具有改进特性的生物-水泥

本发明涉及具有改进特性的生物可降解磷酸钙水泥，特别涉及不 同化学计量组成的含磷酸钙的粉末混合物。根据本发明的混合物都含 有磷酸三钙(TCP)和一种或多种具有不同组成的其它含磷酸盐的无 机化合物，TCP的内含物以粒度分明的范围存在。

天然存在的骨质材料都由具有羟基磷灰石结构的磷酸钙组成。可 是，骨质矿物的组成与结晶的羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)的理想 的化学计量组成不符合，而通常具有非化学计量的组成，这种非化学 计量的组成是由于其它的阴离子的引入，例如碳酸根或磷酸氢根的引 入，而不是正磷酸根的引入，但也有其它的阳离子地引入，例如钠离 子、钾离子或镁离子的引入，而不是钙离子的引入。

由于自体骨的有限可用性和他生骨的生物配入问题，可生物降解 磷酸钙水泥(CaP)在创伤学和整形学方面正日益引起了注意。许多 根据钙和磷可得到的合成骨的代用品的缺点主要是这些代用品不可 降解。

近几年来，制备合成骨材料已成为可能，合成骨材料是依据于类 羟基磷灰石的磷酸钙化合物，由于质地和结构的相似性，合成骨材料 与天然骨非常类似。因此能够避免通过天然的自身骨或异源骨的获取 而引起的已知缺点。此外，这些材料都具有这种优点，即实际上能如 天然骨那样，承受机械负荷，这就意味着，这些材料在更多的主骨缺 损或骨折的场合下得到了使用。

这些材料的主要组分是，例如磷酸三钙(TCP)、磷酸二钙(DCP) 和磷酸四钙(TTCP)，在水存在时，这些组分都会与水反应而生成羟 基磷灰石，羟磷灰石是水泥形成反应的最终产物。由于这种方式形成 的羟基磷灰石是在含水环境中形成的，因此，与高温产生的羟基磷灰 石相比，它更类似于生物磷灰石。因此这样的水泥是骨转导性的，适 合于骨的修补和重组。这样的水泥可以迅速地整合入骨结构中，然后 利用成骨细胞的细胞活性转化为新的骨组织。

根据条件，基本上下列的固体可能出现在Ca(OH)2-H3PO4-H2O的体 系中： Ca(H2PO4)2·H2O                  (MCPM) CaHPO4                               (DCP) CaHPO4·2H2O                        (DCPD) Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O         (OCP) Ca9(HPO4)(PO4)5OH                (CDA) Ca10(PO4)6(OH)2                  (PHA) Ca3(PO4)2·H2O                   (ACP) Ca3(PO4)2                        (α,β-TCP)

例如US4，518，430、US4，612，053、US4，678，355、US4，880，610、 US5，053，212、US5，152，836、US5，605，713、EP0，416，761、 EP0，543，765、EP0，664，133或WO 96/36562公开了这样的水泥。

此外，在先技术已公开了一种由α-TCP、β-TCP和少量的用作 结晶核的沉淀的羟基磷灰石(PHA)组成的水泥，并已研究的水泥的 凝固行为(Jansen等人，材料科学杂志：材料医学6(1995)653- 657)。下列的反应式是α-TCP与水反应的一般反应式： 下列的反应式是α-TCP与磷酸二钙(DCP)反应的一般反应式： 。

在凝固过程期间，沉淀的缺钙的羟基磷灰石晶体的相互啮合使动 始的糊状的混合物发生了硬化。

已知的羟基磷灰石式磷酸钙水泥的特性，特别是它们的生理可接 受性获得了生物吸收能力和被新生的天然骨组织所替代的能力或天 然骨组织成长的刺激作用，它们的某些物理特性，例如抗压强度和硬 化时间将取决于或多或少明显的结晶度，取决于粒度和取决于在制备 期间可能得到的孔隙率。

因此，例如将CaHPO4或CaCO3或CaHPO4连同CaCO3一道加入α- TCP和β-TCP的混合物中，可获得不同的生物水泥(Khairoun等人， 生物材料，10(1997)1535-1539)。硬化后得到的某些组合物的抗 压强度在30MPa范围内，因此在人体小梁骨的抗压强度范围内 (Driessens等人，生物陶瓷10(1997)279-282)，但是，尽管使 用了通常的硬化加速训，这些高抗压强度值的获得仍需要15到30小 时的时间，这对早期稳定和承载来说，这样的时间对于创伤学和整形 外科学的使用是太长了。在这些场合下，α，β-TCP的混合物已进行 磨细，其粉末的约60％-70％是有小于8微米的粒度，余下的颗粒具 有小于35微米的粒度。

因此，为了满足不同的要求，对于具有不同特性的骨质水泥仍有 兴趣。本发明提供了具有特定特性的水泥。本发明所依据的问题更确 切地说在于改变TCP混合物连同其它的无机磷酸盐化合物的掺合物的 粒度的磨细能否获得具有改进特性的新水泥。

因此，本发明涉及一种粉末的混合物，这种粉末适合于制备可吸 收的磷酸钙水泥，除了磷酸三钙(TCP)之外，粉末至少还进一步含 有其它的含磷酸盐的无机化合物，其特征在于，TCP的颗粒具有下列 的粒度分布：

30-90％：0.1-40微米，

10-70％：40-300微米。

除了有一定的比例的粗颗粒外，还必须存在一定比例的细颗粒 (约1-40微米)和很细的颗粒(约0.1-1微米)，这一点对于本发 明来说是必不可少的。

根据本发明的混合物必定总是含有TCP。TCP主要是以两种不同 的结晶形体存在，即α和β。根据本发明，混合物含有α-TCP，掺入达 60％的β-TCP是可能的。因此，本发明涉及一种混合物，在此种混 合物中，40-100％的TCP是以α-形(α-TCP)存在，0-60％是以 β形(β-TCP)存在。在上面或下面使用TCP的术语时，根据定义， 总是指的是这种α-和β-TCP的混合物。

本发明特别涉及那些混合物，30-70％的TCP的颗粒为0.1-7微 米。此外，本发明涉及那些混合物，其中10-60％的TCP颗粒为40 -100微米。具有下列TCP颗粒粒度分布的相应混合物是特别优选 的：

30-50％：1-7微米

20-40％：7-40微米

10-50％：40-100微米

曾发现，不仅TCP颗粒的粒度或它们的粒度分布具有有利的影 响，而且混合物中余下的含磷酸盐的化合物的粒度和特性也起作用。 根据本发明，至少50％的这些非TCP颗粒应具有在10-100微米之间 的粒度。一般说来，这些颗粒既不可磨得太细，也不可磨得太粗。根 据本发明，混合物中的这些非TCP化合物的比例是1-85％，优选是 5-60％。

能够与TCP混合的合适的化合物一般都是含钙和磷酸盐的无机化 合物。EP 543 765已公开了特别合适的化合物。选自下列的化合物是 优选的。 Ca(H2PO4)2·H2O、CaHPO4、CaHPO4·2H2O、Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O、 Ca9(HPO4)(PO4)5OH、Ca10(PO4)6(OH)2、含碳酸盐的磷灰石、 CaCO3、Ca(OH)2、MgHPO4·3H2O、Mg3(PO4)2、CaNaPO4、 Ca11Na(PO4)2、CaKPO4、Ca2PO4Cl、Ca2NaK(PO4)2、Ca10(PO4)6Cl2、 ZnHPO4·4H2O和Zn3(PO4)2， 特别是选自组： Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O、Ca10(PO4)6(OH)2、CaHPO4和CaCO3·

总之，具有下列组成的混合物是特别合适的： (ⅰ)TCP：90-99％        Ca10(PO4)6(OH)2：1-10％； (ⅱ)TCP：90-99％        Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O：1-10％； (ⅲ)TCP：70-99％        Ca10(PO4)6(OH)2：1-10％，     CaCO3：10-20％； (ⅳ)TCP：70-99％        Ca8(HPO4)2(pO4)4·5H2O：1-10％，     CaCO3：10-20％； (ⅴ)TCP：40-99％        Ca10(PO4)6(OH)2：1-10％，     CaHPO4：1-50％； (ⅵ)TCP：40-99％        Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O：1-10％，     CaHPO4：1-50％； (ⅵ)TCP：20-99％        Ca10(PO4)6(OH)2：1-10％，     CaHPO4：1-50％，      CaCO3：1-20％； (ⅶ)TCP：20-99％        Ca8(HPO4)2(PO4)4·5H2O：1-10％，     CaHPO4：1-50％，      CaCO3：1-20％。

如果需要的话，根据本发明的混合物也可含有已知的硬化加速 剂。这里磷酸氢二钠是优选的。

此外，已发现，如果在原料中的镁含量不交于约0.13％、钠含量 不多于约0.2％，则本发明的含TCP的生物水泥是特别有利的。

生物材料在人体或动物体中的移植总是存在这些无生命的材料 受微生物种的危险，因为这些材料一开始就没有维管联结，因此， 不能得到免疫系统的保护。因此，希望将例如由氨基糖苷类的抗生素 如庆大霉素、或头孢唑啉、克林霉素棕榈酸盐，特别是克林霉素磷酸 盐、或消毒剂加到生物材料中以使生物材料暂时不受微生物的种以 避免移值期间受微生物的种。这导致了下一个目的，即论证抗生素 和/或消毒剂不仅被混入水泥中，而且也要从水泥中洗提出来。此外， 根据预定的使用，抗生素和/或消毒剂的混合，不会使水泥的机械特 性或加工特性例如硬化时间产生有害的影响。合适的消毒剂是吖啶 类，特别是双胍类，例如洗必太，又特别是聚己双胍(Lavaset_)。 此外，借助抗生素和消毒剂混入和从可吸收的磷酸钙水泥中逐渐的逸 出，在外科清创术后，这种生物材料可以在有感染危险的区域进行移 值。此外，由于利用一次手术可以医治骨髓炎，这就使得骨髓炎的治 疗变得容易了，骨髓炎的特征是慢性感染和骨坏死。

此外，希望将另外的具有很广泛效能的药物活性成分与可吸收的 生物水泥相混合，例如可增加水泥周围骨的细胞活性，在化学学 的意义上来讲，以达增加水泥的吸收作用和水泥被内生骨替代或形成 内生骨和未吸收水泥部分，或活性成分的复合物，化学可在肿瘤 切除后防止稳定的水泥填充物被留在附近的肿瘤细胞疏松。

这种合适的药物活性成分的实例是各种的生长因子，例如FGF(纤 维细胞生长因子)、BMP(骨形发生蛋白质)或TGF-β(组织生长因 子)，或其它的活性成分，例如前列腺素或其它影响前列腺素的新陈 代谢的物质、能与甲状腺或骨髓腺的新陈代谢相互作用的活性成分， 或还有化学剂，例如甲氨蝶呤。现已发现，掺入这样的物质会产 生相应的硬化生物水泥，这种硬化的生物水泥由于其结构，在移值后 的几天内，能够将这些活性成分逸出到环境中。

因此，本发明也涉及还含有一种或多种药物活性成分或一种或多 种消毒剂的混合物。

为了移植或注入，根据本发明的混合物必须要与含水液体混合， 以使根据先前所述的反应式发生磷灰石结构物或类磷灰石物质的凝 固或形成。结果，当粉末混合物与含水液体混合之后，得到了有利的 特性。这些特性的特征在于，在固相和液相混合后所得到的糊状物， 在一定的时间间隔内，以对温度的依赖方式，允许有某些处理的可能 性，例如，塑型和可注入性。合适的含水液体例如是生理盐水溶液、 体液如血液或血浆、或缓冲水溶液。原则上，添加剂如药物学活性成 分或硬化加速剂不仅能够与TCP粉末混合，而且也能够以水溶液的形 式加到待搅拌的生物水泥中。然后它是以奶油状的悬浮物或糊状物的 形式存在，该悬浮物或糊状物可以很容易地引入到预定的部位或缺损 的骨结构中。

因此，本发明也涉及相应的呈水溶液、糊状物或悬浮液形式的混 合物和混合物在制备生物可降解合成骨材料方面的应用。

根据本发明的搅拌的和凝固的混合物的特征是具有30MPa或更高 的所需抗压强度，根据本混合物的组成，在仅仅非常短的硬化时间， 即在2-10小时，优选地在3-6小时就可达到这样的抗压强度值， 而在现有技术中，在组成稍微改变的混合物的场合下，硬化时间通常 为15-30小时，其抗压强度仅稍微高于30MPa。在根据本发明的混合 物情况下，在这样长的硬化时间内抗压强度可以高达40-50MPa。

下面对图进行简要的说明。

图1：抗生素从生物水泥D的洗提

批料：

Ⅰ.1克水泥+0.7毫升的雷夫巴星(Refobacin)120；0.7克上 述的混合物/20毫升的缓冲液(=20毫克)

Ⅱ.1毫升医药5-琼脂+0.7毫升雷夫巴星120/20毫升缓冲液。

Ⅲ.1克水泥+0.7毫升的60毫克/毫升的头孢唑啉；1.04克上 述的混合物/20毫升的缓冲液(=25.7毫克)

Ⅳ.1克水泥+0.7毫升的60毫克/毫升的奈替米星，1.15克/20 毫升缓冲液(=28.4毫克)

Ⅴ.1克水泥+0.7毫升的60毫克/毫升的克林霉素磷酸盐，0.99 克/20毫升的缓冲液(=25.4毫克)

以1/15M，pH7.4的磷酸盐缓冲液在37℃进行洗提

段落Ⅰ-Ⅴ相应于图中同样标号的曲线。

图2：庆大霉素从H-、B-、F-和D-水泥中的释出(以μg表 示)

混合物的编号相应于同样编号的曲线。

实施例1：

α-TCP是利用的摩尔比为2∶1的CaHPO4与CaCO3的混合物的煅烧 法制备的，煅烧在1350℃的温度下进行4个小时，随后在室内空气中 进行冷却。所得到的反应产物含有少于10％的β-TCP。

对α-TCP进行磨碎、过筛、混合，以使约50％的粒度在0.1-7 微米之间，约25％的粒度在7-25微米之间，另外的25％粒度在25 -80微米之间。利用LeGeros的方法 (Calzif.Tiss.Int.37(1985)194-197)制备OCP。

利用实施例来说明下列水泥混合物的特性：

下面的含如下：

生物水泥H：α-TCP和PHA的混合物

生物水泥F：α-TCP、DCP和PHA的混合物

生物水泥D：α-TCP、DCP、CaCO3和PHA的混合物

生物水泥H-OCP：α-TCP和OCP的混合物

生物水泥F-OCP：α-TCP、DCP和OCP的混合物

生物水泥D-OCP：α-TCP、DCP、CaCO3和OCP的混合物 生物水泥    α-TCP    DCP    CaCO3   PHA    OCP

α-TCP        20       -       -       -      -

H             20       -       -      0．40   -

H-OCP         20       -       -       -    1．00

F             14      6．0     -      0．40   -

F-OCP         14      6．0     -       -    1．00

D             14      6．0    2．0    0．40   -

D-OCP         14      6．0    2．0     -    1．00

混合比的数据以克计。用于混合粉末的液体是4％的Na2HPO4的水 溶液。液体/粉末的比是0.30毫升/克粉末。

根据ASTM标准以Gilmoore针测定室温(20±1℃)下和(37±1 ℃)下的起始硬化时间(ti)和达到最终硬度的时间(tf)。

使用lloyd型LR50K材料试验机，测定在浸入Ringer溶液后1 小时、2小时、4小时、18小时和65小时的抗压强度。借助X-射线 衍射法测定反应产物。

对于制备生物水泥F、F-OCP、在和D-OCP，特别优选的DCP是 Ca/P的比大于1.45的DCP，这些生物水泥的共同特点是都掺有DCP。

实施例2：

抗生素/消毒剂以液体配方和固态形式混入所得到的水泥中，测 定释出行为。所用的洗提溶液是根据S_rensen的磷酸盐缓冲液其pH 为7.4，温度为37℃。

根据ASTM的标准测定含抗生素/消毒剂的水泥混合物的硬化特 性。

X-射线衍射法表明，水泥F-OCP和D-OCP中的CaHPO4不发生 反应，尽管附加的OCP起晶核的作用，并且形成了缺钙的羟基磷灰石。

在20℃和37℃时作为ti和tf的凝固时间(分)(标准偏差)： 生物水泥    ti(20℃)        ti(37℃)   tf(20℃)    tf(37℃)

α-TCP       31(1)          4．5(0．25)     51(1)      7(0．5)

H            19(1)          3．25(0．25)    40(1)      6(0．5)

H-OCP        17．5(1)       3．25(0．25)    35(1)      6(0．5)

F            5．75(0．25)   3．25(0．25)    16(1)      9(0．5)

F-OCP        10(0．5)       3．5(0．25)     16．5(1)   4．5(0．25)

D            9．75(0．5)    3．5(0．25)     19(1)      8．25(0．5)

D-OCP        11．5(0．5)    3(0．25)        22(1)      6．5(0．5) 在1、2、4、18和65小时后的抗压强度： 生物水泥   1h      2h        4h      18h       65h

α-TCP    10(1)    18(1)    31(2)     -        32(3)

H         11(1)    20(1)    38(2)    40(4)     41(5)

H-OCP     13(1)    18(2)    37(3)    40(5)       -

F         11(1)    18(3)    28(3)    31(4)     39(2)

F-OCP     11(1)    29(1)    32(2)    42(3)     41(2)

D         10(2)    16(1)    26(2)    45(5)     47(2)

D-OCP     10(1)    16(2)    23(1)    45(3)     47(6)

结果表明，已经实现了本发明的目的。与加有OCP和PHA的α- TCP(具有10％β-TCP的含量)相比较，起始和最终的硬化时间缩短 了。硬化动力学向较短的的时间移动在低温T特别明显，而在体温下， 这种效应只是很微小。这对于所得到的水泥的处理特性是特别有利 的，因为在室温下要保证充分长的处理时间，而在体温下的硬化不会 太短，因此引入的水泥仍然是可塑型的。这里通过实施例证实的生物 水泥的抗压强度数据表明，通常在6小时后达到最终的强度，并且生 物水泥D和D-OCP达到50MPa的强度。

实施例3：

下面表明也实现了本发明的另一个目的，即为了移值保护或抗感 染，使活性成分例如抗生素混入和逐步地从水泥中析出。

图1和图2表示了由实例选择的并含有各种抗生素的生物水泥D 的释出动力学，也表示了含庆大霉素的各种生物水泥释出的动力学。 混入抗生素/消毒剂对于抗生素释出的所需效应来说，硬化动力学或 强度不会受到有害的影响。如实施例表明使用带庆大霉素磷酸盐粉末 的生物水泥H、F和D的结果，其液体/粉末比为0.30，使用Na2HPO4 或庆大霉素磷酸盐溶液，温度为37℃。所述强度值是在20个小时后 测定的。ti和tf值以分为单位进行测量，是使用Gilmoore针测量的。 在室温下测量粘聚时间(CT)，并以分表示。

使用庆大霉素磷酸盐粉末测定的测量值

120毫克/5克水泥 生物水泥    ti    tf  CT    F(MPa)  ti  tf   CT   F(MPa)

         无庆大霉素                    有庆大霉素 H           3.5    6   6     40±4    8    14    1.5    37±3 F           3.5    5   3.5   31±4    7.5  9.5   1.5    39±3 D           4      5.5 1.5   45±5    5    8     1.5    41±1

使用庆大霉素磷酸盐作为溶液(Refobacin 120)，并不含Na2HPO4 和只含Na2HPO4时测定的测量值 生物水泥    ti  tf   CT    F(MPa)      ti  tf   CT   F(MPa)

          Refobacin 120_                   Na2HPO4 H           7     12    ＜2    48±4     3.5   6     6     40±4 F           3.5   5     3.5    31±4     7.5   9.5   1.5   39±3 D           4     5.5   1.5    45±5     5     8     1.5   41±1

实施例4：

利用原料制备TCP

在制备TCP时，α/β TCP的百分含量主要受原料中Mg和Na的重 量百分数的影响，但是也受Ca/P的比的影响。下表给出了Mg和Na 对TCP相组成影响的概述： ％Mg        ％Na      ％β-TCP 0.11        0.12         5 0.39        0.10         70 0.25        0.022        35 0.23        0.025        25 ＜0.0005    0.0024       ＜5 ＜0.0005    0.0029       ＜5 ＜0.0005    0.0013       ＜5 0.062       0.0081       ＜5 0.11        0.72         100 0.0024      0.20         ＜5 0.13        0.20         ＜5