專利名稱：一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨 移植材料及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)藥生物技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，是關(guān)于一種具有生物活性和抗感染作 用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展，由交通事故和創(chuàng)傷造成的合并大段骨缺損的開放性骨折越來越 多。如何處理這些存在污染、甚至就診時就已經(jīng)感染的骨缺損和骨折，一直是骨科醫(yī)生面臨 的棘手問題。傳統(tǒng)多采用一期清創(chuàng)，全身抗感染治療，待明確感染被控制后再二期植骨修復(fù) 骨缺損和骨折內(nèi)固定。這樣治療周期長，期間靜脈抗生素的應(yīng)用會出現(xiàn)如菌群失調(diào)等并發(fā) 癥，長期臥床也會造成“骨折病，，等新問題，植骨時來源有限的自體骨常不能滿足填充大段 骨缺損的要求，這些都給患者帶來了新的創(chuàng)傷，給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。所以如何將二 期修復(fù)變?yōu)橐黄谛迯?fù)，來源充足、同時兼顧骨修復(fù)和抗感染的骨移植材料是解決問題的關(guān) 鍵。目前，對于骨修復(fù)，自體骨的修復(fù)效果最佳是評價其它骨修復(fù)材料的金標(biāo)準(zhǔn)，但其 來源有限和供區(qū)創(chuàng)傷的缺點(diǎn)難以克服。而同種異體骨則有排異反應(yīng)和傳播疾病的潛在危 險，另外來源的個體差異使產(chǎn)品質(zhì)量很難控制，而且倫理學(xué)的問題使得材料來源越來越緊 缺，制約了臨床應(yīng)用。而可人工合成的鈣磷多孔生物陶瓷因其良好的組織相容性、可降解 性，被作為骨修復(fù)材料廣泛使用。其中多孔β-TCP還做為復(fù)合各種生物活性蛋白或藥物的 載體。骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP-2)被公認(rèn)具有骨誘導(dǎo)作用，但BMP-2在缺乏載體的情況下局部 發(fā)揮作用比較短暫，因此有學(xué)者應(yīng)用β "TCP陶瓷復(fù)合BMP-2，使骨折治療部位有持久釋放 足量的BMP-2，達(dá)到骨修復(fù)作用。復(fù)合過程既可以用低溫凍干，也可以在β-TCP制備前使用 液相浸潤技術(shù)，兩者都不會影響到BMP的活性。動物實驗顯示復(fù)合(0. 25 200 μ g)BMP_2 的β-TCP (孔徑為300-900 μ m，孔隙率40 60% )植入骨缺損區(qū)可以有效的促進(jìn)局部血 管形成和骨小梁的形成，在28天板層骨及骨髓形成時，β -TCP出現(xiàn)降解，新骨骨小梁的形 成速度和強(qiáng)度要優(yōu)于自體骨移植。對于骨感染的治療，局部使用抗生素與全身用藥相比，有 著局部藥物濃度高、全身藥物毒性小等優(yōu)勢，所以復(fù)合抗生素的多孔β-TCP局部植入也被 探索用于治療骨感染。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合慶大霉素的0_TCP(孔徑為1-2 μ m，孔隙率70%)植 入骨感染部位，局部有效藥物濃度可持續(xù)4周。如果同時將抗生素(慶大霉素)和生物活 性蛋白BMP-2復(fù)合在多孔β-TCP內(nèi)則可以使其同時發(fā)揮骨誘導(dǎo)和抗感染作用，但目前國內(nèi) 外尚無研究。研究還發(fā)現(xiàn)多孔β -TCP的微結(jié)構(gòu)(孔徑、孔內(nèi)連接和孔隙率)是影響藥物或活 性物質(zhì)復(fù)合、緩釋效應(yīng)的重要因素之一，而多孔β-TCP復(fù)合抗生素(慶大霉素)和復(fù)合 生物活性蛋白BMP-2達(dá)到最佳緩釋效能所需的材料參數(shù)不同，所以如果使同一結(jié)構(gòu)的多 孔β-TCP同時具備兩種材料參數(shù)則可以同時復(fù)合小分子藥物和大分子生物活性蛋白。功 能梯度材料(Functional gradient materials, FGMs)是近年材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，F(xiàn)GMs是指材料的組分或結(jié)構(gòu)呈有規(guī)律的梯度空間變化，從而其性能也呈空間變化以 滿足特定要求，當(dāng)梯度變量是材料中的微孔時，則可以得到梯度多孔材料，即材料的不同空 間結(jié)構(gòu)內(nèi)的孔徑、孔隙率不同，其理化性能等也發(fā)生變化。目前利用快速成形技術(shù)(Rapid Prototyping, RP)可以獲得這樣的三維空間結(jié)構(gòu)，RP不僅可以較好地制備出人工骨內(nèi)部的 三維孔隙結(jié)構(gòu)，還可以按計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)(Computer assistant design, CAD)設(shè)計要 求精確的控制微孔的空間分布。對于利用梯度多孔β-TCP復(fù)合抗生素、BMP-2構(gòu)建抗感染 活性人工骨，并用來修復(fù)感染性骨缺損這一假設(shè)，目前尚無文獻(xiàn)報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有生物活性和抗感染作用的 梯度多孔β -TCP的骨移植材料。本發(fā)明的再一的目的是，提供具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的 骨移植材料的制備方法。本發(fā)明的另一的目的是，提供具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的 骨移植材料的用途。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β -TCP的骨移植材料，所述的骨移 植材料由抗感染藥物，BMP-2和β -TCP組成。所述的抗感染藥物是慶大霉素。為實現(xiàn)上述第二個目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種制備具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β "TCP的骨移植材料的方法， 包括以下步驟(a)，構(gòu)建梯度多孔β -TCP ；(b)，梯度多孔β -TCP復(fù)合抗感染藥物、BMP-2。所述的抗感染藥物是慶大霉素。為實現(xiàn)上述第三個目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是骨移植材料在制備治療開放性或感染的大段骨缺損的骨折、骨結(jié)核或骨腫瘤藥物 中的應(yīng)用。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于1、建立具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔生物陶瓷的制作工藝，使其達(dá)到不 同結(jié)構(gòu)制作在同一陶瓷內(nèi)。2、BMP_2和抗菌素相距復(fù)合在同一材料之中。既要保證材料的理化性能不受影響， 又要達(dá)到保證兩種活性物質(zhì)同時存在，而且有良好的成骨活性蛋白和藥物緩釋作用。3、通過體外實驗觀察該材料的理化性能及藥物動力學(xué)，優(yōu)選出具有良好的理化性 能和緩釋功能的材料結(jié)構(gòu)4、通過在體實驗(感染性骨缺損動物模型)評價該材料的抗感染和骨誘導(dǎo)活性， 優(yōu)選出適合臨床應(yīng)用的材料結(jié)構(gòu)及復(fù)合方法，為臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
圖1A、感染性骨缺損動物模型制作。圖IB、復(fù)合抗生素、BMP-2的梯度多孔β -TCP。圖1C、骨缺損模型植入塊型抗感染重組異體骨。圖1D、植入塊型抗感染重組異體骨并行外固定術(shù)后。圖1E、術(shù)后和術(shù)后2、4、6、8周手術(shù)部位的X片。圖1F、術(shù)后2周骨缺損處病理(H. E.染色)。圖1G、術(shù)后4周骨缺損處病理(H. E.染色)。圖2A、梯度多孔β -TCP的骨移植載體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2B、梯度多孔β -TCP的骨移植載體截面示意圖。
具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作詳細(xì)說明。實施例11.設(shè)計、構(gòu)建梯度多孔β-TCP設(shè)計同一圓柱形β -TCP內(nèi)不同孔徑(微孔徑，< IOym,孔隙率10% ；大孔徑，> 100 μ m，孔隙率60%)和不同空間分布(1.微孔徑髓芯柱狀區(qū)域分布，大孔徑外周柱狀區(qū)域 分布；2.相反分布；3.微孔、大孔徑相間分布)的梯度多孔β-TCP的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)，利用CAD 的Unigraphics軟件將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為STL格式文件并輸入激光快速成型機(jī)(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院提供)，制造梯度多孔β "TCP樹脂模具。將β -TCP粉末制備成漿體填 充入模具，使用熱壓鑄成型技術(shù)制備出梯度多孔β-TCP，實體顯微鏡下觀測其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將 測量數(shù)據(jù)與CAD模型設(shè)計數(shù)據(jù)對比，計算成型精度。2.梯度多孔β -TCP復(fù)合抗生素、BMP-2分別利用液體浸潤法、冷凍干燥法將前述制備的β -TCP骨移植材料復(fù)合BMP-2、 慶大霉素(冷凍干燥機(jī)由上海理工大學(xué)提供)。3.體內(nèi)、外實驗觀察不同結(jié)構(gòu)的梯度多孔β -TCP的緩釋效能、理化性能體外實驗(抑菌環(huán)實驗)觀察功能梯度抗感染活性人工骨的藥物緩釋能力。體外實驗(細(xì)胞培養(yǎng))觀察功能梯度抗感染活性人工骨的BMP-2緩釋能力。體內(nèi)實驗觀察(肌袋植入實驗)功能梯度抗感染活性人工骨的藥物、BMP-2緩釋能力。4.體內(nèi)實驗觀察復(fù)合抗生素、BMP-2的梯度多孔β -TCP修復(fù)感染性骨缺損的效能制作感染性骨缺損動物模型見圖1A_G(新西蘭大白兔)，通過影像學(xué)檢查、大體觀 察、電鏡觀察、免疫組化、蛋白印跡、PCR等方法觀察復(fù)合抗生素、BMP-2的梯度多孔β-TCP 的生物相容性、材料降解特性和抗感染、骨修復(fù)作用。實施例2請參看圖2k,圖2A是梯度多孔β -TCP的骨移植載體結(jié)構(gòu)示意圖，所述的骨移植 載體包括中央部1和外周部2，中央部1為髓芯柱狀結(jié)構(gòu)，外周部2呈圓柱狀結(jié)構(gòu)。所述的 骨移植載體的中央部1長為20mm，長徑為2mm，外周部2長為20mm，長徑為10mm。請參看圖 2B，圖2B是梯度多孔β -TCP的骨移植載體的截面示意圖，所述的中央部1設(shè)有小微孔11， 小微孔的孔長徑6 μ m，小微孔的孔隙率10% (小微孔的孔隙率小微孔體積占骨移植載體體積的百分比)。外周部2設(shè)有大微孔21，大微孔的孔長徑150 μ m,大微孔的孔隙率為60% (大微孔的孔隙率大微孔體積占骨移植載體體積的百分比)。 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員，在不脫離本發(fā)明方法的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和補(bǔ)充，這些改進(jìn)和補(bǔ)充也應(yīng)視為 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料，其特征在于，所述的骨移植材料由抗感染藥物，BMP-2和β-TCP組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨移植材料，其特征在于，所述的抗感染藥物是慶大霉素。
3.一種制備具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料的方法，其 特征在于，包括以下步驟(a)，構(gòu)建梯度多孔β-TCP；(b)，梯度多孔β-TCP復(fù)合抗感染藥物、BMP-2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述的抗感染藥物是慶大霉素。
5.權(quán)利要求1或2所述的骨移植材料在制備治療開放性或感染的大段骨缺損的骨折、 骨結(jié)核或骨腫瘤藥物中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料，所述的骨移植材料由抗感染藥物，BMP-2和β-TCP組成。本發(fā)明還提供了一種制備具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料的方法，包括以下步驟構(gòu)建梯度多孔β-TCP；梯度多孔β-TCP復(fù)合抗感染藥物、BMP-2。本發(fā)明還提供了骨移植材料的用途。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于建立具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔生物陶瓷的制作工藝，使其達(dá)到不同結(jié)構(gòu)制作在同一陶瓷內(nèi)。BMP-2和抗菌素相距復(fù)合在同一材料中。既保證材料的理化性能不受影響，又達(dá)到保證兩種活性物質(zhì)同時存在，而且有良好的成骨活性蛋白和藥物緩釋作用。
文檔編號A61L27/42GK101884811SQ20091005137
公開日2010年11月17日 申請日期2009年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月15日
發(fā)明者孫效棠, 李海, 趙黎 申請人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院