CN108653805B - 一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用 - Google Patents

一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用。骨水泥材料包括钙硅基材料和负载于所述钙硅基材料上的氧化石墨烯。根据本发明，将氧化石墨烯负载于钙硅基材料上得到钙硅基/氧化石墨烯复合材料，可以使得氧化石墨烯的含量较高，从而将该复合材料用于骨水泥时，可以使骨水泥具备明显的光热性能。

Description

一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于医用生物材料领域，涉及一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥材料及其制备方法和应用。该材料作为人体硬组织缺损的填充修复材料，可用于牙科、骨科等用途。
背景技术
在无机骨修复材料领域，骨水泥因其具有低温固化、可注射、可根据骨缺损部位的形状任意塑形的独特性在骨缺损治疗中得到了广泛的关注和应用(Journal of theCeramic Society of Japan 1991；99:954-64)。其中，以硅酸二钙(Ca2SiO4，C2S)(Journalof Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials 2005；73B:244-51)、硅酸三钙(Ca3SiO5，C3S)(Journal of Biomedical Materials Research Part A2008；85A:336-44)为代表的新型钙硅基骨水泥体系具有良好的生物活性和降解性能，并且其在降解过程中溶出的硅离子能促进成骨细胞增殖及分化。此外，以上述材料为主要成分的MTA类材料已经得到了广泛的应用。
目前，骨水泥除了用于常规的骨缺损修复之外，也正被越来越多的用于骨肿瘤切除后所产生的骨缺损的填充。但是，手术切除骨肿瘤后患处通常会有肿瘤细胞残留或复发，后期还需要进行化学治疗或者放射治疗等，而该过程会带来很大的毒副作用(Acs AppliedMaterials&Interfaces 2015；7:13866-13875)，因此越来越多的研究人员开始关注骨水泥本身的生物功能化，使其具有一定的抗肿瘤功能，从而在修复骨组织缺损的同时，能够根据实际需要在病灶部位辅助治疗骨肿瘤。目前有学者将抗生素(Chinese Journal of CancerPrevention and Treatment,2010,17(11):823-826)、紫杉醇(Biomaterials,2011,32(23):5411)等药物添加入骨水泥中，制备出具有一定治疗效果的载药骨水泥。但是该骨水泥中的药物缓释难以控制，并且药物释放完后，如果骨肿瘤细胞复发，这种载药的骨水泥将不再具有治疗效果。因此，载药骨水泥用于骨肿瘤的治疗具有一定的局限性。
近年来，光热治疗作为较为新型的肿瘤治疗方法得到的广泛的关注。研究表明，石墨烯及其衍生物具有较好的近红外(NIR)光吸收能力，将其置于近红外光照射下，光能转化为热能，这样会导致肿瘤部位局部升温，并且利用肿瘤细胞对热更敏感的原理，从而选择性地杀死肿瘤细胞而不对正常组织造成明显的伤害(Advanced Functional Materials,2016,26:1197-1208)。因此，光热治疗在骨组织重建方面展现了显著的优势。但是目前在骨水泥领域，并没有相关的具有光热效应的骨水泥的研究工作。
石墨烯的衍生产物-氧化石墨烯(GO)，具有优异的力学性能，并且其结构中含有大量的-OH、-COOH、-O-等亲水性基团，使其在水中的分散性较好。此外，GO具有较高的光热转换效率和优异的导热性，同时在一定的浓度范围内可促进新骨的生成(AdvancedFunctional Materials,2016,26:1197-1208)。在一些研究中，GO已被作为添加物用于硫酸钙和磷酸钙骨水泥中以提高其力学强度。在这些研究中，主要是以浓度极低的GO溶液作为骨水泥的调和液。虽然可以在一定程度上提高水泥的力学强度(Nanoscale,2012,4:2937-2945)，但由于整个体系中的GO含量极低，因此所得到的骨水泥并不具备明显的光热功能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明的目的在于提供一种具有光热效应的钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供一种骨水泥材料，其包括钙硅基材料和负载于所述钙硅基材料上的氧化石墨烯。
根据本发明，将氧化石墨烯(graphene oxide，GO)负载于钙硅基材料上得到钙硅基/氧化石墨烯复合材料，可以使得氧化石墨烯的含量较高，从而将该复合材料用于骨水泥时，可以使骨水泥具备明显的光热性能。
较佳地，氧化石墨烯材料与钙硅基材料的质量比为0.1％～2％，优选为0.5％～2％。
较佳地，所述骨水泥材料为粉体，优选地，所述粉体的粒径为500nm～100μm。
较佳地，所述钙硅基材料的组成中含有以下至少一种硅酸钙材料：硅酸二钙粉体、硅酸三钙粉体、或硅酸二钙/硅酸三钙混合粉体。
较佳地，所述钙硅基材料的组成还包括以下一种或多种添加物：氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙。
第二方面，本发明提供上述骨水泥材料的制备方法，将钙硅基骨水泥粉体与氧化石墨烯水溶液混合均匀，钙硅基骨水泥粉体与氧化石墨烯共沉淀，得到所述骨水泥材料。
在水化初期，钙硅基水泥颗粒表面带有正电荷；GO在水溶液中分散后，表面含有大量的-OH、-COOH、-O-等基团，使得其带负电荷。当钙硅基水泥颗粒分布于GO水溶液中时，GO会由于静电吸引而吸附于水泥颗粒的表面，最终与水泥颗粒共同沉淀。通过该方法，可以向钙硅基骨水泥体系中均匀引入较高含量的GO。
较佳地，所述氧化石墨烯水溶液由氧化石墨烯粉体加入水中，超声1～3小时配制得到。
较佳地，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.1～5mg/mL。
较佳地，钙硅基骨水泥粉体与氧化石墨烯水溶液的混合比例为：每1g钙硅基骨水泥粉体使用2～40mL氧化石墨烯水溶液。
第三方面，本发明提供一种骨水泥组合物，其包括上述任一种骨水泥材料和液体。
所述骨水泥材料和所述液体可以为混合状态，也可以为非混合状态。
第四方面，本发明提供一种骨水泥浆体，其由上述任一种骨水泥材料和液体调和而得。
该骨水泥浆体具有以下1)至3)中的一个或多个特征。
1)光热效应：置于近红外光下光照5～20分钟后，复合骨水泥的温度可升至40～120℃。
2)凝固时间：37℃，100％湿度条件下的终凝时间为40～200分钟。
3)抗压强度：养护1天后，抗压强度可达到10～40MPa。
该骨水泥浆体具有光热效应，其光热效应可促使骨水泥的固化时间缩短至10～150分钟，可促使骨水泥在一个小时内的强度达到0～3.0MPa。
该骨水泥浆体在体内具有一定的抗肿瘤效果。
该骨水泥浆体具有良好的光热效应、自行固化及生物活性等性质，可用于牙科、骨科等领域的组织修复及肿瘤的治疗。
较佳地，所述骨水泥材料与所述液体的比例为：每1g钙硅基/氧化石墨烯复合材料使用0.3～1.5mL液体。
优选地，所述液体为水、盐溶液、海藻酸钠溶液、壳聚糖溶液中的至少一种。
第五方面，本发明提供一种骨水泥固化体，其由上述任一种骨水泥浆体固化而得。
该骨水泥固化体可以是将上述任一种骨水泥浆体注入体内固化而得，在体内具有一定的抗肿瘤效果。
第六方面，本发明提供上述骨水泥材料、骨水泥组合物、骨水泥浆体、骨水泥固化体在制备用于硬组织修复及肿瘤治疗的材料中的应用。
较佳地，上述骨水泥材料、骨水泥组合物、骨水泥浆体、骨水泥固化体可用于微创治疗或复杂骨缺损形状的填充及骨肿瘤的治疗。
附图说明
图1GO改性钙硅基复合骨水泥在37℃，100％湿度条件下的固化时间(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)。
图2GO改性钙硅基复合骨水泥在37℃，100％湿度条件下养护1天后的抗压强度(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)。
图3GO改性钙硅基复合骨水泥在波长为808nm的近红外光下的光热效应(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)(a)激光装置输出功率为2.5000w时，GO改性硅酸三钙骨水泥粉体的光热效应；(b)输出功率为2.000w时，不同含量GO改性的复合骨水泥片浸于水下的光热效应；(c)GO含量一定时，不同输出功率下的复合骨水泥片的光热效应。
图4光热效应对GO改性钙硅基复合骨水泥的固化时间及抗压强度的影响(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)。(a)GO改性复合骨水泥浆体在激光器下的可升高温度；(b)激光器输出功率为1.000w时，GO改性复合骨水泥的固化时间；(c)激光器输出功率为1.000w时，GO改性复合骨水泥1小时后的抗压强度。
图5GO改性钙硅基复合骨水泥的降解性及降解过程中的光热效应(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)。(a)GO改性复合骨水泥的降解性；(b)降解初期，GO改性复合骨水泥的光热效应；(c)降解10天后，GO改性复合骨水泥的光热效应；(d)降解30天后，GO改性复合骨水泥的光热效应。
图6GO改性钙硅基复合骨水泥的体内抗肿瘤效果(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.5mL/g)。(a)红外成像仪监测的C3S和GO改性钙硅基复合骨水泥在裸鼠皮下的温度变化；(b)C3S和GO改性钙硅基复合骨水泥在裸鼠皮下的温度变化；(c)裸鼠皮下肿瘤的相对体积；(d)15天后裸鼠的照片；(e)15天后裸鼠活体荧光成像；(f)15天后裸鼠皮下肿瘤组织照片。
图7为实施例2中骨水泥表面的沉积物的SEM图。
图8为实施例3中钙硅基复合骨水泥养护1天后的XRD图。
图9为实施例9中骨水泥表面的沉积物的SEM图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
本发明人发现，钙硅基骨水泥在水化的初期颗粒表面带有正电荷，而GO在水溶液中表面带有大量的负电荷。当钙硅基骨水泥粉体均匀分散在GO溶液中时，通过静电引力作用，GO会吸附在水泥颗粒的表面，与水泥颗粒发生共沉淀，从而得到了含有不同含量GO的具有光热效应的钙硅基复合骨水泥。
在此公开一种骨水泥材料(钙硅基/氧化石墨烯复合材料)，其包括钙硅基材料和负载于所述钙硅基材料上的氧化石墨烯。
一实施方式中，所述“负载于”是指氧化石墨烯通过静电引力吸附于钙硅基材料上而原位复合。
在该骨水泥材料中，氧化石墨烯可均匀分布于钙硅基材料上。
在该骨水泥材料中，氧化石墨烯的含量可较高，例如为0.1％～2wt％，更优选为0.5％～2wt％。在可负载的范围内，氧化石墨烯的含量越高，该骨水泥材料的光热效应越强。
一实施方式中，本公开的骨水泥材料为粉体(或称为骨水泥粉体)。即、该骨水泥材料可包括钙硅基粉体和负载于所述钙硅基粉体上的氧化石墨烯。
骨水泥粉体的粒径可为500nm～100μm，优选为1μm～20μm。
钙硅基材料中含有硅酸钙材料。所述硅酸钙材料可选自：硅酸二钙(Ca2SiO4，C2S)粉体、硅酸三钙(Ca3SiO5，C3S)粉体或硅酸二钙/硅酸三钙混合粉体中的至少一种。硅酸钙材料在钙硅基材料中的含量可为50～100wt％。
硅酸二钙粉体的粒径可为500nm～100μm。硅酸三钙粉体的粒径可为500nm～100μm。
当选用硅酸二钙/硅酸三钙(Ca2SiO4/Ca3SiO5，C2S/C3S)混合粉体时，二者的质量比可为(0～100)：(100～0)，优选为(10～40)：(90～60)。
钙硅基材料中还可含有添加物。所述添加物可包括但不限于以下一种或多种添加物：氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙等。添加物在钙硅基材料中的含量可为0～50wt％。
本公开中的氧化石墨烯可具有本领域公知的定义。
在此还公开一种骨水泥组合物，其包括上述钙硅基/氧化石墨烯复合材料、和液体。
优选地，骨水泥组合物中，钙硅基/氧化石墨烯复合材料以粉体形式存在。
所述液体没有特别限定，只要至少含有水即可，例如可为水或水溶液。所述水溶液例如可选自盐溶液、高分子水溶液等中的至少一种。所述盐溶液例如为碳酸盐溶液、磷酸盐溶液等。所述高分子水溶液例如可选自海藻酸钠溶液、壳聚糖溶液、透明质酸中的至少一种。所述液体为水溶液时，水溶液中的溶质可为骨水泥带来进一步的效果。例如当所述液体为海藻酸钠溶液时，可增强骨水泥的抗溃散性。
该骨水泥组合物中，钙硅基/氧化石墨烯复合材料和液体可以分开存在，也可以混合。当两者混合时，所述骨水泥组合物形成为骨水泥浆体。一实施方式中，所述骨水泥浆体是由骨水泥材料和液体调和而得。
该骨水泥浆体能够自行固化，固化后得到骨水泥固化体。
本公开中述及“骨水泥”这一术语时，可指骨水泥浆体或骨水泥固化体。
上述骨水泥浆体中，钙硅基/氧化石墨烯复合材料作为固相组分，液体作为液相组分。一优选实施方式中，固相组分与液相组分的比例为1g：(0.3～1.5)mL。两者以该比例混合，有利于骨水泥浆体固化并具有合适的固化时间。例如，骨水泥浆体在37℃、100％湿度条件下的终凝时间可为40～200分钟。
本公开中的骨水泥具有优异的力学性能。例如，将骨水泥浆体在37℃、100％湿度条件下养护1天后，抗压强度可达到10～40MPa。养护1天后骨水泥的孔隙率可在10％～30％之间调控。
本公开中的骨水泥材料、骨水泥组合物、骨水泥浆体、骨水泥固化体中含有GO(其具有优异的光热性能)，因而具有光热性能。同时，其光热效应可以缩短骨水泥的固化时间、增强其短期的抗压强度。
例如，将本公开的骨水泥粉体置于近红外光下光照5～20分钟后，骨水泥粉体的温度可升至40～120℃。将本公开的骨水泥固化体置于近红外光下光照5～20分钟后，骨水泥固化体的温度可升至25～90℃。
在波长为808nm的近红外光照射下，骨水泥浆体的固化时间可为10～150分钟、或者20～120分钟。
将本公开的骨水泥浆体置于波长为808nm的近红外光下1小时，抗压强度可达3.0MPa。
本公开中的骨水泥具有良好的生物活性和降解性能，在降解过程中溶出的硅离子能促进成骨细胞增殖和分化。而且，在降解过程中仍然具有光热效应，可达到的温度为25～90℃。
本公开中的骨水泥材料、骨水泥组合物、骨水泥浆体、骨水泥固化体适用于牙科、骨科等缺损的填充及骨肿瘤的治疗。
以下，说明本公开中的骨水泥材料、骨水泥组合物、骨水泥浆体、骨水泥固化体的制备方法。
骨水泥材料可由钙硅基材料(钙硅基骨水泥粉体)和GO水溶液混合后通过粉体与GO共沉淀而得。
氧化石墨烯水溶液的制备。一个示例中，将氧化石墨粉体加入水(优选去离子水)中并超声1～3小时，得到氧化石墨烯(GO)溶液。优选地，氧化石墨烯(GO)溶液的浓度可为0.1～5mg/mL。
将钙硅基骨水泥粉体与氧化石墨烯(GO)溶液搅拌均匀，然后静置，在该过程中，通过静电引力作用，GO会吸附在水泥颗粒的表面，与水泥颗粒发生共沉淀，从而得到钙硅基/氧化石墨烯复合材料。
钙硅基骨水泥粉体优选为具有自固化性能的钙硅基材料，更优选为硅酸二钙(Ca2SiO4，C2S)、硅酸三钙(Ca3SiO5，C3S)或硅酸二钙/硅酸三钙(Ca2SiO4/Ca3SiO5，C2S/C3S)混合粉体。硅酸二钙粉体的粒径范围可为500nm～100μm，硅酸三钙粉体粒径范围可为500nm～100μm。当选用硅酸二钙/硅酸三钙(Ca2SiO4/Ca3SiO5，C2S/C3S)混合粉体时，二者的质量比可为(0～100)：(100～0)，优选为(10～40)：(90～60)。
钙硅基骨水泥粉体与氧化石墨烯(GO)溶液的投料比可根据所需的骨水泥组分比来选择，例如可为2～40mL/g。静置时间可为1～10分钟。
可通过后处理将该钙硅基/氧化石墨烯复合材料分离出来。一个示例中，将静置后的溶液抽滤，收集固体。将固体冷冻干燥，得到骨水泥粉体(GO改性后的钙硅基/GO骨水泥粉体)。
相比传统的机械混合方法，在此采用的方法(共沉淀法)可在钙硅基骨水泥粉体中引入含量高、分布均匀的GO，并且高含量的GO可以赋予该复合材料优异的光热性能。
将骨水泥粉体与液体调和，得到骨水泥浆体(钙硅基复合骨水泥浆体)。
所选的液体可如上所述，在此不再赘述。
液固比可为0.3～1.5mL/g，优选为0.3～1.2mL/g。以该比例调和，可以得到固化时间适当的骨水泥浆体。调和时间可为0.5～1分钟。
将骨水泥浆体固化，得到骨水泥固化体。
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。
性能评价
固化时间
将复合骨水泥浆体置于高4mm，直径为12mm的聚四氟乙烯模具中，并置于37℃，100％湿度条件下养护。用维卡仪分别测得不同组分的骨水泥浆体的终凝时间。该体系中，通过GO含量的调控，复合骨水泥的终凝时间可在40～200分钟内进行调控(参见图1)。
抗压强度及孔隙率
将复合骨水泥浆体置于高12mm，直径为6mm的聚四氟乙烯模具中，并置于37℃，100％湿度条件下养护。养护1天后，骨水泥的抗压强度可达到10～40MPa(参见图2)。将养护1天的骨水泥样品冷冻干燥，通过阿基米德排水法测试样品的孔隙率，孔隙率可在10％～30％之间调控。
光热效应
粉体的光热效应
将GO改性的钙硅基/GO骨水泥粉体置于波长为808nm的近红外光下，测定改性后的粉体在干燥条件下的温度变化。通过对激光器输出功率的调控，复合骨水泥粉体升高的温度可达40℃～120℃；通过对引入的GO的含量的调控，复合骨水泥粉体升高的温度可达到35℃～120℃(参见图3中的(a))。
骨水泥样品的光热效应
将钙硅基/GO骨水泥样品片浸于去离子水中，并置于波长为808nm的近红外光下，测定改性后的骨水泥样品可达到的温度。通过对激光器输出功率的调控，复合骨水泥样品升高的温度可达25℃～90℃(参见图3中的(c))；通过对引入的GO的含量的调控，复合骨水泥样品升高的温度可达到25℃～70℃(参见图3中的(b))。
光热效应对复合骨水泥固化时间及抗压强度的影响
将制备得到的复合骨水泥浆体置于高4mm，直径为12mm的聚四氟乙烯模具中，并置于波长为808nm的近红外光下，测定光热效应对复合骨水泥固化时间的影响。通过对激光器输出功率的调控，复合骨水泥浆体的固化时间可在15～150分钟内进行调控；通过对引入的GO含量的调控，复合骨水泥浆体的固化时间可在20～120分钟内进行调控。
将制备得到的复合骨水泥浆体置于高12mm，直径为6mm的聚四氟乙烯模具中，并置于波长为808nm的近红外光下1小时，测定光热效应对复合骨水泥抗压强度的影响。通过对激光器输出功率的调控，复合骨水泥光照1小时后的抗压强度可达0～3.0MPa(参见图4中的(b))；通过对引入的GO含量的调控，复合骨水泥光照1小时后的抗压强度可达0～2.0MPa(参见图4中的(c))。
矿化能力
对GO改性的钙硅基骨水泥采用模拟体液(SBF)浸泡实验进行生活活性测试，并且对浸泡后的材料表面进行SEM表征。本发明提供的GO改性钙硅基复合骨水泥能够诱导类骨磷灰石的生成，表明该材料具有良好的生物活性。
体外降解及降解过程的光热效应
对GO改性的钙硅基骨水泥采用Tri-HCl浸泡实验进行体外降解测试。可通过调控GO的含量对复合骨水泥的降解速度进行调控。将不同降解阶段的复合骨水泥样品置于波长为808nm的近红外光下，测试该复合骨水泥样品在降解过程中的光热效应。结果表明GO改性的钙硅基复合骨水泥在降解过程中仍然具有光热效应，可达到的温度为25℃～90℃(参见图5)。
体内抗肿瘤效果
对GO改性的钙硅基骨水泥进行体内抗肿瘤实验。首先，在裸鼠皮下建立骨肉瘤模型，当肿瘤组织直径达到5～6mm时，将GO改性的骨水泥浆体注射入裸鼠皮下肿瘤组织处；然后将裸鼠肿瘤部位置于808nm的近红外光下，测试该复合骨水泥在裸鼠皮下的光热性能，结果表明裸鼠肿瘤组织周围的温度可达到40～55℃；测试肿瘤组织的尺寸，随着光照时间的延长，材料光热组的肿瘤组织逐渐变小，肿瘤细胞活性逐渐变差(参见图6)。这说明，GO改性的钙硅基骨水泥在裸鼠皮下具有优异的光热性能，并且该光热性能能够明显抑制骨肉瘤组织的生长。
实施例1
1、氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
2、GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
3、GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥浆体，此时GO的含量为0.5％。得到的骨水泥浆体记为CS-5GO。将该骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护，并用维卡仪测定该复合骨水泥的终凝时间为137分钟(参见图1)。图1中的CS-1GO按上述相同方法制备，不同之处在于GO的含量为0.1％。将该复合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护1天后，抗压强度可达到33MPa(参见图2)。图2中的CS-3GO按上述相同方法制备，不同之处在于GO的含量为0.3％。
实施例2
1、氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取0.500g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯溶液。
2、GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与0.5mg/mL的GO溶液以液固比为40mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为2.0％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
3、GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥浆体，此时GO的含量为2.0％。得到的骨水泥浆体记为CS-20GO。将该复合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护，并用维卡仪测定该复合骨水泥的终凝时间为120分钟(参见图1)。将该复合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护1天后，抗压强度可达到25MPa(参见图2)。此外，将该复合骨水泥片置于SBF中浸泡7天后，对骨水泥表面的沉积物进行SEM表征，结果(见图7)表明表面沉积物为类骨磷灰石的典型形貌，这说明GO改性复合骨水泥仍有诱导类骨磷灰石矿化。
实施例3
1、氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
2、GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为10mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为1.0％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
3、GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥浆体，此时GO的含量为1.0％。得到的骨水泥浆体记为CS-10GO。将该复合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护，并用维卡仪测定该复合骨水泥的终凝时间为124分钟(参见图1)。将该复合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护1天后，抗压强度可达到23.2MPa(参见图2)。XRD测试结果(见图8)表明钙硅基复合骨水泥养护1天后的水化产物同硅酸三钙的水化产物没有明显的区别。
实施例4
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。图3中的(a)示出硅酸三钙及GO改性钙硅基复合骨水泥粉体的光热性能。将硅酸三钙粉体及GO改性硅酸三钙粉体分别置于近红外光下，结果表明经GO改性后，复合粉体可在10s内快速升至90℃以上，并且仍有继续升高的趋势；而硅酸三钙粉体的温度则缓慢变化，并没有明显的光热效果。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥浆体，此时GO的含量为0.5％。将该骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护得到骨水泥样品片。将骨水泥样品片浸于去离子水中，并置于近红外光下照射，结果表明随着激光装置输出功率的增加，GO改性复合骨水泥样品可达到的温度逐渐升高(图3中的(c))。
图3中的(b)示出上述CS-1GO、CS-5GO、CS-10GO骨水泥浆体固化后得到的骨水泥片在输出功率为2.000w时，浸于水下的光热效应。可以看出，通过对引入的GO的含量的调控，复合骨水泥样品升高的温度可达到25℃～70℃。GO的含量越高，光热效应越强。
实施例5
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸二钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸二钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸二钙复合骨水泥粉体。将GO改性硅酸二钙复合粉体置于近红外光下照射，复合粉体的温度快速上升，说明GO改性硅酸二钙复合粉体具有优异的光热效应。
实施例6
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取0.500g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为0.5mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙/硅酸二钙复合骨水泥粉体的制备
硅酸三钙粉体与硅酸二钙粉体按照4:1混合均匀后，将其复合粉体与0.5mg/mL的GO溶液以液固比为10mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙/硅酸二钙复合骨水泥粉体。将该复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性复合骨水泥浆体，此时GO的含量为0.5％。将复合骨水泥浆体置于近红外光下照射，GO改性骨水泥浆体的温度可升至70℃，这说明GO改性骨水泥浆体具有优异的光热效应。将该骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护1天后测试其抗压强度，复合骨水泥的抗压强度明显提升。
实施例7
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥浆体，此时GO的含量为0.5％(如上所述记为CS-5GO)。将GO改性骨水泥浆体置于近红外光下，图4中的(a)示出GO改性复合骨水泥浆体在激光器下的可升高温度，图4中的(b)和(c)示出光热效应能明显缩短复合骨水泥的固化时间，并能明显提高骨水泥在固化初期的抗压强度。GO的含量越高，固化时间越短，抗压强度越高。
实施例8
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与去离子水以液固比0.5mg/mL调和均匀、养护，得到GO改性硅酸三钙复合骨水泥样品，此时GO的含量为0.5％。将该骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护得到骨水泥样品片。将各骨水泥样品片浸于Tri-HCl中降解，图5示出GO改性复合骨水泥在降解过程中仍具有光热效应。
实施例9
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
海藻酸钠溶液的制备
称取0.2g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并在室温下搅拌均匀，得到浓度为1.0％的海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及性能表征
将GO改性硅酸三钙复合粉体与海藻酸钠溶液以液固比0.5mg/mL调和均匀、养护，得到GO改性硅酸三钙/海藻酸钠复合骨水泥样品，此时GO的含量为0.5％。将该复合骨水泥样品片置于SBF中浸泡7天后，对骨水泥表面的沉积物进行SEM表征，结果(见图9)表明该复合骨水泥仍有诱导类骨磷灰石矿化的能力。
实施例10
氧化石墨烯(GO)溶液的配制
称取1.000g氧化石墨粉体，分散于1000mL去离子水中并超声2小时，最终得到浓度为1mg/mL的氧化石墨烯溶液。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体的制备
将硅酸三钙粉体与1mg/mL的GO溶液以液固比为5mL/g混合搅拌1分钟，然后将静置得到的粉体冷冻过夜，继而冷冻干燥，最终得到GO含量为0.5％的GO改性硅酸三钙复合骨水泥粉体。
GO改性硅酸三钙复合骨水泥的制备及体内抗肿瘤性能表征
首先，将100μL浓度为5×107/mL的Saos-2细胞悬浮液注射入裸鼠皮下，两周后，肿瘤的直径可达5mm；然后将肿瘤组织取出、剪碎并混入少量的生理盐水中；最后通过接种针将肿瘤组织植入实验裸鼠皮下，待皮下肿瘤块直径增至6mm左右时，将裸鼠随机分成4组，分别为C3S不光照组、C3S光照组、C3S-GO不光照组和C3S-GO光照组，每组5只平行样。将C3S与C3S-GO复合粉体和去离子水分别以液固比0.5mg/mL调和均匀，得到C3S和C3S-GO骨水泥浆体。将上述骨水泥浆体注入裸鼠的肿瘤部位，然后将肿瘤部位置于波长为808nm的近红外光下进行照射，图6中的(a)和(b)示出了裸鼠皮下的C3S和C3S-GO骨水泥浆体在近红外光的照射下可升高的温度：C3S-GO骨水泥在皮下的温度可升至55℃，并且其周边的肿瘤组织的温度也可达45℃及以上；而C3S骨水泥在皮下仅能达到37℃左右。因此，C3S-GO骨水泥浆体注入裸鼠皮下后，仍然具有优异的光热性能。图6中的(c)示出肿瘤的相对体积，结果表明C3S-GO光热组的肿瘤尺寸逐渐减小，然后逐渐趋于稳定；其他三组中的肿瘤体积随着时间逐渐增大，并且在实验后期肿瘤体积增长越来越快。图6中的(d)、(e)和(f)分别为15天时裸鼠的照片、活体荧光成像照片和肿瘤组织照片，结果表明C3S-GO光热组中的肿瘤组织较小，残留的肿瘤细胞的活性较差。因此，相对于C3S骨水泥来说，C3S-GO骨水泥在裸鼠皮下具有优异的光热性能，并且经光热治疗后，C3S-GO的光热性能明显抑制了骨肉瘤组织的生长。

Claims (6)

1.一种具有光热效应的骨水泥固化体，其特征在于，由骨水泥材料和液体调和得到的骨水泥浆体固化而得；
所述骨水泥材料包括钙硅基材料和负载于所述钙硅基材料上的氧化石墨烯，氧化石墨烯与钙硅基材料的质量比为0.1%～2%；
所述骨水泥材料的制备方法为：将钙硅基材料与氧化石墨烯水溶液混合均匀，钙硅基材料与氧化石墨烯共沉淀，得到所述骨水泥材料。
2.根据权利要求1所述的骨水泥固化体，其特征在于，氧化石墨烯材料与钙硅基材料的质量比为0.5%～2%。
3.根据权利要求1所述的骨水泥固化体，其特征在于，所述骨水泥材料为粉体，该粉体的粒径为500nm～100μm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的骨水泥固化体，其特征在于，所述钙硅基材料的组成中含有以下至少一种硅酸钙材料：硅酸二钙粉体、硅酸三钙粉体、或硅酸二钙/硅酸三钙混合粉体；该钙硅基材料的组成还包括以下一种或多种添加物：氯化钙、碳酸钙、磷酸钙、硫酸钙。
5.根据权利要求1所述的骨水泥固化体，其特征在于，所述骨水泥材料与所述液体的比例为：每1g骨水泥材料使用0.3～1.5 mL液体；所述液体为水、盐溶液、壳聚糖溶液中的至少一种。
6.一种权利要求1至5中任一项所述的骨水泥固化体在制备用于硬组织修复及肿瘤治疗的材料中的应用。
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