CN108249796A - 一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二氧化硅改性磷酸镁基骨水泥及其制备方法，其制备方法为：1)将氧化镁煅烧处理，煅烧后球磨得到氧化镁粉末，取一定量的氧化镁均匀分散在有机溶剂中，形成氧化镁悬浊液；2)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液加入含有氧化镁的悬浊液中，搅拌反应洗涤干燥后得到二氧化硅包覆改性的氧化镁；3)将二氧化硅包覆改性的氧化镁粉末与磷酸盐粉末均匀混合，得到二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥。本发明可通过二氧化硅包覆改性氧化镁的程度来调控固化时间，并降低骨水泥固化时的水化温度，显著提高了镁基骨水泥的临床使用性能。本发明制备的磷酸镁基骨水泥工艺简单，成本较低，易于工业化生产。

Description

一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法

技术领域

本发明涉及生物医用修复材料领域，尤其涉及一种二氧化硅改性的镁基骨充填修复材料及制备该材料的方法。

技术背景

磷酸镁基骨水泥(MPC)是一种由过烧氧化镁、磷酸盐及固相调和液按一定比例配制而成的新型生物凝胶材料。具有快凝、高早强的特性，能在人体生理环境下进行自行固化，能与骨组织形成高强度的界面结合，水化产物为磷酸盐类生物矿石，水化产物具有良好的生物相容性，无毒副作用。

MPC的水化反应其实质是一个以酸碱中和反应为基础的放热反应，反应速度快，放热量大，这些热量又进一步加速了体系的反应速度，导致凝结速度很快，作为骨修复材料，受水化反应速率控制的固化时间与反应放热是MPC制备的关键指标；前者既要为临床使用提供足够的手术操作时间，又能够在较短时间内固化；后者要求放热峰值温度应在体温附近，不宜过高。但是，通常由于MPC水化反应极快，因而导致固化时间短，放热温度高，严重影响了磷酸镁水泥的应用范围。

一般采用高温煅烧以降低氧化镁的活性，并结合添加硼砂等缓凝剂的方法控制MPC的水化反应速率，经过高温烧结和延长烧结时间使氧化镁粒径增大，反应后残留大量的氧化镁，引入硼砂等物质做缓凝剂，在材料降解过程中会对人体的体液环境产生干扰，副作用明显，影响MPC良好的生物相容性，降低其临床性能。

硅是人体不可缺少的微量元素，主要分布于人体皮肤和结缔组织中，参与人体内的多种生理活动，并有抵抗衰老、防治疾病的作用。硅被称为人体骨骼的构建者，能够促进骨骼的正常生长和发育。研究表明，硅可以提高成骨细胞的活性，促进细胞的粘附、增殖以及成骨相关基因和成血管基因的表达，促进血管的形成，从而加速骨的形成和生长。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥及其制备方法，所述的一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥具有可控制固化反应时间、降低反应放热温度，极大的满足临床需求。

为实现上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其包括下述步骤：

1)将氧化镁煅烧结晶化处理，煅烧后球磨得到氧化镁粉末，取一定量的氧化镁均匀分散在有机溶剂中，形成氧化镁悬浊液；

2)将一定量的正硅酸四乙酯加入有机溶剂中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；将一定量的氨水加入有机溶剂中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以一定的速度同时滴加入氧化镁悬浮液中，并不断搅拌，搅拌反应一段时间后，洗涤干燥处理，即得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)将二氧化硅改性的氧化镁粉末与磷酸盐混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，再与固化液以一定的比例调和均匀，制备得到磷酸镁基骨水泥。

按上述方案，步骤1)所述的煅烧结晶化温度为1000-1600℃，保温时间为0-4h，球磨后的氧化镁的平均粒径小于3μm，氧化镁悬浮液中氧化镁的含量为0.5-1.0g/ml。

按上述方案，步骤1)所述的煅烧结晶化温度为1200-1400℃，保温时间为1-2h，球磨后的氧化镁的平均粒径为0.1-1μm。

按上述方案，步骤1)和2)所述的溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种的混合。

按上述方案，步骤2)所述的正硅酸四乙酯与有机溶剂的体积比为1:2-1:6，所述的氨水与有机溶剂的体积比为1:5-1:10。

按上述方案，步骤3)所述滴加速度为1-5秒/滴，所述搅拌时间为12-48h，所述的洗涤干燥处理为去离子水洗2-3遍，无水乙醇洗1-3遍，60-120℃干燥12-24h。

按上述方案，步骤4)所述二氧化硅改性的氧化镁粉末与磷酸盐的质量比为1:3-1:5。

按上述方案，步骤4)所述磷酸盐为磷酸二氢钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙的一种或几种的混合物。

按上述方案，步骤4)所述固化液为蒸馏水、生理盐水、柠檬酸或柠檬酸钠中的一种，所述固液比为2.0-3.2g/ml。

采用上述技术方案的，本发明的有益效果在于：

1)本方法制备的二氧化硅改性后的氧化镁粒径小，提高其分散性，，可减少骨水泥反应后氧化镁的残留量，使镁基骨水泥在降解过程中保证其良好的生物相容性；

2)磷酸镁基骨水泥的固化时间由1-3min延长到使用改性氧化镁后的7-30min，并可根据需要调整固化时间，可极大的满足临床需要对镁基骨水泥的固化时间要求；

3)磷酸镁基骨水泥中掺入二氧化硅，材料降解过程中可释放硅元素，有助于提高材料的成骨活性；

4)磷酸镁基骨水泥不需要添加其他缓凝剂，有助于保持其优良的生物相容性，并使放热温度降至33-40℃，接近体温。

附图说明

图1为实施例1中的二氧化硅的改性氧化镁的扫描电镜图(SEM)。

具体实施方式

下面通过具体实施对本发明进行进一步说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

1)将氧化镁加热至1200℃并保温2小时，磨细平均粒径为0.4μm，称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2ml正硅酸四乙酯加入9ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以4s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应24h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾9g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.8g/ml，固液相混和均匀，固化时间15min。

实施例2

1)将氧化镁加热至1400℃并保温2小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散8ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2.5ml正硅酸四乙酯加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以3s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在60℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾8g，磷酸二氢钙1g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为3.0g/ml，固液相混和均匀，固化时间26min。

实施例3

1)将氧化镁加热至1400℃并保温1小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散8ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2.0ml正硅酸四乙酯加入8ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入8ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以5s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取2g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾6g，磷酸二氢钙4g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.2g/ml，固液相混和均匀，固化时间22min。

实施例4

1)将氧化镁加热至1400℃并保温2小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散7ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取3.0ml正硅酸四乙酯加入8ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取2ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以2s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应24h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干24小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾6g，磷酸二氢钙3g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.6g/ml，固液相混和均匀，固化时间30min。

实施例5

1)将氧化镁加热至1400℃并保温2小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2ml正硅酸四乙酯加入4ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入5ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以1s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应24h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾7g，磷酸二氢钙3g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.4g/ml，固液相混和均匀，固化时间24min。

实施例6

1)将氧化镁加热至1400℃并保温1小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取4g氧化镁分散5ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2ml正硅酸四乙酯加入12ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以3s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干24小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾12g，磷酸二氢钙3g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.6g/ml，固液相混和均匀，固化时间23min。

实施例7

1)将氧化镁加热至1400℃并保温2小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2ml正硅酸四乙酯加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取2ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以5s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在60℃烘干24小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾7g，磷酸二氢钙4g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.6g/ml，固液相混和均匀，固化时间14min。

实施例8

1)将氧化镁加热至1400℃并保温2小时，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取1.5ml正硅酸四乙酯加入9ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以1s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾8g，磷酸二氢钙2g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为3.0g/ml，固液相混和均匀，固化时间7min。

实施例9

1)将氧化镁加热至1600℃，磨细平均粒径为1.0μm，称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取1.5ml正硅酸四乙酯加入9ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以3s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应12h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在60℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾8g，磷酸二氢钙1g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为2.8g/ml，固液相混和均匀，固化时间18min。

实施例10

1)将氧化镁加热至1200℃并保温4小时，磨细平均粒径为0.3μm称取5g氧化镁分散10ml乙醇中，搅拌形成氧化镁悬浊液；

2)另取2ml正硅酸四乙酯加入9ml乙醇中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；另取1ml氨水加入10ml乙醇中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以4s/滴的速度同时加入氧化镁悬浮液中，并用搅拌器不断搅拌，搅拌反应24h后，将反应溶液离心后，将沉淀物用去离子水洗涤两次，再用无水乙醇洗涤两次，在40℃烘干12小时，即制备得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)称取3g二氧化硅改性的氧化镁粉末，磷酸二氢钾15g，充分混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，蒸馏水为固化液，固液比为3.0g/ml，固液相混和均匀，固化时间24min。

本发明公开的一种二氧化硅改性磷酸镁基骨水泥及其制备方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变材料和路线等环节实现，本发明的材料和方法仅介绍部分重要实验和部分典型实施例阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其包括下述步骤：

1)将氧化镁煅烧结晶化处理，煅烧后球磨得到氧化镁粉末，取一定量的氧化镁均匀分散在有机溶剂中，形成氧化镁悬浊液；

2)将一定量的正硅酸四乙酯加入有机溶剂中，搅拌均匀形成正硅酸四乙酯溶液；将一定量的氨水加入有机溶剂中，搅拌均匀形成催化剂溶液；

3)将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液以一定的速度同时滴加入氧化镁悬浮液中，并不断搅拌，搅拌反应一段时间后，洗涤干燥处理，即得到二氧化硅改性的氧化镁粉末；

4)将二氧化硅改性的氧化镁粉末与磷酸盐混合均匀，得到磷酸镁基骨水泥固相，再与固化液以一定的比例调和均匀，制备得到磷酸镁基骨水泥。

2.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的煅烧结晶化温度为1000-1600℃，保温时间为0-4h，球磨后的氧化镁的平均粒径小于3μm，氧化镁悬浮液中氧化镁的含量为0.5-1.0g/ml。

3.根据权利要求2所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤1)所述的煅烧结晶化温度为1200-1400℃，保温时间为1-2h，球磨后的氧化镁的平均粒径为0.1-1μm。

4.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤1)和2)所述的溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种的混合。

5.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤2)所述的正硅酸四乙酯与有机溶剂的体积比为1:2-1:6，所述的氨水与有机溶剂的体积比为1:5-1:10。

6.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤3)所述滴加速度为1-5秒/滴，所述搅拌时间为12-48h，所述的洗涤干燥处理为去离子水洗2-3遍，无水乙醇洗1-3遍，60-120℃干燥12-24h。

7.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤4)所述二氧化硅改性的氧化镁粉末与磷酸盐的质量比为1:3-1:5。

8.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤4)所述磷酸盐为磷酸二氢钙、磷酸氢钙、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾、磷酸二氢钠、磷酸氢二钠、α-磷酸三钙、β-磷酸三钙、磷酸四钙的一种或几种的混合物。

9.根据权利要求1所述的二氧化硅改性的磷酸镁基骨水泥的制备方法，其特征在于，步骤4)所述固化液为蒸馏水、生理盐水、柠檬酸或柠檬酸钠中的一种，所述固液比为2.0-3.2g/ml。