CN108653804B - 一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法。本发明首次将Si以Si‑α‑TCP的方式掺入CPC中，从而成功制备出一种性能优良的掺硅磷酸钙骨修复材料，本发明通过合理调整掺杂比例，并控制反应参数和条件，使得最终制备得到的掺硅磷酸钙骨修复材料在力学性能显著提高的同时，其生物活性也未遭到破坏，使得本发明的掺硅磷酸钙骨修复材料既能应用于骨填充、骨修复等受力小的情况，同时也可应用于骨支撑、骨固定等受力大的情况中，从而极大扩展其应用环境和领域。同时本发明制备方法简单，具有广阔的应用前景和工业化生产前景。

Description

一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法

技术领域

本发明属于生物复合材料技术领域，具体涉及一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法。

背景技术

人体组织的损伤修复是现代医学力求解决的难题之一。骨骼作为人体重要的组织器官，往往因为疾病或外伤等原因造成不同程度的骨缺损，临床上通常采用人工材料进行修复和矫治。磷酸钙是脊椎动物体内的主要无机组分，大量存在于人体骨骼和牙齿中，被认为是一类具有良好生物相容性及可降解性的理想生物材料。因此，磷酸钙类生物材料已经广泛的用于骨替代修复材料、牙齿填充修复材料等领域。

现有的磷酸钙骨水泥(CPC)骨修复材料在力学性能上仍然存在较大的缺陷，由于其脆性较大，而强度低，耐压以及抗弯强度仅与松质骨相当，大大限制了其临床应用。因此采用离子掺杂等方式引入其他元素从而提高磷酸人工骨理化性能成为研究的热点。由于硅(Si)离子半径与磷(P)离子半径相近，因此硅(Si)可以替代羟基磷灰石晶格中的磷，形成含硅羟基磷灰石；硅替代磷后，与周围的4个氧原子构成一个四面体，4个氧原子处在4个角落，硅则处在四面体的中心。通过进一步实验验证，硅磷酸钙的力学性能较磷酸钙普遍得到一定的提高。

然而，需要说明的是，不同的掺杂制备方式同样对最终制备得到的磷酸钙骨材料的各项性能产生影响，目前制备Si-CPC的方法主要是把硅酸钙与磷酸钙粉末混合均匀或者在固化液引入硅元素，然而上述方法仍然存在硅元素引入均匀度差、成品力学等性能改善有限等问题。因此有必要进一步对硅掺杂磷酸钙的方法进行研究从而获得性能更为优良的掺硅磷酸钙骨修复材料。

发明内容

针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，发现以Si元素以Si-α-TCP的方式掺入CPC中，成功制备出一种性能优良的掺硅磷酸钙骨修复材料。

本发明的目的之一在于提供一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法。

本发明的目的之二在于提供上述制备方法得到的掺硅磷酸钙骨修复材料。

本发明的目的之三在于提供上述掺硅磷酸钙骨修复材料的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面，提供了一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法，所述方法，包括：

将Si以Si-α-TCP的方式添加到二水磷酸氢钙(DCPD)与磷酸四钙(TTCP)中混合均匀为固相，向固相加入以柠檬酸和Na₂HPO₄水溶液混合均匀制成的液相，调和固化制备而成。

优选的，所述Si-α-TCP中Si添加量为0～2.5mol％；进一步优选的，所述Si添加量为2.5mol％；

优选的，所述Si-α-TCP与二水磷酸氢钙的摩尔比为1.5～2.5:1(进一步优选为2:1)；磷酸四钙的添加量为4～6wt.％(进一步优选为5wt.％)；

优选的，Si-α-TCP的制备方法为：采用乙醇湿法将CaSiO₃、二水磷酸氢钙(DCPD)与CaCO₃粉末通过球磨混合均匀，将混合均匀的粉末进行烧结处理，烧结结束后急冷制得；

优选的，所述CaSiO₃的添加量为0～2.5mol％，包括1mol％、1.5mol％、2mol％和2.5mol％，进一步优选为2.5mol％；

优选的，所述球磨时间为0.5～1.5h(进一步优选为1h)，球磨速度260～280r/min(进一步优选为270r/min)；

优选的，所述烧结处理条件为：升温速度为240～260℃/h(进一步优选为250℃/h)，烧结温度为1250℃，烧结处理时间为2.5～3.5h(进一步优选为3h)；

优选的，Si-α-TCP的制备方法还包括将急冷制得的Si-α-TCP研磨过筛，进一步优选的，所述Si-α-TCP颗粒尺寸为70～80μm(最优选为75μm)；

优选的，所述混合均匀的方法为采用旋涡混合器，混合等级为6，混合时间为0.8～1.5h(进一步优选1h)；

优选的，所述液相为含有6wt.％柠檬酸与0.5mol/L Na₂HPO₄水溶液的混合液；pH为4.42；

优选的，所述液固比为0.42～0.43ml/g(进一步优选为0.425ml/g)；

优选的，所述固化处理方法包括：将调和好的膏状物均匀填充到模具中，磨平上下表面固化，最后脱模后放置于37℃，相对湿度100％的环境下固化干燥成型。

本发明的第二个方面，提供上述制备方法得到的掺硅磷酸钙骨修复材料。

本发明的第三个方面，提供上述掺硅磷酸钙骨修复材料的应用，所述应用包括但不限于将所述掺硅磷酸钙骨修复材料应用于骨填充、骨修复、骨支撑、骨融合和骨固定。

本发明的有益效果：

本发明首次将Si以Si-α-TCP的方式掺入CPC中，从而成功制备出一种性能优良的掺硅磷酸钙骨修复材料，由于Si元素能稳定存在于α-TCP中，且部分SiO₄ ^2-进入Ca₃(PO₄)₂中四面体PO₄ ^3-的位置，使得Si-α-TCP具有较高的生物活性和较低的合成温度，因此本发明通过合理调整Si掺杂比例(发明人意外发现，在本发明制备条件下，Si最大添加量为2.5mol％，一旦超过该添加量，则最终制备得到的掺硅磷酸钙骨修复材料力学性能虽然可以有一定程度提高，但是生物活性却大幅度降低，不适合制备骨修复材料)，并控制反应参数和条件，使得最终制备得到的掺硅磷酸钙骨修复材料在力学性能显著提高的同时，其生物活性也未遭到破坏，使得本发明的掺硅磷酸钙骨修复材料既能应用于骨填充、骨修复等受力小的情况，同时也可应用于骨支撑、骨固定等受力大的情况中，从而极大扩展其应用环境和领域。同时本发明制备方法简单，具有广阔的应用前景和工业化生产前景。

附图说明

图1为不同摩尔含量Si-CPC水化产物的XRD图；

图2为不同摩尔含量Si-CPC水化产物SEM形貌图；其中，图2a为0％Si-CPC；图2b为1mol％Si-CPC；图2c为1.5mol％Si-CPC；图2d为2mol％Si-CPC；图2e为2.5mol％Si-CPC；

图3为不同摩尔含量Si-CPC水化产物红外图；

图4为不同摩尔含量Si-CPC水化产物的固化时间图；

图5为不同摩尔含量Si-CPC水化产物的抗压强度图；

图6为不同摩尔含量Si-CPC水化产物的孔隙率柱状图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例

1、实验方案

本发明分别采用五种不同Si含量的Si-α-TCP(0mol％Si-α-TCP、1mol％Si-α-TCP、1.5mol％Si-α-TCP、2mol％Si-α-TCP与2.5mol％Si-α-TCP)与二水磷酸氢钙(DCPD，国药)以摩尔比为2：1混合，在向混合粉末中加入5wt.％的磷酸四钙TTCP为CPC固相，以含有6wt.％柠檬酸与0.5mol/LNa₂HPO₄的水溶液为液相，其pH为4.42，采用液固比为0.425ml/g快速调和成均匀膏状物，将膏状物快速填充到Φ6mm*12mm的模具中塑型，一定时间后脱模，将样品放入温度为37℃，相对湿度为100％的环境下固化48h，即得到Si-CPC，装袋保存。

其中，α-TCP制备方法为：首先将摩尔比为2:1的DCPD(二水磷酸氢钙)与CC(CaCO₃)粉末，通过乙醇湿法球磨混合均匀，其中球磨时间1h，球磨速度270r/min。将混合粉末放置在气氛炉中烧结，升温速度为250℃/h，经过1250℃高温烧结3h后迅速取出，放置在通风处急冷制得。将获得的α-TCP用研钵研磨，过200目筛，得到颗粒尺寸约为75μm的粉末，装袋保存。

Si-α-TCP制备方法为：由于α-TCP的Ca/P比为1.5，应以Ca/(P+Si)化学计量比是1.5的前提下，制备出Si-α-TCP。在DCPD与CC混合物分别引入1mol％、1.5mol％、2mol％与2.5mol％的CaSiO₃，将混合物通过球磨机混合均匀，再将混合均匀的粉末放入气氛炉中，升温速度为250℃/h，在烧结温度1250℃条件下，保温3h后取出急冷，得到1mol％Si-α-TCP、1.5mol％Si-α-TCP、2mol％Si-α-TCP与2.5mol％Si-α-TCP，过200目筛装袋保存。

2、性能测试方法

(1)扫描电子显微镜与成分分析

采用日本日立公司(HITACHI)生产的S-3400N型扫描电镜(Scanning electronmicroscope,SEM)观察试样表面微观组织形貌，扫描电镜附加的能谱仪(Energydispersive spectrometer,EDS)附件由HORIBA公司生产，型号为EMAX，主要用于试样表面成分分析。由于试样不导电，所以测试之前需要对试样喷金处理，喷金时间120s，喷金设备采用北京中科科仪技术发展有限责任公司研制的KYKYSBC-12型离子溅射仪。

(2)X射线衍射分析

采用日本理学公司(Rigaku)生产的D/max 2500PC型X射线衍射仪(Cu K_α)分析试样物相组成，管电压40kV，管电流40mA，扫描范围10°～80°，扫描速度4°/min。将试样表面打磨平整用于X射线衍射分析。

(3)傅里叶红外光谱分析兙俥

采用德国BROOK公司TENSOR37型号傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transforminfrared spectroscopy,FTIR)分析试样的分子结构及官能团，红外透射光谱波数范围为4000cm^-1-400cm^-1，分辨率为4cm^-1，扫描时间为16s。

(4)抗压强度的测定

采用深圳三思纵横科技股份有限公司UTM4203型号的万能材料试验机进行骨水泥试样抗压强度测试，加载速度为0.5mm/min。抗压强度计算公式如下

σ＝4P/πD²

式中，σ—压缩强度，mPa；P—最大压力，N；D—试样直径，mm。同一条件下测定三个平行样品，求取平均值。

(5)孔隙率测试

孔隙率P的测定是基于阿基米德原理，试验中采用煮水法测定孔隙率。首先将试样放入干净的烧杯中，往杯中注入蒸馏水，直至淹没试样。接着将烧杯置于电炉上加热至沸腾，并保持沸腾状态2h，使蒸馏水完全渗透至试样空隙内。然后停止加热使其降至室温，用湿抹布小心地拭去饱和试样表面的水，快速称量饱和试样的质量记为m₁；然后试样快速取出放入事先准备好称重用的小吊蓝内，将其挂在天平的吊钩上，使试样继续浸没水中，称取饱和试样在水中的悬浮重量，记为m₂；最后将试样烘干称其重量，记为m₃。

通过公式计算孔隙率P。

P＝(m₁-m₃)/(m₁-m₂)

(6)凝固时间测定

采用无锡建仪仪器机械有限公司生产的新标准维卡仪测定硬化时间，韦卡仪的针头直径为1mmΦ，压头重量为300g。测定方法：将调和均匀的骨水泥浆体注入模具抹平上表面，将模具放置于试针正下方下，使试针与浆体表面微接触。突然放松螺丝，使试针垂直沉入浆体，30s后观察试针停止时的读数，每隔2min测定一次，直至维卡仪针头沉至距底板5min时，骨水泥达到初凝状态，从调和开始至测定结束的这段时间为初凝时间。完成初凝时间测定后，抹平浆体表面，换上终凝针，每隔2min测定一次，直到沉入浆体0.5mm时，即达到了骨水泥的终凝状态，整个测试过程所需要的时间就是骨水泥的终凝时间

3、结果分析与讨论

3.1物相分析

不同摩尔含量Si-CPC水化产物的XRD图谱如图1所示。由图1可知，α-TCP相、β-TCP相、DCPD相与TTCP相这四相不仅在水化产物中保留，还有新相HA的存在，Si的存在，使得骨水泥水化产物的衍射峰强度增强，提高了其水化产物的结晶度。随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加，α-TCP与DCPD相的衍射峰均呈现逐渐下降的状态，HA与β-TCP相的衍射峰强度几乎不变，这表明存在于α-TCP中的Si元素，使得骨水泥水化产物的结晶度整体降低。Si元素有可能以SiO₄ ^2-的形式进入HA的晶格结构，形成Si-HA，也有可能形成硅酸钙水合物分布在骨水泥的表面。

3.2微观组织特征

图2是不同摩尔含量Si-CPC水化产物形貌图。从图2可知，骨水泥表面出现一层致密的膜层，这些致密的膜层把固相颗粒包围起来，使得暴露于空气中的孔隙减少。结合XRD可知，随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加，水化产物结晶度逐渐降低，可能是由于骨水泥表面膜层的颗粒非常细小，接近纳米尺寸所致。随着Si含量的增加，水化产物表面的颗粒越来越小，膜层也越来越致密。固相Si-α-TCP中Si的存在，使得α-TCP水化产物HA中混有Si元素，Si-HA相呈现无定形状态，此时无定形颗粒在骨水泥表面相互连接，从而形成致密的膜层。

表1是不同摩尔含量Si-CPC水化产物的微量元素分析。从表1可以看出，这五种骨水泥均含有Ca、P和O这三种元素，随着Si的增加，Si元素分布在水化产物中。其中，0％Si-CPC中Ca/P比约为1.64，1mol％Si-CPC中Ca/(P+Si)约为1.76，1.5mol％Si-CPC中Ca/(P+Si)约为1.59，2mol％Si-CPC中Ca/(P+Si)约为1.42，2.5mol％Si-CPC中Ca/(P+Si)约为1.46。随着Si的摩尔量的增加，Ca/(P+Si)相对未添加Si的骨水泥逐渐降低，而O含量较高，这说明水化产物中有水合物存在。

表1不同摩尔含量Si-CPC水化产物的微量元素分析

3.3功能基团分析

图3是不同摩尔含量Si-CPC水化产物红外图谱。从图3可知，随着Si的摩尔增加，水化产物在3600-3000cm^-1范围内与1651cm^-1附近衍射峰由尖锐逐渐钝化，这说明H₂O的水化状态逐渐减弱，其结晶度逐渐降低。3540cm^-1出现明显的吸收峰，而630cm^-1附近几乎没有出现吸收峰，这表明HA以较低的结晶度存在。图中在2384cm^-1、1587cm^-1与1421cm^-1处O-C-O吸收峰也随着Si的摩尔增加逐渐降低，而这说明HA中PO₄ ^3-被CO₃ ^2-取代的位置逐渐减少。随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加，在1000cm^-1-1200cm^-1与650cm^-1-500cm^-1附近的吸收峰均呈现宽而钝化，表明PO₄ ^3-以较低的结晶度存在。1224cm^-1、800cm^-1与460cm^-1附近出现了Si-O-Si吸收振动峰，随着Si的添加其吸收峰逐渐减少，Si元素在CPC中主要以Si-O-Si键形式存在，同时以Si-O键为基础建立起网状结构，这种结构极易与别种离子发生作用，对整个材料启动桥接作用，从而影响CPC可自固化骨修复材料的骨架结构。当1mol％Si含量的条件下，骨水泥的衍射峰最强，结晶度最高。

3.4固化时间

图4是Si含量对Si-CPC固化时间的影响。从图4中可以看出，随着Si-TCP中Si摩尔量的增加，Si-CPC的初凝时间从8min降低到6min，而终凝时间先20min下降到15min在上升到26min，但是初凝和终凝时间均符合临床手术的操作。这可能是由于Si的存在使得α-TCP的中Ca²⁺析出增多，使得α-TCP溶解度增加，但α-TCP中硅化物具有较强的吸水能力形成硅酸钙水化物，使得骨水泥初凝时间缩短，在硅含量较高的条件下，这些水化物的存在，使得固化过程延长，使得CPC表面膜层更加致密。

3.5抗压强度分析

图5是不同摩尔含量Si-CPC水化产物的抗压强度。由图5可知，随着α-TCP中Si摩尔含量的增大，其骨水泥的抗压强度上升速率先增大再减少，但是骨水泥的力学性能总体上呈现一直上升趋势，当Si添加1.5mol％时，其骨水泥表面的膜层比添加1mol％的骨水泥致密得多，固抗压强度增长速率最快。当Si含量为2.5mol％时，骨水泥的抗压强度达到最高，约为27.06mPa，相比0％Si-CPC的抗压强度提高了约3倍。结合SEM图分析，Si-CPC骨水泥的抗压强度应与表面的致密的膜层有关，推测该膜应是由无定形硅凝胶与HA组成的，这些硅凝胶将HA网状结构填充形成Si-HA结构，从而使得膜层颗粒越来越致密，骨水泥的抗压强度越强。

3.6孔隙率分析

图6是不同摩尔含量Si-CPC水化产物的孔隙率。从图6可知，Si的引入，使得骨水泥的孔隙率均降低。当Si含量为1mol％时，骨水泥的孔隙率比没有添加Si的要稍微降低一些，结合抗压强度可知其骨水泥的强度稍微有些提高。当Si含量为1.5mol％时，其Si-CPC的孔隙率最低，而此时骨水泥抗压强度提高速率也是最快的。当Si含量增加到2.5mol％时，其骨水泥的孔隙相对于最低的孔隙率也只稍微增加了1.47％，但是其抗压强度却是相应的增加了，这可能由于Si的增加使得Si-CPC粉末在调和过程中，以Si-O键为基础建立起网状结构在骨水泥表面形成致密的膜层，把固相颗粒包围起来，故而增大了其抗压强度，但是硅酸盐吸水膨胀的性能还是存在的，固在骨水泥内部还是会残留较多的气孔，使得骨水泥的孔隙率增大。

4、结论

通过改变Si-α-TCP中Si的摩尔含量，来研究Si对骨水泥水化产物的理化性能的影响，得出以下结论：

1)随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加，骨水泥的水化产物中出现HA相，且水化产物中也出现了Si-O-Si键，且稳定存在于Si-HA中。

2)随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加，水化产物结晶度逐渐降低，并且水化产物表面的颗粒越来越小，最终在骨水泥表面形成一层致密膜层。

3)随着Si-TCP中Si含量的增加，Si-CPC的初凝时间从8min降低到6min，而终凝时间先20min下降到15min在上升到26min，符合临床手术应用。

4)随着Si-TCP中Si含量的增加时，骨水泥的力学性能随着Si-α-TCP中Si摩尔含量的增加而直线提升，相对于未添加Si元素的骨水泥抗压强度最高提高了约3倍。而Si-TCP中Si的存在，均使得其骨水泥的孔隙率低于0％Si-CPC的孔隙率。

5)当Si-α-TCP中Si含量为2.5mol％时，骨水泥的力学性能提高的最为显著，Si-CPC性能最为优良。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种掺硅磷酸钙骨修复材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

将Si以Si-α-TCP的方式添加到二水磷酸氢钙与磷酸四钙中混合均匀为固相，向固相加入以柠檬酸和Na₂HPO₄水溶液混合均匀制成的液相，调和固化制备而成；

所述Si-α-TCP中Si添加量≤2.5 mol%，且不为0；

Si-α-TCP的制备方法为：采用乙醇湿法将CaSiO₃、二水磷酸氢钙与CaCO₃粉末通过球磨混合均匀，将混合均匀的粉末进行烧结处理，烧结结束后急冷制得；

所述液相pH为4.42。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si-α-TCP中Si添加量为2.5 mol%。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述Si-α-TCP与二水磷酸氢钙的摩尔比为1.5~2.5:1；磷酸四钙的添加量为4~6 wt.%。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述Si-α-TCP与二水磷酸氢钙的摩尔比为2:1；磷酸四钙的添加量为5wt.%。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述CaSiO₃的添加量为≤2.5 mol%，且不为0，包括1mol%、1.5mol%、2mol%和2.5mol%。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为0.5~1.5h，球磨速度260~280 r/min。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述球磨时间为1h，球磨速度270 r/min。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理条件为：升温速度为240~260ºC/h，烧结温度为1250ºC，烧结处理时间为2.5~3.5h。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述烧结处理条件为：升温速度为250ºC/h，烧结温度为1250ºC，烧结处理时间为3h。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于， Si-α-TCP的制备方法还包括将急冷制得的Si-α-TCP研磨过筛；所述Si-α-TCP颗粒尺寸为70~80µm。

11.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述Si-α-TCP颗粒尺寸为75µm。

12.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述液相为含有6wt.%柠檬酸与0.5mol/L Na₂HPO₄水溶液的混合液；

液固比为0.42~0.43 mL /g。

13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述液固比为0.425mL /g。

14.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述固化处理方法包括：将调和好的膏状物均匀填充到模具中，磨平上下表面固化，最后脱模后放置于37℃，相对湿度100%的环境下固化干燥成型。

15.权利要求1-14任一项所述制备方法得到的掺硅磷酸钙骨修复材料。

16.权利要求15所述掺硅磷酸钙骨修复材料的应用，其特征在于，所述应用包括将所述掺硅磷酸钙骨修复材料应用于骨填充、骨修复、骨支撑、骨融合和骨固定。

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