CN102430147B

CN102430147B - 可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料、制备方法及应用

Info

Publication number: CN102430147B
Application number: CN 201110257822
Authority: CN
Inventors: 苟中入; 张峰; 汪麟; 杨贤燕; 陈晓怡
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: CN102430147A

Abstract

本发明公开了一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料、制备方法及应用。其制备方法是将含Ca²⁺和Sr²⁺的溶液与十二烷基磺酸钠溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含SO₄ ^2-的无机盐溶液中，析出掺锶二水硫酸钙微粒，经过滤、洗涤、干燥后，在150~170^oC热处理后转化为掺锶α-半水硫酸钙微粒，再按固/液比0.5~2.0的比例将掺锶α-半水硫酸钙微粒与生理盐水调和形成糊状物，经水化反应并固化形成的材料。这种材料在骨损伤中持续降解并释放钙、锶和硫酸根离子，适宜于各种人体骨齿损伤修复、药物缓释等应用。本发明具有制备工艺简单、微粒形貌和尺寸容易控制、锶摻杂比例易于操控等特点。

Description

可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种生物医用材料，尤其是涉及一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料、制备方法及应用。

背景技术

由于肿瘤、创伤、感染、畸形等原因造成的骨缺损，需要对缺损的部位进行充填和再生修复，以恢复其形态和功能。虽然自体骨移植能够提供新骨生长的支架，并且含有大量具有活性的成骨细胞，从而促进骨生成(Cypher TJ, Grossman JP, J Fooot Ankle Surg. 1996; 35: 413-417)。但是在自体骨移植过程中，骨块内的成骨细胞不一定能够存活，所以临床效果不能完全有效 (Sandhu HS, Grewal HS, Orthop Clin North Am. 1999; 30:685-698)。同时，自体骨移植存在骨量较少、二次创伤等缺点，临床应用受到很大限制。有学者报道在移植部位，8-39%有并发感染、血肿、神经和尿路损伤、骨盘失稳、术后疼痛等。同种异体骨移植和异种骨移植由于受到受体免疫排斥反应的影响，生物相容性相对较差，因此使用比较局限(Stevenson S, Horowitz M, J Bone Joint Surg. 1992;74:939; Asselmeier MA, et al, Am J Sports Med. 1993; 21:170)。

随着生物材料科学与技术的发展，人工骨修复材料已经越来越多的应用在临床领域。目前，植入材料一般由钙磷基（如羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸氢钙）陶瓷和自固化材料、硫酸钙自固化材料、钙硅基材料（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; 7:739-750)。与其它人工植入材料相比，硫酸钙的临床应用最为悠久，最早应用于临床的报道是1892年德国的Dreesman将其充填与空腔性骨缺损(Dreesman H, Beitr Klin Chir. 1892, 804-810)。作为一种生物相容性优良的骨缺损填充修复生物材料，硫酸钙拥有较好的理化和生物学性能。譬如，在移植部位能够提供大量的钙离子，抑制了该区域破骨细胞的活性，刺激成骨细胞的增殖和分化，促进类骨基质的合成(Mailland M, et al. Endocrinology. 1997; 138: 3601)。其次，硫酸钙在人体骨骼缺损内被吸收代谢速率较快而且完全，并较少出现炎症反应(Scarano A, et al, Implant Dent. 2007; 16:195；Bahn SL, Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. 1966; 21: 672)。目前硫酸钙已经应用于部分骨缺损的修复领域。

虽然硫酸钙具有理想生物材料的诸多优点，但是该材料的不足是降解速度过快。在骨缺损修复中，硫酸钙过快的被吸收和代谢，不仅造成其生物力学作用丧失，而且骨再生尚未完成，导致部分缺损孔隙仍然存在，造成不能实现缺损完全修复或者修复失败(Hing KA, et al. Spine J. 2007; 7: 475)。因此，纯的硫酸钙自固化材料因其吸收过快的问题在临床中的应用受到制约。其次，硫酸钙的生物活性效应并没有得到广泛认同，仅仅为骨缺损区域提供钙离子并不能显著促进骨再生，尤其是在骨质疏松性骨损伤等病理性骨缺损修复问题。近年来，随着省材料学、组织学以及细胞生物学等学科的发展，不少学者发现通过微量元素掺入引入到人工骨修复材料的方法可以改善材料的生物学性能。微量元素锶作为一种细胞代谢过程的调节因子，在许多生物过程，包括细胞信号传导、核酸合成、骨重建等过程起到重要作用，并能调节骨骼内钙浓度和骨代谢，并显著降低骨质疏松病人骨折发生率的作用。体外实验也证实锶具有促进成骨细胞增殖和抑制破骨细胞活性的作用。中国发明专利200810301291.2公开了一种由α-半水硫酸钙与含锶的化合物机械混合研磨而成的复合物材料，试图用于骨损伤修复应用。这种材料尽管在一定程度上改善了硫酸钙自固化材料的生物活性，但是采用机械混合形成的复合物中各组分均一性、颗粒度控制以及硫酸钙的降解性均难以达到满意的效果。

根据现有专利技术、国内外文献报道来看，迫切需要探索一种能优化和改进硫酸钙自固化材料，从而扩展改善硫酸钙材料的临床应用范围和效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料、制备方法及应用；能优化和改进硫酸钙自固化材料，从而扩展改善硫酸钙材料的临床应用范围和效果。

本发明采用的技术方案是：

一、一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料：

它由掺锶的硫酸钙微粒经水化反应并固化而成的材料，其组分以氧化物形式表示的摩尔百分数含量为：

CaO 20~30%；

SO₂ 30~40%；

SrO 0.1~10%；

其余为水；上述组分之和为100%。

二、种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的制备方法，包括以下步骤：

1）将含Ca²⁺和Sr²⁺的无机盐溶液与十二烷基磺酸钠溶液混合，混合溶液中Sr²⁺:Ca²⁺的摩尔比为(0~10):30， Ca²⁺和十二烷基磺酸钠的浓度分别为0.05~0.5 mol/L和0.02~0.5 mol/L，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含SO₄ ^2-的无机盐溶液中，Ca²⁺和Sr²⁺的总摩尔数与SO₄ ^2-的摩尔数之比是1:1，反应析出掺锶二水硫酸钙微粒，过滤，洗涤，干燥。

2）将步骤1)制备的掺锶二水硫酸钙微粒在150~170^oC热处理1~3小时后，转化为掺锶α-半水硫酸钙微粒，再按固/液比0.5~2.0的比例将掺锶α-半水硫酸钙微粒与生理盐水调和形成糊状物，经水化反应后固化并形成的材料。

所述的含Sr²⁺的无机盐是Sr(NO₃)₂、SrCl₂，Sr(CH₃COO)₂中的一种或几种的任意组合。

所述的含Ca²⁺的无机盐是Ca(NO₃)₂、CaCl₂、Ca(CH₃COO)₂以及CaO溶于水后形成Ca(OH)₂中的一种或几种的任意组合。

所述的含SO₄ ^2-的无机盐来源于(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄中的一种或几种的任意组合。

三、一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的应用：

在骨科、整形外科、颅颌面外科、脑外科或口腔科中的骨、齿损伤填充再生修复和药物缓释系统的应用。

本发明具有的有益效果是：

经过简单的湿化学反应形成粒度极为细小、比表面积高的微粒，经热处理后能快速水化形成自固化材料；其次，反应溶液中的十二烷基磺酸钠能调控微粒的形态，低浓度形成片状微粒，提高十二烷基磺酸钠浓度有利于形成纤维状微粒，纤维状微粒有利于增强自固化材料的力学强度；再次，由于锶掺入到硫酸钙中部分钙离子空位，从而调节硫酸钙的生物降解速率，并在吸收过程中同步释放锶离子，能显著促进成骨相关细胞的生物活性和改善骨损伤的修复进程，极大地提高植入材料的生物学效应。此外，该掺锶硫酸钙材料的微粒是在常温下一步湿化学工艺合成，仅经历短期低热处理，不涉及高温高热反应，耗能低，制备工艺简单易行。本发明的含锶硫酸钙材料，在体内能持续降解并同步释放钙、锶和硫酸根离子，在骨缺损修复、组织引导再生、上颌窦提升、牙槽嵴保存、药物缓释系统等领域均可广泛应用。

附图说明

图1是本发明的掺锶硫酸钙材料X射线衍射图谱，图中(a)曲线为掺锶0.52%的材料的图谱，(b) 曲线为掺锶1.23%的材料的图谱，(c) 曲线为掺锶3.68%的材料的图谱，(d) 曲线为掺锶8.26%的材料的图谱。

图2是本发明的掺锶硫酸钙材料扫描电镜照片，图中(a)为掺锶0.52%的材料的照片，(b)为掺锶1.23%的材料的照片，(c)为掺锶3.68%的材料的照片，(d)为掺锶8.26%的材料的照片。

图3是本发明的掺锶硫酸钙材料的自固化糊状物外观照片，图中(a)为掺锶0.52%的材料的照片，(b)为掺锶1.23%的材料的照片，(c)为掺锶3.68%的材料的照片。

图4是本发明的掺锶硫酸钙材料的自固化糊状物对骨质疏松性骨折促进愈合修复的股骨外观大体形态照片，图中(a)假手术对照组未植入材料的照片，(b) 实验组植入掺锶1.23%材料的照片，(c) 实验组植入掺锶3.68%材料的照片，(d) 实验组植入掺锶8.26%材料的照片。

图5是本发明的掺锶硫酸钙材料的自固化物中载药缓释曲线。图中(a)纯硫酸钙自固化物中载药缓释曲线，(b) 掺锶1.23%硫酸钙自固化物中载药缓释曲线的照片，(c) 掺锶3.68%硫酸钙自固化物中载药缓释曲线。

具体实施方式

实施例1：

1）将含0.2 mol/L CaCl₂和0.04 mol/L Sr(NO₃)₂的250 mL水溶液与含0.04 mol/L十二烷基磺酸钠的250 mL水溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含0.12 mol/L (NH₄)₂SO₄的500 mL水溶液中，发生化学沉淀反应，析出微粒，经离心过滤，用去离子水和无水乙醇分别洗涤2次，然后在80^oC真空下干燥，得到掺锶二水硫酸钙。

2）将上述步骤1)制备的掺锶二水硫酸钙微粒在155 ^oC烘箱热处理1小时，再将热处理后的10 g微粒与6 g生理盐水调和形成糊状物，经水化反应4小时后逐渐固化并形成多孔性固化材料。经火焰等离子体发射光谱法测试，热处理后的微粒中含锶为0.52%，结合附图1(a)和附图2(a)的热处理后的微粒X-射线衍射图谱和扫描电镜图可见，热处理后的微粒为片状掺锶α-半水硫酸钙微粒，附图3(a)为热处理后的微粒用生理盐水调和的自固化糊状物，表明该材料具有良好的自固化性能。

实施例2：

制备方法同实施例1，所不同的是步骤1)中将含0.4 mol/L CaCl₂和0.08 mol/L Sr(AC)₂的250 mL水溶液与含0.08 mol/L十二烷基磺酸钠的250 mL水溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含0.24 mol/L (NH₄)₂SO₄的500 mL水溶液中，发生化学沉淀反应，对干燥后的微粒在160^oC下处理2小时，其余处理同实施例1。经火焰等离子体发射光谱法测试，热处理后的微粒中含锶为1.23%，附图1(b) 经热处理后的微粒X-射线衍射图谱主要为α-半水硫酸钙的衍射峰，并含有微弱的SrSO₄的衍射峰，表明微粒中含有少量SrSO₄；附图2(b)的扫描电镜图可见热处理后的微粒为片状和棒状混杂的微粒；附图3(b)为热处理后的微粒用生理盐水调和，表明该材料具有良好的自固化性能。

实施例3：

制备方法同实施例1，所不同的是步骤1)中将含0.8 mol/L Ca(AC)₂和0.24 mol/L Sr(NO₃)₂的250 mL水溶液与含0.2 mol/L十二烷基磺酸钠的250 mL水溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含0.52 mol/L K₂SO₄的500 mL水溶液中，发生化学沉淀反应，其余处理同实施例1。经火焰等离子体发射光谱法测试，热处理后的微粒中含锶为3.68%，附图1(c) 经热处理后的微粒X-射线衍射图谱主要为α-半水硫酸钙的衍射峰，并含有少量的SrSO₄的衍射峰，表明微粒中含有少量SrSO₄；附图2(c)的扫描电镜图可见热处理后的微粒为棒状微粒；附图3(c)为热处理后的微粒用生理盐水调和，显示该材料具有良好的自固化性能。

实施例4：

制备方法同实施例1，所不同的是步骤1)中将含1.2 mol/L CaCl₂和0.36 mol/L SrCl2的250 mL水溶液与含0.15 mol/L十二烷基磺酸钠的250 mL水溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含0.78 mol/L Na₂SO₄的500 mL水溶液中，发生化学沉淀反应，对干燥后的微粒在165^oC下处理3小时，再将热处理后的10 g微粒与12 g生理盐水调和形成糊状物，经水化反应4小时后逐渐固化并形成多孔性固化材料。其余处理同实施例1。经火焰等离子体发射光谱法测试，热处理后的微粒中含锶为8.26%，附图1(d) 经热处理后的微粒X-射线衍射图谱主要为α-半水硫酸钙的衍射峰，并含有SrSO₄的衍射峰，表明微粒中含有SrSO₄；附图2(d)的扫描电镜图可见热处理后的微粒为棒状微粒。

实施例5：

制备方法同实施例4，所不同的是步骤1)中与CaCl₂和SrCl₂水溶液混合的十二烷基磺酸钠水溶液的浓度为0.3 mol/L，其余处理同实施例1。热处理后的微粒为更长、更细的棒状物。

实施例6：

应用实施例2~4制备的材料进行骨质疏松症大鼠股骨骨折愈合和骨再生效率测试，具体方法和结果如下：对样品进行γ射线辐射灭菌，对24只3月周龄SD雌性大鼠，其中18只摘除卵巢，为OVXed实验组；其余6只仅在卵巢出摘除少量脂肪组织，为Sham假手术对照组。待24只大鼠正常清洁饲养到8月周龄时，活体测试实验组和对照组股骨骨密度分别为为0.10±0.043和0.18±0.06并具有统计学显著性差异，表明实验组大鼠已经患骨质疏松症。再通过γ射线辐射对材料样品进行灭菌，对OVXed组等分为三组，在无菌和麻醉条件下对所有大鼠其中一只后腿股骨进行骨折，并对实验组分别注射无菌样品1.0 g，然后缝合皮层，实施外固定；假手术对照组不植入材料，直接缝合和外固定。继续饲养8后，按注射过量麻醉剂方法处死大鼠，取完整股骨，对其进行普通数码拍照。如图4(b-d)所示实验组股骨骨折部位第8周时均完全愈合，但是如图4(a)假手术对照组形成骨肉瘤，表明掺锶α-半水硫酸钙微粒自固化材料具有优良的促进骨折愈合和完全修复功效。

实施例7：

制备方法同实施例1，所不同的是步骤1)中将纯1.2 mol/L CaCl₂ 250 mL水溶液与含0.15 mol/L十二烷基磺酸钠的250 mL水溶液混合，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含0.60 mol/L K₂SO₄的500 mL水溶液中，发生化学沉淀反应，对干燥后的微粒在165^oC下处理3小时，得到纯的α-半水硫酸钙微粒。应用上述纯的α-半水硫酸钙微粒作为对照组，将实施例2和3制备的掺锶α-半水硫酸钙微粒为实验组，各取4.0 g微粒，将其分别与含庆大霉素为5%的生理盐水4.0 g进行调和，水化反应2小时后，将三种固化材料分别放置于盛有pH和Tris的浓度分别为7.40和0.05 mol/L的20 mL Tris-HCl缓冲溶液玻璃瓶中，将玻璃瓶密闭后并置入37^oC恒温饱和水蒸气的机械振动水浴器中，在振荡2、4、8、12、24小时和2、3、5、7、14、21、28天后，取各自的浸泡液0.2 mL测试庆大霉素的浓度，并补充等量新鲜Tris-HCl缓冲溶液，维持浸泡液体积不变。如图5(a)所示，经吸光光度测试显示，纯硫酸钙自固化物中载药缓释曲线早期浓度急剧上升，后期浓度较为稳定，表明早期庆大霉素释放过快，后期释放极为缓慢；但是掺锶1.23%硫酸钙自固化物(如图5 (b) )和掺锶3.68%(如图5 (c) )硫酸钙自固化物中载药缓释早期平稳，后期仍然维持良好释放，表明掺锶α-半水硫酸钙微粒自固化材料对载药具有优良的缓释性能。

但这些实例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。

Claims

1.一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料，其特征在于：它由掺锶的硫酸钙微粒经水化反应并固化而成的材料，其组分以氧化物形式表示的摩尔百分数含量为：

CaO 20~30%；

SO₂ 30~40%；

SrO 0.1~10%；

其余为水；上述组分之和为100%；

制备方法包括以下步骤：

1）将含Ca²⁺和Sr²⁺的无机盐溶液与十二烷基磺酸钠溶液混合，混合溶液中Sr²⁺:Ca²⁺的摩尔比为(0~10):30，Ca²⁺和十二烷基磺酸钠的浓度分别为0.05~0.5 mol/L和0.02~0.5 mol/L，再将该混合溶液滴加到持续超声和搅拌处理的含SO₄ ^2-的无机盐溶液中，Ca²⁺和Sr²⁺的总摩尔数与SO₄ ^2-的摩尔数之比是1:1，反应析出掺锶二水硫酸钙微粒，过滤，洗涤，干燥；

2.根据权利要求1所述的一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的制备方法，其特征在于：所述的含Sr²⁺的无机盐是Sr(NO₃)₂、SrCl₂，Sr(CH₃COO)₂中的一种或几种的任意组合。

4.根据权利要求2所述的一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的制备方法，其特征在于：所述的含Ca²⁺的无机盐是Ca(NO₃)₂、CaCl₂、Ca(CH₃COO)₂以及CaO溶于水后形成Ca(OH)₂中的一种或几种的任意组合。

5.根据权利要求2所述的一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的制备方法，其特征在于：所述的含SO₄ ^2-的无机盐来源于(NH₄)₂SO₄、Na₂SO₄、K₂SO₄中的一种或几种的任意组合。

6.根据权利要求1所述的一种可生物降解的生物活性掺锶硫酸钙材料的应用，其特征在于：在骨科、整形外科、颅颌面外科、脑外科或口腔科中的骨、齿损伤填充再生修复和药物缓释系统的应用。