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1 472 硅酸盐学报 2010 年第 38 卷第 3 期 2010 年 3 月硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 38,No. 3 March,2010 载双组分药物磷酸钙骨水泥的性质和体外释放郭悦华, 屈树新, 李茂红, 翁杰 ( 西南交通大学材料科学与工程学院, 材料先进技术教育部重点实验室, 成都 ) 摘要 : 为了研究载双组分药物磷酸钙骨水泥 (calcium phosphate cement,cpc) 的性质和药物释放行为, 以对乙酰氨基酚和氯霉素为药物模型, 制备载双组分药物的 CPC 用 Gilmore 双针法 X 射线衍射红外光谱分析以及紫外可见分光光度计等研究双组分药物对 CPC 的凝固时间和相成分的影响以及其药物释放行为结果表明 : 药物的载入延长 CPC 的凝固时间 ; 延迟 CPC 向羟基磷灰石转化, 但不会改变其终产物的成分 ; 两种药物可以独立释放, 但双组分组的释药速率低于单组分组的, 释放均基本吻合 Higuchi 扩散释放模型关键词 : 磷酸钙骨水泥 ; 药物释放 ; 对乙酰氨基酚 ; 氯霉素中图分类号 :R318;O614 文献标志码 :A 文章编号 : (2010) PROPERTIES AND DRUG RELEASE BEHAVIOR OF CALCIUM PHOSPHATE CEMENT LOADED WITH TWO-COMPONENT DRUG GUO Yuehua,QU Shuxin,LI Maohong,WENG Jie (Key Lab of Advanced Technologies of Materials, Ministry of Education, School of Material Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu , China) Abstract: To study properties and drug release behavior of calcium phosphate cement (CPC) loaded with two-component drugs; paracetamol and chloramphenicol were chosen as model drugs to prepare drug-loaded CPC. The influence of the drugs on setting time and phase composition of the CPC, as well as drug release behavior, were characterized using the Gilmore Needle, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectroscopy, and ultraviolet visible spectrophotometry. The results show that the increased amount of drugs delay the formation of hydroxyapatite in CPC, but have no influence on final compositions of the CPC. The release rate of the CPC loaded with two-component drugs is lower than the CPC loaded with one drug. The kinetics of the drug release independently follows the Higuchi diffusion equation. Key words: calcium phosphate cement; drug release; paracetamol; chloramphenicol 磷酸钙骨水泥 (calcium phosphate cements,cpc) 是由一种或一种以上磷酸钙盐粉末与磷酸盐缓冲液 (phosphate-buffered saline,pbs) 血清等液相混合后, 在生理条件下可自固化, 易塑型, 具有优良生物相容性的无机骨修复材料 [1 2] 不同于磷酸钙陶瓷,CPC 的制备过程避免了高温烧结, 适合作为多种药物或生物活性物质的载体材料 [3] 目前已有大量载药 CPC 的研究报道, 但主要研究载单组分药物的 CPC 的理化性质和释药行为及机理等 [1 3] 临床治疗骨科疾病常需要联合用药, 通过多组分药物的协同作用增强疗效, 降低毒副作用, 如临床上治疗骨感染时常采用褐霉素青霉素和氟氯霉素联合用药, 另外, 在骨肿瘤的治疗过程中, 大剂量的化疗时, 常采用环磷酰胺和博来霉素等联合用药 ; [4] 因此仅载单组分药物的 CPC 难以满足临床的应用目前尚未关于载多组分药物 CPC 研究的报道, 关于载入药物是否影响 CPC 的凝固性能和组成结构, 多组分药物体外释放的测定释放行为及机理尚不清楚收稿日期 : 修改稿收到日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ) 及教育部新世纪人才基金 (NCET ) 资助项目第一作者 : 郭悦华 1983 ), 男, 硕士研究生通信作者 : 屈树新 (1967 ), 女, 博士研究生导师, 教授 Received date: Approved date: First author: GUO Yuehua (1983 ), male, graduate student for master degree. juanxia819@163.com Correspondent author: QU Shuxin (1967 ), female, professor. qushuxin@home.swjtu.edu.cn

phosphate cement,cpc) 的性质和药物释放行为, 以对乙酰氨基酚和氯霉素为药物模型, 制备载双组分药物的 CPC 用 Gilmore 双针法 X 射线衍射红外光谱分析以及紫外可见分光光度计等研究双组分药物对 CPC 的凝固时间和相成分的

2 第 38 卷第 3 期郭悦华等 : 载双组分药物磷酸钙骨水泥的性质和体外释放 473 对乙酰氨基酚 (paracetamol,pc) 具有解热镇痛作用, 是目前治疗骨关节炎疼痛的首选药物, [5] 而氯霉素 (chloramphenicol,cap) 是广谱抑菌剂, 对革兰阳性阴性细菌均有抑制作用 ; 因此, 实验中以镇痛药对乙酰氨基酚和抗生素氯霉素为药物模型, 制备载单双组分药物的 CPC, 比较研究载单双组分药物对 CPC 的初凝终凝时间和相成分的影响, 以及双组分药物释放行为及机理 1 实验 1.1 制备选用改进后的 CPC 配方, [6] 固相为 α- β- 双相磷酸三钙 (α- β-tcp,58%, 质量分数, 下同 ) 二水磷酸氢钙 (dicalcium phosphate dehydrate, DCPD,25%) 羟基磷灰石 (hydroxyapatite,ha, 8.5%) 以及碳酸钙 (CaCO 3,8.5%) 实验分为 3 组 : 第 1 组和第 2 组分别为载 PC 和 CAP 的 CPC, 载药量分别为 1% 3% 和 5%; 第 3 组为载 PC+CAP 骨水泥, 其中 PC+CAP 各为 1% 3% 和 5% 将 CPC 粉末与药物均匀混合, 以 PBS 为液相, 液固比为 0.25 ml/g, 均匀混合塑型于 37 相对湿度为 100% 的环境中水化 24 h 未载药的空白 CPC 为对照组 1.2 表征用 Gilmore 双针法测量载药 CPC 的初凝时间 (initial setting time,it) 和终凝时间 (final setting time, FT), [7] 每隔 15 s 测 1 次, 每组测 3 个样本, 进行统计学分析,p<0.05 时有显著性差异,p<0.01 时有极显著性差异用 X Pert 型 X 射线衍射 (X-ray diffraction,xrd, 测试条件 : 铜靶, 电压为 40 kv, 电流为 40 ma, 扫描范围 2θ = 10 ~ 45 ) 仪和 Nicolet 5700 型 Fourier 红外光谱分析仪 (Fourier transform infrared spectroscopy,ftir, 采用 KBr 压片 ) 分析载药 CPC 的相成分和药物的官能团 1.3 药物体外模拟释放体外药物释放将载药 CPC (1 g) 置于 20 ml 模拟体液 (simulated body fluid,sbf,37 ) 中, 定时取出 1 ml, 用 UV 2550 型紫外可见分光光度计 (ultraviolet visible spectrophotometer,uv Vis) 测量吸光度值,PC 的紫外最大吸收波长为 nm, CAP 的紫外最大吸收波长为 nm, 分别根据 PC 和 CAP 的工作曲线计算药物浓度对于双组分药 [8] 物, 采用计算分光光度法计算药物的浓度 a b a b a b A + = A + A = E C + E C a 1 b a+b a b a b A2 = A2 + A2 = E2Ca + E2Cb 其中 :A a+b a+b 1,A 2 分别为混合药物在 nm 和 nm 处的吸光度值 ;A a b 1,A 1 为 PC 和 CAP 在 nm 处的吸光度值 ;A a b 2,A 2 为 PC 和 CAP 在 a b nm 处的吸光度值 ;E 1 和 E 1 为 PC 在 nm a b 和 nm 处的比吸光系数 ;E 2 和 E 2 为 CAP 在 nm 和 nm 处的比吸光系数,E a 1 E b a 1 E 2 b 及 E 2 需事先求得 ;C a 和 C b 为 PC 和 CAP 的浓度药物释放过程中 CPC 成分分别取体外释放 15 d 后的 CPC 干燥研细, 用 XRD 分析药物释放过程中 CPC 相成分的变化, 用 FTIR 分析释放过程中药物以及 CPC 中基团变化 2 结果与讨论 2.1 药物对 CPC 性质的影响药物对凝固时间的影响图 1a 和图 1b 分别为载药 CPC 的初凝时间和终凝时间随载药量变化曲线, 可以看出 : 随着载药量增加,CPC 初凝时间和终凝时间均延长, 当载药量为 1%CPC, 初凝时间和终凝时间与对照组存在显著差异 (p<0.05), 当载图 1 CPC 初凝和终凝时间随载药量的变化 Fig.1 Dependence of initial and final setting time of drug-loaded CPC Drug dosages are 1%, 3% and 5%; *p<0.05; **p<0.01.

1 制备选用改进后的 CPC 配方, [6] 固相为 α- β- 双相磷酸三钙 (α- β-tcp,58%, 质量分数, 下同 ) 二水磷酸氢钙 (dicalcium phosphate dehydrate, DCPD,25%) 羟基磷灰石 (hydroxyapatite,ha, 8.5%) 以及碳酸钙 (CaCO 3,8.

3 474 硅酸盐学报 2010 年药量 >3% 时, 初凝时间和终凝时间存在着极显著差异 (p<0.01) 根据文献 [9],CPC 凝结过程中, 其凝结时间取决于使固体颗粒间距缩短至产生化学键力连接时所需水化产物的总量与产物成核生长速率的相对比值, 而药物的加入相当于降低液固比, 部分溶解的药物吸附在磷酸钙粉末上与没有溶解的颗粒一起阻断磷酸钙盐的结合, 因此药物通过物理填充作用使固体颗粒间的距离增大, 从而延长凝固时间 ; 此外 PC 和 CAP 化学结构稳定, 具有一定极性, 能吸附在 CPC 粉末表面, 掩盖水化反应的部分活性中心, 使凝结时间随药物含量的增加而延长凝固时间是骨水泥的基本性能,Ginebra 根据大量的临床试验提出手术对固化时间的要求 : 初凝时间在 4~8 min; 终凝时间在 10~15 min [10] 实验结果显示 : 目前载药量下,CPC 的凝固时间均符合临床要求载药 CPC 的 XRD 分析图 2 是药物释放之前 CPC 的 XRD 谱, 可以看出 : 固化后 CPC 的主要成分为 α-tcp β-tcp 和 HA[ 粉末衍射卡片 (powder diffraction file,pdf) 数据库 (JCPDS 和 )] 根据文献 [11] 分析 :CPC 固化后没有出现 DCPD 和 CaCO 3 的 XRD 峰, 是因为 DCPD 和 CaCO 3 的溶解度比其他磷酸钙盐的大, 在固化过程中解离成 Ca PO 4 和 CO 3 等, 促进生成终产物 HA; 而药物主要吸附在比表面积较大的 α-tcp 上, 阻止其向 HA 转化与空白 CPC 的 XRD 峰相比, 载药后的 XRD 峰没有明显变化, 表明药物载入未影响 CPC 的相成分载药后 CPC 的 XRD 峰中没有出现药物的 XRD 峰, 这是由于药物在 CPC 中含量过低, 不在 XRD 的检测范围内, 或者其在 CPC 固化过程中转化为无定形相 [12] 载药 CPC 的 FTIR 分析图 3a~ 图 3c 中的曲线分别为载药量为 5%PC 5%CAP 和 5%PC+ 5%CAP 的 CPC 药物释放前后的 FTIR 谱由图 3a 药物释放前的曲线可见 PC 的特征吸收峰 :N H 的伸缩振动 (3 332 cm 1 ) N H 的面内弯曲振动 (1 513 cm 1 ) C=O 的伸缩振动 (1 660 cm 1 ) 苯环的骨架振动 (1 650~1 430 cm 1 ) 以及芳氢面外弯曲振动 (712 cm 1 ) 等图 2 载药 CPC 药物释放前的 XRD 谱 Fig.2 X-ray diffraction (XRD) patterns of CPC with various drugs before release 图 3 载药量为 5%PC 与 5%CAP 和 5%PC+5%CAPCPC 药物释放前后的 FTIR 谱 Fig.3 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) spectra of CPC loaded with 5%PC and 5%CAP as well as 5%PC+ 5%CAP before and after drug release

溶解的颗粒一起阻断磷酸钙盐的结合, 因此药物通过物理填充作用使固体颗粒间的距离增大, 从而延长凝固时间 ; 此外 PC 和 CAP 化学结构稳定, 具有一定极性, 能吸附在 CPC 粉末表面, 掩盖水化反应的部分活性中心, 使凝结时间随药

4 第 38 卷第 3 期郭悦华等 : 载双组分药物磷酸钙骨水泥的性质和体外释放 475 由图 3b 药物释放前的曲线可见 CAP 的特征吸收峰 :C=O 伸缩振动 (1 684 cm 1 ) 苯环骨架振动 (1 650~1 430 cm 1 ) 以及 NO 2 的伸缩振动 (1 353 cm 1 ) 等由图 3c 药物释放前的曲线可见 : 虽然存在 2 种药物共有的苯环骨架振动等吸收峰, 但是 PC 和 CAP 各自的特征峰也非常明显, 如 PC 中的 N H 的伸缩振动 (3 323 cm 1 ),CAP 中 NO 2 的伸缩振动 (1 349 cm 1 ) 通过 FTIR 分析,2 种药物特征基团的红外吸收 3 峰没有发生变化, 并且都出现磷酸钙盐具有 PO 4 的红外特征吸收峰 ( cm 1 和 560 cm 1, [13] 表明磷酸钙没有改变药物的官能团 2.2 药物体外模拟释放载药 CPC 的体外释放图 4a 和图 4b 分别为不同含量的 PC/CPC 和 CAP/CPC 骨水泥中 PC 和 CAP 的累积释放量与时间关系曲线, 可以看出 : 在药物释放初期 ( 主要为 24 h 之前 ) 存在突释效应, 此后释药速率逐渐减小并趋于稳定 ( 约 15 d); 药物释放速率随载药量的增加而增大, 但达到平衡时释药速率下降, 释药总量趋于平衡图 4c 为 (5%PC+5%CAP)/CPC 中 PC CAP 同时释放的累积释放量与时间的关系曲线, 可以看出 : 与载单组分药物 CPC 的药物释放谱相似, 同样存在突释效应且释药速率也与载药量有关图 5 为载单双组分药物 5% 的 CPC 药物累积释放量与时间平方根关系曲线, 可以看出 : 当释放达 70% 左右时,PC 和 CAP 以及混合组分中的 PC 和 CAP 的累积释放量与时间的平方根 (t 1/2 ) 对应且具有良好的线性关系, 其线性相关系数 (R) 分别为和 , 与 Higuchi 药物扩散释放模型吻合程度较好, [3] 表明 CPC 是均相基质释放体系, 药物从微孔内通过扩散机制释放, 释放先从 CPC 外周开始, 释药速率与药物在 CPC 内的扩散度有关, 而与 CPC 厚度无关 [3,14 15] 对比单双组分药物的释药情况发现 : 1) 双组分中的两种药物在突释阶段的释药量大于对应单组分药物的, 其原因是双组分药物的载药总量大于单组分的, 使药物在 CPC 表面分布更多, 在突释阶段药物溶出得更多, 导致 CPC 表面的孔隙率增加, 进一步增加药物的溶出 2) 在药物释放后期, 双组分药物的释药速率低于单组分的, 并且在趋于平衡时, 双组分药物释药总量低于单组分的, 其原因可能是由于两种药物的图 4 不同载药量的 PC 与 CAP 和 PC+CAPCPC 体外累积释放量与时间关系 Fig.4 Cumulative release of drug from CPC with the different contents of PC and CAP as well as PC+CAP vs time 羟基形成分子间氢键, 在极性溶液中, 由于溶解度降低, 导致其释药速率降低 ; 并且由于 CPC 是均相基质释放体系, 溶出介质的离子强度增加, 表现为药物浓度增加, 从而使释药速率降低 3) 在整个释放阶段, 无论是载有单组分药物还是双组分药物,PC 的释药速率都大于 CAP 的, 这是由两种药物的物理性质所决定的, 在 37 时,PC

种药物特征基团的红外吸收 3 峰没有发生变化, 并且都出现磷酸钙盐具有 PO 4 的红外特征吸收峰 (1 042

5 476 硅酸盐学报 2010 年的溶解度大于 CAP 的, 使 PC 的释药速率大于 CAP 的药物释放后的 XRD 分析图 6 是 CPC 浸泡 15 d 后的 XRD 谱, 可以看出 : 其主要成分为 HA 以及少量的 α-tcp 和 β-tcp 比较药物释放前后的 XRD 谱, 在药物释放后,HA 的 XRD 峰增强,α-TCP 和 β-tcp 的 XRD 峰强度显著降低, 这是由于 ph = 7 37 时溶解度的顺序为 α-tcp β-tcp HA α-tcp 和 β-tcp 颗粒表面的 Ca 2+ 3 和 PO 4 不断溶出形成水化 Ca 2+ 3 PO 4 和 OH, 当这些离子浓度使 HA 的浓度积 (Q c ) 大于溶度积 (K sp ) 时,HA 成核与生长, [16] 在模拟体液中,α-TCP 和 β-tcp 不断水解产生 Ca 2+ 和 PO 3 4, 促进 HA 的生长未载药对照组 CPC 中浸泡后没有出现 α-tcp 的 XRD 峰, 说明对照组 CPC 转化成 HA 的速率大于载药组的, 进一步证实部分溶解的药物吸附在磷酸钙粉末上磷酸钙盐的活性位点, 而没有溶解的颗粒则阻断磷酸钙盐的结合的推断图 6 载药 CPC 药物释放后的 XRD 谱 Fig.6 XRD patterns of CPC loading drug after drug release 药物释放后的 FTIR 分析比较药物释放前后的 FTIR 谱 ( 见图 3) 可见 : 药物释放后观察不到药物的特征峰, 表明药物在浸泡过程中大多被释放出来, 并且释放后也出现磷酸钙盐的特征峰 3 结论图 5 药物累积释放量同时间平方根关系 Fig.5 Cumulative release of drugs from CPC against square root of time (t) 1) 载入药物能够影响 CPC 的凝固时间, 并且 CPC 的初凝和终凝时间均随载药量的增加而增加 2) 药物的载入没有影响 CPC 的相成分, 并且在药物释放过程中,CPC 的固相成分逐渐向 HA 转化, 由于药物作用,α-TCP 和 β-tcp 向 HA 转化的速率较慢 ; 但磷酸钙盐和药物的基团没有发生变化

2.2 药物释放后的 XRD 分析图 6 是 CPC 浸泡 15 d 后的 XRD 谱, 可以看出 : 其主要成分为 HA 以及少量的 α-tcp 和 β-tcp 比较药物释放前后的 XRD 谱, 在药物释放后,HA 的 XRD 峰增强,α-TCP 和 β-tcp 的 XRD 峰强度显著降低, 这是由于

6 第 38 卷第 3 期郭悦华等 : 载双组分药物磷酸钙骨水泥的性质和体外释放 477 3) 载单双组分药物的 CPC 中, 药物的释放在突释阶段以及释药速率和释药总量上均存在差异, 这与载体材料以及药物的性质等有关, 但其释放均符合 Higuchi 药物扩散释放模型参考文献 : [1] BOHNER M, GBURECK U, BARRALET J E. Technological issues for the development of more efficient calcium phosphate bone cements: a critical assessment [J]. Biomaterials, 2005, 26(33): [2] HAN B, MA P W, ZHANG L L et al. β-tcp/mcpm-based premixed calcium phosphate cements [J]. Acta Biomater, 2009, 5(8): [3] GINEBRA M P, TRAYKOVA T, PLANELL J A. Calcium phosphate cements as bone delivery systems: a review [J]. Control Release, 2006, 113: [4] 陆裕朴, 胥少汀, 葛宝丰, 等. 实用骨科学 [M]. 北京 : 人民军医出版社, 1991: LU Yupu, XU Shaoting, GE Baofeng et al. (in Chinese), Beijing: People s Military Medical Press, 1991: [5] BATLLE G E, ROMAN I J, MATRIN M E, et al. Aceclofenac vs paracetamol in the management of symptomatic osteoarthritis of the knee: a double-blind 6-week randomized controlled trial [J]. Osteoarthr Cartilage, 2007, 15(8): [6] NICOLAI B K, REINSTORF A, HOFINGER I, et al. Influence of osteocalcin and collagen I on the mechanical and biological properties of biocement D [J]. Biomol Eng, 2002, 19: [7] DRIESSENS F C M, BOLTONG M G, BERMUDEZ O, et al. Formulation and setting times of some calcium orthophosphate cenments: a pilot study [J]. Mater Sci Mater M, 1991, 4: [8] 李发美. 分析化学 [M]( 第五版 ). 北京 : 人民卫生出版社, 2003: LI Famei. Analytical Chemistry (fifth edition, in Chinese). Beijjng: People s Medical Publishing House, 2003: [9] 沈卫, 刘昌胜, 顾燕芳. 磷酸钙骨水泥的水化反应凝结时间及抗压强度 [J]. 硅酸盐学报, 1998, 26(2): SHEN Wei, LIU Changsheng, GU Yanfang. J Chin Ceram Soc (in Chinese), 1998, 26(2): [10] GINEBRA M P, FERNANDEZ E, BOLTONG M G, et al. Compliance of an apatitic calcium phosphate cement with the short-term clinical requirements in bone surgery, orthopaedics and dentistry [J]. Clin Mater, 1994, 17(2): [11] 潘春跃, 邝志清, 黄可龙, 等. 磷酸钙骨水泥水化机理研究进展 [J]. 化学研究与应用, 2000, 12(4): PAN Chunyue, KUANg Zhiqing, HUANG Kelong, et al. Chem Res Appl (in Chinese), 2000, 12(4): [12] OTSUKA M, MATSUDA Y, FOX J L, et al. A novel skeletal drug delivery system using self-setting calcium phosphate cement. 9: effects of the mixing solution volume on anticancer drug release from homogeneous drug-loaded cement [J]. J Pharm Sci, 1995, 6(48): [13] DEEPAK K P, RAJALAXMI D, PRASAD R C, et al. Synthesis and sintered properties evaluation of calcium phosphate ceramic [J]. Mater Sci Eng C, 2007, 27: [14] OTSUKA M, MATSUDA Y, SUWA Y, et al. A novel skeletal drugdelivery system using self-setting calcium phosphate cement. 3 physicochemical properties and drug-release rate of bovine insulln and bovine albumin [J]. J Pharm Sci, 1994, 83(2): [15] JAIN A K, PANCHAGNULA R. Skeletal drug delivery system [J]. Int J Pharm, 2000, 206: [16] 马英, 李思维, 冯祖德. α- 磷酸三钙水解法修复牙釉质龋 [J]. 无机材料学报, 2009, 24(2): MA Ying, LI Siwei, FENG Zude. J Inorg Mater (in Chinese), 2009, 24(2):

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