一种抗感染功能增强型抗生素骨水泥及其制备方法和用途

1.本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种抗感染功能增强型抗生素骨水泥及其制备方法和用途。


背景技术：

2.骨关节感染是骨科手术中一种灾难性的并发症，是由各种病原微生物引起的骨骼肌肉系统感染，通常由开放性骨折、手术时的直接接种、邻近部位感染的蔓延或继发于其他感染源的血行播撒所致。金黄色葡萄球菌是骨关节感染最主要的致病菌之一。常见的骨关节感染包括骨髓炎、感染性关节炎以及骨科植入物相关的感染，这些感染常常迁延难愈且复发风险高，给患者生活带来了极大的困扰。尽管目前已经采取了广泛的预防措施，例如采用抗生素和细致完善的无菌手术过程，但骨关节感染的发病率仍为1-2%，并且在全球人口老龄化的情况下会持续上升。因此，需要一种有效的解决方案来预防和治疗这种并发症。
3.骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料。聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，pmma)骨水泥是一种有机聚合物，与其它抗生素载体相比具有良好的可塑性、稳定性和空间占位能力，是目前临床上最常用的抗生素载体。buchholz、engelbrecht等提出，通过在pmma骨水泥中加入抗生素后混合而成的抗生素骨水泥作为一种稳定的抗生素缓释系统，在其固化之前可以根据临床需求将其制备成各种形状的占位器，将其植入体内后可以为局部感染提供抗生素，从而达到预防和治疗局部感染的目的。在目前的临床实践中，局部应用抗生素骨水泥是用于预防和治疗骨关节感染的常用手段。但是这种方法仍然存在局限性：对于目前的抗生素骨水泥，抗生素在初始时间段释放极快，然后在接下来的6-8周内持续缓慢释放，累计释放的量较低，最终只有约10%的抗生素被释放，其余的抗生素都被锁在了骨水泥中。因此，为了提高抗生素的累计释放量，实现抗生素的长效缓慢释放，提高抗生素骨水泥的抗菌性能，需要研发出一种抗感染功能增强的抗生素骨水泥。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种抗感染功能增强型抗生素骨水泥及其制备方法和用途。
5.本发明提供了一种抗生素骨水泥，它包含以下三个组分：组分1：聚酯类嵌段共聚物，所述聚酯类嵌段共聚物由亲水性嵌段和疏水性嵌段组成，其中疏水性嵌段的质量占比为80%-100%；所述亲水性嵌段为聚乙二醇，所述疏水性嵌段为聚乳酸、聚己内酯、聚乙醇酸中的一种或两种；组分2：骨水泥粉末，所述骨水泥粉末中包含抗生素或其盐、抗生素载体和引发剂；组分3：骨水泥液体，所述骨水泥液体中包含抗生素载体的单体。
6.进一步地，所述聚酯类嵌段共聚物的数均分子量为1000-1000000道尔顿；所述骨水泥粉末中包含以下质量分数的成分：抗生素或其盐4%-5%，甲基丙烯酸甲
酯/丙烯酸甲酯共聚物 80%-81%，引发剂0.5%-1.5%，显影剂14%-15%；所述骨水泥液体中包含以下质量分数的成分：甲基丙烯酸甲酯95%-99%，促进剂0-5%，阻滞剂1ppm-100ppm。
7.进一步地，所述聚酯类嵌段共聚物是由聚乙二醇和聚乳酸组成的无规或有规嵌段共聚物，其中，聚乙二醇的质量占比为20%，聚乳酸的质量占比为80%；或，所述聚酯类嵌段共聚物是由聚乳酸和聚己内酯组成的无规或有规嵌段共聚物，其中，聚乳酸的质量占比为70%，聚己内酯的质量占比为30%；或，所述聚酯类嵌段共聚物是由聚乳酸和聚乙醇酸组成的无规或有规嵌段共聚物，其中，聚乳酸的质量占比为80%，聚乙醇酸的质量占比为20%。
8.进一步地，所述聚酯类嵌段共聚物的数均分子量为10000-50000道尔顿；所述抗生素为庆大霉素；所述抗生素载体为丙烯酸酯类聚合物；所述引发剂为过氧化苯甲酰；所述显影剂为二氧化锆；所述抗生素载体的单体为丙烯酸酯类单体；所述促进剂为n,n-二甲基-p-甲苯胺；所述阻滞剂为对苯二酚。
9.进一步地，所述丙烯酸酯类聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸甲酯共聚物；所述丙烯酸酯类单体为甲基丙烯酸甲酯或丙烯酸甲酯。
10.进一步地，所述组分1的质量占三个组分总质量的0.1%-20%；所述骨水泥粉末和骨水泥液体的质量比为40：（15-25）。
11.进一步地，所述组分1的质量占三个组分总质量的3%-5%；所述骨水泥粉末和骨水泥液体的质量比为40：（18-19）。
12.本发明还提供了一种生物医用材料，它是由上述抗生素骨水泥制备而成的。
13.本发明还提供了一种制备上述生物医用材料的方法，所述方法包括以下步骤：将聚酯类嵌段共聚物与骨水泥液体混合均匀，加入骨水泥粉末，混合均匀，固化，即得。
14.本发明还提供了上述抗生素骨水泥在制备抗感染的生物医用材料中的用途。
15.进一步地，所述感染为骨关节感染。
16.本发明以聚酯类嵌段共聚物作为添加剂，提供了一种抗感染功能增强型抗生素骨水泥。与现有技术相比，本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥具有以下有益效果：1.本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥在固化过程中，由于聚酯类嵌段共聚物与骨水泥中的其它成分存在一定的相分离特征，导致骨水泥的孔隙率升高，有利于提高抗生素的释放量。
17.2.随着聚酯类嵌段聚合物的缓慢降解吸收，骨水泥中的孔隙率再次缓慢升高，锁在骨水泥内部的抗生素可以逐渐释放出来，有利于实现抗生素的持续释放，进而实现长期有效的抗感染功能。
18.3.本发明的实验验证了与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥能够明显提高抗生素的累计释放量，并实现抗生素的长效缓慢释放。
19.4.本发明的实验还验证了与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发
明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥的长效抗菌性能明显提高。
20.5. 本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥的生物相容性好，制备方法简单，原料易得，在制备抗骨关节感染的生物医用材料中具有良好的应用前景。
21.显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
22.以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
23.图1.庆大霉素骨水泥的组成成分和含量。
24.图2.对比样品的庆大霉素药物释放曲线图。
25.图3.样品a的庆大霉素药物释放曲线图。
26.图4.样品b的庆大霉素药物释放曲线图。
27.图5.样品c的庆大霉素药物释放曲线图。
28.图6.样品d的庆大霉素药物释放曲线图。
29.图7.对比样品的抑菌圈试验。
30.图8.样品a的抑菌圈试验。
31.图9.样品b的抑菌圈试验。
32.图10.样品c的抑菌圈试验。
33.图11.样品d的抑菌圈试验。
具体实施方式
34.本发明所用原料与设备均为已知产品，通过购买市售产品所得。
35.本发明实施例和对比例采用的未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥为购自强生（上海）医疗器材有限公司的庆大霉素骨水泥（smartset ghv），该庆大霉素骨水泥由骨水泥粉末和骨水泥液体组成，组成成分和含量如图1所示。
[0036] 实施例1：配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥a1.制备聚酯类嵌段共聚物a聚酯类嵌段共聚物a是由聚乙二醇，聚乳酸和聚乙醇酸三种嵌段组成的无规嵌段共聚物，聚酯类嵌段共聚物a的数均分子量为10000道尔顿。聚酯类嵌段共聚物a中，聚乙二醇嵌段质量占比25%，聚乳酸嵌段质量占比35%，聚乙醇酸嵌段质量占比40%。
[0037]
2.配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥a抗感染功能增强型抗生素骨水泥a由以下三个组分组成：组分1：聚酯类嵌段共聚物a；组分2：图1中的骨水泥粉末；组分3：图1中的骨水泥液体；其中，组分1的质量占三个组分总质量的3%，组分2和组分3的质量比为40：18.88。
[0038]
抗感染功能增强型抗生素骨水泥a的使用方法为：
将组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物注入至所需部位，固化20分钟，即可。
[0039]
实施例2：配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥b1.制备聚酯类嵌段共聚物b聚酯类嵌段共聚物b是由聚乙二醇和聚乳酸二种嵌段组成的有规嵌段共聚物，聚乳酸嵌段处于分子链的中间，聚乙二醇嵌段处于分子链的两端，聚酯类嵌段共聚物b的数均分子量为10000道尔顿。聚酯类嵌段共聚物b中，聚乙二醇嵌段质量占比20%，聚乳酸嵌段质量占比80%。
[0040]
2.配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥b抗感染功能增强型抗生素骨水泥b由以下三个组分组成：组分1：聚酯类嵌段共聚物b；组分2：图1中的骨水泥粉末；组分3：图1中的骨水泥液体；其中，组分1的质量占三个组分总质量的3%，组分2和组分3的质量比为40：18.88。
[0041]
抗感染功能增强型抗生素骨水泥b的使用方法为：将组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物注入至所需部位，固化20分钟，即可。
[0042]
实施例3：配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥c1.制备聚酯类嵌段共聚物c聚酯类嵌段共聚物c是由聚乳酸和聚己内酯二种嵌段组成的无规嵌段共聚物，聚酯类嵌段共聚物c的数均分子量为30000道尔顿。聚酯类嵌段共聚物c中，聚乳酸嵌段质量占比70%，聚己内酯嵌段质量占比30%。
[0043]
2.配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥c抗感染功能增强型抗生素骨水泥c由以下三个组分组成：组分1：聚酯类嵌段共聚物c；组分2：图1中的骨水泥粉末；组分3：图1中的骨水泥液体；其中，组分1的质量占三个组分总质量的5%，组分2和组分3的质量比为40：18.88。
[0044]
抗感染功能增强型抗生素骨水泥c的使用方法为：将组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物注入至所需部位，固化20分钟，即可。
[0045]
实施例4：配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥d1.制备聚酯类嵌段共聚物d聚酯类嵌段共聚物d是由聚乳酸和聚乙醇酸二种嵌段组成的无规嵌段共聚物，聚酯类嵌段共聚物d的数均分子量为50000道尔顿。聚酯类嵌段共聚物d中，聚乳酸嵌段质量占比80%，聚乙醇酸嵌段质量占比20%。
[0046]
2.配制抗感染功能增强型抗生素骨水泥d抗感染功能增强型抗生素骨水泥d由以下三个组分组成：组分1：聚酯类嵌段共聚物d；
组分2：图1中的骨水泥粉末；组分3：图1中的骨水泥液体；其中，组分1的质量占三个组分总质量的5%，组分2和组分3的质量比为40：18.88。
[0047]
抗感染功能增强型抗生素骨水泥d的使用方法为：将组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物注入至所需部位，固化20分钟，即可。
[0048]
以下通过实验例证明本发明的有益效果。
[0049]
实验例1：药物释放实验1、实验方法实验原理：采用茚三酮试验来量化从抗生素骨水泥样品中释放的庆大霉素的量。这是一种基于茚三酮和庆大霉素中存在的伯胺/仲胺之间反应的比色分析方法。阳性反应会产生紫色，这种分析方法灵敏且可重复。
[0050]
待测样品：（1）样品a：将实施例1中抗感染功能增强型抗生素骨水泥a中的组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物挤出到定制的圆柱形模具（12毫米长:6毫米直径）中，固化20分钟。目视检查所得样品表面缺陷，样品用砂纸抛光，得到样品a。
[0051]
（2）样品b：将实施例1中抗感染功能增强型抗生素骨水泥b中的组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物挤出到定制的圆柱形模具（12毫米长:6毫米直径）中，固化20分钟。目视检查所得样品表面缺陷，样品用砂纸抛光，得到样品b。
[0052]
（3）样品c：将实施例1中抗感染功能增强型抗生素骨水泥c中的组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物挤出到定制的圆柱形模具（12毫米长:6毫米直径）中，固化20分钟。目视检查所得样品表面缺陷，样品用砂纸抛光，得到样品c。
[0053]
（4）样品d：将实施例1中抗感染功能增强型抗生素骨水泥d中的组分1加入组分3中溶解1分钟，然后加入组分2混合均匀。随后将混合物挤出到定制的圆柱形模具（12毫米长:6毫米直径）中，固化20分钟。目视检查所得样品表面缺陷，样品用砂纸抛光，得到样品d。
[0054]
（5）对比样品：将图1中的骨水泥液体和骨水泥粉末混合均匀。随后将混合物挤出到定制的圆柱形模具（12毫米长:6毫米直径）中，固化20分钟。目视检查所得样品表面缺陷，样品用砂纸抛光，得到对比样品。
[0055]
实验步骤：首先，连续稀释庆大霉素溶液(10 mg/ml)以制备标准校准曲线。将等分溶液(1 ml)添加到小玻璃管中的300 μl茚三酮试剂(2 mg/ml)中。然后在加热块上在95℃下加热15分钟，之后在冰水浴中冷却试管。然后等分试样在400 nm下进行紫外分光光度计读数。磷酸盐缓冲盐水(pbs，ph 7.4)和庆大霉素溶液分别用作阴性和阳性对照。
[0056]
在生理条件下，一式三份测定庆大霉素从待测样品中的释放。将每个裁剪后的待测样品（1g）浸入带盖玻璃瓶中的5ml pbs(ph 7.4)中，并在37℃下以50转/分钟的速度在孵育的摇床上水平摇动。随后从预定的时间点取出溶液(1 ml)并进行茚三酮分析，以此计算庆大霉素的释放量。
[0057]
2、实验结果从图2-图6中可以看出，不添加聚酯类嵌段共聚物的对比样品中的庆大霉素仅在一周左右的时间存在药物释放，并且释放的量很少。与对比样品相比，添加了聚酯类嵌段共
聚物的样品a-d中的庆大霉素释放量明显增多。但是，其中样品a表现出突释行为，在第30天释放比例就达到了80%，显著高于样品b-d。样品b-d在五个月的时间内表现出良好的缓释行为。
[0058]
上述实验结果表明，与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发明添加聚酯类嵌段共聚物后的抗感染功能增强型抗生素骨水泥能够明显提高抗生素的累计释放量；其中，样品b-d实现了抗生素的长效缓慢释放。
[0059] 实验例2：抗菌实验1、实验方法待测样品：同实验例1。
[0060]
实验步骤：将骨关节感染中常见的代表性菌株金黄色葡萄球菌用于本实验的抗菌性能检测。金黄色葡萄球菌菌株都在37℃的肉汤培养基中培养过夜，达到对数生长期中期。下述试验中，通过光密度读数来调节细菌浓度，600nm处的od读数为0.07，表示细菌的浓度为3
ꢀ×ꢀ
108cfu/ml。
[0061]
在生理条件下，将每个裁剪后的待测样品(1g)浸入带盖玻璃瓶中的50ml pbs(ph 7.4)中，并在37℃下以50转/分钟的速度在孵育的摇床上水平摇动。随后在预定的时间点取出样品，用pbs清洗10次，然后用于抗菌实验。
[0062]
将10微升细菌悬液（细菌的浓度为3
ꢀ×ꢀ
106cfu/ml）接种在肉汤琼脂平板（固体培养基）上。将待测样品置于这些细菌接种琼脂平板的中间，并在37℃下培养以模拟生理条件，然后测量抑制带的直径(d)。
[0063]
2、实验结果从图7-图11中可以看出：不添加聚酯类嵌段共聚物的对比样品的抑菌圈在60天就消失了；添加了聚酯类嵌段共聚物的样品a由于药物释放较快，抑菌性能仅仅延长至90天；添加了聚酯类嵌段共聚物的样品b-d的抑菌圈可以延长到5个月，长效抗菌性能显著提高。
[0064]
上述实验结果表明，与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发明添加聚酯类嵌段共聚物后的抗感染功能增强型抗生素骨水泥的长效抗菌性能明显提高，其中，样品b-d的提高效果明显优于样品a。
[0065]
综上，本发明提供了一种抗感染功能增强型抗生素骨水泥及其制备方法和用途。与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥能够明显提高抗生素的累计释放量，并实现抗生素的长效缓慢释放；与未添加聚酯类嵌段共聚物的抗生素骨水泥相比，本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥还能够明显提高长效抗菌性能。本发明的抗感染功能增强型抗生素骨水泥生物相容性好，制备方法简单，原料易得，在制备抗骨关节感染的生物医用材料中具有良好的应用前景。