CN108079369B - 具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架及其制备方法和用途，包括硅酸盐骨水泥支架和形成于所述支架表面的羟基磷灰石纳米结构。本发明在硅酸盐骨水泥支架（植入体）表面构建一定的纳米结构能够明显地加强骨整合和促进体内成骨性能。因而，设计和制备具有可控表面纳米结构的硅酸盐骨水泥多孔支架，将从结构上优化材料的整体性能，从而更有利于硅酸盐材料在骨组织修复中的临床应用。

Description

具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架及其制备方法和用途，属于生物材料领域。
背景技术
人体骨组织常因外伤、肿瘤、老化等原因而导致断裂、缺损、组织坏死和变质。在众多人工合成骨组织修复材料中，硅酸盐骨水泥(硅酸二钙、硅酸三钙及其复合骨水泥)良好的力学强度、降解速率和体外体内成骨活性，因而受到了广泛关注。在骨组织修复中，为了更有利于营养物质的交换和新组织的长入，常常需要把材料制备成多孔支架的形式。传统的支架制备方法，如泡沫法和造孔剂法，要么需要高温烧结而不适用于骨水泥支架的成型，要么很难控制支架的孔结构和三维联通性，因而大大限制了骨水泥材料在骨修复中应用。
另一方面，目前的支架材料表面普遍缺少类似细胞外基质的天然纳米形态结构，植入体内后很难达到真正的“生物性融合”，从而制约了骨组织修复材料在临床上的推广应用。
发明内容
面对现有技术存在的上述问题，本发明旨在改进硅酸盐骨水泥，提供一种有望在骨修复中广泛应用的硅酸盐骨水泥及其制备方法。
一方面，本发明提供了一种具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，包括硅酸盐骨水泥支架和形成于所述支架表面的羟基磷灰石纳米结构。
本发明在硅酸盐骨水泥支架(植入体)表面构建一定的纳米结构能够明显地加强骨整合和促进体内成骨性能。因而，设计和制备具有可控表面纳米结构的硅酸盐骨水泥多孔支架，将从结构上优化材料的整体性能，从而更有利于硅酸盐材料在骨组织修复中的临床应用。
较佳地，所述纳米结构包括纳米针结构或纳米片结构。其中羟基磷灰石纳米针的直径可为10～50nm、长度可为100～500nm，优选直径约20nm、长度约300nm。羟基磷灰石纳米片的厚度可为5～20nm、长可为100～500nm、宽可为300～800nm，优选厚度约8nm、长约300nm、宽约500nm。
较佳地所述硅酸盐骨水泥支架以硅酸盐骨水泥粉体为原料通过3D打印制备，且具有有序的大孔结构，所述大孔的孔径为100～600μm。即、将硅酸盐骨水泥粉体、粘结剂和水混合后，利用计算机辅助设计软件构造硅酸盐骨水泥支架的结构模型，然后3D打印得到所述硅酸盐骨水泥支架。本发明将3D打印技术与硅酸盐骨水泥结合则可以在低温下制备出孔径规则，三维连通的硅酸盐骨水泥多孔支架。
又，较佳地，所述硅酸盐骨水泥粉体为硅酸钙、硅酸三钙和硅酸二钙中的至少一种。
较佳地，所述羟基磷灰石纳米结构是由硅酸盐骨水泥多孔支架浸泡在磷酸盐溶液中于25～60℃下反应1～3天而原位形成在所述硅酸盐骨水泥支架表面。
另一方面，本发明还提供了一种具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架的制备方法，将硅酸盐骨水泥支架浸入浓度为2～6mg/L的磷酸盐水溶液中，在25～60℃下反应1～3天。
较佳地，所述磷酸盐为磷酸三钠、磷酸三钾、磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二铵中的至少一种。
较佳地，所述磷酸盐水溶液的体积和硅酸盐骨水泥支架的质量的用量比为(20～200)ml/g，优选为(50～200)ml/g。
较佳地，将制备所得具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架置于去离子水中，在25～60℃下浸泡；其中在去离子水中浸泡的时间和在磷酸盐水溶液中反应的时间之和为3～7天。
又，较佳地，所述硅酸盐骨水泥粉体为硅酸钙、硅酸三钙和硅酸二钙中的至少一种。
较佳地，所述硅酸盐骨水泥粉体和粘结剂的质量比为(1.2～2.2)：1。
较佳地，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、聚醚F-127中的至少一种。
较佳地，所述粘结剂占水和粘结剂总质量的1～20wt％。
较佳地，所述3D打印的参数包括：单层厚度0.2～1mm，打印速度1～20mm/s，气压为50～600KPa。
再一方面，本发明还提供了一种具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架制备骨修复材料中的应用。
本发明的3D打印硅酸盐骨水泥支架和具有表面纳米结构的3D打印硅酸盐骨水泥支架拥有良好的力学性能、矿化能力、药物装载与释放能力及体外体内成骨活性，有望作为组织工程支架或植入体材料用于骨组织修复。
本发明中支架的制备及表面改性都是在低温环境进行的，得到具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其具有良好的力学性能，体外体内成骨活性，有望作为更有效的骨组织工程支架和植入材料。
附图说明
图1为3D打印硅酸三钙(C3S)骨水泥支架的宏观照片(a)、以及(a)图中间C3S骨水泥支架的从正面(b)视角、侧面(c)视角拍摄的照片；
图2为3D打印C3S骨水泥支架的正面(a，d)、底面(b，e)及侧面(c，f)SEM照片；
图3为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架在去离子中水化不同时间的XRD结果；
图4为3D打印C3S骨水泥支架表面形貌低倍SEM照片(a)及水化不同时间(0天，1天，3天，7天，14天)后支架表面形貌高倍SEM照片(b-f)；
图5为3D打印C3S骨水泥支架装载两种药物(玫瑰红B和钙黄绿素)的实物图(a)和药物释放测试示意图(b)，结果表明药物可以被很好地装载到指定区域；
图6为A、B两个测试点下两种药物不同时间的释放浓度，结果表明无论玫瑰红B还是钙黄绿素，都是在靠近对应药物装载区域的浓度更高；
图7为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架在模拟体液(SBF)中的1天(a，d)，3天(b，e)及7天(c，f)后的体外矿化情况、7天后矿化层的EDS图谱(图7(f)中插图)；
图8为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架在去离子水(a，d)，磷酸氢二钠溶液(b，e)及磷酸氢二铵溶液(c，f)中3天后的SEM照片；
图9为具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架的XRD结果；
图10为3D打印C3S骨水泥支架水化不同时间的抗压强度(a)、杨氏模量(b)、孔隙率(c)及具有表面纳米结构的支架抗压强度(d)；
图11为3D打印C3S骨水泥支架及具有表面纳米结构支架的体外降解分析；
图12为兔子骨髓间质干细胞在纯C3S骨水泥支架(a，d，g),具有表面纳米针结构C3S(C3S-NN)骨水泥支架(b，e，h)，具有表面纳米针结构C3S(C3S-NS)骨水泥支架(c，f，i)表面培养6小时后的共聚焦显微镜照片，可以看出在具有表面纳米结构(纳米针结构或纳米棒结构)的支架上，细胞粘附数量更多，而且细胞骨架更大，相比之下，纯C3S骨水泥支架表面的细胞粘附状况则差很多，细胞数量偏少而且没有骨架伸展；
图13为兔子骨髓间质干细胞在C3S支架(a，d，g)、C3S-NN支架(b，e，h)及C3S-NS支架(c，f，i)表面培养1天后的SEM照片；
图14为兔子骨髓间质干细胞在C3S支架、C3S-NN支架及C3S-NS支架表面培养后的细胞增殖结果(a)、碱性磷酸酶活性(ALP)表达(b)以及支架中Ca、P、Si的释放量(c-e)；
图15为C3S支架及C3S-NN支架植入兔子股骨缺损中，手术前(a)及手术中(b)照片。
图16为C3S支架(a-c)及C3S-NN(d-f)支架植入后1月(a，d)、3月(b，e)及6月(c，f)后的X光照片；
图17为C3S支架(a-c)及C3S-NN(d-f)支架植入后1月(a，d)、3月(b，e)及6月(c，f)后的组织切片HE染色照片和新骨面积统计分析(g)；
图18为具有纳棒结构的3D打印C2S-C3S复合骨水泥支架的宏观照片(a)和表面SEM照片(b)。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明利用3D打印技术制备的硅酸盐骨水泥支架、以及在支架表面构建纳米羟基磷酸石(HA)。本发明制备的骨水泥支架具有多级结构，其中包括有序的大孔结构和可控的表面纳米结构。其中大孔孔径100～600μm，表面纳米结构包括直径直径为10～50nm、长度为100～500nm的HA纳米针结构或厚度为5～20nm、长为100～500nm、宽为300～800nm的HA纳米片结构。以下示例性地说明本发明提供的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架的制备方法。
3D打印制备硅酸盐骨水泥支架。具体来说，将硅酸盐骨水泥粉体、粘结剂和水均匀混合后，利用计算机辅助设计软件构造硅酸盐骨水泥支架的结构模型，然后3D打印得到所述硅酸盐骨水泥支架。其中所述硅酸盐骨水泥粉体可为硅酸钙、硅酸三钙和硅酸二钙中的至少一种。所述粘结剂包括但不限于聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、Pluronic F-127等。硅酸盐骨水泥粉末与粘结剂的质量比可为(1.2～2.2)：1。所述粘结剂可占水和粘结剂总质量的1～20wt％。3D打印的参数可包括：单层厚度0.2-1mm，打印速度1-20mm/s，气压为50-600KPa。
在利用3D打印技术制备硅酸盐骨水泥支架的一个示例中，将C3S骨水泥粉体与粘合剂充分混合，同时调整其与粘结剂的质量(1.2～2.2)，其中粘结剂包括但不限于聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、Pluronic F-127等水溶液；粘结剂浓度为1～20wt％；然后利用软件设计支架具体参数，调控支架的形状、尺寸等，进行3D打印。3D打印的参数可包括：单层厚度0.2-1mm，打印速度1-20mm/s，气压为50-600KPa。
在利用3D打印技术制备硅酸盐骨水泥支架的一个示例中，采用了硅酸三钙(C3S)骨水泥为原材料，但不限于硅酸三钙骨水泥，还包括硅酸二钙(C2S)，及不同比例的硅酸二钙硅酸三钙(C2S-C3S)复合骨水泥。
然后将所得硅酸盐骨水泥支架浸入浓度为0.2～0.5mg/L的磷酸盐水溶液中，在25～60℃下反应1～3天，其中硅酸盐骨水泥支架和磷酸盐通过反应在所述硅酸盐骨水泥支架表面原位形成羟基磷灰石纳米结构。作为一个示例，将打印出来的支架浸泡在浓度为0.2～0.5mg/L的磷酸盐水溶液中，低温(25～60℃)下摇床中震荡反应后得到所述表面具有纳米结构的硅酸盐骨水泥支架。
在构建硅酸盐水泥支架表面纳米结构的一个示例中，37℃下，C3S骨水泥支架在磷酸盐溶液中转化出了纳米HA表面，其中磷酸盐溶液包括但不限于磷酸三钠、磷酸三钾、磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二铵等磷酸盐及磷酸一氢盐水溶液；磷酸盐溶液浓度为0.2mol/L～0.5mol/L；溶液体积/支架质量比为(20～200)ml/g；反应温度包括但不限于37℃；反应时间为1-3天。
本发明以硅酸三钙(C3S)为原材料，利用3D打印技术，制备出C3S骨水泥多孔支架，在不同的磷酸盐溶液中低温转化后，其表面生成均一的羟基磷灰石(HA)纳米结构。从而得到具有表面纳米针结构的C3S(C3S-NN)骨水泥支架和具有表面纳米片结构的C3S(C3S-NS)骨水泥支架。一般磷酸盐的PH值越高，越倾向于生成纳米针结构，PH值约接近于中性越容易生成纳米片结构。
将制备所得具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架置于去离子水中，同在25～60℃下继续浸泡，使硅酸盐骨水泥支架进一步水化，增加支架的抗压强度，持续浸泡水中可以使支架抗压强度得到明显增强。其中在去离子水中浸泡的时间和在磷酸盐水溶液中反应的时间之和可为3～7天。
本发明通过3D打印制备所得C3S骨水泥支架具有持续的水化能力、较高的力学强度(抗压强度～13MPa)、优越的体外矿化能力及灵活高效的药物装载及释放能力。
本发明中支架的3D打印、药物装载、水化、矿化、表面处理都是在低温环境(25～60℃)下进行的，优选温度为37℃。
本发明的表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架具有多级结构：可控的大孔结构(～300μm)和均匀的纳米结构(纳米针直径～20nm，纳米片厚～8nm)，同时体外细胞实验具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架能够更好地支持细胞粘附及ALP表达；体内实验进一步表明具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架拥有更好的体内成骨活性。实验结果表明了将3D打印技术、水泥低温固化特性、硅酸盐低温转化性能结合到一起是一种全过程低温制备多级结构组织工程支架或植入体材料的新方法。
以下，作为一个示例，说明制备的具体步骤：
(1)采用C3S骨水泥粉体为原料，并调整与粘结剂羟丙基甲基纤维素(HPMC)的比例；
(2)利用软件设计支架具体参数，调控支架的形状、尺寸等；
(3)将3D打印C3S骨水泥支架浸泡在磷酸盐溶液中反应，得到具有表面纳米结构的C3S骨水泥支架；
(4)对制备的骨水泥支架的理化性能、体外生物活性，动物体内成骨活性进行系统的研究。
以下，简述本发明中3D打印C3S骨水泥支架的制备和理化性能表征
(1)C3S粉体与1.5wt％HPMC水溶液按质量比2:1的比例混合，室温下，利用软件设计好所需程序打印支架，利用数码相机和SEM表征支架形状及孔结构。结果表明3D打印C3S骨水泥支架形状尺寸可控、孔径规则、三维连通；
(2)37℃下，将打印好的支架浸泡到去离子水中，水化不同时间，利用XDR分析水化产物，SEM分析支架表面形貌变化；同时测试不同水化时间后，支架力学强度及孔隙率变化。结果表明随着水化时间延长，C3S骨水泥支架孔隙率下降，表面逐渐致密，力学强度逐步增强，7天后抗压强度接近13MPa；
(3)37℃下，将打印好的支架浸泡到SBF模拟体液中，矿化不同时间，利用SEM和EDS分析支架体外矿化能力和矿化产物。结果表明C3S骨水泥支架有着很好的体外矿化能力；
(4)将玫瑰红B及钙黄绿素这两种模型药物按质量比10mg/g和5mg/g分别或者同时均匀混合到1.5wt％HPMC水溶液中。再将C3S粉体与混有药物的HPMC充分混合，按照设计好的程序打印装载不同药物模型的C3S骨水泥支架。将打印好的支架泡入PBS中，测试不同时间支架中的药物释放浓度。结果表明利用3D技术可以灵活高效地在支架指定部位装载指定药物。
2)具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架的制备和体外体内成骨活性
(1)37℃下，将打印好的支架分别浸泡到0.3mol/L的磷酸氢二钠和磷酸氢二铵溶液中，可以分别得到表面纳米针结构C3S(C3S-NN)骨水泥支架和表面纳米片结构C3S(C3S-NS)骨水泥支架，利用SEM和XRD表征表面纳米形貌和组成，并测试其力学强度。结果表明所得表面纳米结构形貌均一，组成为HA，且表面纳米结构对支架整体力学强度无明显影响；相同反应条件下，在磷酸氢二钠溶液中制备的是纳米针结构，在磷酸氢二铵溶液中获得的则是纳米片结构，主要是PH有差别；
(2)将兔子骨髓间质干细胞分别种在C3S骨水泥支架、C3S-NN骨水泥支架和C3S-NS骨水泥支架表面。培养6小时后拍摄共聚焦显微镜，培养1天后通过SEM观测细胞形态。利用MTT测试细胞1天、3天、7天的增殖量，同时测试细胞培养7天的ALP表达量。结果表明，表面纳米结构，无论纳米针还是纳米片结构都显著提高了支架的细胞粘附能力和ALP表达能力；
(3)挑选C3S骨水泥支架与C3S-NN骨水泥支架植入兔子股骨缺损中，1月、3月和6月后分别取出材料。拍摄X射线照片；包埋样品进行组织切片，HE染色观察骨组织形态，统计新骨生成量。结果表明，随着时间延长，所有支架都有明显地体内降解，且新骨总量逐步增加。C3S-NN骨水泥支架中的新骨生成速度明显高于C3S骨水泥支架，表明表面纳米结构能够显著地提高支架的体内成骨活性。
本发明将3D打印和前驱体转化结合起来制备了具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥多孔支架；通过系统研究3D打印硅酸盐骨水泥支架的水化性能、力学性能、体外矿化能力、药物装载和释放能力以及具有表面纳米结构的3D打印硅酸盐骨水泥支架的体外体内成骨性能，即通过系统的理化性能和生物学研究，建立了一种适合于低温构建多级结构生物材料的新方法。本发明的改性后的支架不仅具有较好的力学性能，同时具有良好的体外体内成骨活性。有望作为骨组织工程支架或植入体材料，应用于硬组织修复。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
(1)将4gC3S粉体与1.8g 1.5wt％HPMC水溶液充分混合，利用3D打印技术制备C3S骨水泥多孔支架，所述3D打印的参数包括：单层厚度0.3mm，打印速度8mm/s，气压为3KPa，所得C3S骨水泥多孔支架的结构可为参见图1和图2中所得支架。另外，图1和图2主要是为了展示3D打印骨水泥能够实现形状尺寸的控制，主要作为展示用，并不具体到某个实验的支架；
(2)将打印出来的C3S骨水泥支架泡入去离子水中，在37℃下逐步水化至7天后，测试其力学强度。将打印出来的C3S骨水泥支架泡入SBF中测试其体外矿化能力。将打印出来的C3S骨水泥支架(质量为1.5g)分别泡入300ml的0.3mol/L磷酸氢二钠和磷酸氢二铵中，在37℃℃下反应3天，最后获得表面纳米针结构C3S-NN和表面纳米棒结构C3S-NS，然后再浸入去离子水在37℃中4天，测试其抗压强度；
(3)参见具体实施方式，对本实施例制备的C3S骨水泥支架进行水化性能评价、力学强度评价、体外矿化能评价、药物装载与释放能力评价，以及具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架体外和体内成骨性能评价。本发明中支架力学强度评价试验中采用的C3S骨水泥支架是方形支架10mm×10mm×10mm，支架结构为90°交错，上下贯通，如图1中的方形结构。本实施例中CSS水化实验、矿化实验、泡磷酸盐长纳米结构、以及培养细胞所用的支架结构相同(图13那种上下交错结构)，主要是保证细胞能够充分粘附在支架上，而不是沿着孔洞漏出。所用支架宏观大小均为10mm直径，3mm高的圆片，适合48孔板接种细胞。当然其他结构和尺寸的支架同样能完成上述实验。本实施例中动物实验支架结构如图15所示(其宏观尺寸6mm支架，10mm高，兔子股骨模型临界尺寸。所用支架未上下交错，上下孔径连同，有利于体内成骨)。本实施例的3D打印C3S骨水泥支架和具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架的结构表征及性能表征见图1-4和图7-18。
图1为3D打印硅酸三钙(C3S)骨水泥支架的宏观照片(a)、以及(a)图中间C3S骨水泥支架的从正面(b)视角、侧面(c)视角拍摄的照片，从图中可以看出利用3D打印技术可以定制出不同形状、尺寸的C3S骨水泥多孔支架，且支架孔径规则、三维连通；
图2为正面和侧面都是正方形的3D打印C3S骨水泥支架的正面(a，d)、底面(b，e)及侧面(c，f)SEM照片。进一步说明C3S骨水泥支架的孔径规则及三维连通性，且孔径尺寸为100～600μm；
图3为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架在去离子中水化不同时间的XRD结果，表明随着水化时间的延长，C3S逐渐水化为水合硅酸钙及氢氧化钙；7天后，C3S骨水泥支架基本水化完全；
图4为3D打印C3S骨水泥支架表面形貌低倍SEM照片(a)及水化不同时间(0天，1天，3天，7天，14天)后支架表面形貌高倍SEM照片(b-f)。结果表明，随着水化时间的延长，C3S骨水泥支架表面疏松结构逐渐变得致密；
图7为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架在模拟体液(SBF)中的1天(a，d)，3天(b，e)及7天(c，f)后的体外矿化情况。结果表明C3S骨水泥支架有很好的类骨磷灰石矿化能力，7天后矿化层的EDS(图7(f)中插图)分析表明类骨磷灰石钙磷比为1.89；
图8为37℃下，3D打印C3S骨水泥支架分别在去离子水(a，d)，磷酸氢二钠溶液(b，e)及磷酸氢二铵溶液(c，f)中3天后的SEM照片。结果表明新生成的纳米针和纳米片结构均一，且均匀覆盖在整个支架表面；
图9为具有表面纳米结构的3D打印C3S骨水泥支架的XRD结果，分析表明支架主体成分仍然为C3S骨水泥，其表面有少量羟基磷灰石生成；
图10为3D打印C3S骨水泥支架水化不同时间的抗压强度(a)、杨氏模量(b)、孔隙率(c)及具有表面纳米结构的支架抗压强度(d)。结果表明水化7天后，C3S骨水泥支架、C3S-NN、C3S-NS的抗压强度均超过12.5MPa，且表面纳米结构对支架整体力学强度无明显影响；
图11为3D打印C3S骨水泥支架及具有表面纳米结构支架的体外降解分析。结果表明纳米结构的形成降低了C3S骨水泥支架的降解速率；
图12为兔子骨髓间质干细胞在纯C3S骨水泥支架(a，d，g)，具有表面纳米针结构C3S(C3S-NN)骨水泥支架(b，e，h)，具有表面纳米针结构C3S(C3S-NS)骨水泥支架(c，f，i)表面培养6小时后的共聚焦显微镜照片。结果表明细胞在具有表面纳米结构的支架表面粘附地更多，铺展地更好；
图13为兔子骨髓间质干细胞在C3S支架(a，d，g)、C3S-NN支架(b，e，h)及C3S-NS支架(c，f，i)表面培养1天后的SEM照片。进一步表明具有表面纳米结构的支架有着更好的细胞粘附能力；
图14为兔子骨髓间质干细胞在C3S支架、C3S-NN支架及C3S-NS支架表面培养后的细胞增殖结果(a)、碱性磷酸酶活性(ALP)表达(b)以及支架中Ca、P、Si的释放量(c-e)。结果表明C3S-NN支架表现出更好的ALP活性；
图15为C3S支架及C3S-NN支架植入兔子股骨缺损中，手术前(a)及手术中(b)照片；
图16为C3S支架(a-c)及C3S-NN(d-f)支架植入后1月(a，d)、3月(b，e)及6月(c，f)后的X光照片。结果表明随着时间的推移，所有支架都在逐渐降解，C3S支架比C3S-NN支架降解更快；
图17为C3S支架(a-c)及C3S-NN(d-f)支架植入后1月(a，d)、3月(b，e)及6月(c，f)后的组织切片HE染色照片和新骨面积统计分析(g)。结果表明具有表面纳米针结构的C3S骨水泥支架有着更好的体内成骨性能。
实施例2
将100mg玫瑰红B和50mg钙黄绿素分别或同时溶入1.5wt％HPMC水溶液中，将4gC3S粉体与混有模型药物的HPMC充分混合，按照设计好的程序打印装载了两种药物的C3S骨水泥支架(尺寸6mm×6mm×6mm，上下转载不同的药物)，所述3D打印的参数包括：单层厚度0.3mm，打印速度8mm/s，气压为3KPa，如图5所示。将打印好的支架泡入PBS中，在两个不同测试点(A和B)测试不同时间下两种药物的释放浓度，如图6所示。结果表明靠近装载区域的药物浓度明显高于原来药物转载区域的浓度，有望实现同一个支架中装载不同药物对复杂组织进行修复。
实施例3
(1)将C2S与C3S粉体按质量比1:4充分球磨混合，过400目尼龙网筛；
(2)将4gC2S-C3S复合粉体与3g 20％Pluronic F-127水溶液充分混合装入5ml针筒中，根据设定好的程序，利用3D打印技术制备中空的C2S-C3S复合骨水泥多孔支架，期间需要多次补充打印浆料，所述3D打印的参数包括：单层厚度0.3mm，打印速度8mm/s，气压为3KPa；
(3)将打印出来的质量为20g的C2S-C3S复合骨水泥支架泡入1L 0.2mol/L磷酸氢二钠溶液中，在37℃下反应3天，在于37℃去离子水中浸泡4天，制备出具有表面纳米棒结构的C2S-C3S复合骨水泥支架。图18为本实施例的3D打印C2S-C3S复合骨水泥支架宏观结构(a)及表面纳米形貌(b)。
图18为具有纳棒结构的3D打印C2S-C3S复合骨水泥支架的宏观照片(a)和表面SEM照片(b)。结果表明具有纳棒结构的3D打印C2S-C3S复合骨水泥支架同样拥有规则的孔结构和均一的表面纳米形貌。

Claims (10)

1.一种具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，包括硅酸盐骨水泥支架和原位形成于所述支架表面的羟基磷灰石纳米结构；
以硅酸三钙和硅酸二钙中的至少一种的硅酸盐骨水泥粉体为原料通过3D打印制备，得到具有有序的大孔结构的硅酸盐骨水泥支架，所述大孔结构的孔径为100～600μm；
再将硅酸盐骨水泥支架浸泡在磷酸盐水溶液中于25～60℃下反应1～3天，得到表面具有羟基磷灰石纳米结构的硅酸盐骨水泥支架。
2.根据权利要求1所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，所述纳米结构为直径为10～50nm且长度为100～500nm的纳米针结构和/或厚度为5～20nm、长度为100～500nm且宽度为300～800nm的纳米片结构。
3.根据权利要求1所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，将硅酸盐骨水泥支架浸入浓度为0.2～0.5moL/L的磷酸盐水溶液中，在25～60℃下反应1～3天。
4.根据权利要求3所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，所述磷酸盐为磷酸三钠、磷酸三钾、磷酸铵、磷酸氢二钠、磷酸氢二钾、磷酸氢二铵中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，所述磷酸盐水溶液的体积和硅酸盐骨水泥支架的质量的用量比为（20～200）mL/g。
6.根据权利要求3所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，将制备所得具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架置于去离子水中，在25～60℃下浸泡；其中在去离子水中浸泡的时间和在磷酸盐水溶液中反应的时间之和为3～7天。
7.根据权利要求3所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，将硅酸盐骨水泥粉体、粘结剂和水混合，通过3D打印技术制备所述硅酸盐骨水泥支架，所述硅酸盐骨水泥粉体为硅酸三钙和硅酸二钙中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，所述硅酸盐骨水泥粉体和粘结剂的质量比为（1.2～2.2）：1，所述粘结剂为聚乙烯醇、羟丙基甲基纤维素、海藻酸钠、聚醚F-127中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架，其特征在于，所述3D打印技术的参数包括：单层厚度0.2～1mm，打印速度1～20mm/s，气压为50～600k Pa。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的具有表面纳米结构的硅酸盐骨水泥支架在制备骨修复材料中的应用。
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