一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其製備方法和應用的製作方法

2023-10-25 04:14:02 1

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的骨移植材料及其製備方法和應用的製作方法
一種具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔β-TCP的骨 移植材料及其製備方法和應用
技術領域：
本發明涉及醫藥生物技術領域，具體地說，是關於一種具有生物活性和抗感染作 用的梯度多孔β-TCP的骨移植材料及其製備方法和應用。
背景技術：
隨著社會的發展，由交通事故和創傷造成的合併大段骨缺損的開放性骨折越來越 多。如何處理這些存在汙染、甚至就診時就已經感染的骨缺損和骨折，一直是骨科醫生面臨 的棘手問題。傳統多採用一期清創，全身抗感染治療，待明確感染被控制後再二期植骨修復 骨缺損和骨折內固定。這樣治療周期長，期間靜脈抗生素的應用會出現如菌群失調等並發 症，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傷，給社會帶來巨大的經濟負擔。所以如何將二 期修復變為一期修復，來源充足、同時兼顧骨修復和抗感染的骨移植材料是解決問題的關 鍵。目前，對於骨修復，自體骨的修復效果最佳是評價其它骨修復材料的金標準，但其 來源有限和供區創傷的缺點難以克服。而同種異體骨則有排異反應和傳播疾病的潛在危 險，另外來源的個體差異使產品質量很難控制，而且倫理學的問題使得材料來源越來越緊 缺，制約了臨床應用。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，被作為骨修復材料廣泛使用。其中多孔β-TCP還做為複合各種生物活性蛋白或藥物的 載體。骨形態發生蛋白(BMP-2)被公認具有骨誘導作用，但BMP-2在缺乏載體的情況下局部 發揮作用比較短暫，因此有學者應用β "TCP陶瓷複合BMP-2，使骨折治療部位有持久釋放 足量的BMP-2，達到骨修復作用。複合過程既可以用低溫凍幹，也可以在β-TCP製備前使用 液相浸潤技術，兩者都不會影響到BMP的活性。動物實驗顯示複合(0. 25 200 μ g)BMP_2 的β-TCP (孔徑為300-900 μ m，孔隙率40 60% )植入骨缺損區可以有效的促進局部血 管形成和骨小梁的形成，在28天板層骨及骨髓形成時，β -TCP出現降解，新骨骨小梁的形 成速度和強度要優於自體骨移植。對於骨感染的治療，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勢，所以複合抗生素的多孔β-TCP局部植入也被 探索用於治療骨感染。研究發現複合慶大黴素的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4周。如果同時將抗生素(慶大黴素)和生物活 性蛋白BMP-2複合在多孔β-TCP內則可以使其同時發揮骨誘導和抗感染作用，但目前國內 外尚無研究。研究還發現多孔β -TCP的微結構(孔徑、孔內連接和孔隙率)是影響藥物或活 性物質複合、緩釋效應的重要因素之一，而多孔β-TCP複合抗生素(慶大黴素)和複合 生物活性蛋白BMP-2達到最佳緩釋效能所需的材料參數不同，所以如果使同一結構的多 孔β-TCP同時具備兩種材料參數則可以同時複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)是近年材料科學領域的研究熱點之一，FGMs是指材料的組分或結構呈有規律的梯度空間變化，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 間結構內的孔徑、孔隙率不同，其理化性能等也發生變化。目前利用快速成形技術(Rapid Prototyping, RP)可以獲得這樣的三維空間結構，RP不僅可以較好地製備出人工骨內部的 三維孔隙結構，還可以按計算機輔助設計系統(Computer assistant design, CAD)設計要 求精確的控制微孔的空間分布。對於利用梯度多孔β-TCP複合抗生素、BMP-2構建抗感染 活性人工骨，並用來修復感染性骨缺損這一假設，目前尚無文獻報導。

發明內容本發明的目的是針對現有技術中的不足，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 骨移植材料的製備方法。本發明的另一的目的是，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。為實現上述目的，本發明採取的技術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黴素。為實現上述第二個目的，本發明採取的技術方案是一種製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)，構建梯度多孔β -TCP ；(b)，梯度多孔β -TCP複合抗感染藥物、BMP-2。所述的抗感染藥物是慶大黴素。為實現上述第三個目的，本發明採取的技術方案是骨移植材料在製備治療開放性或感染的大段骨缺損的骨折、骨結核或骨腫瘤藥物 中的應用。本發明優點在於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製作工藝，使其達到不 同結構製作在同一陶瓷內。2、BMP_2和抗菌素相距複合在同一材料之中。既要保證材料的理化性能不受影響， 又要達到保證兩種活性物質同時存在，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，優選出具有良好的理化性 能和緩釋功能的材料結構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活性， 優選出適合臨床應用的材料結構及複合方法，為臨床應用奠定基礎。
圖1A、感染性骨缺損動物模型製作。圖IB、複合抗生素、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並行外固定術後。圖1E、術後和術後2、4、6、8周手術部位的X片。圖1F、術後2周骨缺損處病理(H. E.染色)。圖1G、術後4周骨缺損處病理(H. E.染色)。圖2A、梯度多孔β -TCP的骨移植載體結構示意圖。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合附圖對本發明的具體實施方式
作詳細說明。實施例11.設計、構建梯度多孔β-TCP設計同一圓柱形β -TCP內不同孔徑(微孔徑， 100 μ m，孔隙率60%)和不同空間分布(1.微孔徑髓芯柱狀區域分布，大孔徑外周柱狀區域 分布；2.相反分布；3.微孔、大孔徑相間分布)的梯度多孔β-TCP的內外部結構，利用CAD 的Unigraphics軟體將其數據轉化為STL格式文件並輸入雷射快速成型機(上海交通大學 機械與動力工程學院提供)，製造梯度多孔β "TCP樹脂模具。將β -TCP粉末製備成漿體填 充入模具，使用熱壓鑄成型技術製備出梯度多孔β-TCP，實體顯微鏡下觀測其內部結構，將 測量數據與CAD模型設計數據對比，計算成型精度。2.梯度多孔β -TCP複合抗生素、BMP-2分別利用液體浸潤法、冷凍乾燥法將前述製備的β -TCP骨移植材料複合BMP-2、 慶大黴素(冷凍乾燥機由上海理工大學提供)。3.體內、外實驗觀察不同結構的梯度多孔β -TCP的緩釋效能、理化性能體外實驗(抑菌環實驗)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(細胞培養)觀察功能梯度抗感染活性人工骨的BMP-2緩釋能力。體內實驗觀察(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.體內實驗觀察複合抗生素、BMP-2的梯度多孔β -TCP修復感染性骨缺損的效能製作感染性骨缺損動物模型見圖1A_G(紐西蘭大白兔)，通過影像學檢查、大體觀 察、電鏡觀察、免疫組化、蛋白印跡、PCR等方法觀察複合抗生素、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的骨移植載體結構示意圖，所述的骨移植 載體包括中央部1和外周部2，中央部1為髓芯柱狀結構，外周部2呈圓柱狀結構。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佔骨移植載體體積的百分比)。外周部2設有大微孔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佔骨移植載體體積的百分比)。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員，在不脫離本發明方法的前提下，還可以做出若干改進和補充，這些改進和補充也應視為 本發明的保護範圍。
權利要求
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，其特徵在於，所述的骨移植材料由抗感染藥物，BMP-2和β-TCP組成。
2.根據權利要求1所述的骨移植材料，其特徵在於，所述的抗感染藥物是慶大黴素。
3.一種製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 特徵在於，包括以下步驟(a)，構建梯度多孔β-TCP；(b)，梯度多孔β-TCP複合抗感染藥物、BMP-2。
4.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所述的抗感染藥物是慶大黴素。
5.權利要求1或2所述的骨移植材料在製備治療開放性或感染的大段骨缺損的骨折、 骨結核或骨腫瘤藥物中的應用。
全文摘要
本發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。本發明還提供了一種製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，包括以下步驟構建梯度多孔β-TCP；梯度多孔β-TCP複合抗感染藥物、BMP-2。本發明還提供了骨移植材料的用途。本發明優點在於建立具有生物活性和抗感染作用的梯度多孔生物陶瓷的製作工藝，使其達到不同結構製作在同一陶瓷內。BMP-2和抗菌素相距複合在同一材料中。既保證材料的理化性能不受影響，又達到保證兩種活性物質同時存在，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 優先權日2009年5月15日
發明者孫效棠, 李海, 趙黎 申請人:上海交通大學醫學院附屬新華醫院