CN110354305B - 植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥 - Google Patents

植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥 Download PDF

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Abstract

本公开提供了植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥，骨水泥的制备方法为：将磷酸钙骨水泥粉末加入至植酸钠的水溶液中，静置固化成型。本公开通过实验发现，采用植酸钠作为骨水泥固化液的溶质，能够制备含有植酸根的磷酸钙骨水泥。

Description

植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥
技术领域
本公开属于可自固化的磷酸钙骨水泥制备领域，涉及植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥。
背景技术
这里的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，而不必然构成现有技术。
可自固化的磷酸钙的骨水泥(Calcium Phosphate Cement，CPC)具有优良的生物降解性、生物活性和骨传导性，成为制备人工骨和填充被修复骨腔的重要材料。
螯合反应是具有两个或两个以上配位原子的多齿配体与金属离子形成螯合环的化学反应，在水垢处理、金属离子调节、重金属解毒等领域得到了成功应用。螯合反应所生成的螯合物是配合物的一种，因其结构中存在五或六元环结构，比单基配位体形成的络合物(非螯合物)要更加稳定。螯合剂的种类较多，其中植酸(PhyticAcid，C6H6(H2PO4)6，又名环己六醇六磷酸酯)是从粮食中提取的天然无毒环保的有机磷酸化合物，是一种少见的多齿螯合剂，具有很强的螯合能力。植酸的分子结构为六碳环构型，所带的6个带负电的磷酸根基团和12个羟基基团，既可与金属阳离子又可与有机分子进行有效的配合，形成稳定的螯合沉淀物。另外，植酸本身就是对人体有益的营养品，植酸在人体内水解产物为肌醇和磷脂，前者具有抗衰老作用，后者是人体细胞重要组成部分。因此，利用植酸进行生物材料的制备对人体不会产生危害。
发明内容
本公开的旨在向磷酸钙系列骨水泥中添加植酸，以使骨水泥兼具保健功能。然而，本公开发明人在具体开发实验过程中，发现以植酸作为磷酸钙的骨水泥固化液的溶质，无法使磷酸钙凝固，即无法形成磷酸钙的骨水泥。另外，钙作为骨的主要成分，本公开发明人将植酸替换为植酸钙，但是经过实验发现，仍然无法形成磷酸钙的骨水泥。钠在人体内有助血压、神经、肌肉的正常协同运作，同时，钠是细胞外液中主要的正电离子，促进体内水平衡，维持体内酸碱平衡。它是胰汁、胆汁、汗和泪水的组成成分，进而尝试植酸钠作为固化液，得到较好结果。因而，本公开的目的在于提供植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥。能够将植酸根添加到磷酸钙的骨水泥，从而使骨水泥兼具保健功能。
为了实现上述目的，本公开的技术方案为：
第一方面，一种植酸钠制备骨水泥固化液的应用。
本公开通过实验发现，采用植酸钠作为骨水泥固化液的溶质，能够制备含有植酸根的磷酸钙骨水泥。
第二方面，一种用于制备磷酸钙骨水泥的固化液，所述固化液为植酸钠的水溶液。
第三方面，一种磷酸钙骨水泥的制备方法，将磷酸钙骨水泥粉末加入至植酸钠的水溶液中，静置固化成型。
第四方面，一种基于植酸钠的骨水泥，由上述磷酸钙骨水泥的制备方法获得。
本公开的有益效果为：
(1)本公开以植酸钠溶液作为固化液，能够将植酸根添加到磷酸钙的骨水泥，在骨水泥降解过程中将植酸钠释放至体液中，部分植酸钠与体液中质子结合形成植酸，而植酸在人体内水解产物为肌醇和磷脂，肌醇具有抗衰老作用，磷脂是人体细胞重要组成部分，从而使植酸钠溶液作为固化液制备的骨水泥兼具保健功能。
(2)本公开利用植酸钠溶液作为固化液，使骨水泥晶粒尺寸相对较小约为5000nm，绒毛包裹层密集，包裹层中的绒毛状结构能够增强骨水泥的力学性能。
(3)模拟体液(SBF)浸泡实验过程中，植酸钠固化的骨水泥，外表面发生晶粒长大，晶粒表面及间隙被骨水泥在SBF中吸收的P、O、Ca、H等成分生成的新的羟基磷灰石所填充，晶粒间区分变的不再明显。同时，浸泡后期发生晶粒表面降解现象，表明该人工骨水泥的生物降解性能良好。生成反应与降解反应同时存在，促进人骨细胞的进入，使人骨替换人工骨，最终达到骨修复的目的。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例中采用的骨水泥粉末的XRD图谱；
图2为本公开实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A的XRD图谱；
图3为本公开实施例11制备的SP-4A经14天模拟人体环境浸泡实验的XRD图谱；
图4为本公开实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A的扫描电镜照片，(a)为放大2000倍的SP-1A，(b)为放大5000倍的SP-1A，(c)为放大2000倍的SP-2A，(d)为放大5000倍的SP-2A，(e)为放大2000倍的SP-3A，(f)为放大5000倍的SP-3A，(g)为放大2000倍的SP-4A，(h)为放大5000倍的SP-4A，(i)为放大2000倍的SP-5A，(j)为放大5000倍的SP-5A，(k)为放大2000倍的SP-6A，(l)为放大5000倍的SP-6A，(m)为放大2000倍的SP-7A，(n)为放大5000倍的SP-7A；
图5为本公开实施例11制备的SP-4A骨水泥经14天模拟人体环境浸泡实验过程的2000倍的扫描电镜照片，(a)为浸泡1天的截断面中心的微观形，(b)为浸泡1天的侧表面的微观形貌，(c)为浸泡3天的截断面中心的微观形，(d)为浸泡3天的侧表面的微观形貌，(e)为浸泡7天的截断面中心的微观形，(f)为浸泡7天的侧表面的微观形貌，(g)为浸泡14天的截断面中心的微观形，(h)为浸泡14天的侧表面的微观形貌；
图6为本公开实施例11制备的SP-4A骨水泥经14天模拟人体环境浸泡实验过程的5000倍的扫描电镜照片，(a)为浸泡1天的截断面中心的微观形，(b)为浸泡1天的侧表面的微观形貌，(c)为浸泡3天的截断面中心的微观形，(d)为浸泡3天的侧表面的微观形貌，(e)为浸泡7天的截断面中心的微观形，(f)为浸泡7天的侧表面的微观形貌，(g)为浸泡14天的截断面中心的微观形，(h)为浸泡14天的侧表面的微观形貌；
图7为本公开实施例11制备的SP-4A骨水泥经14天模拟人体环境浸泡的元素面扫描图，Ca、P、O三种元素代表着羟基磷灰石及磷酸三钙的分布，Si元素代表着CaSiO3的分布，Na元素表示植酸钠的分布；
图8为本公开实施例制备的骨水泥的力学性能柱状图，a为实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A骨水泥，b为实施例3和实施例11的骨水泥；
图9为本公开实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A骨水泥的孔隙率的趋势图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
为了向磷酸钙骨水泥中添加植酸根，本公开提出了植酸钠制备骨水泥固化液的应用及基于植酸钠的骨水泥。
本公开的一种典型实施方式，提供了一种植酸钠制备骨水泥固化液的应用。
本公开通过实验发现，采用植酸钠作为骨水泥固化液的溶质，能够制备含有植酸根的磷酸钙骨水泥。
本公开的另一种实施方式，提供了一种用于制备磷酸钙骨水泥的固化液，所述固化液为植酸钠的水溶液。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述植酸钠的水溶液中植酸钠的浓度为3.6wt.％～4.4wt.％。通过实验发现，经4wt.％植酸钠溶液的固化骨水泥，XRD衍射分析结果显示，其物相完全转变为HA，这与人骨成分相一致，生物相容性良好。
本公开的第三种实施方式，提供了一种磷酸钙骨水泥的制备方法，将磷酸钙骨水泥粉末加入至植酸钠的水溶液中，静置固化成型。
该实施方式的一种或多种实施例中，植酸钠的水溶液的制备过程为：将水分为两部分，一部分加入植酸钠粉末，溶解后，加入另一部分定容。
该实施方式的一种或多种实施例中，所述植酸钠的水溶液中植酸钠的浓度为3.6wt.％～4.4wt.％。
该实施方式的一种或多种实施例中，磷酸钙骨水泥粉末与植酸钠的水溶液的固液比为1:0.4～1.0，g:mL。
该系列实施例中，磷酸钙骨水泥粉末与植酸钠的水溶液的固液比为1:0.4～0.5，g:mL。
该实施方式的一种或多种实施例中，磷酸钙骨水泥粉末为硅改性的磷酸钙骨水泥粉末。硅改性的磷酸钙骨水泥粉末有利于新骨组织的形成，并能促进骨组织的生长代谢，同时影响CPC骨水泥的骨架结构，从而增强骨水泥的力学性能。
该系列实施例中，所述硅改性的磷酸钙骨水泥粉末为α-硅磷酸三钙，钙、磷的摩尔比为1.48～1.52:1，钙、硅的摩尔比为1:0.0326～0.0340。
该系列实施例中，所述硅改性的磷酸钙骨水泥粉末的制备方法为：将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙混合，然后进行烧结，其中，磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙的摩尔比为1：0.436～0.464：0.0485～0.0515。
该系列实施例中，将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙进行球磨混合均匀。
该系列实施例中，将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙加入至乙醇中，然后进行球磨。
该系列实施例中，球磨的速度为200～300r/min，球磨时间为1～2h。
该系列实施例中，烧结温度为1240～1256℃，烧结时间为2～3h。
该实施方式的一种或多种实施例中，磷酸钙骨水泥粉末的粒径为70～80μm。
本公开的第四种实施方式，提供了一种基于植酸钠的骨水泥，由上述磷酸钙骨水泥的制备方法获得。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
将二水磷酸氢钙(CaHPO4·2H2O、DCPD)与碳酸钙(CaCO3、CC)及硅酸钙(CaSiO3、CS)以表1所示比例，分批次装入球磨罐，然后向球磨罐中加入乙醇，以速度225r/min球磨1小时，球磨完毕后移入烘干箱，65℃下干燥12小时，获得粉料。将粉料移进100mL刚玉坩埚后，在箱式气氛炉中以4℃/min的升温速度，加热至1250℃后烧结2.5小时，然后在常温空气下进行急冷。经玛瑙研钵研磨后获得骨水泥粉末，过200目标准检验筛，骨水泥粉末颗粒尺寸约74μm，移入50mL离心管密封保存。
表1不同骨水泥粉末的原料添加摩尔比
Figure BDA0002140588500000051
注：Si占比的计算公式为：
Figure BDA0002140588500000052
实施例1：
将A1粉料与浓度0.1wt.％、0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％、0.6wt.％、0.7wt.％的植酸水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制，在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，经静置于模拟人体温度、湿度环境下48小时后，观察并测试，承受压力即散成粉末状，无有效力学性能。
实施例2：
将A1粉料分别与0.1wt.％植酸钙悬浊液、0.2wt.％植酸钙悬浊液、0.2wt.％植酸钙经柠檬酸调节为pH值为4.27的水溶液，以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制，在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，经静置于模拟人体温度、湿度环境下48小时后，观察并测试，承受压力即散成粉末状，无有效力学性能。
实施例3：
将A1粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，妥存，以备测试。
实施例4：
将A2粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，妥存，以备测试。
实施例5：
将A3粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-3A，妥存，以备测试。
实施例6：
将A4粉料分别与浓度0.1wt.％、0.2wt.％、0.3wt.％、0.4wt.％、0.5wt.％、0.6wt.％、0.7wt.％的植酸水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制，在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，经静置于模拟人体温度、湿度环境下48小时后，观察并测试，承受压力即散成粉末状，无有效力学性能。
实施例7：
将A4粉料分别与1wt.％及2wt.％的植酸钙成悬浊液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制，在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，经静置于模拟人体温度、湿度环境下48小时后，观察并测试，承受压力即散成粉末状，无有效力学性能。
实施例8：
将A4粉料与1wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-1A，妥存，以备测试。
实施例9：
将A4粉料与2wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-2A，妥存，以备测试。
实施例10：
将A4粉料与3wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-3A，妥存，以备测试。
实施例11：
将A4粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-4A，妥存，以备测试。
实施例12：
将A4粉料与5wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-5A，妥存，以备测试。
实施例13：
将A4粉料与6wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-6A，妥存，以备测试。
实施例14：
将A4粉料与7wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，记为SP-7A，妥存，以备测试。
实施例15：
将A5粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，妥存，以备测试。
实施例16：
将A6粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，妥存，以备测试。
实施例17：
将A7粉料与4wt.％植酸钠水溶液以固液比为1:0.45(g/mL)的比例添加至坩埚中混合均匀后，立即注入直径为8mm、高度为12mm的圆柱孔304不锈钢模具，人工使用T型冲针稍施压力压制成型，同时制备6个骨水泥柱，均需在15-20分钟左右脱模，随即移入培养皿，置于37℃恒温水浴锅上层，保持100％气体湿度48小时后，在烘干箱中烘干，获得骨水泥，妥存，以备测试。
性能测试方法：
X射线衍射分析：采用日本津岛公司(SHIMADZU)生产的XRD-6100型X射线衍射仪分析样品物相组成，管电压40kV，管电流40mA，扫描范围10°～90°，扫描速度4°/min。将试样磨成粉后置于测试模具内压平后，进行测试分析。
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 electron microscope,SEM)观察样品表面微观组织形貌，扫描电镜附件能谱仪(Energy dispersive spectrometer,EDS)附件由HORIBA公司生产，型号为EMAX X-act，主要用于样品表面成分分析。由于样品不导电，因此，测试之前需要对其进行喷金处理，喷金时间2分钟，喷金设备为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。
抗压强度的测定：采用美特斯工业系统(中国)有限公司CMT5105型号的微机控制电子试验机进行骨水泥试样抗压强度测试，加载速度为0.5mm/min。定力衰减起始判断力为30N。抗压强度计算公式为：
σ＝4P/πD2
式中，D—试样直径8mm；σ—压缩强度，mPa；P—测试最大压力，N。由于样品上下表面水平度有误差，同一配方样品测定2个以上平行样品，求取平均值。
孔隙率测试：孔隙率P的测定是基于阿基米德原理，试验中采用浸水法测定孔隙率。首先将200mL烧杯中，注入去离子水，接着将烧杯加热至沸腾，然后将单个样品置于烧杯，保持100摄氏度水温1h，使去离子水完全浸透样品。停止加热至室温后，用镊子取出样品，用吸水纸吸去样品表面的水，快速称量样品的浸水水泥质量记为m1；通过天平附件吊篮，使试样悬浮水中，称取含水样品在水中的悬浮质量记为m2；最后将样品干燥称重，记为m3。
计算孔隙率公式如下：
Figure BDA0002140588500000091
结果分析：
由实施例1～3、实施例6～14的实验结果可以明显看出，采用植酸水溶液和植酸钙水溶液均作为固化液，均无法获得相应的骨水泥，只有采用植酸钠水溶液才能获得相应的骨水泥。
骨水泥所用初始粉末的X射线衍射图谱，如图1所示，这表明掺硅元素进入α-TCP，可有效抑制羟基磷灰石的生成，但是随着掺入硅元素的增多，提升了α-TCP向β-TCP转变的温度，即α-TCP的生成纯度有所提高。
如图2所示，SP-1A～SP-7A分别代表1wt.％-7wt.％植酸钠溶液固化A4粉末后骨水泥的X射线衍射图谱，各相三强峰的主要识别区域在2θ角为27.5度-37.5度之间，采取最强峰及次强峰为该物相的主要指示峰。α-TCP主要指示峰为(PDF#09-0364)正交晶系2θ为30.67度处的(4 3-4)晶面及2θ为34.17度的(0 8 3)晶面，以及(PDF#09-0348)正交晶系2θ为30.8度处的(1 7 0)晶面及2θ为34.25度的(0 4 3)晶面。β-TCP主要指示峰为(PDF#09-0169)三方晶系2θ为31.2度的(0 2 10)晶面及2θ为33.4度的(2 2 0)晶面，以及(PDF#86-1585)三方晶系2θ为31.05度的(0 1 5)晶面及2θ为34.28度的(1 1 0)晶面。
纵向对比SP-1A～SP-7A，可以观察到七种样品中均含有α-TCP、β-TCP。结合物相衍射强度，以α-TCP的(PDF#09-0364)正交晶系2θ为30.67度处的(4 3-4)晶面为例，其峰型尖锐，表明结晶度良好且完整，根据Jade软件分析其晶粒大小约为600nm-700nm之间。晶体含量与衍射峰面积有关，底边相同，峰高越高，即晶体含量越高，最高衍射峰值即SP-1A为基准(100％)，其余相对强度几乎无变化。
以β-TCP主要指示峰三方晶系2θ为31.2度的(0 2 10)晶面(PDF#09-0169)为例，其衍射强度基本无变化。这说明，植酸钠系列固化液在制备过程中同样阻碍Si-α-TCP向(CD)HA转化，在XRD衍射图谱上分析，不同浓度的植酸钠固化的骨水泥物相成分几乎无区别，其晶体结构趋于一致。
采用实施例11制备的SP-4A骨水泥进行为期14的模拟体液浸泡实验，分别取第1天、第3天、第7天、第14天的浸泡结果进行纵向对照，如图3所示。各物相三强峰的主要识别区域在2θ角为27.5度-37.5度之间，采取最强峰及次强峰为该物相的主要指示峰。α-TCP主要指示峰为(PDF#29-0359)单斜晶系2θ为30.81度处的(0 3 4)晶面及2θ为34.31度的(2 90)晶面,经Jade软件测算其晶粒度大小约为600nm左右。β-TCP主要指示峰为(PDF#09-0169)三方晶系2θ为31.15度的(0 2 10)晶面及2θ为34.49度的(2 2 0)晶面经Jade软件测算其晶粒度大小>1000nm。CDHA与HA的位置、晶系、晶面几乎相同，HA主要指示峰为(PDF#72-1243)六方晶系2θ为31.84度的(2 1 1)晶面及2θ为32.97度的(300)晶面，经Jade软件测算其晶粒度大小约为120nm。
与原始SP-4A骨水泥物相成分相比，在模拟体液当中，浸泡1天时，即大量生成了羟基磷灰石(HA)；浸泡3天时,物相分析显示羟基磷灰石相消失；浸泡7天及14天，羟基磷灰石相复现，且衍射峰强度升高，峰型尖锐，衍射峰面积增加，表明羟基磷灰石晶体含量大量增加且晶体成型度良好。与此同时，可以观察到α-TCP衍射峰强度明显降低，最终不可见，同样说明α-TCP已经完全转化为HA相。
在实际浸泡过程中，每两天更换一次新的模拟体液，以模拟人体内体液不断新陈代谢，同时每两天测试模拟体液pH值变化情况。发现1至14天的浸泡溶液pH值先增加后减少，7天之后趋于稳定值，这说明SBF浸泡下的硅磷酸钙骨水泥化学反应趋势趋于稳定。如表2所示：
表2浸泡过程中模拟体液的pH值
Figure BDA0002140588500000101
Figure BDA0002140588500000111
前4天更换模拟体液时，可以观察到，溶液变黄，与稀释后的植酸钠溶液颜色接近。这表明在骨水泥生成过程中植酸钠参与反应后剩余部分析出，这可以解释浸泡3天时，随着植酸钠的析出，模拟体液不断浸入时，发生了一个物相还原现象即骨水泥中羟基磷灰石相减少的客观现象。
将SBF浸泡后的骨水泥成品及时取出干燥，与其原始质量对比，其质量变化如表3所示：表明随着浸泡时间的推移，SBF中的物质被硅磷酸钙骨水泥不断吸收，质量不断增加。这与XRD衍射图谱所指示的物相反应所应具备的质量变化条件一致。
表3SBF浸泡后的骨水泥成品与其原始质量的对比
浸泡时间 1Day 3Day 7Day 14Day
质量增长比 1.85％ 1.79％ 4.63％ 7.18％
综上，经4wt.％植酸钠固化的硅磷酸钙骨水泥，在模拟体液当中，随着时间的推移，α-TCP转化为HA相的趋势先减小后逐渐加深，并最终完全转化，这与人骨主要成分相符。pH值先升高后降低并趋于稳定，总体呈中性偏弱碱，可以很好的与人体液环境兼容。骨水泥质量不断增加，表明其可生长性良好。
实施例8～14制备的骨水泥的扫描电镜照片，如图4所示，在放大2000倍时，即图4(a)、图4(c)、图4(e)、图4(g)、图4(i)、图4(k)、图4(m)的对比中，可以发现，SP-1A、SP-2A、SP-3A、SP-4A其晶粒大小类似，SP-1A、SP-2A、SP-3A中晶粒成条棒状为主，SP-4A以椭球状为主。SP-5A、SP-6A、SP-7A的晶粒尺寸有所增大，出现了椭圆片状晶粒，其中以SP-7A的晶粒最为显著。
放大5000倍后，即图4(b)、图4(d)、图4(f)、图4(h)、图4(j)、图4(l)、图4(n)的对比中，晶粒尺寸大小约为5000-10000nm之间。SP-1A、SP-2A、SP-3A、SP-4A中，鳞片状物质逐渐增多，最终形成了SP-4A中的绒毛状包裹层。从SP-5A开始鳞片状物质减少，SP-7A只有晶粒间略有绒毛状物质吸附于晶界处。对比SP-4A、SP-5A可知，SP-4A中晶粒相对较小，晶粒包裹绒毛层相对较多，但是堆积结构中晶粒间空隙，相对晶粒尺寸来说略显松散，SP-5A中以鳞片状包裹层为主，相互之间有作用力相对增大，这导致了SP-4A、SP-5A的力学性能相近。
因而，晶粒越小，绒毛或鳞片状包裹层越密集，骨水泥力学性能越好。包裹层中的绒毛状或鳞片状结构，可能是植酸钠螯合作用产生的，促进晶粒间的结合力。宏观力学性能与晶粒尺寸、晶粒堆积结构、晶粒外包裹层直接的协同性优劣相关。
SP-4A骨水泥在模拟体液中浸泡1、3、7、14天。初始时，其力学性能为在直径8cm的圆形面积下可承受约60.5kg的重量，达到骨修复所需的力学性能要求。值得欣喜的是，在SBF浸泡7天后，其力学性能明显增强，外力已很难使骨水泥断裂。在实验操作中，浸泡后的整体外观未发生变形，骨水泥外形保持良好。
SP-4A骨水泥在模拟体液中浸泡1、3、7、14天的微观形貌，如图5、图6所示。
从图5(a)、图5(c)、图5(e)、图5(g)对比可看出，随着浸泡时间的增加，晶粒尺寸逐渐缩小、堆积密度逐渐加大，晶须生成逐渐茂密。
从图6(a)、图6(c)、图6(e)、图6(g)对比可看出，放大至5000倍下，可以观察到其晶粒尺寸从浸泡1天时的10000nm逐渐缩减至浸泡14天的5000nm，这说明大晶粒被逐渐分解成小晶粒。晶须密度逐渐上升的同时，晶须尺寸从浸泡1天的约为200nm开始生长至3天的约5000nm，随后开始变短至14天的2000nm左右，这说明，晶体内部，由于SBF的浸泡，促进了羟基磷灰石晶须生成，同时由于晶须尖部过于细小，发生降解现象，生成与降解两种现象同时出现。晶粒间的空隙孔径逐渐缩小，至14天时，基本被晶须所覆盖。
从图5(b)、图5(d)、图5(f)、图5(h)对比可看出，随着SBF浸泡过程的进行，表面形貌发生了巨大变化。从1天的晶粒间区分度明显，骨水泥表面和内部中心的晶粒形貌相差不大，到3天、7天、14天时，晶粒间隙逐渐被填充，晶粒表面的棱角逐渐被溶解，变得圆润，骨水泥内外形貌差距逐渐拉大。至14天时，其表面晶粒已连接成片。
从图6(b)、图6(d)、图6(f)、图6(h)对比可看出，浸泡1天时表面产生的晶须，在第3天时，已经被溶解。在随后的浸泡过程中，晶粒之间发生融合，初始晶界消失。至14天时，(h)图中融合后的晶粒尺寸约为10000nm-20000nm。晶粒间的空隙孔洞亦是在14天的浸泡过程中，随着晶粒的长大逐渐消失。与此同时，在第14天时，晶粒表面出现了扁圆状孔洞，这说明羟基磷灰石发生了降解现象，为生物自身生成骨细胞进行替代人工骨水泥提供了有利条件。
由此得出，SBF浸泡过程中，植酸钠固化的硅磷酸钙骨水泥，内部晶粒变的细小，晶须不断生成，密度逐渐增大，使其力学性能不断增加，促使其更好的满足人工骨水泥在骨修复、骨承重的力学性能要求。
SBF浸泡过程中，植酸钠固化的硅磷酸钙骨水泥，外表面发生晶粒长大，晶粒表面及间隙被骨水泥在SBF中吸收的P、O、Ca、H等成分生成的新的羟基磷灰石所填充，晶粒间区分变的不再明显。浸泡后期发生晶粒表面降解现象，可以推测，后期水泥内部也会慢慢降解。表明该人工骨水泥的生物降解性能良好，促进人骨细胞的替换生成。
SP-4A浸泡14天之后的元素分布如图7所示，整体来看图例中的分布情况，Ca、P、O、Si、Na均可以均匀分布于整个面内，这表示在烧结前湿混粉末的均匀性良好，烧结过程中化学反应充分，制成骨水泥过程中，粉末与植酸钠溶液搅拌均匀。植酸钠溶液固化的硅磷酸钙骨水泥中使用的植酸钠，植酸根在人体内水解产物为肌醇和磷脂，前者具有抗衰老作用，后者是人体细胞重要组成部分。因此，利用植酸进行生物材料的制备对人体不会产生危害。经模拟体液浸泡，证实其生物活性较好。在此基础上开发有较强的力学性能的骨修复材料相对可医用性的把握很高。
实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A骨水泥的力学性能如图8a所示，4wt.％及5wt.％植酸钠固化硅磷酸钙骨水泥，其力学性分别为12.05MPa、13.12MPa，两者力学性能接近，然而在模拟人体环境下浸泡14天的过程中，发现4wt.％植酸钠固化骨水泥的力学性能有了质的提高，在浸泡后的SEM图像得到佐证，可以清晰的发现，4wt.％植酸钠固化骨水泥的晶粒被绒毛层包裹，晶粒之间相互纠缠。因而，选择使用4wt.％植酸钠螯合固化骨水泥为最优选择。
实施例3制备的骨水泥、实施例11制备的SP-4A骨水泥的力学性能如图8b所示，力学性能为8.573MPa，在以直径为0.8cm的圆形面积上承重43kg的压力，可以达到骨修复所需的力学性能要求。
实施例8～14制备的SP-1A～SP-7A骨水泥的孔隙率如图9所示，随着植酸钠浓度的增加，孔隙率成先减少后增加的趋势，整体变数值化并不明显。因此认为相同工艺下制作的骨水泥，其空隙率对力学性能的影响不大，对其后期生物相容性、生物活性的影响同样微弱。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，将磷酸钙骨水泥粉末加入至植酸钠的水溶液中，静置固化成型；所述植酸钠的水溶液中植酸钠的浓度为3.6wt.％～4.4wt.％；磷酸钙骨水泥粉末为硅改性的磷酸钙骨水泥粉末；
所述硅改性的磷酸钙骨水泥粉末的制备方法为：将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙混合，然后进行烧结，其中，磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙的摩尔比为1：0.436～0.464：0.0485～0.0515；
所述硅改性的磷酸钙骨水泥粉末为α-硅磷酸三钙，钙、磷的摩尔比为1.48～1.52:1，钙、硅的摩尔比为1:0.0326～0.0340。
2.如权利要求1所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，植酸钠的水溶液的制备过程为：将水分为两部分，一部分加入植酸钠粉末，溶解后，加入另一部分定容。
3.如权利要求1所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，磷酸钙骨水泥粉末与植酸钠的水溶液的固液比为1:0.4～1.0，g:mL。
4.如权利要求3所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，磷酸钙骨水泥粉末与植酸钠的水溶液的固液比为1:0.4～0.5，g:mL。
5.如权利要求1所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙进行球磨混合均匀。
6.如权利要求5所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，将磷酸氢钙、碳酸钙和硅酸钙加入至乙醇中，然后进行球磨。
7.如权利要求6所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，球磨的速度为200～300r/min，球磨时间为1～2h。
8.如权利要求1所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，烧结温度为1240～1256℃，烧结时间为2～3h。
9.如权利要求1所述的磷酸钙骨水泥的制备方法，其特征是，磷酸钙骨水泥粉末的粒径为70～80μm。
10.一种基于植酸钠的骨水泥，其特征是，由权利要求1～9任一所述的磷酸钙骨水泥的制备方法获得。
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