超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料、制作方法及其用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有抗感染功能的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料、制作方法及其用途。
【背景技術(shù)】
[0002]骨缺損是臨床骨科常見的疾病之一。隨著世界人口的不斷增長及老年化，創(chuàng)傷、感染以及腫瘤切除所造成的骨缺損越來越多。在美國，每年就多達(dá)100萬人次的外科手術(shù)需要骨修復(fù)材料。這驅(qū)動了骨修復(fù)材料的蓬勃發(fā)展。
[0003]目前臨床應(yīng)用的骨修復(fù)材料主要有聚甲基丙烯酸甲酯、氧化鋁陶瓷、生物玻璃、磷酸三鈣、鈦金屬、骨水泥以及以羥基磷灰石/硫酸鈣為基質(zhì)的生物材料。中國專利(CN102390941)公開了一種醫(yī)用α -半水硫酸鈣人工骨修復(fù)材料。這些材料的誕生為骨缺損的修復(fù)做出了巨大的貢獻(xiàn)。然而，骨修復(fù)材料的植入常常伴隨著微生物的植入，防治骨修復(fù)材料植入后感染已成為骨外科一個重要課題。為預(yù)防骨修復(fù)材料植入感染的發(fā)生，人們嘗試應(yīng)用具有抗感染功能的骨修復(fù)材料。目前主要是應(yīng)用負(fù)載抗生素的骨修復(fù)材料以達(dá)到預(yù)防目的。然而，這種負(fù)載抗生素骨修復(fù)材料的防治感染效果有限，且易導(dǎo)致耐藥菌株的產(chǎn)生。因此，這迫切要求我們發(fā)展新型具有抗感染功能的骨修復(fù)材料。
[0004]光動力治療(photodynamic therapy, PDT)是近年興起的利用選擇性蓄積于腫瘤組織細(xì)胞中的光敏劑在適當(dāng)波長光激發(fā)下發(fā)生光敏反應(yīng)定位殺傷腫瘤細(xì)胞的新型治療方法。腫瘤PDT具有兩個突出的優(yōu)點(diǎn)即光敏劑在腫瘤組織細(xì)胞中選擇性積聚和光照劑量、范圍的可控性，使PDT具有能相對特異性地殺傷腫瘤細(xì)胞，對健康組織損害小等特點(diǎn)。近年的研究發(fā)現(xiàn)，光動力治療對病原微生物如細(xì)菌、真菌、病毒和寄生蟲，甚至耐藥性微生物均有殺傷作用。由此發(fā)展而來的光動力滅菌技術(shù)(photodynamic inactivat1n, PDI)、光動力化學(xué)抗菌治療(photodynamic antibacterial chemotherapy, PACT)為消毒滅菌技術(shù)和臨床抗感染領(lǐng)域提供了新的手段。由于光在組織中穿透深度有限，使PDT、PDI和PACT在臨床應(yīng)用方面存在較大的局限性。有趣的是，低強(qiáng)度超聲象光能量一樣也可激活光敏劑在內(nèi)的某些藥物產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，對腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生殺傷作用。我們最近的研究發(fā)現(xiàn)低強(qiáng)度超聲波可活化竹紅菌素B對耐藥性金黃色葡萄菌產(chǎn)生殺傷作用。超聲波作為一種機(jī)械波,對生物組織有較強(qiáng)的穿透力，且聚集超聲可無創(chuàng)傷地將聲能聚集于深層組織。超聲波治療的無創(chuàng)傷性和設(shè)備簡單、操作方便，將使得利用超聲波活化聲敏物質(zhì)殺傷病原微生物的聲動力作用有望發(fā)展成為臨床抗感染的有效手段。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是要提供一種具有抗感染功能的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，在一定強(qiáng)度超聲波作用下產(chǎn)生活性物質(zhì)，阻抑病原微生物的生長，以防止骨修復(fù)材料植入后感染的發(fā)生。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是利用聲敏物質(zhì)修飾骨修復(fù)材料獲得超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，植入骨缺損病變處，采用超聲波輻照該支架激活敏感劑，發(fā)生聲化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，直接阻抑病原微生物的生長，防止骨修復(fù)材料植入后感染的發(fā)生。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其是一種含有聲敏物質(zhì)的骨修復(fù)材料，是通過聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，或在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，使骨修復(fù)材料內(nèi)部含有聲敏物質(zhì)，在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料表面或內(nèi)部的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)，殺傷微生物。
[0008]作為優(yōu)選方式，所述聲敏物質(zhì)為安全無毒的治療或診斷用的被超聲波激活后能產(chǎn)生活性氧的物質(zhì)。
[0009]作為優(yōu)選方式，所述的聲敏物質(zhì)為二氫卟酚、玫瑰紅(rose Bengal，也稱孟加拉紅)、姜黃素、核黃素、大黃素、氧化鈦(Ti02)、蘆薈大黃素、金絲桃素、假金絲桃素、葉啉及其衍生物、酞菁及其衍生物、竹紅菌素及其衍生物、藻膽蛋白及其衍生物、葉綠素及其衍生物之中任何一種或任何幾種。
[0010]作為優(yōu)選方式，所述骨修復(fù)材料為甲基丙烯酸甲酯、氧化鋁陶瓷、生物玻璃、磷酸三鈣、鈦金屬、骨水泥以及以羥基磷灰石/硫酸鈣為基質(zhì)的生物材料。
[0011]作為優(yōu)選方式，所述的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧和自由基。
[0012]本發(fā)明還提供一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，使聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，或在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。
[0013]作為優(yōu)選方式，使所述聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面采用下列方法之一完成:通過直接浸潰或噴涂多聚物載體介導(dǎo)的方法完成，或通過直接浸潰或噴涂蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)的方法完成；或通過電化學(xué)處理的方法完成，或通過離子束沉積方法完成。
[0014]作為優(yōu)選方式，所述多聚物載體介導(dǎo)聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面的方法中的多聚物選自多聚乳酸、明膠蛋白、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸、聚酐、聚已內(nèi)酰胺、聚氨基酸、聚羥乙基甲基丙烯酸其中的一種，或上述多聚物間的共聚物。
[0015]作為優(yōu)選方式，所述的超聲波為脈沖波或連續(xù)波，頻率為20KHz-3MHz，聲強(qiáng)為0.25-3W/cm2，作用時間為0.25-30分鐘。
[0016]本發(fā)明還提供一種所述的聲敏物質(zhì)在用于制作抗感染的骨修復(fù)材料中防止感染發(fā)生的用途。
[0017]在本發(fā)明中，所述用作修飾骨修復(fù)材料的聲敏物質(zhì)為安全無毒且能在超聲波激活下產(chǎn)生活性氧物質(zhì)的聲敏劑，這些物質(zhì)為親水性、親油性或兩親性的聲敏劑。所述產(chǎn)生的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧和/自由基(free radicals)。對用于骨修復(fù)材料的聲敏劑的類型、顆粒尺寸大小等物理性狀沒有過多的限制，只要該聲敏劑在施用在骨修復(fù)材料上后，在超聲波作用下能產(chǎn)生活性氧物質(zhì)即可。目前在聲動力學(xué)領(lǐng)域中廣泛使用的各種聲敏劑及其衍生的任何聲敏物質(zhì)均可以作為本發(fā)明的骨修復(fù)材料上的聲敏劑。所述的超聲波可為能聚焦或不能聚焦的治療或診斷用的超聲波?？蔀槊}沖波或連續(xù)波，且其頻率為20KHz-3MHz，聲強(qiáng)為
0.25-3W/cm2，作用時間為0.25-30分鐘。
[0018]多聚物或蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)聲敏劑覆蓋于骨修復(fù)材料表面的方法是應(yīng)用多聚物或蛋白質(zhì)與聲敏劑結(jié)合后，直接應(yīng)用浸潰使聲敏劑覆蓋于骨修復(fù)材料表面；或應(yīng)用輻射固化、光固化作用使聲敏劑覆蓋于骨修復(fù)材料表面。離子束沉積可直接在骨修復(fù)材料上進(jìn)行鍍膜。所述的骨修復(fù)材料為安全無毒的能夠促進(jìn)骨修復(fù)的物質(zhì)，可以是自行制備或市場上現(xiàn)成的，主要有聚甲基丙烯酸甲酯、氧化鋁陶瓷、生物玻璃、磷酸三鈣、鈦金屬、骨水泥以及以輕基憐灰石/硫酸1丐為基質(zhì)的生物材料。
[0019]現(xiàn)有的骨修復(fù)材料均存在一定的局限性，如臨床常用的骨修復(fù)材料沒有抗感染功能；負(fù)載抗生素骨修復(fù)材料的防治感染效果有限，且易導(dǎo)致耐藥菌株的產(chǎn)生。與現(xiàn)有骨修復(fù)材料相比，本發(fā)明中用具有安全無毒作用且能在超聲波激活下產(chǎn)生活性氧物質(zhì)阻抑病原微生物的生長，防止骨修復(fù)材料感染的發(fā)生。該超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料能夠應(yīng)用于臨床所有骨缺損的修復(fù)，防止骨修復(fù)材料植入后感染的發(fā)生，其效果是現(xiàn)有骨修復(fù)材料所無法比擬的。利用聲敏劑作為骨修復(fù)材料修飾劑獲得超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料將有利于骨材料植入治療技術(shù)在臨床應(yīng)用更為廣泛。
【附圖說明】
[0020]圖1是超聲波活化聲敏劑發(fā)生聲化學(xué)反應(yīng)生成活性氧物質(zhì)的示意圖:
[0021]圖2是實(shí)施I中的超聲波活化聲敏劑產(chǎn)生活性氧物質(zhì)及對金黃色葡萄球菌的殺傷作用的示意圖
[0022]圖3為超聲波活化聲敏劑對金黃色葡萄球菌的殺傷效果圖；
[0023]圖中A為空白對照組，即細(xì)菌沒有經(jīng)聲敏劑處理，也沒有經(jīng)超聲波空化；圖中B為單純超聲波處理組，即細(xì)菌僅被超聲波空化，但沒有經(jīng)聲敏劑處理；圖中C為單純聲敏劑處理組，即細(xì)菌僅被聲敏劑處理，但沒有超聲波空化；圖中D為超聲波活化聲敏劑組，即細(xì)菌被聲敏劑處理后再經(jīng)超聲波空化作用。
[0024]圖4、聲敏劑位于骨修復(fù)材料內(nèi)部及覆蓋層的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的截面圖
[0025]圖5、聲敏劑位于覆蓋層的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的截面圖。
[0026]圖6、聲敏劑位于骨修復(fù)材料內(nèi)部的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的截面圖。
[0027]圖中I為骨修復(fù)材料，2為聲敏劑，3為骨修復(fù)材料覆蓋層。
【具體實(shí)施方式】
[0028]以下是本發(fā)明的非限定實(shí)施例:
[0029]實(shí)施例1:體外培養(yǎng)細(xì)菌上觀察聲敏劑在超聲波作用下對金黃色葡萄球菌的殺傷效果:培養(yǎng)祀細(xì)菌:選擇金黃色葡萄球菌，常規(guī)培養(yǎng)于37°C含5%二氧化碳、飽和水汽的培養(yǎng)箱中；接著，取對數(shù)生長期的祀細(xì)菌(IX 106cfu/ml),加入聲敏劑如二氫^bfDchlorin e6于37°C含5%二氧化碳、飽和水汽的培養(yǎng)箱中孵育15分鐘，由于有部分聲敏劑chlorin e6可能沒有被靶細(xì)菌吞噬，還游離在培養(yǎng)液中，所以在超聲作用前，洗滌數(shù)次將培養(yǎng)液中殘余的chlorin e6去除；然后，應(yīng)用超聲波(頻率為1.0MHz，聲強(qiáng)為1.56ff/cm2)照射靶細(xì)菌。在超聲波作用下，聲敏劑chlorin e6發(fā)生聲化學(xué)反應(yīng)生成活性氧物質(zhì)(如圖1所示)。平板計(jì)數(shù)法觀察到聲敏劑在超聲作用下阻抑金黃色葡萄球菌的生長達(dá)7個數(shù)量級(如圖2、圖3所示)。
[0030]在本實(shí)施例1中，選擇的聲敏劑是一種安全無毒、在超聲波作用下能產(chǎn)生活性氧物質(zhì)的聲敏劑，除了 chlorin e6外，還可以是酞菁鋁、5-氨基乙酰丙酸、竹紅菌素衍生物、得克薩菲啉鐠、玫瑰紅(rose bengal)、血P卜啉或血P卜啉單甲醚等。
[0031]實(shí)施例2:將聲敏劑竹紅菌素倒入無水乙醇中，充分混勻再經(jīng)過過濾、排氣制成竹紅菌素溶液；然后，置骨修復(fù)材料于所述竹紅菌素溶液中，浸沾10秒-4小時后取出；用氮?dú)獯蹈?；再重?fù)上述步驟1-3次，最后用氮?dú)獯蹈?，獲得超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料。
[0032]在本實(shí)施例2中，選擇的聲敏劑是一種安全無毒、在超聲波作用下能產(chǎn)生活性氧物質(zhì)的聲敏劑，除了竹紅菌素外，還其可以是酞菁鋁、5-氨基乙酰丙酸、單天門冬酰胺二氫口卜酉分、得克薩菲啉鐠、玫瑰紅(rose bengal)、血P卜啉、或血P卜啉單甲醚等。
[0033]實(shí)施例3:將聲敏劑玫瑰紅(rose bengal)加入聚氨基酸(polyamine acid)中充分?jǐn)噭?然后,將所得的液體涂敷在骨修復(fù)材料表面;自然晾干或用氮?dú)獯蹈?獲得超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料。
[0034]實(shí)施例4:一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法,使聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，所述聲敏物質(zhì)為血卟啉。然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。所述骨修復(fù)材料為甲基丙烯酸甲酯。所述的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧。使所述聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面通過直接浸潰或噴涂多聚物載體介導(dǎo)的方法完成，所述多聚物為多聚乳酸。
[0035]實(shí)施例5:—種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法,使聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，所述聲敏物質(zhì)為酞菁。然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。所述骨修復(fù)材料為氧化鋁陶瓷。所述的活性氧物質(zhì)為自由基。使所述聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面通過直接浸潰或噴涂蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)的方法完成。
[0036]所述蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)為應(yīng)用明膠蛋白與聲敏劑酞菁結(jié)合30分鐘后，再通過浸潰使聲敏劑酞菁覆蓋于骨修復(fù)材料表面。
[0037]實(shí)施例6:—種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，所述聲敏物質(zhì)為血卟啉單甲醚。然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。所述骨修復(fù)材料為以羥基磷灰石/硫酸鈣為基質(zhì)的生物材料。
[0038]所述的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧。使所述聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面采用下列方法之一完成:通過直接浸潰或噴涂多聚物載體介導(dǎo)的方法完成，所述多聚物為聚氨酯。
[0039]實(shí)施例7:—種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法,使聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，所述聲敏物質(zhì)為氧化鈦(T12)。然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。所述骨修復(fù)材料為磷酸三鈣。所述的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧。
[0040]使所述聲敏物質(zhì)氧化鈦(T12)覆蓋于骨修復(fù)材料表面采用電化學(xué)處理的方法完成，或通過離子束沉積方法利用離子束濺射鍍膜系統(tǒng)將聲敏劑(T12)直接鍍膜于骨修復(fù)材料表面來完成。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其特征在于其是一種含有聲敏物質(zhì)的骨修復(fù)材料，是通過聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，或在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，使骨修復(fù)材料內(nèi)部含有聲敏物質(zhì)，在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料表面或內(nèi)部的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)，殺傷微生物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其特征在于所述聲敏物質(zhì)為安全無毒的治療或診斷用的被超聲波激活后能產(chǎn)生活性氧的物質(zhì)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其特征在于所述的聲敏物質(zhì)為二氫卟酚、玫瑰紅(rose Bengal，也稱孟加拉紅)、姜黃素、核黃素、大黃素、氧化鈦(Ti02)、蘆薈大黃素、金絲桃素、假金絲桃素、葉啉及其衍生物、酞菁及其衍生物、竹紅菌素及其衍生物、藻膽蛋白及其衍生物、葉綠素及其衍生物之中任何一種或任何幾種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其特征在于所述骨修復(fù)材料為甲基丙烯酸甲酯、氧化鋁陶瓷、生物玻璃、磷酸三鈣、鈦金屬、骨水泥以及以羥基磷灰石/硫酸?丐為基質(zhì)的生物材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有抗感染功能的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料，其特征在于所述的活性氧物質(zhì)為單態(tài)氧和自由基。6.一種超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，其特征在于:使聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，或在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，然后在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料中的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)以殺傷微生物。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，其特征在于，使所述聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面采用下列方法之一完成:通過直接浸潰或噴涂多聚物載體介導(dǎo)的方法完成，或通過直接浸潰或噴涂蛋白質(zhì)載體介導(dǎo)的方法完成；或通過電化學(xué)處理的方法完成，或通過離子束沉積方法完成。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，其特征在于所述多聚物載體介導(dǎo)聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面的方法中的多聚物選自多聚乳酸、明膠蛋白、聚乙二醇、聚硅氧烷、聚氧化乙烯、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚氨酯、聚磷酸酯、聚羥基乙酸、聚羥基丁酸、聚酐、聚已內(nèi)酰胺、聚氨基酸、聚羥乙基甲基丙烯酸其中的一種，或上述多聚物間的共聚物。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料的制作方法，其特征在于所述的超聲波為脈沖波或連續(xù)波，頻率為20KHz-3MHz，聲強(qiáng)為0.25_3W/cm2。10.根據(jù)權(quán)利要求1至5任意一項(xiàng)所述的聲敏物質(zhì)在用于制作抗感染的骨修復(fù)材料中防止感染發(fā)生的用途。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有抗感染功能的超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料、制作方法及聲敏物質(zhì)在用于制作抗感染的骨修復(fù)材料中防止感染發(fā)生的用途，超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料是一種含有聲敏物質(zhì)的骨修復(fù)材料，是通過聲敏物質(zhì)覆蓋于骨修復(fù)材料表面，或在制作骨修復(fù)材料過程中加入聲敏物質(zhì)，使骨修復(fù)材料內(nèi)部含有聲敏物質(zhì)，在超聲波作用下激活骨修復(fù)材料表面或內(nèi)部的聲敏物質(zhì)生成活性氧物質(zhì)，殺傷微生物；防止骨感染的發(fā)生，該超聲響應(yīng)性骨修復(fù)材料能夠應(yīng)用于臨床所有骨缺損的修復(fù)，防止骨修復(fù)材料植入后感染的發(fā)生，其效果是現(xiàn)有骨修復(fù)材料所無法比擬的。
【IPC分類】A61L27/34, A61L27/28, A61L27/10, A61L27/12, A61L27/54, A61P31/02, A61L27/50, A61K41/00
【公開號】CN105709275
【申請?zhí)枴緾N201410720298
【發(fā)明人】許川山, 梁榮能
【申請人】香港中文大學(xué)深圳研究院