CN103263691A - 一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料及制备方法。将异质离子掺杂硅酸钙粉体、α-熟石膏粉体和调和液按质量百分数2~20%、40~60%和20~40%分别称取、混合后，搅拌形成均匀糊状物，并经水化反应形成自固化材料。它具有自固化、可注射、高强度和快速降解性能，本发明所述复合材料的制备工艺简单，复合材料的生物活性和可降解性极为优良，可以用于骨齿组织中骨缺损的快速完全再生修复、根管填充以及骨病治疗性药物缓释载体等领域。

Description

一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用材料，尤其是涉及一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料及制备方法。

背景技术

由于创伤、感染、肿瘤、骨质疏松、骨坏死等原因造成的骨损伤，需要对缺损的部位进行充填和修复，以恢复生物学功能。自体骨移植一直是骨移植的金标准，不仅能够提供新骨生长的支架，而且含有大量具有活性的骨细胞能够促进骨生成和骨诱导(Cypher TJ, Grossman JP. J Foot Ankle Surg. 1996; 35: 413)。但是在移植过程中临床效果不能得到有效的保证(Sandhu HS, Grewal HS. Orthop Clin North Am. 1999; 30: 685)。同时，可取自体骨的骨量极为有限，取骨后引起二次创伤、疼痛等并发症，极大地制约了临床的应用。其次，同种异体骨、异种骨移植由于受到异体或者异种之间的免疫排斥反应风险，因此其应用推广也比较局限(Stevenson S, Horowitz M. J Bone Joint Surg. Am vol. 1992; 74: 939; Asselmeier MA, et al. Am J Sport Med. 1993; 21: 170)。

随着生物材料科学的发展，人工骨材料制品已经越来越多的应用在人体各部位骨损伤的临床修复领域。常见的人工骨材料有羟基磷灰石陶瓷、β-磷酸三钙陶瓷、生物活性玻璃颗粒材料以及磷酸钙、熟石膏的自固化材料或几种材料的复合(Van der Stok J, et al, Acta Biomater. 2011; 7: 739)。其中，石膏在骨齿科临床上的应用已经有100多年的悠久历史。1892年德国人Dreesman将其充填与空腔性骨缺损(Dreesman H. Beitr Klin Chir. 1892; 804)。石膏分为生石膏(即二水硫酸钙)和熟石膏(即半水硫酸钙)，后者的粉体遇水会发生水化反应并快速转化为二水硫酸钙，在适当固液比条件下还可以自发固化形成坚固的块体或大颗粒材料。熟石膏存在α、β两种晶型。α-熟石膏往往需要较为苛刻的条件方可合成，β-熟石膏则将二水硫酸钙简单的120~160^oC高热处理部分脱水即可获得。更为重要的是两者的水化速率也有差异，前者水化略慢于后者，但是后者为长片状或者纤维状，遇水调和形成的糊状物内部微孔率高，因而力学强度较差；α-熟石膏的颗粒多成纤维状，其形态必须经特定合成工艺调节，才可以将颗粒的长/宽比可以从10:1以上调整到3:1以下，从而可以极大地降低糊状物自固化体的最低调和液用量，并改善自固化物的力学强度。 

石膏在再生物医学中常被用于牙科的牙模，或者骨折病人术后的外敷固定材料，同时还可以作为一种骨缺损填充材料植入骨损伤部位促进骨损伤再生修复，恢复期正常生理功能。石膏作为骨缺损填充材料在人体内吸收降解快而且完全，能够给骨生长提供一个可降解的支架(Scarano A, et al. Implant Dentistry. 2007; 16: 195)，同时该材料跟人体有较好的生物相容性，植入人体后较少出现炎症反应(Bahn SL, Oral Surg. Oral Med. Oral Pathol. 1966; 21: 672)。不仅如此，石膏在骨缺损内降解释放大量的钙离子，抑制了该区域破骨细胞的活性，刺激了成骨细胞的增殖和分化，从而有利于类骨质的合成(Mailland M, et al, Endocrinology. 1997; 138: 3601)，因而可应用于骨缺损修复、组织引导再生、药物缓释系统等领域。

虽然石膏具有理想骨修复材料的一些优点，但其降解速度过快以及生物活性效应并不突出是其制约临床应用的关键性问题。同时，纯石膏在骨缺损内往往会引起创口积液，术后早期阶段需要引流排液，并且材料本身吸收降解较快、力学强度快速衰退下降等又会造成因骨再生修复速率不能及时进行，使得较大尺度的骨缺损难以完全再生修复和修复治疗失败(Hing KA, et al, Spine J. 2007; 7: 475)。

近年来，随着材料学、化学、组织学以及分子细胞生物学等学科的发展，不少学者开展了不少关于石膏复合材料的研究和应用。纵观已有文献报道和专利技术，较为普遍的设计思路是添加其它生物活性但是降解速率往往显著慢于骨再生速率的磷酸钙类材料、生物活性玻璃等来提升复合材料的生物活性，并延缓复合材料的降解速率。譬如与羟基磷灰石等磷酸钙陶瓷粉体、磷酸钙骨水泥复合，以改善其力学、降解性和生物活性等性能；还有报道加入生物活性玻璃以改善其生物活性，加速其早期阶段的成骨活性。近年来，我国学者还开发了关于熟石膏与常规波特兰水泥主要成分硅酸二钙、硅酸三钙等钙-硅基新型可自固化材料的的复合(Huan Z, et al. J Biomed Mater Res B. Appl Biomater, 2008; 87B: 387. Huan Z, Chang J. Acta Biomater, 2007; 3: 952)，以期提升其复合材料的生物活性效应。但是，硅酸二钙和硅酸三钙等水化过程产生的碱性副产物造成的材料内碱性偏高，不利于成骨相关细胞的生物活性长期性维持。纵观这些已有的石膏复合材料，在显著促进骨再生并达到与骨再生速率相匹配的生物降解的改造方面并没有达到理想的效果，其关键问题在于引入的无机盐陶瓷粉体、生物玻璃粉体或者磷酸盐、硅酸盐自固化组分，均不能在生物力学性能、酸碱性、生物活性、降解性方面达到第三代骨诱导生物材料基本理化性能、生物学效应等方面的综合效果，尤其是对促进骨质疏松、骨坏死、骨肿瘤切除等病理性骨损伤的再生修复效应需求还存在巨大差距。硅酸钙则是近几年来国内外学者愈加关注的一种简单的钙-硅基生物活性材料。尽管这种材料缺乏自固化性能，但是具有极为优良的生物活性，能显著刺激成骨细胞的活性、增殖、矿化和血管化(Zhai W, et al. Acta Biomater. 2012; 8: 341)。但是，一些研究也证明纯硅酸钙的多孔陶瓷在活体动物骨损伤内的降解速率快于新生骨的成骨速率，因而难以达到促进骨缺损的要求，也是通过选择比骨再生速率慢的其他材料如β-磷酸三钙进行复合，构建多孔复合材料 (Xu S, et al. Biomaterials, 2008; 29: 2588)。

此外，人们发现通过把镁和一些微量元素如锶、锌、铜等掺入人工骨材料可以改善人工骨材料的生物学性能。微量元素作为一种细胞代谢过程的调节因子，在许多生物过程，包括细胞信号传导、核酸合成、骨重建等过程起到重要作用。如锶能调节骨骼内钙浓度和骨代谢(Marie PJ. Calcif. Tissue Int. 2001; 69: 121)，并降低病人骨折发生率的作用，体外实验也证实锶具有促进成骨细胞增殖和抑制破骨细胞活性的作用。铜被证明能促进血管化；锌则被证明是多种金属蛋白中的必需金属离子，锌缺乏也会导致骨代谢异常。

根据现有专利技术、国内外文献报道来看，迫切需要探索一种能与石膏自固化理化性能和快速降解生物学效应形成优势互补并能快速诱导骨再生和完全修复的新组分，以此形成的新型自固化复合材料能达到对病理、非病理骨骼的骨缺损再生修复协同匹配的最佳效果。具体而言，这样的复合材料如果具备在细胞及分子水平上实现对成骨相关(干)细胞增殖和分化的主动调控，激活与病理、非病理骨骼内骨再生相关的基因快速表达，实现在宿主分子、细胞和组织上接受植入体提供的“活性因子”准确调控和应答，达到病理、非病理骨骼的缺损组织自我快速再生，则复合材料各组分的降解速率并不需严格按照常规分别快于骨再生和慢于骨再生速率的一般性认识来优选组分。据此，开发新型人工骨材料，必须摒弃常规的认知理念，譬如通过以石膏为基元的复合材料，引入降解速率略快速骨再生速率的高生物活性硅酸钙组分，由此构建的无机自固化复合材料，势必能解决长期困扰骨再生修复领域中面临的人工骨材料活性不理性，或者降解性过快或者偏慢等弊端；同时，这种具有优良水化和自固化的复合材料，其外观塑性与骨缺损的形态能形成完全契合，以达到对任意形态骨缺损进行完全充填并再生修复协同匹配的最佳效果。

发明内容

为了提供能够明显促进骨损伤完全再生修复所需的植入材料，本发明的目的在于提供一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料及制备方法。

本发明采用的技术方案是：

一、一种促骨再生修复的高生物活性复合材料：

是由异质离子掺杂硅酸钙粉体、α-熟石膏粉体和调和液混合、搅拌后形成的自固化材料；其组分的质量百分数为：

异质离子掺杂硅酸钙粉体          2~20%

α-熟石膏粉体                    40~60%

调和液                          20~40%  。

所述的异质离子掺杂硅酸钙粉体中所摻杂的异质离子为镁、锶、锌、铜中的一种或几者的任意组合，异质离子掺杂总量占硅酸钙中钙离子量的0.2~20%。

所述的异质离子掺杂硅酸钙粉体的颗粒度为200 nm~50 μm；所述的α-熟石膏粉体的颗粒度为2~50 μm；所述的调和液是去离子水、磷酸钠水溶液或者二水硫酸钙饱和液。

二、一种促骨再生修复的高生物活性复合材料的制备方法：

该方法的步骤如下：

1） 将总摩尔浓度为0.1~0.35 mol/L的含Ca²⁺无机盐水溶液和异质离子无机盐水溶液滴加到等摩尔浓度并持续搅拌的硅酸钠水溶液中，将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1300^oC下煅烧处理，从而获得异质离子摻杂硅酸钙粉体；

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按质量浓度12~18%、12~16%和0.01~0.12%配制成混合悬浮水溶液，在95~100^oC下持续搅拌处理4~8小时，然后再将悬浮液过滤，依次用沸水和无水乙醇洗涤，然后烘干，从而得到α-熟石膏粉体；

3）将异质离子掺杂硅酸钙粉体、α-熟石膏粉体和调和液按质量百分数2~20%、40~60%和 20~40%分别称取、混合后，搅拌形成均匀糊状物，并经水化反应形成自固化材料。

所述的含Ca²⁺的无机盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合；所述的异质离子无机盐为镁、锶、锌或铜的硝酸盐或氯化物。

所述的调和液是去离子水、磷酸钠水溶液或者二水硫酸钙饱和液。

本发明中制备过程中，所说的硅酸钙是部分钙离子晶格被异质离子替代的α-硅酸钙或β-硅酸钙中的一种或者二者间任意的组合，其相对含量的比例由煅烧温度确定。

本发明制备过程中，通过改变异质离子掺杂硅酸钙的粉体和α-熟石膏粉体的百分含量，可以调节复合材料的降解速率和表面生物活性。

本发明制备过程中，通过改变复合粉体与调和液的相对比例，可以调节糊状物的可注射性和力学强度。

本发明对掺杂镁、锶、铜或/和锌异质离子所使用的无机盐均不存在严格的种类、比例和配伍限制。

本发明对掺杂硅酸钙的异质离子没有特别的限制，除了锌、镁、铜或/和锶以外，只要能促进骨组织损伤修复的生物活性无机离子皆可用于硅酸钙组分的掺杂。

本发明制备过程中，对调和液内的化学物质和浓度没有特别限制，对具有提升治疗效果的药物、基因、蛋白质可同时添加入调和液；对有利于检测、跟踪、定位和评价材料在体内分布和状态的具有荧光标记特性的纳米量子点、具有磁成像的磁性纳米颗粒均也可同时用于调和液的添加。 

本发明具有的有益效果是： 

1）在组成上，硅酸钙具有优异的生物活性和高效的降解性，同时这种钙硅酸盐粉体的细微颗粒可以通过简便的湿化学沉积并经煅烧处理而得，并且易于实现单一或者多元异质离子摻杂，有利于促进难治愈型病理性骨损伤再生修复对材料生物活性效应的需求；α-熟石膏则具有极为快速的可降解性，从而有利于为骨缺损提供多孔性支架而加速骨再生。

2）在粉体形态上，异质离子掺杂硅酸钙细微颗粒离散分布于细小的柱状α-熟石膏颗粒之间，与调和液接触后极为有利于快速水化和自凝结固化，因而能极其有效地改善自固化复合材料的力学强度。

3）在可操作性上，具有优良水化和自固化性能的α-熟石膏与几乎不具有自固化性能的异质离子掺杂硅酸钙复合，能有效调节复合材料的自固化效率，便于保障微创可注射时间并改善自固化物的力学性能。

4）在生物学效应上，以降解速率显著快于骨再生速率的石膏组分与降解速率略快于骨再生速率但是生物活性极为优良的异质离子掺杂硅酸钙组分进行复合，在保障了复合材料可注射、可自固化等多种理化性能的同时，复合材料两固相组分均通过快速降解释放的多元生物活性离子组合物能进一步激活与成骨相关(干)细胞的骨再生密切相关基因和蛋白质的高效表达，快速刺激骨缺损再生修复，尤其是能改善骨质疏松等严重病理条件下新骨发育的临床难题，从而避免常规以生物活性较差、降解性慢于骨再生速率的磷酸钙陶瓷、自固化材料、钙-硅基生物活性玻璃与石膏复合仍然难以避免生物活性效应不足、不能快速并全程促进骨再生的问题，同时也避免了钙-硅基自固化材料与石膏复合造成水化碱性副产物危及成骨相关细胞活性的问题。

因此，这种促骨再生修复的高生物活性材料显著的特征是: 1) 粉末颗粒形态和尺度均对形成微结构更为致密的高强度自固化复合材料创造了条件；2) 镁、锶、锌或/和铜异质离子随硅酸钙的降解而释放，多元诱导活性物质的释放速度与硅酸钙的生物降解速率控制，能保证活性物质的持久释放，并不存在短期内爆发式释放的风险; 3) 略快于骨再生的材料组分与显著快于骨再生速率的材料组分复合，能保证自固化复合材料的快速降解性，与多元活性离子协同刺激新骨快速再生相匹配的材料降解速率需求相适应，从而保证了无论是非病理条件还是病理条件骨缺损的快速、完全再生修复的理想目标。此外，本发明固、液两相混合搅拌制备自固化物过程在常规条件下进行，极为有利于包括微创可注射治疗在内的多种临床应用需求。

利用本发明促骨再生修复的高生物活性复合材料制成的制品将具有优异的生物安全性、生物活性和生物降解性，在骨科、口腔科以及微创治疗中具有应用价值。

附图说明

图1是锶离子掺杂硅酸钙粉体的XRD 图。

图2是锶离子掺杂硅酸钙粉体的表面形貌SEM照片。

图3是α-熟石膏粉体的XRD 图。

图4是α-熟石膏粉体的表面形貌SEM照片。

图5是锶离子掺杂硅酸钙/α-熟石膏自固化复合材料的表面形貌SEM照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。但这些实例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。

实施例1：

1） 将含0.24 mol/L CaCl₂和0.01 mol/L SrCl₂的水溶液200 mL逐滴加入到200 mL磁力搅拌的0.25 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，然后放置于高温炉内在850^oC下煅烧处理2小时，从而获得锶离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在2~26 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锶含量为0.31%；采用X-射线衍射（XRD）法和扫描电镜（SEM）观察法分别可见该粉体为硅酸钙（如图1所示），并且其粉体为具有一定团聚的细小颗粒（如图2所示）。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按16%、14%和0.08%的质量体积浓度配制4 L混合水溶液，在98.5^oC下持续机械搅拌处理5小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在85^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体（如图3所示），经SEM观察显示粉体为柱状晶体（如图4所示），经粒度检测分析仪分析，其粒度在6~24 μm之间。

3）将锶离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和饱和二水硫酸钙溶液按质量百分数10%、60%和30%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为47 MPa。采用SEM观察可见该柱状物表面上存在柱状和无规则颗粒物（如图5所示）。

实施例2：

1）将含0.27 mol/L Ca(NO₃) ₂和0.01 mol/L MgCl₂的水溶液500 mL逐滴加入到500 mL磁力搅拌的0.28 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，然后在85^oC下烘干，然后放置于高温炉内在1150^oC下煅烧处理2小时，从而获得镁离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在6~31 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中镁含量为0.30%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按15%、15%和0.10%的质量体积浓度配制2 L混合水溶液，在99^oC下持续机械搅拌处理4.5小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在90^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经SEM观察显示粉体为柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在4~18 μm之间。

3）将镁离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和饱和0.05 mol/L磷酸钠溶液按质量百分数15%、55%和30%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为51 MPa。

实施例3：

1）将含0.23 mol/L CaCl₂和0.02 mol/L Zn(NO₃) ₂的无机盐水溶液1000 mL逐滴加入到1000 mL磁力搅拌的0.25 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，然后放置于高温炉内在750^oC下煅烧处理2小时，从而获得锌离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在9~32 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锌含量为1.45%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按15%、15%和0.06%的质量体积浓度配制5 L混合水溶液，在97^oC下持续机械搅拌处理6小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在75^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经SEM观察显示粉体为短柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在11~30 μm之间。

3）将锌离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去离子水按质量百分数2%、58%和40%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为43 MPa。

实施例4：

1） 将含0.23 mol/L CaCl₂和0.02 mol/L Cu(NO₃) ₂的水溶液1700 mL逐滴加入到1700 mL磁力搅拌的0.25 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，在80^oC下烘干，然后放置于高温炉内在750^oC下煅烧处理2小时，从而获得铜离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在0.86~21 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中铜含量为0.47%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按14%、14%和0.09%的质量体积浓度配制3 L混合水溶液，在99^oC下持续机械搅拌处理4小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在85^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经SEM观察显示粉体为短柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在7~22 μm之间。

3）将铜离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去离子水按质量百分数20%、50%和30%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为46 MPa。

实施例5：

1）将含0.22 mol/L CaCl₂、0.01 mol/L Sr(NO₃) ₂和0.02 mol/L ZnCl₂的水溶液1000 mL逐滴加入到1000 mL磁力搅拌的0.25 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，在90^oC下烘干，然后放置于高温炉内在1000^oC下煅烧处理2小时，从而获得锶、锌离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在0.9~24 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中锶和锌含量分别为0.29%和0.65%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按15%、15%和0.08%的质量体积浓度配制2 L混合水溶液，在97^oC下持续机械搅拌处理7小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在60^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经扫描电镜观察显示粉体为短柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在8~26 μm之间。

3）将锶、锌离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去二水硫酸钙饱和液按质量百分数15%、50%和35%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为40 MPa。

实施例6：

1）将含0.22 mol/L CaCl₂、0.02 mol/L CuCl ₂、0.01 mol/L Sr(NO₃) ₂和0.02 mol/L ZnCl₂的水溶液1000 mL逐滴加入到1000 mL磁力搅拌的0.27 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，然后在90^oC下烘干，然后放置于高温炉内在1250^oC下煅烧处理2小时，从而获得锶、锌、铜离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在2.5~24 μm之间，经原子吸收光谱分析测试，粉体中铜、锶和锌含量分别为0.44%、0.23%和0.59%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按15%、15%和0.08%的质量体积浓度配制2 L混合水溶液，在99^oC下持续机械搅拌处理4小时，过滤后用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在60^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在8~26 μm之间。

3）将锶、锌、铜离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去离子水按质量百分数20%、60%和20%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为56 MPa。

实施例7：

1） 将含0.20 mol/L Ca(CH₃COO) ₂、0.01 mol/L MgCl ₂、0.01 mol/L Sr(NO₃) ₂和0.01 mol/L ZnCl₂的水溶液1000 mL逐滴加入到1000 mL磁力搅拌的0.23 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，然后在90^oC下烘干，然后放置于高温炉内在1250^oC下煅烧处理2小时，从而获得锶、锌、镁离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在6~39 μm之间经原子吸收光谱分析测试，粉体中锶、锌和镁含量分别为0.27%、0.53%和0.40%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按18%、18%和0.04%的质量体积浓度配制4 L混合水溶液，在99^oC下持续机械搅拌处理4小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在60^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经扫描电镜观察显示粉体为短柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在14~32 μm之间。

3）将锶、锌、镁离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去离子水按质量百分数20%、40%和40%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为52 MPa。

实施例8 ：

1） 将含0.25mol/L Ca(CH₃COO) ₂、0.01 mol/L MgCl ₂、0.02 mol/L Sr(NO₃) ₂和0.01 mol/L ZnCl₂的水溶液1000 mL逐滴加入到1000 mL磁力搅拌的0.28 mol/L硅酸钠水溶液中，待滴加完毕后将反应沉积物过滤，用去离子水洗涤3次，再经乙醇洗涤1次，然后在90^oC下烘干，然后放置于高温炉内在1250^oC下煅烧处理2小时，从而获得锶、锌、镁离子摻杂硅酸钙的粉体，经粒度检测仪分析，其粒度在12~37 μm之间经原子吸收光谱分析测试，粉体中锶、锌和镁含量分别为0.22%、0.50%和0.37%。

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按18%、18%和0.10%的质量体积浓度配制4 L混合水溶液，在99.5^oC下持续机械搅拌处理4小时，然后过滤，用沸水洗涤2次，用乙醇洗涤1次，在60^oC下烘干，从而得到α-熟石膏粉体，经扫描电镜观察显示粉体为短柱状晶体，经粒度检测分析仪分析，其粒度在14~32 μm之间。

3）将锶、锌、镁离子掺杂硅酸钙的粉体、α-熟石膏粉体和去离子水按质量百分数10%、60%和30%分别称取、搅拌混合后，将形成均匀糊状物灌注于直径为8 mm的圆柱形不锈钢模具中，自固化形成具有优良力学强度的圆柱状复合材料。经力学测试检测，长度为15 mm的圆柱状固化物的抗压强度为58 MPa。

实施例9：

应用实施例8制备的自固化复合材料进行骨质疏松症大白兔股骨缺损再生效率和材料降解性测试，具体方法和结果如下：对64只18周龄雌性新西兰大白兔，其中32只摘除卵巢，为OVXed实验组；其余32只仅在卵巢出摘除少量脂肪组织，为Sham假手术对照组。待64只大白兔正常清洁饲养到30周龄时，活体测试实验组和对照组股骨骨密度分别为为0.12±0.04和0.21±0.04，并具有统计学显著性差异，表明实验组大白兔已经患骨质疏松症。再通过γ射线辐射对材料样品进行灭菌，在无菌和麻醉条件下向两组大白兔两后腿股骨建立直径为5 mm、深度为4mm的骨缺损，并将OVXed和sham组等分为两组，分别注入复合自固化材料和纯石膏糊状物，填满骨缺损后然后骨蜡封，缝合肌肉、皮层。继续饲养4、8、12周后，按注射过量麻醉剂方法处死大白兔，取完整股骨，分别进行X光、骨密度、micro-CT二维和三维切片结构重建和组织学HE染色表征。结果发现，OVXed组填充复合粉体糊状物股骨内第4周时发现自固化材料出现大量新骨矿化，与OVXed组的骨再生效率极为类似；但是填充纯石膏的OVXed和sham组骨缺损内均存在大量填充物降解，但是骨缺损与材料之间出现细微空腔，表明材料降解过快，骨再生来不及完成。在术后8周时，填充复合自固化材料组缺损修复率达到70%以上，填充纯石膏组材料几乎完全降解，但是骨缺损修复率仅为26~29%。术后12周时，填充复合自固化材料的OVXed和sham组组缺损完全修复，填充纯石膏的OVXed和sham组骨缺损修复率仅为41~46%。以上实施例表明由异质离子锶、锌、镁掺杂硅酸钙的粉体和α-熟石膏粉体调制的复合自固化材料具有理理想的骨修复效果。

Claims (6)

1.一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料，其特征在于：是由异质离子掺杂硅酸钙粉体、α-熟石膏粉体和调和液混合、搅拌后形成的自固化材料；其组分的质量百分数为：

异质离子掺杂硅酸钙粉体          2~20%

α-熟石膏粉体                    40~60%

调和液                          20~40%  。

2.根据权利要求1所述的一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料，其特征在于：所述的异质离子掺杂硅酸钙粉体中所摻杂的异质离子为镁、锶、锌、铜中的一种或几者的任意组合，异质离子掺杂总量占硅酸钙中钙离子量的0.2~20%。

3.根据权利要求1所述的一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料，其特征在于：所述的异质离子掺杂硅酸钙粉体的颗粒度为200 nm~50 μm；所述的α-熟石膏粉体的颗粒度为2~50 μm；所述的调和液是去离子水、磷酸钠水溶液或者二水硫酸钙饱和液。

4.根据权利要求1所述的一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤： 

1） 将总摩尔浓度为0.1~0.35 mol/L的含Ca²⁺无机盐水溶液和异质离子无机盐水溶液滴加到等摩尔浓度并持续搅拌的硅酸钠水溶液中，将反应沉积物过滤、去离子水洗涤后，再用无水乙醇洗涤，烘干，经700~1300^oC下煅烧处理，从而获得异质离子摻杂硅酸钙粉体；

2）将二水硫酸钙、氯化钠、柠檬酸分别按质量浓度12~18%、12~16%和0.01~0.12%配制成混合悬浮水溶液，在95~100^oC下持续搅拌处理4~8小时，然后再将悬浮液过滤，依次用沸水和无水乙醇洗涤，然后烘干，从而得到α-熟石膏粉体；

3）将异质离子掺杂硅酸钙粉体、α-熟石膏粉体和调和液按质量百分数2~20%、40~60%和 20~40%分别称取、混合后，搅拌形成均匀糊状物，并经水化反应形成自固化材料。

5.根据权利要求4所述的一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料的制备方法，其特征在于：所述的含Ca²⁺的无机盐是Ca(CH₃COO)₂、CaCl₂、Ca(NO₃)₂中的一种或者几者的任意组合；所述的异质离子无机盐为镁、锶、锌或铜的硝酸盐或氯化物。

6.根据权利要求4所述的一种促进骨再生修复的高生物活性复合材料的制备方法，其特征在于：所述的调和液是去离子水、磷酸钠水溶液或者二水硫酸钙饱和液。

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