專利名稱：骨骼填充材料及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明乃涉及骨骼填充材料，本發(fā)明亦有關(guān)于骨骼填充材料的制造方法。
骨科填充材料，主要是做為因意外傷害或骨病挖掉部份骨組織所造成骨缺陷(bone defect)的填補(bǔ)修復(fù)材料。目前臨床使用的材料，大多以骨水泥(bone cement)為填充材料，而骨水泥的主要成份為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethymethacrylate PMMA)，填入人體后可能會釋出其單體進(jìn)而干擾人體功能，如減低病患血壓造成不適，及放熱的聚合反應(yīng)使骨骼局部溫度超過60℃造成骨細(xì)胞壞死，另一方面PMMA的生物親和性不好，填入后既不會與周圍骨組織產(chǎn)生良好的鍵結(jié)，又無法被吸收取代以促進(jìn)新生骨形成，所以利用骨水泥做為骨骼填充材料并非理想。
另外以生醫(yī)活性陶瓷，如氫氧基磷灰石(hydroxyapatite；HAP)，三鈣磷酸鹽(β-TCP)經(jīng)過燒結(jié)成型為塊狀或直接以粉末填入骨缺陷中(bone defect)，來幫助骨骼修復(fù)，雖然其生物親合性良好，而且部份材料最后可被完全吸收進(jìn)而為自然骨骼所取代，但是由于粉末狀填充材料在填補(bǔ)時，體液或血液常會將植入材料沖離患處，影響實(shí)際植入的效果；即使將粉體制成多孔質(zhì)，配合多種形狀大小的模具經(jīng)過燒結(jié)成型可制成各式各樣的塊狀材料，然而，在臨床應(yīng)用上亦常會遇到一個重要的問題，即骨缺陷區(qū)域的大小或形狀不可能與預(yù)期的尺寸完全吻合，因此在臨床應(yīng)用時常需要挖大傷口或修剪植入材料，以求傷口與植入材料盡量密合，如此造成手術(shù)時間的延長及對病患傷口的二次傷害，而且患處與植入材料間所存留的一些間隙，更會使骨愈合因此受到阻礙。
因此做為骨缺陷填充材料，現(xiàn)今乃以可降解性的合成高分子或天然的高分子和陶瓷粉末混合而成的復(fù)合材料為主要的發(fā)展對象，如1988年Yamamuro等人所提出用A-WG.C.與纖維蛋白(fibrin)復(fù)合材料以及1994年Lin等人利用三鈣磷酸鹽及明膠混合做的復(fù)合材料，均嘗試進(jìn)行做為骨科填充材料的研究，而且都有相當(dāng)好的生物植入的結(jié)果，更因此類材料在合成時，容易混摻一些可促使新生骨細(xì)胞快速生長的物質(zhì)，如去鈣骨粉(DMB)和骨形成蛋白(BMP)，所以說此類復(fù)合物做為骨科填充材料，將是近年來相關(guān)研究的熱門方向。
本發(fā)明的目的在于提供一種骨骼填充材料，其具有良好的生物適應(yīng)性、無毒性、以及促進(jìn)新生骨母細(xì)胞生長的優(yōu)越特性。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種骨骼填充材料的制造方法，其可以用以制備優(yōu)異的骨骼填充材料，且其制造過程方便經(jīng)濟(jì)。
本發(fā)明的骨骼填充材料其大致包括(a)明膠(gelatin)粉末、(b)水、(c)三鈣磷酸鹽(TCP)粉末、以及(d)戊二醛(glutaraldehyde)。
明膠是做為黏結(jié)劑，所選擇的明膠，可以由牛皮所提煉的明膠(gelatin，Sigma chemical Co.，USA)。
水主要是用來調(diào)配明膠水溶液，一般而言以使用去離子水較佳，其中該明膠粉末溶于去離子水的重量比是介于1∶2至1∶5之間，較佳是介于1∶10。
三鈣磷酸鹽粉末是做為在陶瓷粉末，為了使復(fù)合材料的降解速率降低，因此較佳是使用β相的三鈣磷酸鹽，三鈣磷酸鹽粉末經(jīng)過1000℃高溫處理后幾乎為純的β相的三鈣磷酸鹽，經(jīng)研磨后以30-40mesh篩選以待復(fù)合材料合成使用。三鈣磷酸鹽粉末與明膠的重量比是介于1∶1至5∶1之間，較佳的是為3∶1。
戊二醛是做為交聯(lián)劑，對于戊二醛的添加量并無特別的限制，一般而言，是使用戊二醛水溶液(例如，25％ Sigma Chemical Co.，USA)￡-較適當(dāng)?shù)臐舛仁钦{(diào)配成1％至10％(W/W)，更佳的是2％至8％(W/W)。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的目的和特征，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，對本發(fā)明作一詳細(xì)介紹，圖示簡單說明

圖1是實(shí)施例1至4所得的試片，分別浸泡于20ml去離子水中1、2、4、7、14、28、42天，分別測量其浸泡液中釋出的戊二醛濃度結(jié)果曲線圖。
圖2是實(shí)施例1至4所得的試片，分別浸泡于20ml去離子水中1、2、4、7、14、28、42天，分別測量其浸泡液中釋出的明膠濃度結(jié)果曲線圖。
圖3是不同濃度的明膠溶液與骨母細(xì)胞進(jìn)行兩天的細(xì)胞培養(yǎng)，其存活骨母細(xì)胞的變化結(jié)果曲線圖。
本發(fā)明的骨骼填充材料制備時，是依如下步驟(a)取明膠粉末溶于去離子水使成明膠水溶液；(b)添加三鈣磷酸鹽粉末于該明膠水溶液，攪抖均勻使成為混合物；以及(c)添加戊二醛水溶液于上述混合物中，使之與明膠進(jìn)行交聯(lián)聚合而得骨骼填充材料。
為減少骨骼填充材料中戊二醛的含量，聚合所得骨骼填充材料可以進(jìn)一步浸泡于去離子水中至少四天以上。
本發(fā)明得藉助以下實(shí)施例的具體說明，而得一更佳的了解，但本發(fā)明的申請專利范圍并不限定于該實(shí)施例。實(shí)施例一取明膠10g溶于100ml去離子水，添加30g的β-三鈣磷酸鹽，攪拌均勻使成為混合物，然后添加1％(W/W)戊二醛水溶液于上述混合物中，使之與明膠進(jìn)行交聯(lián)聚合而得骨骼填充材料。聚合成形時，由模具制成直徑為6mm，厚為2mm的圓盤狀試片一。實(shí)施例二至四仿實(shí)施例一的步驟，但分別以2％(W/W)、4％(W/W)、8％(W/W)濃度的戊二醛水溶液取代1％(W/W)戊二醛水溶液，分別得圓盤狀試片二至四。試驗(yàn)例一戊二醛釋出濃度測定取實(shí)施例一至四所得的試片一至四，分別浸泡于20ml去離子水中1、2、4、7、14、28、42天，分別測量其浸泡液中的戊二醛，其結(jié)果如圖1所示。
由圖1的結(jié)果顯示，浸泡超過四天以上時，各試片所釋出的戊二醛濃度已達(dá)一平衡值。使用濃度為2％(W/W)、4％(W/W)、8％(W/W)的戊二醛為交聯(lián)劑所合成的試片二至四，浸泡超過四天以上時，各試片所釋出的戊二醛濃度無太大差異，均約在65-70μg/ml。試驗(yàn)例二戊二醛毒性測定結(jié)果所使用的細(xì)胞為由新生鼠(Wistar)頭鈣骨所分離出來的骨母細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)評估對象(N.T.U.，Taipei，R.O.C.)，所使用的培養(yǎng)液為添加有10％小牛胚胎血清(fetal calf serum)，及1于抗生素(antibiotics)的細(xì)胞培養(yǎng)液(Dulmecco’s Modified Eagle’s Minimum Medium；DMEM)。
為決定骨母細(xì)胞對戊二醛溶液的毒性耐受程度，因此以戊二醛溶液濃度分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90及100μg/ml，分別與骨母細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)兩天后，計算骨母細(xì)胞的細(xì)胞數(shù)目變化情形，在控制組方面乃以PBS為對照材料，控制組骨母細(xì)胞經(jīng)過兩天的細(xì)胞培養(yǎng)后，細(xì)胞數(shù)目大約維持在3.5×104左右，而以不同濃度的戊二醛溶液與骨母細(xì)胞進(jìn)行培養(yǎng)，其結(jié)果可發(fā)現(xiàn)在戊二醛溶液濃度增加至70μg/ml以上時，骨母細(xì)胞數(shù)目開始明顯地低于控制組的細(xì)胞數(shù)目，由此現(xiàn)象可說明戊二醛溶液濃度大于70μg/ml以上時，對骨母細(xì)胞將會造成明顯的生物毒性現(xiàn)象。
而由試驗(yàn)例一的萃取液中戊二醛濃度值的測定結(jié)果，得知各試片的殘留戊二醛濃度均在70μg/ml以下，因此即使這四組GTG復(fù)合材料不經(jīng)過浸泡處理直接應(yīng)用于生物體內(nèi)，理論上亦不會造成市生物毒性反應(yīng)。試驗(yàn)例三明膠釋出濃度測定取實(shí)施例一至四所得的試片一至四，分別浸泡于20ml去離子水中1、2、4、7、14、28、42天，分別測量其浸泡液中的明膠濃度，其結(jié)果如圖2所示。
由圖2的結(jié)果顯示，浸泡的前七天內(nèi)，各試片所釋出的明膠濃度呈現(xiàn)快速上升現(xiàn)象，大約分布在0.1-0.4mg/ml之間，此是因?yàn)楫a(chǎn)生交聯(lián)反應(yīng)的明膠所釋出。浸泡七至四十二天，各試片所釋出的明膠濃度大約分布在0.40-0.65mg/ml之間；使用濃度為2％(W/W)、4％(W/W)、8％(W/W)的戊二醛為交聯(lián)劑所合成的試片二至四，各試片所釋出的明膠濃度依所使用的交聯(lián)劑濃度增加而減緩釋出的速度；至于使用濃度為1％(W/W)的戊二醛為交聯(lián)劑所合成的試片一，所釋出的明膠濃度仍呈現(xiàn)相對快速上升。不同交聯(lián)劑濃度所合成的試片所釋出的明膠濃度亦不相同，依所使用的交聯(lián)劑濃度增加而可減緩明膠釋出的速度。試驗(yàn)例四明膠細(xì)胞培養(yǎng)的測試結(jié)果為了評估明膠對骨母細(xì)胞的作用效應(yīng)，以及明膠濃度的變化對骨母細(xì)胞的生長影響，分別以0、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100及1200μg/ml的明膠溶液與骨母細(xì)胞進(jìn)行兩天的細(xì)胞培養(yǎng)，然后以光學(xué)顯微鏡察骨母細(xì)胞的生長型態(tài)，并計算存活骨母細(xì)胞的變化，其結(jié)果如圖3所示?？刂平M為骨母細(xì)胞PBS共同培養(yǎng)的骨母細(xì)胞數(shù)目，大約維持在4.5×104左右。而在實(shí)驗(yàn)組方面，第一部份為明膠溶液濃度在100至300μg/ml這個范圍的細(xì)胞生長情形，結(jié)果骨母細(xì)胞數(shù)目并沒有因?yàn)槊髂z溶液濃度的升高，而有增生的現(xiàn)象，細(xì)胞數(shù)目維持仍在5.0×104左右。當(dāng)明膠濃度增加至400到900μg/ml這個范圍時，骨母細(xì)胞明顯地增生到1.0×105cell/ml。
由試驗(yàn)例三的測定得知，浸泡七至四十二天，各試片所釋出的明膠濃度大約分布在0.4-0.65mg/ml(明膠濃度介于上述可明顯增生骨母細(xì)胞的濃度范圍400至900μg/ml)之間。亦即，各試片所釋出的明膠濃度范圍，具有極明顯的促進(jìn)骨母細(xì)胞增生的能力。試驗(yàn)例五生物適應(yīng)性評估-體內(nèi)測試如下仿實(shí)施例一的步驟，但選擇4％的戊二醛溶液做為交聯(lián)劑，由模具制成直徑為15mm，厚為2mm的圓盤狀試片五。所有植入試片先行以去離子水浸泡七天之后，放入75％的酒精溶液中以待植入，因此在實(shí)驗(yàn)設(shè)計上最長的評估時間為六個月，所有的兔體犧牲觀察時間依序?yàn)槭中g(shù)后第二周、第一個月、第二個月、第三個月及第六個月，分別取出植入部位的顱骨，進(jìn)行組織包埋、切片再以附有螢光的光學(xué)顯微鏡觀察，就實(shí)際兔體的雙數(shù)而言，實(shí)驗(yàn)組除了第二周以兩雙為觀察對象外，其它的植入階段均以四雙兔體進(jìn)行評估，而控制組方面則每一個評估階段僅以一雙為植入對象。兔子頭顱骨植入評估結(jié)果試片五植入后一個月的巨視觀察的情形。在控制組方面，顯示受傷骨組織仍無任何愈合的現(xiàn)象，僅以一層硬骨膜存在。實(shí)驗(yàn)組方面，試片五與周圍骨組織已完整的結(jié)合在一起，并無任何的間隙出現(xiàn)在試片五與骨組織之間。
按著再以GTG材料植入兩個月以后的情形與控制組做比較?？刂平M方面，于缺陷僅形成一層纖維組織，而形狀與大小并無明顯改變，缺陷骨組織無法自然組織，而形狀與大小并無明顯改變，缺陷骨組織無法自然愈合；實(shí)驗(yàn)組方面，試片五與周圍骨組織假乎以融合在一起，試片五與周圍骨組織的介面以不在像前階段所觀察的那么平整，這表示新生骨組織逐漸形成與植入材料溶解的現(xiàn)象。
植入三個月以后，控制組方面，于骨缺陷孔洞無明顯改變；實(shí)驗(yàn)組方面，骨缺陷部位明顯縮小。
植入六個月以后，控制組方面，于骨缺陷孔洞自然修復(fù)有限；實(shí)驗(yàn)組方面，骨缺陷部位已完全修復(fù)，原來植入的材料已消失。
綜合上面所述，本發(fā)明的骨骼填充材料，所進(jìn)行兔體頭顱骨植入的評估結(jié)果，說明三鈣磷酸鹽混合明膠的復(fù)合材料，在改變以戊二醛做為交聯(lián)劑時，確實(shí)能延遲材料于生物體內(nèi)的降解速率，而且若在植入生物體內(nèi)之前先經(jīng)過四天以上的去離子水浸泡處理，GTG將不致造成植入部位的發(fā)炎等生物毒性現(xiàn)象，反而由材料中所逐漸釋出的物質(zhì)更會促進(jìn)受傷骨組織的愈合速率，由組織切片觀察說明，于植入后第二周在材料組織之間形成一介面，但并無明顯的異物膜包覆，而于第一個月時，骨細(xì)胞突破這個介面進(jìn)而依附在材料的邊緣，一方面溶釋材料以促進(jìn)新生骨細(xì)胞的生長發(fā)育，另一方面新生骨組織進(jìn)而取代材料溶釋的位置，在植入后第二個月時，長入材料中的新生骨進(jìn)一步的成熟，材料的溶釋現(xiàn)象亦更加明顯地因新生骨形成而縮小，在此階段骨細(xì)胞依附材料生長及取代材料位置的骨小島形成的趨勢日趨增強(qiáng)，一直至第六個月的材料幾乎完全被溶釋吸收進(jìn)而由新生骨細(xì)胞取代，使骨缺陷位置幾乎已將修復(fù)為原本的自然骨骼組織。
綜上所述，本發(fā)明能藉所揭露的構(gòu)造以達(dá)到發(fā)明目的，具新穎性、進(jìn)步性、與可供產(chǎn)業(yè)利用性，而與發(fā)明專利要件相符合。惟，以上所揭示者，乃較佳實(shí)施例，舉凡局部的變更或修飾而源于本發(fā)明的技術(shù)思想而為熟悉該項(xiàng)技藝的人士所易于推知者，具不脫本發(fā)明的專利權(quán)范疇。
權(quán)利要求
1.一種骨骼填充材料，其特征在于，其包括(a)明膠(gelatin)粉末；(b)水；(c)三鈣磷酸鹽(TCP)粉末；以及(d)戊二醛。
2.如權(quán)利要求1所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中該明膠粉末是由牛皮所萃取及純化而得，其分子量為60,000-100,000道耳吞(dalton)。
3.如權(quán)利要求1所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中該三鈣磷酸鹽是為β相的三鈣磷酸鹽，其粒度(grain size)約在200-300μm。
4.如權(quán)利要求1所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中該戊二醛水溶液的濃度是介于1％至10％(W/W)。
5.如權(quán)利要求1所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中明膠與三鈣磷酸鹽的重量比是介于1∶5至1∶1之間。
6.一種骨骼填充材料的制造方法，其特征在于，其包括如下步驟(a)取明膠粉末溶于去離子水使成明膠水溶液；(b)添加三鈣磷酸鹽粉末于該明膠水溶液，攪拌均勻使成為混合物；以及(c)添加戊二醛水溶液于上述混合物中，使之與明膠進(jìn)行交聯(lián)聚合而得骨骼填充材料。
7.如權(quán)利要求6所述的骨骼填充材料，其特征在于，其更包括步驟(d)將上述步驟(c)所得的骨骼填充材料浸泡于去離子水中至少四天以上。
8.如權(quán)利要求6所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中該戊二醛水溶液的濃度是介于1％至10％(W/W)。
9.如權(quán)利要求6所述的骨骼填充材料，其特征在于，其中該明膠與三鈣磷酸鹽的重量比是介于1∶5至1∶1之間。
全文摘要
一種骨骼填充材料,其大致包括明膠(gelatin)粉末、水、三鈣磷酸鹽(TCP)粉末、以及戊二醛;本發(fā)明的骨骼填充材料以三鈣磷酸鹽粉末為填充主體,以明膠做為粉末的黏結(jié)劑,并添加戊二醛做為交聯(lián)劑,以降低骨骼填充材料于生物體內(nèi)的降解速率;本發(fā)明亦揭露有關(guān)于骨骼填充材料的制造方法。
文檔編號A61L27/00GK1255382SQ98125150
公開日2000年6月7日 申請日期1998年11月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月26日
發(fā)明者林峰輝, 姚俊旭 申請人:瑞安大藥廠股份有限公司