專利名稱：一種果膠/聚乙烯醇水凝膠材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用仿生材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說，涉及一種果膠/ 聚乙烯醇水凝膠材料及其制備方法。
技術(shù)背景無論是經(jīng)典的腰椎間盤摘除術(shù)，還是脊柱融合術(shù)，都改變了腰段脊柱正常的生理形態(tài)和生物力學(xué)環(huán)境，加劇椎間盤退變；為解決上述 問題，非融合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其主要優(yōu)點(diǎn)是理論上降低了鄰近節(jié)段退 變、避免了假關(guān)節(jié)的形成。其中，人工髓核(Prosthetic Disc Nucleus, PDN)被認(rèn)為是可以替代脊柱融合術(shù)，成為治療腰椎間盤退變所致下 腰痛或腰腿痛的有效方法之一。自1996年在德國首次開展PDN髓核 假"(本置!奐(Ray CD. The PDN prosthetic disc-nucleus device. iSp/we /. 2002 S2:S137-42.)，到目前全世界已突破4600例?；颊咝g(shù)后腰椎 ODI (Oswestry Disability Index )評分從52.2%降到13.4%，椎間隙 高度平均增加19.5%;中期(4年)隨訪發(fā)現(xiàn)腰椎活動度明顯優(yōu)于單 純髓核摘除者，但是假體下沉達(dá)到49.2%、軟骨終板損傷達(dá)60.0%。目前成形髓核假體所用水凝膠材料有聚乙烯醇(USP5047055. 09/10/1991, USP 6280475. 08/28/2001)，聚丙烯酰胺與聚丙腈、聚氨 基甲酸酯共混物(USP 4772287. 09/20/1988.)。原位注射型髓核假體所 用材料有聚丙烯酰胺聚乙二醇丙烯酸酯、二甲替丙烯酰胺(需加入
酰基氧化磷作為光引發(fā)劑,CN 1561185A， 01/05/2005.)，硅橡膠(CN ZL95243809.7 08/07/1996.)，蛋白水凝膠(BioDisc公司)。聚乙烯醇水凝膠有以下特點(diǎn)(l)生物相容性與其它疏水的彈性 體及金屬相比，更接近于人體髓核。(2)壓縮強(qiáng)度高，可承受較大載荷并能恢復(fù)椎間高度。(3)水和水溶性物質(zhì)是可滲透的。(4)在脫水后 可再水合而不改變材料的性質(zhì)。但是成形髓核假體所用聚乙烯醇水凝 膠在溶漲平衡時的彈性模量，為3Mpa (吳靖平，陳統(tǒng)一，陳中偉， 等。聚乙烯醇水凝膠髓核的生物力學(xué)特性，復(fù)旦學(xué)報(醫(yī)學(xué)版)，2004， 31(1):55~58)或4Mpa以上(USP6280475. 08/28/2001)，顯著大于仰 臥靜息位椎間盤內(nèi)的壓力0.1MPa、也大于彎腰負(fù)重時的2.3 MPa (Wilke HJ， Neef P, Caimi, M， et al. New in vivo measurements of pressures in the intervertebral disc in daily life. Spine, 1999， 24(8): 755~62.)，導(dǎo)致髓核假體剛度過大，是導(dǎo)致軟骨終板骨折、塌陷的 原因之一，因此需降低所用水凝膠的彈性模量。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有髓核所用水凝膠存在的不足，提供一 種彈性模量適合于替代腰椎間盤髓核的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料。本發(fā)明的另一個目的是提供上述果膠/聚乙烯醇水凝膠材料的制 備方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明在在聚乙烯醇水凝膠研究的基礎(chǔ)上， 選用另一種也具有親水特性、相對較軟的材料與聚乙烯醇有機(jī)結(jié)合， 制備果膠/聚乙烯醇水凝膠材料。本發(fā)明選用的材料是果膠。
本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料，由如下組分和重量百分?jǐn)?shù) 組成果膠1 10%，聚乙烯醇1 50%。優(yōu)選的比例為果膠3 7%，聚乙烯醇20 30%，余量為水。在自然界中，仙人掌有豐厚的質(zhì)徑、貯存大量的水分，其中起主要作用的是原果膠，其提煉產(chǎn)物為果膠，分子式為[C6H^OrH20]n, 是一種線性高分子材料，其水凝膠具有膨脹能力和膠體性質(zhì)。本發(fā)明 采用的果膠優(yōu)選藥用級果膠，呈灰或白色粉末狀，顆粒直徑小于315 微米；由柑橘皮中提煉而成，其半乳糖醛酸含量60 85%，酯化度 50 80%， l免水溶液的pH為3.0~4.0。聚乙烯醇為線性高分子，其分子主鏈含一CH—CH(OH)—基團(tuán)， 分子式為[CH2: CHOH]n。自1924年首次合成以來，聚乙烯醇因其 為水溶性高分子聚合物、安全無毒，廣泛用作膠粘劑、混懸劑、包衣 材料、軟膏基質(zhì)，作為一種藥用輔料納入藥典，本發(fā)明優(yōu)選分析純的 聚乙烯醇，乳白色或白色顆粒狀，聚合度為1700 4500,以在2400 2500為最佳；醇解度大于95%。本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料的制備方法，包括如下步驟(1) 溶脹將果膠和聚乙烯醇溶于水中，在15 3(TC環(huán)境下自然 溶脹6 24小時；考慮果膠、聚乙烯醇均為線性高分子，分子鏈間的位阻、水分子 需要較長的時間才能進(jìn)入聚合分子間，因而溶脹的時間要求比較長。(2) 加熱加熱至溶液的粘度超過40 50xl0—3Pa.s，去除加熱過程中產(chǎn)生的氣泡；
由于果膠在低濃度下可以溶于冷水，聚乙烯醇的濃度、聚合度均 影響其在水中的溶解，故需要加熱以促進(jìn)果膠和聚乙烯醇在水中的溶 解。本發(fā)明的加熱方式優(yōu)選常壓下加熱至90 95°C、高壓反應(yīng)釜中加熱至14crc或微波振蕩加熱。其中，微波振蕩加熱以低功率、間斷微波振蕩加熱方法為最佳，具體方法如下將果膠和聚乙烯醇水溶液，選用100 300瓦低功率， 共加熱25 45分鐘，需間斷5次以上，以8 12次為宜；經(jīng)過此過 程該混溶液的粘度超過40 50xlO—3Pa-s。所述去除氣泡的方法優(yōu)選60 8(TC靜置1 4h或低速旋轉(zhuǎn)去除。 (3)凍融將加熱成熔融狀態(tài)的果膠/聚乙烯醇水凝膠置于一2(TC 冷凍12 36h，室溫下完全解凍，此為一次"凍融"。為了在分子之間 形成物理性氫鍵的方法，形成網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)，使果膠/聚乙烯醇水凝 膠具有適宜替代腰椎間盤髓核的力學(xué)性能，需要反復(fù)凍融三次以上。 (4)脫水，即可得到果膠/聚乙烯醇水凝膠材料。完全含水的水凝 膠體積較大，不適合植入體內(nèi)。因為水凝膠具有脫水后可再水合而不 改變材料性質(zhì)的特點(diǎn)，本發(fā)明的脫水方法優(yōu)選采用純度大于99.8% 的無水酒精，低溫真空下，或恒溫干燥箱風(fēng)干。其中，無水酒精的方 法，使果膠/聚乙烯醇水凝膠材料均勻脫水，形狀均勻縮小、不發(fā)生 外形改變，是最佳的脫水方法，具體如下所用無水酒精與假體的體 積比應(yīng)大于l，以2 8倍體積于材料為佳；每8 48h更換l次無水 酒精，最佳24h，直至恒重。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1. 本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠的生物安全性較好，根據(jù)國家醫(yī)療器械生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)(GBT 16886)評價，其體外細(xì)胞毒性不超過 1級、體內(nèi)植入試驗無滲液、化膿等反應(yīng)，適宜體內(nèi)植入。2. 本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠的溶脹性能、溶脹平衡時的粘彈 力學(xué)特性均適合于人體，這些特性可以有效維持纖維環(huán)張力及椎間高 度、緩沖載荷、及在循環(huán)載荷下促進(jìn)水及水溶性物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)；可以制造 出適合人體的果膠/聚乙烯醇水凝膠人工髓核假體，廣泛用于治療腰 椎間盤退變所致的腰腿痛患者，替代髓核的生理功能，降低椎體塌陷、 假體下沉等術(shù)后并發(fā)癥，改善患者術(shù)后生活質(zhì)量。3. 本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠因其具有粘彈力學(xué)特性、水及水 溶性物質(zhì)可以滲透，還可以作為其他支架材料，用于替代、修復(fù)頸椎 間盤髓核、軟骨等組織。


圖1為果膠/聚乙烯醇水凝膠材料的質(zhì)量溶脹率與體積溶脹率圖；圖2為果膠/聚乙烯醇水凝膠溶脹平衡時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；圖3為果膠/聚乙烯醇水凝膠溶脹加載-卸載過程的應(yīng)變滯后現(xiàn)象圖。圖4為果膠/聚乙烯醇水凝膠溶脹在600N持續(xù)加載時的蠕變圖； 圖5為果膠/聚乙烯醇水凝膠溶脹在600N持續(xù)加載30min后質(zhì)量 隨時間的變化圖。
具體實施方式
實施例1 :分別稱取果膠6.0g、聚乙烯醇1.2g，攪拌均勻，加入16.8g雙蒸水，此"果膠聚乙烯醇水"的比例為"5%: 25%:70%"，共6份。在25"C自然溶脹12小時后，采用低功率、間斷微波振蕩加熱，選用 120瓦加熱10min后攪拌、間斷l(xiāng)min，繼續(xù)采用120瓦加熱10min， 攪拌、間斷l(xiāng)分鐘；以后每加熱3min、間斷l(xiāng)min，共7次；選取其 中l(wèi)份測試其烏氏粘度值，為50xl(^Pa，s，停止加熱。采用1500rpm 旋轉(zhuǎn)5min去除氣泡，即可放入零下20。C冷凍24h，室溫下解凍6h， 如此反復(fù)4次。分別測量該果膠/聚乙烯醇水凝膠圓柱體的體積，分別向試管中 加入23ml 25ml (2倍于試件的體積)99.8%的無水酒精，室溫下每 24h測量其質(zhì)量、并更換同體積無水酒精1次，直至24h質(zhì)量丟失小 于20mg，視為脫水至恒重。 實施例2分別稱取果膠4.0g、聚乙烯醇1.0g，攪拌均勻，加入15.0g雙蒸水，此"果膠聚乙烯醇水"的比例為"5%: 20%:75%"，共6份。在25'C自然溶脹12小時后，采用低功率、間斷微波振蕩加熱，選用 100瓦加熱10min后攪拌、間斷l(xiāng)min，繼續(xù)采用100瓦加熱10min ， 攪拌、間斷l(xiāng)分鐘；以后每加熱4min、間斷l(xiāng)min，共6次；選取其 中l(wèi)份測試其烏氏粘度值，為45xlO^Pa，s，停止加熱。采用2000rpm 旋轉(zhuǎn)5min去除氣泡，即可放入零下20。C冷凍24h，室溫下解凍6h，
如此反復(fù)3次。將果膠/聚乙烯醇水凝膠放在5(TC恒溫干燥箱中風(fēng)干， 定期測量起質(zhì)量，直至24h質(zhì)量丟失小于20mg，視為脫水至恒重。 實施例3分別稱取果膠3.5g、聚乙烯醇0.5g，攪拌均勻，加入8.5g雙蒸水，此"果膠聚乙烯醇水"的比例為"4%: 28%:68%"，共8份。在25'C自然溶脹12小時后，采用常壓水浴加熱至95。C，選取其中l(wèi) 份測試其烏氏粘度值，為55xlO-3P^s，停止加熱。水浴6(TC靜置2 小時去除氣泡，即可放入零下2CTC冷凍36h，室溫下解凍8h，如此 反復(fù)4次。將果膠/聚乙烯醇水凝膠材料自試管中拿出，放在零下80°C 、 5毫托下低溫、真空凍干，定期測量起質(zhì)量，直至24h質(zhì)量丟失小于 20mg，視為脫水至恒重。 實施例4性能實驗(1) 一般物理性能本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料，其完全 脫水狀態(tài)下玻璃化溫度低溫區(qū)為16.9。C 41.3。C、高溫區(qū)為106.4°C 130.6°C，其在體溫37'C可看作是高彈態(tài)，形變相對穩(wěn)定。(2) 生物相容性按照國家醫(yī)療器械生物學(xué)評價標(biāo)準(zhǔn)(GBT 16886) 所要求的方法，行體外細(xì)胞毒性及體內(nèi)植入試驗。將本發(fā)明專利果膠 /聚乙烯醇水凝膠消毒后，在37。C、 10%(V/V)小牛血清DMEM培 養(yǎng)液中浸泡24h，所得的浸提液與10免(V/V)小牛血清的DMEM培 養(yǎng)液各50%(體積比)所得的液體，作為小鼠成纖維細(xì)胞(NTCC L929) 的培養(yǎng)液，培養(yǎng)2d時的細(xì)胞增殖率大于80免、培養(yǎng)4d、 7d時的細(xì)胞增 殖率接近100%，表明細(xì)胞毒性不到l級。另將本發(fā)明專利果膠/聚乙烯
醇水凝膠制成3mmX3mmX(0.5 l)mm的片狀、10mmX3mmX3mm的條狀材料，消毒后植入SD大鼠的皮下、臀肌內(nèi)，所有動物均正常存 活、傷口一期愈合，于1周、4周取材，發(fā)現(xiàn)局部無異常滲液、化膿等 反應(yīng)。以上可表明本發(fā)明果膠/聚乙烯醇水凝膠適合植入體內(nèi)。(3) 溶脹性能將本發(fā)明果膠/聚乙烯醇水凝膠脫水至恒重后，制 成直徑17.0mm、高17.0mm的圓柱體試件，質(zhì)量為4.3 4.5g。浸泡 于37。C生理鹽水中，定期測量其質(zhì)量及尺寸，直至其質(zhì)量在24h內(nèi) 變化小于50mg，即達(dá)到溶脹平衡，以測試其溶脹性能。果膠/聚乙烯 醇水凝膠3d的質(zhì)量溶脹率為140 160%，占溶脹平衡時的70 80%; 3d的體積溶脹率為180 210%，占溶脹平衡時的75 85%，如圖1 所示。(4) 粘彈力學(xué)性能將溶脹平衡的水凝膠，制作成直徑與高度比為1:1的圓柱體試件，用生理鹽水浸泡，室溫下放在MTS材料測試 儀上，加載速率為5N/s，循環(huán)加載5次(最大載荷500N)，回零開 始加載至600N，持續(xù)30min，測試其蠕變性能，實時采集時間、載 荷、位移。通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算出果膠/聚乙烯醇水凝膠的彈性模 量為1.6 2.4 MPa，如圖2所示；果膠/聚乙烯醇水凝膠可以吸收循 環(huán)載荷能量的10 35%，緩沖外部應(yīng)力，如圖3所示；圖3中，曲線 所圍城的圖形面積除以上升曲線與橫坐標(biāo)所圍城的面積，即為水凝膠 試件所吸收的能量比。果膠/聚乙烯醇水凝膠的蠕變在10min后開始 趨于平衡，如圖4所示。(5) 水及其水溶性物質(zhì)的可滲透性果膠/聚乙烯醇水凝膠在持續(xù) 30分鐘加載600N后，減少3.0 10.0%，卸載2h后質(zhì)量可恢復(fù)55 70%，達(dá)到加載前質(zhì)量的98.8 99.5%，如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種果膠/聚乙烯醇水凝膠材料，其特征在于由如下組分和重量百分?jǐn)?shù)組成果膠1～10％，聚乙烯醇1～50％，余量為水。
2. 如權(quán)利要求1所述的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料，其特征在于由如下組分和重量百分?jǐn)?shù)組成果膠3 7%，聚乙烯醇20 30%，余量為水。
3. 權(quán)利要求1所述的果膠/聚乙烯醇水凝膠材料的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1) 溶脹將果膠和聚乙烯醇溶于水中，在15 3(TC環(huán)境下自然 溶脹6 24小時；(2) 加熱加熱至溶液的粘度超過40 50xl0—3Pa.s，去除加熱過程 中產(chǎn)生的氣泡；(3) 凍融將加熱成熔融狀態(tài)的果膠/聚乙烯醇水凝膠置于一2(TC 冷凍12 36h，室溫下完全解凍；(4) 脫水。
4. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟(2)所述加 熱的方式為常壓下加熱至90 95。C、高壓反應(yīng)釜中加熱至14(TC或微 波振蕩加熱。
5. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟(2)所述去 除氣泡的方法采用60 8(TC靜置1 4h或低速旋轉(zhuǎn)去除。
6. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述果膠的分子式為[C6Hn)(VH20]n，其半乳糖醛酸含量為60% 85%，酯化度50% 80%。
7. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述聚乙烯醇的分 子式為[CH2: CHOH]n，聚合度為1700 4500，醇解度大于95%。
8. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟(4)所 述脫水的方法為采用純度大于99.8%的無水酒精，或低溫真空下， 或恒溫干燥箱風(fēng)干。
9. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述步驟(3)所 述凍融需要重復(fù)至少3次。
10. 如權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于所述微波振蕩加 熱的方法為將果膠和聚乙烯醇水溶液，選用100 300瓦低功率， 共加熱20 45分鐘，間斷8 12次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種果膠/聚乙烯醇水凝膠材料及其制備方法，其如下組分和重量百分?jǐn)?shù)組成果膠1～10％，聚乙烯醇1～50％。優(yōu)選的比例為果膠3～7％，聚乙烯醇20～30％，余量為水。其制備方法包括溶脹，加熱，凍融和脫水。本發(fā)明的果膠/聚乙烯醇水凝膠的生物安全性較好，溶脹性能、溶脹平衡時的粘彈力學(xué)特性均適合于人體，可以制造出適合人體的果膠/聚乙烯醇水凝膠人工髓核假體，廣泛用于治療腰椎間盤退變所致的腰腿痛患者，替代髓核的生理功能，降低椎體塌陷、假體下沉等術(shù)后并發(fā)癥，改善患者術(shù)后生活質(zhì)量。還可以作為其他支架材料，用于替代、修復(fù)頸椎間盤髓核、軟骨等組織。
文檔編號A61L27/24GK101108261SQ20071002860
公開日2008年1月23日 申請日期2007年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月15日
發(fā)明者金大地, 曹 黃 申請人:金大地;黃 曹