專利名稱：可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物醫用材料，尤其是涉及一種可生物降解的生物活性摻鍶硫酸鈣材料、制備方法及應用。
背景技術：
由于腫瘤、創傷、感染、畸形等原因造成的骨缺損，需要對缺損的部位進行充填和再生修復，以恢復其形態和功能。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胞，從而促進骨生成(Cypher TJ, Grossman JP, J Fooot Ankle Surg. 1996; 35: 413-417)。但是在自體骨移植過程中，骨塊內的成骨細胞不一定能夠存活，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、二次創傷等缺點，臨床應用受到很大限制。 有學者報道在移植部位，8-39%有并發感染、血腫、神經和尿路損傷、骨盤失穩、術后疼痛等。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)。隨著生物材料科學與技術的發展，人工骨修復材料已經越來越多的應用在臨床領域。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，硫酸鈣的臨床應用最為悠久，最早應用于臨床的報道是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良的骨缺損填充修復生物材料，硫酸鈣擁有較好的理化和生物學性能。譬如，在移植部位能夠提供大量的鈣離子，抑制了該區域破骨細胞的活性，刺激成骨細胞的增殖和分化，促進類骨基質的合成(Mailland M, et al. Endocrinology. 1997; 138: 3601)。其次，硫酸鈣在人體骨骼缺損內被吸收代謝速率較快而且完全，并較少出現炎癥反應(Scarano A，et al, Implant Dent. 2007; 16:195 ；Bahn SL, Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. 1966; 21: 672)。 目前硫酸鈣已經應用于部分骨缺損的修復領域。雖然硫酸鈣具有理想生物材料的諸多優點，但是該材料的不足是降解速度過快。 在骨缺損修復中，硫酸鈣過快的被吸收和代謝，不僅造成其生物力學作用喪失，而且骨再生尚未完成，導致部分缺損孔隙仍然存在，造成不能實現缺損完全修復或者修復失敗(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用受到制約。其次，硫酸鈣的生物活性效應并沒有得到廣泛認同，僅僅為骨缺損區域提供鈣離子并不能顯著促進骨再生，尤其是在骨質疏松性骨損傷等病理性骨缺損修復問題。近年來，隨著省材料學、組織學以及細胞生物學等學科的發展，不少學者發現通過微量元素摻入引入到人工骨修復材料的方法可以改善材料的生物學性能。微量元素鍶作為一種細胞代謝過程的調節因子，在許多生物過程，包括細胞信號傳導、核酸合成、骨重建等
3過程起到重要作用，并能調節骨骼內鈣濃度和骨代謝，并顯著降低骨質疏松病人骨折發生率的作用。體外實驗也證實鍶具有促進成骨細胞增殖和抑制破骨細胞活性的作用。中國發明專利200810301291. 2公開了一種由α -半水硫酸鈣與含鍶的化合物機械混合研磨而成的復合物材料，試圖用于骨損傷修復應用。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，但是采用機械混合形成的復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到滿意的效果。根據現有專利技術、國內外文獻報道來看，迫切需要探索一種能優化和改進硫酸鈣自固化材料，從而擴展改善硫酸鈣材料的臨床應用范圍和效果。
發明內容
本發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、制備方法及應用；能優化和改進硫酸鈣自固化材料，從而擴展改善硫酸鈣材料的臨床應用范圍和效果。本發明采用的技術方案是
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水化反應并固化而成的材料，其組分以氧化物形式表示的摩爾百分數含量為 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超聲和攪拌處理的含S042_的無機鹽溶液中，Ca2+和Sr2+ 的總摩爾數與S042_的摩爾數之比是1:1，反應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和形成糊狀物，經水化反應后固化并形成的材料。所述的含Sr2+的無機鹽是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和藥物緩釋系統的應用。本發明具有的有益效果是
經過簡單的濕化學反應形成粒度極為細小、比表面積高的微粒，經熱處理后能快速水化形成自固化材料；其次，反應溶液中的十二烷基磺酸鈉能調控微粒的形態，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自固化材料的力學強度；再次，由于鍶摻入到硫酸鈣中部分鈣離子空位，從而調節硫酸鈣的生物降解速率，并在吸收過程中同步釋放鍶離子，能顯著促進成骨相關細胞的生物活性和改善骨損傷的修復進程，極大地提高植入材料的生物學效應。此外，該摻鍶硫酸鈣材料的微粒是在常溫下一步濕化學工藝合成，僅經歷短期低熱處理，不涉及高溫高熱反應，耗能低，制備工藝簡單易行。本發明的含鍶硫酸鈣材料，在體內能持續降解并同步釋放鈣、鍶和硫酸根離子，在骨缺損修復、組織引導再生、上頌竇提升、牙槽嵴保存、藥物緩釋系統等領域均可廣泛應用。
圖1是本發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是本發明的摻鍶硫酸鈣材料的自固化糊狀物對骨質疏松性骨折促進愈合修復的股骨外觀大體形態照片，圖中(a)假手術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超聲和攪拌處理的含 0. 12 mol/L (NH4)2S04&500 mL水溶液中，發生化學沉淀反應，析出微粒，經離心過濾，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生理鹽水調和形成糊狀物，經水化反應4小時后逐漸固化并形成多孔性固化材料。經火焰等離子體發射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為0. 52%，結合附圖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超聲和攪拌處理的含0. 24 mol/L (NH4)2SO4的500 mL水溶液中，發生化學沉淀反應，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。經火焰等離子體發射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為1. 23%，附圖1 (b)經熱處理后的微粒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超聲和攪拌處理的含0. 52 mol/L K2SO4的500 mL水溶液中，發生化學沉淀反應，其余處理同實施例1。經火焰等離子體發射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為3. 68%，附圖1 (c)經熱處理后的微粒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超聲和攪拌處理的含0. 78 mol/L Na2SO4的500 mL水溶液中，發生化學沉淀反應，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生理鹽水調和形成糊狀物，經水化反應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。經火焰等離子體發射光譜法測試，熱處理后的微粒中含鍶為8. 26%,附圖1 (d)經熱處理后的微粒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、更細的棒狀物。實施例6
應用實施例2、制備的材料進行骨質疏松癥大鼠股骨骨折愈合和骨再生效率測試，具體方法和結果如下對樣品進行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假手術對照組。待M只大鼠正常清潔飼養到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并具有統計學顯著性差異，表明實驗組大鼠已經患骨質疏松癥。再通過Y射線輻射對材料樣品進行滅菌，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；假手術對照組不植入材料，直接縫合和外固定。繼續飼養8后，按注射過量麻醉劑方法處死大鼠，取完整股骨，對其進行普通數碼拍照。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良的促進骨折愈合和完全修復功效。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超聲和攪拌處理的含0.60 mol/L K2SO4W 500 mL水溶液中，發生化學沉淀反應，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進行調和，水化反應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，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良的緩釋性能。但這些實例并不限制本發明的范圍，凡基于本發明上述內容所實現的技術和制備的材料均屬于本發明的保護范圍。實施例所使用試劑純度均不低于其分析純試劑純度指標。
權利要求
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水化反應并固化而成的材料，其組分以氧化物形式表示的摩爾百分數含量為CaO 20 30% ；SO2 30^40% ；SrO 0. Γ10% ；其余為水；上述組分之和為100%。
2.根據權利要求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超聲和攪拌處理的含S042_的無機鹽溶液中，Ca2+和Sr2+ 的總摩爾數與S042_的摩爾數之比是1:1，反應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和形成糊狀物，經水化反應后固化并形成的材料。
3.根據權利要求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+的無機鹽是Sr(N03)2、SrCl2, Sr(CH3COO)2中的一種或幾種的任意組合。
4.根據權利要求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.根據權利要求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/—的無機鹽來源于(NH4)2S04、Na2SO4, K2SO4中的一種或幾種的任意組合。
6.根據權利要求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和藥物緩釋系統的應用。
全文摘要
本發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超聲和攪拌處理的含SO42-的無機鹽溶液中，析出摻鍶二水硫酸鈣微粒，經過濾、洗滌、干燥后，在150~170oC熱處理后轉化為摻鍶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和形成糊狀物，經水化反應并固化形成的材料。這種材料在骨損傷中持續降解并釋放鈣、鍶和硫酸根離子，適宜于各種人體骨齒損傷修復、藥物緩釋等應用。本發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。
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 優先權日2011年9月2日
發明者張峰, 楊賢燕, 汪麟, 茍中入, 陳曉怡 申請人:浙江大學