CN115252908A - 增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,以α‑半水硫酸钙和去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料,再将复合材料干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架;本发明的复合多孔钛支架具有诱导性和骨传导性的优点,随着α‑半水硫酸钙降解,最终新骨完全替代α‑半水硫酸钙填充多孔钛间隙,实现牢固长入,增强骨与植入物的接触面结合,尤其适用于骨生长能力受损的患者;通过本发明步骤制备的α‑半水硫酸钙,整个制备条件简单、反应温和、不产生高温或者有害物质;此外,还具有良好的生物相容性,即无细胞毒性,不会破坏现有的细胞,不会抑制细胞的生长。
Description
技术领域
本发明涉及生物医用材料技术领域,尤其是一种增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法。
背景技术
交通事故、意外、疾病等各种原因每年造成大量骨骼创伤和缺损病例,当出现大面积骨质缺损时,骨折两端无法固定对接,骨骼修复失败,出现骨不连或畸形愈合等情况。此时需要骨修复材料填充以帮助连接重建骨质结构、促进骨质生成;随着人口老龄化,人们对关节置换的需求量不断增加,而现有的假体使用寿命有限,导致翻修数量剧增。
关节置换翻修手术中,取出假体造成的骨大量损失,使用骨水泥填充骨-假体接触面后无法为宿主骨提供生长的空间。此外,复杂的关节疾病常伴有以下基础病:糖尿病、骨质疏松症、非甾体类药物长期使用者等,这类患者的骨生长能力受损,置入的假体中缺乏诱导骨生成的材料,导致假体与人体组织之间结合不牢固,从而导致假体的使用寿命短、返修率高,给患者带来了较重的经济负担以及身体带来痛楚。
发明内容
针对传统假体缺乏骨诱导性和骨传导性,导致骨生长能力受损患者的假体与人体组织之间结合不牢固的技术问题,本发明提供一种增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法。
本发明所采用的技术方案是:增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,以α-半水硫酸钙和去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料,再将复合材料干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架。
多孔钛作为一种惰性金属,在体内不释放有害的金属离子,具有类似人体骨骼的机械强度和高孔隙率和适当的孔径尺寸,非常适用于骨缺损修复。但单纯的多孔钛新骨长入情况依旧不理想,无法实现骨细胞尽可能的长入孔隙,填充多孔钛的间隙,缺乏骨诱导性和骨传导性。为此,本发明在多孔钛的孔中填充了α-半水硫酸钙和去离子水混合的骨水泥。半水硫酸钙因为相对合适的降解速率和稳定性,使得其可以成为硫酸钙中主流的骨替代材料。而α-半水硫酸钙为六方晶系,晶体长径比低,尺寸大,晶形相对稳定,尤其适用于骨替代材料。在复合多孔钛支架置入人体后,α-半水硫酸钙在体内降解时产生的钙离子和硫酸根离子是骨骼形成的重要成分,细胞外高浓度钙离子抑制骨髓间充质干细胞向破骨细胞分化,而促进其向成骨细胞分化;同时促进成骨细胞的增殖,诱导成骨细胞向骨重建区域迁移,提高碱性磷酸酶的活力,进而增加骨长入能力,此特点正是骨修复的对接需求。赋予了多孔钛骨诱导性和骨传导性的优点,随着α-半水硫酸钙降解,最终新骨完全替代α-半水硫酸钙填充多孔钛间隙,实现牢固长入,增强骨与植入物的接触面结合。
进一步的是,去离子水与α-半水硫酸钙的比例为0.25~0.45。自固化性是人工骨修复材料的一个重要特性,α-半水硫酸钙具有自固化性,去离子水作为固化液。人工骨修复材料的另一个重要特性就是合理的固化时间,去离子水与α-半水硫酸钙以不同的比例混合,其固化时间不同,本申请的发明人在大量实验的基础上,优选出去离子水与α-半水硫酸钙的比例为0.25~0.45。
进一步的是,多孔钛支架通过选择性激光烧结制成,具有制造工艺简单,柔性度高、材料选择范围广、材料价格便宜,成本低、材料利用率高,成型速度快等优点。
进一步的是,多孔钛支架的孔隙率为70%~80%,孔隙率的范围选择也是经过发明人的大量实践,实践中发现,孔隙率过高会影响多空钛支架的强度,孔隙率过低会影响骨与多空钛支架的接触面结合,最终将孔隙率优选为70%~80%。
进一步的是,多孔钛支架内的孔径为200μm~600μm。本发明控制了多孔钛孔径的范围,该范围最有利于纤维、血管、细胞生长。
进一步的是,各步骤中:
S1在容器中加入36~44份粉末状的二水硫酸钙和90~110份去离子水后混合搅拌,再在容器中加入0.14~0.16份醋酸钠和3~3.6份氯化钙混合搅拌后,把容器置于高压蒸汽灭菌器中,二水硫酸钙经过溶解再结晶,形成半水硫酸钙结晶体;
S2将步骤S1制备的半水硫酸钙结晶体放到电热鼓风干燥箱中进行干燥处理;
S3从电热鼓风干燥箱中取出结晶体经研磨得到白色粉末状的α-半水硫酸钙,将白色粉末状的α-半水硫酸钙存放于常温干燥处备用;
S4将步骤S3制备的α-半水硫酸钙与去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料;
S5将步骤S4制备的复合材料经干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架。
现有技术中有许多方式制备α-半水硫酸钙,例如以磷石膏为原料,硫酸钠为转晶剂制备α-半水硫酸钙;也有利用醋酸钙溶液加入反应瓶中,升温至一定温度,加入硫酸钠于反应瓶中,保温反应后过滤得到硫酸钙湿品和硫酸钙母液,湿品经100℃气流干燥得到α-半水硫酸钙粉末。但这些方式的缺陷在于:制备条件复杂、能源消耗大、材料取材不便、制备过程中会产生有毒或难以处理的物质、纯度不高等缺陷。基于现有技术的缺陷,通过本发明步骤制备的α-半水硫酸钙,整个制备条件简单、反应温和、取材容易、能源消耗小、不产生高温或者有害物质。此外,还具有良好的生物相容性,即无细胞毒性,不会破坏现有的细胞,不会抑制细胞的生长;合适的生物降解性,既要可降解吸收,又要使降解的速率与新骨生成的速率协调;优良的骨传导性及骨诱导性。
进一步的是,步骤S1中,高压蒸汽灭菌器中的温度为120~140℃,反应时间为1.5h~2.5h。
进一步的是,步骤S2中,电热鼓风干燥箱中的温度为100~120℃,干燥时间为24h~30h。
进一步的是,步骤S2中,半水硫酸钙结晶体在电热鼓风干燥箱中干燥时,并在热状态下依次进行3~4次抽滤、沸水洗涤处理。该步骤的目的是洗去多余晶型转化剂,使制备的α-半水硫酸钙粉末纯度更高。
进一步的是,步骤S4中,选取粒径范围为40μm~100μm的粉末状α-半水硫酸钙。发明人在大量实验的基础上发现不同粒径的α-半水硫酸钙会影响复合多孔钛支架的性能,粒径过大的α-半水硫酸钙,由于其块头大,因此含有的杂质较多,纯度低,将会影响复合多孔钛支架与人体组织之间结合;粒径过小,填入到多孔钛支架内的骨水泥,在复合多孔钛支架置入到人体的过程中,受压力的影响,较小的α-半水硫酸钙会扩散至血液内,随血液循环入肺,造成栓塞,给患者带来痛楚和不必要的经济负担。为此,在大量实验的基础上,本发明优选α-半水硫酸钙的粒径范围为40μm~100μm。
本发明的有益效果是:
1、本发明的复合多孔钛支架具有诱导性和骨传导性的优点,随着α-半水硫酸钙降解,最终新骨完全替代α-半水硫酸钙填充多孔钛间隙,实现牢固长入,增强骨与植入物的接触面结合,尤其适用于骨生长能力受损的患者。
2、本发明以多孔钛作为基础,同时控制了多孔钛孔径的范围,该范围最有利于纤维、血管、细胞生长。
3、通过本发明步骤制备的α-半水硫酸钙,整个制备条件简单、反应温和、取材容易、能源消耗小、不产生高温或者有害物质;此外,还具有良好的生物相容性,即无细胞毒性,不会破坏现有的细胞,不会抑制细胞的生长;合适的生物降解性,既要可降解吸收,又要使降解的速率与新骨生成的速率协调。
附图说明
图1是α-半水硫酸钙与去离子不同固液比下的初凝时间和终凝时间图。
图2是不同液固比下骨水泥的失重率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
实施例一
增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,所述各步骤中:
S1在容器中加入40份粉末状的二水硫酸钙和100份去离子水后混合搅拌,再在容器中加入0.15份醋酸钠和3.3份氯化钙混合搅拌后,把容器置于高压蒸汽灭菌器中,设置温度为130℃,反应时间为2h,二水硫酸钙经过溶解再结晶,形成半水硫酸钙结晶体;
S2将步骤S1制备的半水硫酸钙结晶体放到电热鼓风干燥箱中进行干燥处理,电热鼓风干燥箱中的温度为110℃,干燥时间为24h;
S324h后从电热鼓风干燥箱中取出结晶体经研磨得到白色粉末状的α-半水硫酸钙,其粒径大小经分析筛后选取取粒径范围为40μm~100μm的粉末状α-半水硫酸钙,将白色粉末状的α-半水硫酸钙存放于常温干燥处备用;
S4将步骤S3制备的α-半水硫酸钙与去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料;去离子水与α-半水硫酸钙的比例为1g:0.2ml;
S5将步骤S4制备的复合材料经干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架。
实施例二
本实施例在步骤S4中去离子水与α-半水硫酸钙的比例不同,其余条件均相同,本实施例中去离子水与α-半水硫酸钙的比例为1g:0.25ml。
实施例三
本实施例在步骤S4中去离子水与α-半水硫酸钙的比例不同,其余条件均相同,本实施例中去离子水与α-半水硫酸钙的比例为1g:0.3ml。
实施例四
本实施例在步骤S4中去离子水与α-半水硫酸钙的比例不同,其余条件均相同,本实施例中去离子水与α-半水硫酸钙的比例为1g:0.4ml。
实施例五
本实施例在步骤S4中去离子水与α-半水硫酸钙的比例不同,其余条件均相同,本实施例中去离子水与α-半水硫酸钙的比例为1g:0.5ml。
α-半水硫酸钙的凝固时间实验:
自固化性是人工骨修复材料的一个重要特性,α-半水硫酸钙具有自固化性。同时,人工骨修复材料的另一个重要特性就是合理的固化时间。人工骨修复材料的固化时间可分为初凝时间(initialsettingtime,T1)和终凝时间(finalsettingtime,TF)两阶段。根据对临床的观察和临床医生的要求,Khairoun提出广为临床接受的人工骨修复材料固化时间标准:⑴3min≤T1≤8min;⑵T1-Tc≥1min;⑶TF≤15min。其中,Tc为粘合时间,即固液两相开始混合到混合物与液体接触不再发生稀散之间的时间。α-半水硫酸钙的初凝时间和终凝时间均受固化环境的温度与湿度、固化液、液固比等因素影响。本研究统一环境温度为25℃,空气湿度为80%,固化液为去离子水,以α-半水硫酸钙粉体与去离子水比例不同分为5组。α-半水硫酸钙在不同液固比的条件下,凝固时间如表1和图1所示。
表1:不同液固比固化的α-半水硫酸钙的凝固时间(min,X±s)
液固比 | 形状 | 初凝时间 | 终凝时间 | 是否符合标准 | |
实施例一 | 0.2 | 团状 | 1.7±0.3 | 6.1±1.1 | 不符合 |
实施例二 | 0.25 | 糊状 | 2.6±0.8 | 7.7±1.8 | 不符合 |
实施例三 | 0.3 | 糊状 | 3.3±1.4 | 8.4±2.0 | 符合 |
实施例四 | 0.4 | 糊状 | 5.9±1.9 | 13.9±3.2 | 符合 |
实施例五 | 0.5 | 糊状 | 6.6±1.8 | 16.9±3.5 | 不符合 |
可以看出当固化液含量比增加时,α-半水硫酸钙的凝固时间(初凝、终凝时间)均延长。当液固比为0.2时,初凝时间为1.7±0.3min,终凝时间为6.1±1.1min;等液固比增加至0.5时,初凝时间为6.6±1.9min,终凝时间为16.9±3.5min。综上,实施例三和实施例四制备的骨水泥符合标准。为此,本发明优选去离子水与α-半水硫酸钙的比例为0.25~0.45。
α-半水硫酸钙的降解性实验:
以α-半水硫酸钙粉体与去离子水比例分别为:1g:0.2ml、1g:0.25ml、1g:0.3ml、1g:0.4ml、1g:0.5ml分为5组,依次混合、成形,放入SBF溶液中2周,测定其失重率,所得结果如图2所示。当液固比为0.2时,失重率为50.7%±2.5%,液固比为0.5时,失重率升至58.3%±2.4%,可见随着液固比的增加,α-半水硫酸钙骨水泥的降解速率逐渐加快。
活体实验
第1组(空白组):只打孔未植入多孔钛支架;
第2组(对照组):未填α-半水硫酸钙的多孔钛支架;
第3组(实验组):实施例三制备的复合多孔钛支架;
实验条件:将上述3种制备的多孔钛支架植入兔股骨髁,4周后对兔实行安乐死,将符合多孔钛连同周围骨组织一并取出,经过固定、洗脱、包埋后制成薄片进行Micro-CT扫描后,评估新骨长入情况。
实验结果:第1组(空白组)、第2组(对照组)和第3组(实验组)的骨长入百分比分别为15%、35%、76%。
实验结论:第3组(实验组)是第2组(对照组)新骨长入的2倍以上,是第1组(空白组)的5倍,大大增加骨长入的能力。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,以α-半水硫酸钙和去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料,再将复合材料干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架。
2.如权利要求1所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述去离子水与α-半水硫酸钙的比例为0.25~0.45。
3.如权利要求1所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述多孔钛支架通过选择性激光烧结制成。
4.如权利要求1所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述多孔钛支架的孔隙率为70%~80%。
5.如权利要求1所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述多孔钛支架内的孔径为200μm~600μm。
6.如权利要求1所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述各步骤中:
S1在容器中加入36~44份粉末状的二水硫酸钙和90~110份去离子水后混合搅拌,再在容器中加入0.14~0.16份醋酸钠和3~3.6份氯化钙混合搅拌后,把容器置于高压蒸汽灭菌器中,二水硫酸钙经过溶解再结晶,形成半水硫酸钙结晶体;
S2将步骤S1制备的半水硫酸钙结晶体放到电热鼓风干燥箱中进行干燥处理;
S3从电热鼓风干燥箱中取出结晶体经研磨得到白色粉末状的α-半水硫酸钙,将白色粉末状的α-半水硫酸钙存放于常温干燥处备用;
S4将步骤S3制备的α-半水硫酸钙与去离子水混合搅拌后得骨水泥,将骨水泥填充到多孔钛支架中得到复合材料;
S5将步骤S4制备的复合材料经干燥后去除细节突出部分得到规整的复合多孔钛支架。
7.如权利要求6所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述步骤S1中,高压蒸汽灭菌器中的温度为120~140℃,反应时间为1.5h~2.5h。
8.如权利要求6所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,电热鼓风干燥箱中的温度为100~120℃,干燥时间为24h~30h。
9.如权利要求6所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述步骤S2中,半水硫酸钙结晶体在电热鼓风干燥箱中干燥时,并在热状态下依次进行3~4次抽滤、沸水洗涤处理。
10.如权利要求6所述的增加新骨长入的复合多孔钛支架的制备方法,其特征在于,所述步骤S4中,选取粒径范围为40μm~100μm的粉末状α-半水硫酸钙。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yao Kaitao Inventor after: Yin Yiran Inventor after: Tan Junjie Inventor after: Liu Jinhui Inventor after: Duan Ke Inventor before: Yao Kaitao Inventor before: Yin Yiran Inventor before: Tan Junjie Inventor before: Liu Jinhui Inventor before: Duan Ke |
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CB03 | Change of inventor or designer information |