可硬化的骨替代物的改進的凝固的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及具有改進的凝固（setting)的可硬化的陶瓷骨替代物組合物，用于這 樣的組合物的粉末和他們的制備方法和在醫(yī)療中的應(yīng)用。更具體地，本發(fā)明涉及具有改進 的凝固性能、包含硫酸鈣和熱處理的羥磷灰石（鈍化的HA)的可硬化的骨替代物粉末和可 硬化的骨替代物糊狀物，這樣的骨替代物適用于支持性組織疾病例如骨質(zhì)流失、骨折、骨創(chuàng) 傷、骨髓炎等的治療。
【背景技術(shù)】
[0002] 骨骼是在血液之后第二最常見的被移植的組織。修復(fù)骨缺損最可靠的方法是使用 自生的骨骼，即，取自身體另一部位的骨骼，然而，在取移植物的第二手術(shù)位點處可能發(fā)生 問題。為避免該額外的創(chuàng)傷，可使用同種異體移植物，即，相同物種個體間的骨移植。同種 異體移植物比自體移植物具有更低的成骨能力且新骨形成的速率可能較低。它們也具有較 高的再吸收速率、更大的免疫源應(yīng)答和接受者更低的血管重建。同種異體移植物也必須控 制病毒，因為它們可以傳播，例如，HIV和肝炎。同種異體移植物的使用是現(xiàn)在用于骨移植 和修復(fù)骨缺損的最常見的方法。為解決供應(yīng)、不可預(yù)知的感染強度和風(fēng)險問題，合成骨替代 物已成為一個現(xiàn)實選擇。因此，合成骨替代物的需求和合成骨替代物的使用快速增加。
[0003] 陶瓷基合成骨替代物可被分為兩個主要類型。一個類型是基于磷酸鈣作為凝固成 分且這些被稱為磷酸鈣骨水泥。另一個類型是基于硫酸鈣作為凝固成分。具有硫酸鈣的最 重要的優(yōu)點是它優(yōu)異的生物相容性。具有純硫酸鈣骨替代物的缺點是快速再吸收和低的強 度，這使它們在較大的或非包含的缺陷中和當(dāng)骨折愈合超過4-6周時沒那么有用。
[0004] Bone Support AB已研制出可硬化的和可注射的硫酸鈣基骨替代物，其是粉末態(tài) 并包含約40wt%的燒結(jié)的羥磷灰石（HA) (Ca1Q (P04) 6 (0H) 2)和約60wt%的硫酸鈣半水合物， CSH，（CaS04 ? 1/2H22)。在這兩種成分中，僅CSH將在凝固過程中凝固。HA粉末將保持不溶 解?？勺⑸浜隣钗锏囊合嘤伤芤航M成，對于一些產(chǎn)品而言，所述水溶液包含碘苯六醇分子 以增強材料的輻射不透性（W02003/053488)。如果在骨替代物中僅有硫酸鈣，那么將在約 4-6周內(nèi)具有完全的材料再吸收。然而，由于樣品中也具有HA，將減緩硫酸鈣的再吸收。此 外。由于其高的結(jié)晶度和低的溶解度，樣品中的HA將保持在移植位點較長的時間。
[0005]從糊狀物至硬化的骨替代物的凝固時間是測定它們作為骨替代物的適用性的重 要參數(shù)。吉爾摩針（ASTM C266)常用于測量骨水泥的初始凝固時間（1ST)和最終凝固時間 (FST)。在臨床情況下，1ST和FST可被如此理解：所述骨水泥應(yīng)該在到達(dá)1ST之前被植入， 在FST后傷口準(zhǔn)備愈合。約5-25min的1ST時間通常允許充足的時間用于水泥注入或成型， 且約10-40min的FST時間對于臨床應(yīng)用通常是可接受的。優(yōu)選具有約5-15min的1ST時 間，例如少于lOmin。不同的產(chǎn)物具有不同的規(guī)格，因為它們將用于不同的應(yīng)用。測定可硬 化的骨替代物的適用性的其它方法是本領(lǐng)域中已知的。
[0006] 對于各種應(yīng)用，需要能夠?qū)⒉煌奶砑觿┡c骨替代物混合，其中硫酸鈣是凝固成 分。含添加劑例如抗生素的骨替代物將是需要具有的以能夠治療或預(yù)防不同的疾病，例如， 骨髓炎（骨感染）。然而，已發(fā)現(xiàn)一些生物活性劑例如抗生素的添加以使凝固時間超過臨床 可接受的值的方式延遲所述骨替代物的凝固。已發(fā)現(xiàn)不僅是添加劑，骨替代物的基本成分 例如HA也可對凝固性能具有負(fù)效應(yīng)。已驚奇地證明，在含HA的硫酸鈣基骨替代物中硫酸 鈣凝固所必需的CSH水合作用速率高度依賴于HA的性能。
[0007] 發(fā)明簡沐
[0008] 本發(fā)明是考慮到結(jié)合上述現(xiàn)有技術(shù)觀察到的問題而作出的，本發(fā)明的目的是提供 問題的解決方案，該解決方案是提供HA，所述HA (無論是單獨的或與不同添加劑例如抗生 素一起）不賦予基于硫酸鈣（CSH)和羥磷灰石的可硬化的骨替代物以臨床上不良的和/或 不可接受的凝固時間。
[0009] 當(dāng)CSH與水混合時，它將根據(jù)下面的反應(yīng)圖式⑴水合成硫酸鈣二水合物（CSD):
[0010] CaS04?0? 5H20+1. 5H20 = >CaS04?2H20+熱量（1)
[0011] CSH的水合反應(yīng)可被總結(jié)為三個階段（N. B.Singh andB.Middendorf, Calcium sulfate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 53 (2007)57-77):
[0012] 1)CSH粉末與水混合后立刻開始誘導(dǎo)期。CSH溶解且溶液對于鈣和硫酸根離子變 為過飽和的。這引起難溶的硫酸鈣二水合物（CSD)沉淀。為了使水合反應(yīng)能夠進行，初始 形成的CSD核需要具有比"臨界半徑"（對于各具體體系有待測定的）更大的半徑。誘導(dǎo)期 對于水合反應(yīng)是關(guān)鍵的，且在該階段對于CSH溶解度或CSD晶體生長的任何干擾將延遲進 一步的水合反應(yīng)，其延遲程度比相同的干擾發(fā)生在過程后期時更高。
[0013] 2)當(dāng)充足數(shù)量的CSD晶體已達(dá)到充當(dāng)成核晶胚的臨界尺寸時，開始加速或成長 期。所形成的CSD核然后將生長并形成大的晶體。所述晶體最終將足夠大以彼此相互聯(lián)鎖， 且晶體之間的摩擦有助于所形成的固化材料的強度。
[0014] 3)第三階段相對緩慢且由圖1中以顯示水合硫酸鈣的分?jǐn)?shù)作為時間的函數(shù)的示 意圖的形式所示的CSH水合作用的完成構(gòu)成。
[0015] 本發(fā)明的發(fā)明人已驚奇地發(fā)現(xiàn)，可通過將在可硬化的骨替代物中通常使用的燒結(jié) 的和微粉化的HA粉末（"原料HA粉末"）暴露于例如500°C的熱處理步驟兩小時（其中溫 度和時間是負(fù)相關(guān)的）以得到"鈍化的HA粉末"（pHA)而使HA實際上對CSH水合反應(yīng)是 惰性的來克服最經(jīng)常引起臨床上不可接受的凝固時間的含CSH和HA的可硬化的骨替代物 (實施例1)的不可預(yù)知的凝固性能。當(dāng)在使用前熱處理燒結(jié)的和微粉化的原料HA("原料 HA粉末"）例如商購的羥磷灰石時，原料HA對可硬化的骨替代物中的硫酸鈣凝固的負(fù)效應(yīng) 可顯著降低。當(dāng)HA粉末（原料或鈍化的）單獨與CSH混合時，但特別地當(dāng)其與以添加劑形 式的其它成分（例如抗生素）組合的CSH混合時，發(fā)現(xiàn)凝固時間延遲的下降。使燒結(jié)的和 微粉化的原料HA為實際上惰性的熱處理在整個該文件中表示為"鈍化處理"，且已經(jīng)歷熱 處理的燒結(jié)的和微粉化的HA將被描述為"鈍化的HA"（pHA)。
[0016] 鈍化HA的另一個優(yōu)點是通過添加進一步的化學(xué)物質(zhì)例如加速劑，可硬化的骨替 代物的凝固將變得更為可靠并保持在控制之下，同時不改變骨替代物的組成。對于該發(fā)明， 當(dāng)添加添加劑，例如抗生素時，不需要對所述可硬化的骨替代物應(yīng)用特定的程序。這可看做 對先前由Bone Support AB作出的嘗試的改進，其通過允許在向糊狀物形式的骨替代物添 加任何其它添加劑例如抗生素之前開始CSH的水合反應(yīng)以阻止不期望的凝固時間的延長 (WO 2011/098438)〇
[0017] 鈍化的HA也顯示更耐隨時間的儲存和耐儲存的可硬化的骨替代物產(chǎn)物的周圍環(huán) 境中溫度和相對濕度的變化（參見實施例12)。此外，含不同批次（lot)的鈍化的HA但具 有相同的CSH/HA比例的可硬化的骨替代物的凝固時間比使用非鈍化的原料HA變得更加均 一，并因此更加可預(yù)知。凝固時間的最小化延伸也出人意料地獨立于在鈍化處理前由相同 的原料HA批次誘導(dǎo)的延遲程度。
[0018] 羥磷灰石
[0019] 可以多種方式制備原料HA。合成HA最通常的方式是通過使用正磷酸和氫氧化鈣 作為原料的濕沉淀法，然后進行干燥和加熱。
[0020] 10Ca (OH) 2+6H3P04- Ca 10 (P04) 6 (OH) 2+18H20
[0021] 已發(fā)現(xiàn)在所述過程的各階段，沉淀顆粒的形貌和尺寸發(fā)生變化。干燥后，納米顆粒 傾向于形成小的團聚體。
[0022] 也可通過固態(tài)反應(yīng)制備HA，其中Ca2+和P0 43干混合然后被加熱至高溫。為混合 Ca2+和P0 43，可混合多種鹽的組合。通過使用不同的鹽的組合，可實施許多不同的沉淀/固 態(tài)反應(yīng)。
[0023] 不管HA是如何制備的，Ca2+與P0 43以1. 67的比例混合。如果HA要被沉淀，那么 將所述Ca2+和P0 43添加至水溶液中并在HA沉淀時控制pH和溫度。
[0024] 如果使用沉淀反應(yīng)，那么將液體移除，并且沉淀物可在其干燥之前進行過濾，最后 在高溫下例如900°C以上，優(yōu)選在900-1350°C之間進行燒結(jié)。然后，燒結(jié)的羥磷灰石需要被 粉碎和研磨（grinded)/碾磨（milled)且也可被篩濾以達(dá)到合適的粒度分布的原料HA粉 末。圖4說明了制備原料HA的一個方式中不同的步驟。
【附圖說明】
[0025] 圖1示出了水合CSH的分?jǐn)?shù)（fraction)作為時間的函數(shù)。引自N. B. Singh and B. Middendorf, Calcium sulfate hemihydrate hydration leading to gypsum crystallization, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 53(2007)57-77。
[0026] 圖2示出了在HA鈍化處理后緩沖能力的變化。虛線（和未填充的符號）代表在 鈍化處理之前的HA批次（原料HA)的pH/緩沖結(jié)果。實線（和填充的符號）表示相同HA 批次在鈍化處理后的結(jié)果。
[0027] 圖3顯示了在萬古霉素存在時的緩沖能力。HA A是鈍化處理前（原料HA)且HA B是鈍化處理后。向上箭頭表示當(dāng)添加HA時，向下箭頭表示當(dāng)開始添加HC1時。
[0028] 圖4示出了用于通過濕沉淀法制備羥磷灰石的過程的示意圖。
[0029] 發(fā)明詳沐
[0030] 在描述本發(fā)明的實施方案中，為了清楚的目的將使用特定的術(shù)語。然而，本發(fā)明不 旨在限于所選擇的特定術(shù)語，且應(yīng)理解的是各特定術(shù)語包括所有以相似方式操作以完成相 似目的的技術(shù)等價物。
[0031]本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)非凝固的成分羥磷灰石（HA)明顯地影響凝固時間至這里和下面 實施例中描述的某一程度，所述非凝固的羥磷灰石不以與硫酸鈣半水合物（CSH)相同的方 式經(jīng)歷再結(jié)晶，并因此可被合理地預(yù)期在硫酸鈣的凝固過程中是惰性的。
[0032] 當(dāng)基于CSH和HA粉末的可硬化的骨替代物按照現(xiàn)有技術(shù)中公開的方法制備時，相 同的組合物（區(qū)別僅在于原料（燒結(jié)的）HA成分來自不同的分批（batch)/批次（lot))可 給予完全不同的凝固時間，即使當(dāng)原料HA具有相似的粒度分布和比表面積時。實施例1中 示出了該結(jié)果的一個例子。由于凝固時間差異的結(jié)果，當(dāng)在本發(fā)明之前將CSH和HA混合時， 在選擇和以較大量購買具有合適凝固性能的具體批次之前，必須實施來自供應(yīng)商的所有可 能的HA批次的預(yù)測試。
[0033] 在實踐中，這意味著必須測試來自相同或不同制造者的很多可用HA批次中的小 量在CSH/HA骨替代物組合物中的凝固性能，正如實施例1所述，且僅滿足性能需求（可接 受的凝固時間）的批次被以較大的量購買，以用于可靠的骨替代物產(chǎn)品中。這也意味著僅 約3-4/10的被測試的原料HA批次可用于無添加劑的骨替代物組合物中，所述原料HA批次 具有可接受的但仍然是波動的凝固時間。
[0034] 當(dāng)其他物質(zhì)添加至所述CSH/HA組合物中時，例如當(dāng)添加抗生素時，該差別更為顯 著。通過引入添加劑，凝固時間大致相同的且無添加劑的兩種組合物在引入添加劑后以非 常不同的速率凝固，其中一個體系保持臨床相關(guān)的凝固時間且另一個顯示太慢不能被臨床 接受或甚至其中CSH完全水合被排除的凝固時間。實施例2示出了含抗生素、萬古霉素鹽 酸鹽的體系中，HA批次與凝固時間變化的關(guān)系。當(dāng)這樣的進一步的添加劑，例如抗生素，被 混合在骨替代物中時，僅少量被測試的HA批次，即，僅十分之一或更少的所測試的批次可 被使用并具有滿意的凝固結(jié)果。已發(fā)現(xiàn)，在僅含硫酸鈣和水性液體的體系中對CSH水合作 用不具有減緩效應(yīng)的添加劑，例如抗生素，當(dāng)存在HA時在相同的體系中顯示臨床上不可接 受的長的凝固時間。這在實施例3中得到說明。HA對于含硫酸鈣的骨替代物的凝固時間的 關(guān)鍵作用是出乎意料的，因為硫酸鈣，而不是HA，是凝固成分。以前，HA被認(rèn)為是"惰性的" 并因此不涉及上述CSH水合反應(yīng)的任何步驟。
[0035]當(dāng)比較基于CSH作為凝固成分，鈍化的HA和未鈍化的原料HA分別作為非凝固成 分的可硬化的骨替代物時，發(fā)現(xiàn)（參見實施例4)當(dāng)使用鈍化的HA替代原料HA時，這樣的 可硬化的骨替代物的凝固時間顯著下降。
[0036] 當(dāng)CSH/HA組合物中存在添加劑例如抗生素時，在使用前鈍化HA導(dǎo)致的凝固時間 的下降更為明顯。這在實施例9-11中顯示。
[0037]