
[0096] 最后在温度为200℃,压力为1.1MPa的汽体环境中反应15h,干燥,过筛得到锶磷灰石;
[0097] (2)骨水泥的制备
[0098] 按照粉体质量百分比称取70%的PMMA、10%的锶磷灰石、10%的硫酸钙、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0099] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比2:1将骨水泥液体(5%的N,N二甲基对甲苯胺、0.05%的对苯二酚、94.95%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为10min。
[0100] 如图2-b所示,制备的锶磷灰石降解性能很好,可快速降解。
[0101] 将制备的骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图4-H所示,所测试样平均抗压强度为74.8MPa。
[0102] 实施例7
[0103] PMMA粒度分布范围选择为10~53μm、锶磷灰石为5~37μm、硫酸钙为5~33μm、硫酸钡0.2~8μm
[0104] (1)按照实施例1所述的方法制备锶磷灰石;
[0105] (2)骨水泥的制备
[0106] 按照粉体质量百分比称取40%的PMMA、10%的锶磷灰石、40%的硫酸钙、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0107] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比1:1将骨水泥液体(1%的N,N二甲基对甲苯胺、1%的对苯二酚、98%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为5min。
[0108] 将制备的骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图4-I所示,所测试样平均抗压强度为71.3MPa。
[0109] 实施例8
[0110] PMMA粒度分布范围选择为74~100μm、锶磷灰石为20~53μm、硫酸钙为20~53μm、硫酸钡2.5~8μm
[0111] (1)按照实施例1所述的方法制备锶磷灰石;
[0112] (2)骨水泥的制备
[0113] 按照粉体质量百分比称取40%的PMMA、40%的锶磷灰石、10%的硫酸钙、10%的硫酸钡,混合均匀得到骨水泥粉体;
[0114] 称取20g骨水泥粉体,按照粉液质量比1.6:1将骨水泥液体(5%的N,N二甲基对甲苯胺、2%的对苯二酚、93%的甲基丙烯酸甲酯)加入到骨水泥粉体中,搅拌混合均匀,将骨水泥注射到缺损部位,固化得到锶磷灰石骨水泥,注射时间为7min。
[0115] 将制备的骨水泥注射到制样模具中,固化后得到直径为6.0mm、长为12mm的试样,在万能力学测试机上进行抗压强度测试,如附图4-J所示,所测试样平均抗压强度为70.6MPa。