本發明屬于醫用材料技術領域，更具體地，涉及一種高無機組分的復合型骨水泥及其制備方法和應用。

背景技術：

聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)骨水泥因具有良好生物力學特性與快速成型等優點，被廣泛應用于髖關節置換等手術中。但也存在如下缺點：其一，自凝聚合過程當中放出大量熱量，容易引起周圍組織發生炎癥反應，導致植入材料與宿主骨間發生松動。其二，pmma屬惰性材料，無生物活性。其三，很難降解。

針對以上缺點，申請人前期已探究了經p（mma-co-mps）修飾后的納米羥基磷灰石（n-ha）與pmma混合后的骨水泥的力學性能和生物性能。n-ha本具有優良的生物活性，經p（mma-co-mps）高度修飾的n-ha在混入骨水泥固化成型后被pmma基體緊密得包裹，孔徑大小在數微米及微米以下，不足以使細胞透過。但是，在后期的動物體內實驗中發現，上述骨水泥材料在動物體內非常穩定，新骨只存在于pmma骨水泥周圍，也就說明修飾后的納米羥基磷灰石降解速率更慢。

因此，急需一種解決上述降解和吸收僅發生在骨水泥表面，且吸收速率緩慢的問題，以更適應臨床上骨水泥材料的需要。

技術實現要素：

本發明的目的在于根據現有技術中的不足，提供了一種復合型骨水泥。

本發明的另一目的在于提供上述復合型骨水泥的制備方法。

本發明的再一目的在于提供上述復合型骨水泥的應用。

本發明為解決上述問題，將磷酸三鈣(β-tcp)與p(mma-co-mps)-nha復合，既能解決納米羥基磷灰石吸收過慢的問題，又能進一步促進pmma骨水泥的生物活性，使其更適應臨床需求。

本發明的目的通過以下技術方案實現：

一種高無機組分的復合型骨水泥，包括固相組分和液相組分，所述固相組分由經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石、聚甲基丙烯酸甲酯、β-磷酸三鈣和過氧化苯甲酰組成，所述液相組分由甲基丙烯酸甲酯和對苯二甲酸二甲酯組成；

所述復合型骨水泥的固體組分和甲基丙烯酸甲酯的質量體積比為1：(2.5~3.5)；

所述經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石和β-磷酸三鈣的量之和占固相組分的35~40%。

優選地，所述經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石的修飾度為0.2~0.5。

優選地，所述復合型骨水泥的固體組分和甲基丙烯酸甲酯的質量體積比為1：3；所述經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石和β-磷酸三鈣的量之和占固相組分的40%。

優選地，所述經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石與β-磷酸三鈣的質量比為（3~7）：（3~7）。

優選地，所述的聚甲基丙烯酸甲酯的分子量為75萬。

優選地，經p(mma-co-mps)表面修飾的羥基磷灰石采用如下方法進行制備：

s1.在惰性氣體下，將甲基丙烯酸甲酯、偶氮二異丁腈、硅烷偶聯劑、鏈轉移劑和四氫呋喃加入容器中，在60~70℃攪拌反應6~8小時，得p（mma-co-mps）共聚物；

s2.將s1中所得p(mma-co-mps)共聚物加入丙酮溶解，然后加入甲醇溶液，用冰醋酸把ph值調至3.5~4.0，在40~60℃下反應1~3個小時，再加入含有納米羥基磷灰石的甲醇溶液，調節ph至堿性，將產物干燥后即得。

優選地，所述p(mma-co-mps)共聚物與納米羥基磷灰石的質量比為0.3:1。

首先，本文在保持無機成分占骨水泥粉劑35~40%的基礎上，調整了p（mma-co-mps）在ha表面的修飾度，從而增加了pmma骨水泥的生物活性。

其次，ha在體內的降解速率本生就慢，再經修飾后降解速率更慢，不利于細胞透過。因此向骨水泥粉劑中加入β-tcp，增加了骨水泥的生物降解吸收速率，使其與細胞，組織生長速率更匹配。進一步促進了pmma骨水泥的生物活性。通過對pmma骨水泥配方的以上調整，其力學性能影響不大，生物活性得到顯著增長，使其更適應臨床的需求。

本發明提供的p(mma-co-mps)可參考之前專利201310545809.8進行制備。

本發明同時提供所述的復合型骨水泥的制備方法，室溫下，將骨水泥的固體組分和液體組分按質量體積比混合后攪拌均勻，灌入模具，完全固化后取出樣品。

與現有技術相比，本發明具有以下優點及有益效果：

本發明為了提高pmma骨水泥的生物活性，在骨水泥粉劑中添加含量高達40%的無機成分：β-tcp以及經p（mma-co-mps）修飾的納米羥基磷灰石。同時調整了p（mma-co-mps）對ha的修飾度，這在保證pmma骨水泥的力學性能不受影響的情況下，增強了nha的可吸收性。β-tcp的加入也進一步加強了pmma骨水泥的生物相容性，從而得到了力學性能和生物性能均優異的(nha+β-tcp)/pmma復合型骨水泥。本發明提供的制備方法簡單可行，原料易得，適于工業化生產和臨床應用。

附圖說明

圖1為β-tcp的x射線衍射圖。

圖2為實施例中提供的骨水泥材料力學性能圖。

圖3為實施例中提供的骨水泥材料在礦化前后的sem形貌圖。

圖4為實施例中提供的骨水泥材料的體外細胞毒性測試圖。

具體實施方式

以下結合具體實施例和附圖來進一步說明本發明，但實施例并不對本發明做任何形式的限定。除非特別說明，本發明采用的試劑、方法和設備為本技術領域常規試劑、方法和設備。

除非特別說明，本發明所用試劑和材料均為市購。

實施例1：原料制備：

1、pmma的合成：

將0.35g聚乙烯醇（pva），56mlmma和0.13g過氧化苯甲酰（bpo）溶解在360ml去離子水中，劇烈攪拌，升溫至80℃反應2個小時，然后升溫到87℃反應2個小時，最后升溫至95℃反應2個小時，得到白色顆粒狀產物，水洗2次，酒精洗2次，然后真空干燥。待產物完全干燥后使用球磨儀研磨，研磨后過100目篩子得白色pmma粉末，干燥保存。

2、p(mma-co-mps)的合成：

2.1原料純化

thf純化：向四氫呋喃（thf）中加入氫化鈣后加熱至62℃蒸餾。蒸餾后得到的液體再加入鈉鉀合金熱至62℃蒸餾，得到純度高的無水thf。

mps純化：向硅烷偶聯劑kh-570（mps）加入氫化鈣后抽真空并加熱至100℃蒸餾。

2.2p(mma-co-mps)的合成

p(mma-co-mps)通過自由基聚合的方式合成，以使用巰基乙醇（hsch2ch2oh）為鏈轉移劑。在60ml四氫呋喃（thf），迅速加入25.49gmma、7.15gmps、0.12g引發劑aibn以及0.26ghsch2ch2oh。氬氣保護下，升溫至70℃反應6個小時后停止反應得到產物。得到產物用乙醚重沉淀3次，真空干燥后研磨干燥成品得到p(mma-co-mps)白色粉末，密封保存。

3、ha的合成

以聚乙二醇2000(peg2000)作為分散劑，再加入分別溶于500ml蒸餾水中的47.2g水合硝酸鈣（ca(no3)2·4h2o）和13.2g磷酸氫二銨（(nh4)2hpo4），超聲環境下，將(nh4)2hpo4溶液緩慢滴入(cano3)2·4h2o溶液中，同時用氨水調節ph至10，滴加結束后陳化24小時，將產物離心后水洗3次，真空干燥，研磨后得白色ha粉末，密封保存。

4、ha的表面修飾

將1.8gp(mma-co-mps)共聚物，加入60ml丙酮中。待溶解完全后加入100ml的90%甲醇溶液，用冰醋酸把ph值調至3.5-4.0，在50℃下反應1.5個小時，使p(mma-co-mps)中的硅氧烷完全水解。再加入含有6.0gha的90%甲醇溶液，使用10%naoh溶液調節ph至10.0促進縮合反應，反應24小時后停止反應。離心，干燥后用thf清洗粉末三次，干燥后密封保存，得到修飾度為0.3的p(mma-co-mps)-nha。記作0.3-nha。

5、β-tcp的合成

5.1、合成：采用水熱法合成β-tcp。將9.45g硝酸鈣（ca(no3)2·4h2o）和1.98g磷酸氫二銨（(nh4)2hpo4）分別溶于500ml蒸餾水中，再把(nh4)2hpo4溶液緩慢滴加入(cano3)2·4h2o溶液中，在40℃下，用氨水調節ph在5.5-6之間，滴定結束之后40℃陳化24小時，水洗3次，酒精洗3次干燥。干燥后再將產品放入馬弗爐中950℃煅燒，研磨過100目篩子得白色β-tcp粉末，密封保存。

5.2、β-tcp的表征

x射線衍射：磷酸鈣粉末的結構分析使用x射線衍射分析儀（cukα1），電子束能量為36kv，電子速電流為30ma，旋轉速率為4^o/min，掃描角度為20°-70°，掃描速率為10°/min。

紅外分析：使用傅里葉紅外光譜儀（ftir）定性分析β-tcp的構成。使用vertex70光譜儀（bruker，德國）采集，掃描范圍：4000~400cm^-1。

圖1為β-tcp的x射線衍射圖（xrd），經950℃煅燒后得到的β-tcp衍射峰窄且尖銳，說明其結晶度好。將此圖譜與β-tcp的標準圖譜進行對照，其三條主峰與標準圖譜一致，幾乎沒有雜峰出現，說明我們制得的β-tcp純度很高。

實施例2：骨水泥的合成：

室溫下，將骨水泥的固體組分和液體組分按質量體積比（w/v）為1：3的比例混合后攪拌均勻，灌入模具，完全固化后取出樣品。

其中固相組分中包含pmma、0.3-nha、β-tcp、baso4、bpo；液相組分中包含mma、dmt。其中pmma的分子量約為75萬。實施例2~4的原料比例見表1所示：

表1

實施例3：力學性能測試

實施例2中骨水泥的力學性能表征主要選擇測試成品的壓縮性能。測試方法為：壓縮實驗骨水泥樣品打磨成長12mm，直徑6mm的圓柱體。使用萬能材料試驗機（wd-5a），加載速率為5mm/min。記錄樣品的應力-形變圖，取應力-形變曲線中k值為2%時的應力，將其除以圓柱體的橫截面積，即可求得壓縮強度。

所有力學性能的測試均參照iso5833國際標準進行。

本發明中cap/ha-pmma骨水泥的力學性能用壓縮強度來表征。從圖2可知，摻入無機成分后，cap/ha-pmma骨水泥相對純pmma骨水泥說壓縮強度均有所增加。這是因為經修飾后的nha均勻分散在pmma中從而增強了nha與pmma的界面性。且隨著β-tcp在無機組分中所占比例的增加，cap/ha-pmma骨水泥的力學性能有所下降，但整體無明顯差異且都達到了臨床需求。

實施例4：骨水泥的體外細胞毒性測試

1、樣品準備與預處理

制備長5mm，直徑6mm的圓柱體骨水泥樣品，每組設置5個平行樣本。測量并記錄每個樣品的質量yg，在48孔板中，分別用75%酒精和磷酸緩沖液（pbs）中浸泡1天。

2、浸提液的制備

從上述準備的樣品中吸出pbs溶液，使用一定量的dmem浸泡樣品一天。dmem用量計算公式：y(g)×5（ml/g）=zml,其中z為dmem的體積數。

3、mtt測試

在48孔板中接種p4代鼠骨髓間充質干細胞（rbmscs），每孔2.5萬個細胞，加入200μl的培養基孵育24小時后，吸出100μl培養基，每孔加入100μl步驟2中制備的骨水泥浸提液，對照組加入100μl新鮮培養基，分別培養24小時和48小時后，吸出培養基，加入20μlmtt和180μl新鮮培養基，37℃下孵育4小時后，加入200μldmso孵育10min后，取出150μl于96孔板中，測試570nm波長下的吸光度（od）。

本發明用鼠骨髓間充質干細胞（rbmscs）測試了cap/ha-pmma骨水泥的細胞毒性。從圖3可知，rbmscs在cap/ha-pmma復合型骨水泥中的成活率均在80%以上。結果說明，cap/ha-pmma復合型骨水泥材料無毒副作用。

實施例5：骨水泥的體外礦化實驗

1、樣品準備與預處理

制備長5mm，直徑6mm的圓柱體骨水泥樣品，每組設置5個平行樣。在48孔板中，分別用75%酒精和磷酸緩沖液（pbs）中浸泡1天。

2、礦化樣品制備

在48孔板中，使用sbf浸泡骨水泥樣品，取出浸泡0天，7天，14天后的骨水泥樣品，用無菌水小心清洗骨水泥表面三次，將干燥后的骨水泥樣品表面噴上粗金，使用冷場發射掃描電鏡(quanta400,philips)觀察材料表面礦化情況，并使用能譜儀分析材料表面礦化14天的礦化層鈣磷比。

圖4為實施例中提供的骨水泥材料在礦化前后的sem形貌圖，結果表明，隨著骨水泥浸泡時間的推移，骨水泥表面形成越來越多的沉積層。礦化14天后，小塊的磷灰石晶體聚集成更大的團聚物堆積在骨水泥表面。并且隨著β-tcp比例的增加，骨水泥表面礦化層更厚。說明β-tcp與nha均能誘導骨水泥表面生物礦化，且β-tcp比nha的效果更明顯，從而使骨水泥與宿主骨之間有更好的結合力。且14d中3/7-pmma骨水泥鈣磷比值最接近人骨中的鈣磷比。因此cap/ha-pmma骨水泥可作為一種生物活性材料被應用于人體的骨組織修復。礦化14天的結果表明，cap/ha-pmma骨水泥可以誘導類骨磷灰石在表面沉積。這表明骨水泥與宿主骨之間有良好的相容性。本發明提供的cap/ha-pmma骨水泥展現了它作為承重骨修復材料被應用于臨床上的可能性。