CN106344963A - 氧化石墨烯改性的骨水泥及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及氧化石墨烯改性的骨水泥及制备方法,包括粉剂和固化液:其中粉剂由半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石复合而成,固化液为氧化石墨烯水溶液；按照比例制备半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石的粉剂；按照0.5mL/g的液固比加入固化液混合,搅拌均匀,室温固化形成可注射型骨水泥。氧化石墨烯不仅具有良好的机械性能，而且可以高度分散在水溶液或有机溶剂中，氧化石墨烯的添加可以提高骨水泥的力学性能。通过该方法制得的骨水泥材料具有抗溃散性强、可注射性好、强度高的特点,同时还具有良好的生物相容性和生物可降解性。能够用于各种骨缺损的填充和修复。应用于组织工程和医药领域。

Description

氧化石墨烯改性的骨水泥及制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于人体硬组织修复的可注射型骨水泥及制备方法,主要用于生物医用材料等领域；特别涉及氧化石墨烯改性的骨水泥及制备方法。

背景技术

由于外伤、交通事故、切除手术和其他疾病手术等引起的骨组织缺损缺失很普遍，这不仅给患者带来了很大的痛苦，也使他们的生活变得极其的不便，所以需要大量的骨修复材料。而骨缺损一直以来都是骨科面临的难题之一。修复骨缺损的常用方法一般有自体骨移植、异体骨移植和人工骨修复三种。作为公认的骨移植“金标准”的自体骨移植，无免疫排斥反应，且生物安全性高，但此方法的供骨量非常有限，且给患者带来二次伤害；异体骨移植虽然来源广泛，但存在免疫排斥问题，也可能会使患者感染病毒，而且由于其来源不清楚容易造成社会舆论；人工骨是新的骨移植选择，但目前可吸收人工骨市场被欧美企业如强生、史塞克等垄断，国内产品几乎无市场。

近年来，随着微创外科的发展，可注射性骨替代物引起了各国科研人员和学者的关注，已是当下生物研究材料的热点之一。硫酸钙和磷酸钙是最常用的可注射性骨替代物材料，他们的优点是：其操作简便，生物相容性好，可以原位固化，将其注射入骨缺损处后，可以填充骨缺损部位。他们的不足之处是：可注射性硫酸钙骨替代物的可注射时间短，在体内的降解速度比自身新骨的形成速度快，因此其并不适用于修复较大和愈合时间较长的骨缺损情况；可注射性磷酸钙骨替代物的降解速度比新骨的形成缓慢，进而会影响新骨的长入，使其在临床上的应用受到限制。硫酸钙作为一种传统且重要的骨替代材料，为了进一步提高其在临床上应用的可能性，许多科研人员都致力于对其进行改性的工作。Stubbs等人在硫酸钙中加入羟基磷灰石和碳酸钙,可以有效的增加其加工性能；Mamidwar等人用聚乳酸材料与硫酸钙复合后更有利于骨修复。Liu X等人将纳米羟基磷灰石/胶原与硫酸钙混合，不仅可以延长其凝结时间，而且可以提高其生物活性。现如今有许多科研工作者致力于对硫酸钙骨水泥的改性研究，但通过氧化石墨烯来提高硫酸钙骨水泥的性能的研究很少见到。

半水硫酸钙具有水硬性,遇到水溶液后可原位自固化为高强度的二水硫酸钙；二水硫酸钙能够促使成骨细胞附着,促进成骨,同时破骨细胞能够吸收硫酸钙,使其实现生物降解。但是在临床应用中,因硫酸钙的降解速率比新骨生成的速率快,容易导致手术失败。

羟基磷灰石是人体骨骼中主要的无机成分，具有良好的生物特性和吸附特性。但其机械强度低、降解速度慢等缺点制约着其临床应用。锶是人体内一种必需的微量元素，骨骼中的质量分数约为0.01％,具有促进骨形成和抑制骨吸收的作用。含量低于lO％的掺锶羟基磷灰石具有很好的生物相容性、骨引导能力和生物降解率，能获得较满意的骨缺损修复效果。

石墨烯是目前为止力学强度最高的物质。氧化石墨烯是通过将石墨烯氧化而得到的层状材料，具有独特的2D结构，其六元环碳骨架由丰富的含氧基团(羟基、环氧基、羧基等)修饰，因此，氧化石墨烯不仅具有良好的机械性能，而且可以高度分散在水溶液或有机溶剂中。

由于单一的材料所制备的人工移植骨一般都会存在强度不足、降解速率与新骨再生速率不相符等缺点,因此,将两种或两种以上的物质按照一定的比例组合制备而成的骨移植材料,可以对其取长补短,从而提高材料的理化和生物学性能,从而获得一种理想的人工骨修复材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的可注射型骨水泥的制备方法,通过该方法制得的骨水泥材料具有抗溃散性强、可注射性好、强度高的特点,同时还具有良好的生物相容性和生物可降解性。

本发明的技术方案如下：

一种氧化石墨烯改性的骨水泥,包括粉剂和固化液；其中粉剂由半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石复合而成；固化液为氧化石墨烯水溶液。

所述粉剂各组分用量占整个粉剂质量的百分比为:半水硫酸钙:70％～80％,掺5％～10％锶的羟基磷灰石：20％～30％。固化液为氧化石墨烯水溶液浓度为0.002％～0.006％。

本发明的氧化石墨烯改性的骨水泥的制备方法；包括如下步骤:

(1)按照比例制备半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石的粉剂；

(2)按照0.5ml/g的液固比加入氧化石墨烯水溶液的固化液,搅拌均匀,室温固化形成可注射型骨水泥。

本发明中,将半水硫酸钙与掺锶的羟基磷灰石均匀混合,按照一定的液固比与氧化石墨烯水溶液混合、固化,制备出一种新型的可注射型骨水泥。石墨烯是目前为止力学强度最高的物质。氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)是通过将石墨烯氧化而得到的层状材料，具有独特的2D结构，其六元环碳骨架由丰富的含氧基团(羟基，环氧基，羧基等)修饰，因此，氧化石墨烯不仅具有良好的机械性能，而且可以高度分散在水溶液或有机溶剂中，所以氧化石墨烯的添加可以提高骨水泥的力学性能。同时,本发明中的骨水泥还具有良好的生物相容性和可降解性,能够用于各种骨缺损的填充和修复。应用于组织工程和医药领域。

附图说明

图1:可注射型骨水泥材料的可注射时间图。

图2:可注射型骨水泥材料固化后的SEM图。

图3:可注射型骨水泥材料固化后的XRD图谱。

图4:可注射型骨水泥材料固化后测试抗压强度的结果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步的详细说明:

实施例1:

骨水泥复合粉体包括α-半水硫酸钙、掺锶的羟基磷灰石粉末。在室温下,称取4g(80％)半水硫酸钙和1g(20％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.002％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.4min左右，如附图1所示。将固化后的骨水泥研磨成粉末进行SEM表征,如附图2所示,固化后的骨水泥成柱状分布，且羟基磷灰石分布于其上，羟基磷灰石的附着并未影响骨水泥的基本形貌，而且还能提高骨水泥的生物活性。

实施例2:

骨水泥复合粉体的制备:在室温下,称取4g(80％)半水硫酸钙和1g(20％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.004％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为8.6min左右。按照实施例1对固化产物进行扫描电子显微镜观察,并对固化后的样品进行物相分析(即XRD表征),如附图3所示,固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙,说明固化过程中半水硫酸钙很快变成二水硫酸钙。研究表明，二水硫酸钙能够促使成骨细胞附着,促进成骨,同时破骨细胞能够吸收硫酸钙,使其实现生物降解。

实施例3:

在室温下,称取4g(80％)半水硫酸钙和1g(20％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.006％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.6min左右。按照实施例2对固化产物进行物相分析和扫描电子显微镜观察,并对骨水泥试样进行抗压强度测试,抗压强度测试试样为圆柱状(Φ6mm×12mm),抗压强度平均值为6.42Mpa，符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求，如附图4所示，说明氧化石墨烯的添加确实可以提高骨水泥的抗压强度。固化后将骨水泥放到SBF溶液中浸泡,抗溃散性良好。实施例4:

在室温下,称取4g(80％)半水硫酸钙和1g(20％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的去离子水,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)搅拌混合2min,可注射时间为9.7min左右，抗压强度平均值为5.45Mpa。将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析。固化后将骨水泥放到SBF溶液中浸泡,抗溃散性良好。骨水泥用于局部填充时，需直接接触骨缺损部位的流动血液，良好的抗溃散性使其不易被冲散，从而提高手术的成功几率。实施例5:

在室温下,称取3.75g(75％)半水硫酸钙和1.25g(25％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.002％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.5min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

实施例6:

在室温下,称取3.75g(75％)半水硫酸钙和1.25g(25％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.004％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为8.7min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

实施例7:

在室温下,称取3.75g(75％)半水硫酸钙和1.25g(25％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.006％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.4min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

实施例8:

在室温下,称取3.5g(70％)半水硫酸钙和1.5g(30％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.002％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.6min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

实施例9:

在室温下,称取3.5g(70％)半水硫酸钙和1.5g(30％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.004％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为8.9min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

实施例10:

在室温下,称取3.5g(70％)半水硫酸钙和1.5g(30％)掺锶的羟基磷灰石,混合均匀；量取2.5mL的质量分数为0.006％氧化石墨烯水溶液,与固相粉末(液固比为0.5mL/g)混合搅拌2min,可注射时间为9.8min左右，其抗压强度符合人体松质骨抗压强度(5～10Mpa)的要求。然后将固化后的骨水泥研磨成粉末，通过XRD和SEM表征进行成分和形貌分析，固化后的骨水泥成分为二水硫酸钙、羟基磷灰石和碳，其中主要成分为二水硫酸钙，且羟基磷灰石附着在柱状的硫酸钙上。

Claims (4)

1.一种氧化石墨烯改性的骨水泥,包括粉剂和固化液；其特征是中粉剂由半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石复合而成；固化液为氧化石墨烯水溶液。

2.如权利要求1所述的骨水泥,其特征是粉剂各组分用量占整个粉剂质量的百分比为:半水硫酸钙:70％～80％,掺5％～10％锶的羟基磷灰石：20％～30％。

3.如权利要求1所述的骨水泥,其特征是固化液为氧化石墨烯水溶液浓度为0.002％～0.006％。

4.权利要求1的氧化石墨烯改性的骨水泥的制备方法；包括如下步骤:

(1)制备半水硫酸钙和掺5％～10％锶的羟基磷灰石的粉剂；

(2)按照0.5ml/g的液固比加入氧化石墨烯水溶液的固化液,搅拌均匀,室温固化形成可注射型骨水泥。