使用相变微胶囊减少热坏死效应的新型骨水泥材料

During the polymerization, PMMA causes the development of supra physiological temperature and lead to irreparable damage to the tissue around. The methods to solve this problem are to polymerize the PMMA in vacuum or lower temperature , and to change the component ratio of MMA and pre-polymer. But the effects are not satisfied. Phase change material is a good additive material to regulate the thermal property. But it had been seldom used in medical material domain. And former study showed neglectable effect to PMMA thermal property. So base on former works, we add phase change microcapsule into PMMA to solve the exothermic reaction. In the pre-trial, we find that Paraffin/SiO2 can reduce the maximum temperature to the ideal position. But the Paraffin has biological toxicity and the difference of modulus between SiO2 and PMMA can cause impact to the mechanical stability. Lauric acid is a kind of adipic acid of human body with perfect thermal property and without toxic effect. PMMA capsule shell, of course, has the same mechanical property to the PMMA matrix. Thus, in this study, we choose Lauric acid as the core and PMMA as the shell of microcapsule. Then we add this new microcapsule into PMMA cement to form a low thermal property cement. We expect this cement has lower maximum temperature during polymerization, good mechanical strength, and no biological toxicity. This study is a crosslink between medicine and polymer chemistry. The result can be easily applied to clinical work which could reduce the complication of PMMA cement.

PMMA在聚合过程中过度放热，造成周围组织热坏死，易产生严重的并发症。目前使用的方法，效果均不满意。相变材料可以有效降温，但是极少用于医疗领域，且早期文章认为其对PMMA无降温效果。本课题组，在前期工作基础上，突破理念上的束缚，将相变微胶囊加入PMMA中以期达到降温的效果。前期试验的石蜡/二氧化硅微胶囊已经获得了一定的成功，但石蜡存在可疑生物毒性，二氧化硅由于弹性模量的差异会影响合成后骨水泥的力学强度，均限制该微胶囊的应用。月桂酸无生物毒性且吸热性能良好，PMMA作为囊壁与PMMA基质弹性模量相同，且能形成稳定的交联，不影响混合后骨水泥的力学强度。故本项目拟使用月桂酸作为蕊芯，PMMA作为囊壁，合成的微胶囊再与PMMA混合，形成一种新型骨水泥。期望该骨水泥降温效果满意，有效保持PMMA的力学强度，且无毒性。本项目是医学和高分子化学的交叉，可以较快用于临床，减少PMMA骨水泥的并发症率。

聚甲基丙烯酸（PMMA）骨水泥作为临床骨科最为常用的生物材料，拥有良好的力学性能和可注射性，已经广泛应用于多个领域。但是其凝固机制是聚合反应，因此在聚合过程中将释放大量的热，这会对周围组织造成热坏死，造成远期的手术失败。本课题组在PMMA 骨水泥改性相关领域已经做了多年的探索，在前期工作中已在全球范围内首次利用石蜡/二氧化硅相变微胶囊,凭借胶囊芯材石蜡遇热液化吸热的原理，成功降低了 PMMA 的凝固温度。但是石蜡为多烷烃的混合物，其在人体内的生物安全性还存在争议；同时二氧化硅在 MMA 单体聚合过程中会会引起相分离，影响力学性能。因此本项目在此基础上选择使用月桂酸作为芯材，PMMA 作为壳材制备新的二代微胶囊。月桂酸作为体内常见的脂肪酸，拥有良好的生物安全性；而 PMMA 作为壳材可以很好的和 MMA 结合，最大程度保证了复合骨水泥的力学性能。在项目资助下，本课题组成功制备了新型的月桂酸/PMMA相变微胶囊，包裹率可达80%以上，显微镜下形貌规则呈椭圆状，粒径约为10μm，和骨水泥固相粒径相似；热力学实验发现微胶囊相变温度为42℃；同时原位力学显微镜表征具有2.86GPa的杨氏模量；同时并掌握制备工艺调整后性能变化特点。将其和PMMA骨水泥混合后，复合骨水泥的凝固温度降低至45℃，低于正常骨组织坏死温度，体外证明可明显降低骨髓间充质干细胞坏死；同时在20%比例时，复合骨水泥的力学性能和传统骨水泥没有明显差异。并且所有合成微胶囊材料均为食品、药品行业常见的原材料，且体内外实验进一步验证微胶囊和复合骨水泥均具有良好的生物安全性，可快速应用于临床为患者带来福音。