CN111840652A - 骨修复材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包含氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1:(1.5‑9)。根据本发明制备的骨修复材料具抗感染和促进骨生长双重功效，既抑制细菌粘附，同时又促进成骨细胞的粘附和增殖，并且植入体内后可发挥其抗感染功能和提高植入物与宿主骨的骨性结合。

Description

骨修复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及医学生物材料领域，尤其涉及一种骨修复材料及其制备方法和应用。
背景技术
骨是天然的无机/有机复合材料，有机相中的百分之九十以上为胶原蛋白，而无机相组成主要包括磷酸钙，羟基磷灰石(HA)，磷酸钠，柠檬酸钙，磷酸镁等，其中以羟基磷灰石为主。当天然骨受到创伤时，由于其中骨形成蛋白，生长因子等的共同作用使其具有一定的自修复能力，植入骨修复材料后，可以保证病人的骨缺损部位保持固定且病人可以进行正常的日常活动，并且通常骨修复材料还可以帮助受损骨组织的自我修复，加快痊愈过程。
骨修复材料的发展经历了无数次的进步与突破。最早被用于硬组织修复的为金属材料，包括不锈钢、钛合金等，其具有较高的强度，但与生物体的生物相容性较差，并且金属材料在生理环境中易被腐蚀。针对医用金属材料存在的缺陷，生物惰性陶瓷逐渐进入大家的视线并成为全世界的研究热点，如Al2O3，ZrO2等氧化物陶瓷及玻璃碳和热解碳等非氧化物陶瓷，这一类材料在生理环境中具有优良的耐腐蚀性及物理、化学性质可长期保持稳定，不发生或仅发生微弱的降解及生物化学反应，但此类材料不具备生物活性。在此基础上，研究学者又成功制备出了生物活性陶瓷，主要包括生物活性玻璃、羟基磷灰石及生物活性微晶玻璃等，这种陶瓷最显著的特征是当植入生物体内后可以与周围的宿主骨组织形成良好的结合与固定，并且还可以在一定程度上促进新骨组织的生长。磷酸镁骨水泥，其作为一种骨修复材料，具有良好的骨修复效果，并且能注射入人体骨缺损处。磷酸镁骨水泥具有固化时间快、力学强度高、可降解性等特点，但该骨水泥的固化时间、中后期强度和降解性等仍需要进一步优化，以满足治疗骨质疏松骨折缺损的需要。
中国专利公开号CN108249796A公开了一种二氧化硅改性磷酸镁基骨水泥及其制备方法，具体的，将正硅酸四乙酯溶液和催化剂溶液滴加入氧化镁悬浮液中，搅拌反应一段时间再洗涤干燥处理，即得到二氧化硅改性的氧化镁粉末，再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。然而，该材料本身无抗菌作用，容易引发细菌感染；对成骨细胞生长并无促进作用，而且未提升磷酸镁骨水泥的抗压强度。
中国专利公开号CN109135175A公开了一种PEEK （聚醚醚酮）复合氮化硅生物材料，为了提高PEEK的生物学性能，采用冷压烧结法将氮化硅（SN）加入到PEEK中制备PEEK/SN复合材料，并用飞秒激光制备表面微纳结构，促进细胞早期黏附。然而，由于该材料骨修复体形状固定，不适用于形状复杂的骨缺损，并且其制得的骨修复体材料不可降解，不利于患者自体骨生长。类似地，该材料并无药物缓释功能，长期抗感染能力差。
感染是骨科植入物的严重并发症之一，是植入物失败的主要原因。感染会破坏植入材料与骨的骨性结合，而良好的骨性结合也会抑制细菌粘附于材料表面，从而减少感染的发生。因此，探索一种兼具抗感染和促进骨生长双重功效的植入物，既抑制细菌粘附，同时又促进成骨细胞的粘附和增殖，并且植入体内后可发挥其抗感染功能和提高植入物与宿主骨的骨性结合的材料具有深远的意义。
综上，本领域还需要一种兼具抗感染和促进骨生长双重功效的植入物，既抑制细菌粘附，同时又促进成骨细胞的粘附和增殖，并且植入体内后可发挥其抗感染功能和提高植入物与宿主骨的骨性结合的材料。
发明内容
本发明提供了一种磷酸镁基骨修复材料、原料组合物及其制备方法、应用，以现有技术中磷酸镁骨水泥的固化时间、中后期强度和降解性等仍需进一步优化的缺陷。本发明的磷酸镁基骨修复材料具有良好的生物相容性、成骨性、抗感染性和抗菌性，能促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，抑制细菌感染。该磷酸镁基骨修复材料的制备工艺简单易行，可直接注射进骨缺损处，为生物活性骨修复制备提供了重要材料基础。
本发明通过以下技术方案解决上述技术问题。
在第一方面，本发明提供了一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包含氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (1.5-9)。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (2-8)，优选地，所述重量比1:2、1：2.33、1:3、1:4、1:5、1:6或者1:7，更优选地，所述重量比为1：2.33。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中基于所述骨修复材料组合物的总重量，所述纳米氮化硅占约15-30wt%，和/或所述骨水泥组分占约70-85wt%。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中所述纳米氮化硅的粒径为10~50nm，优选为20~30nm。若所述纳米氮化硅的粒径大于50nm，所得骨修复材料的强度会降低，不合适使用要求；若所述纳米氮化硅的粒径小于10μm，则凝固时间大于10min。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中所述氧化镁和所述磷酸二氢钠的摩尔比为约1:1。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中所述氧化镁的粒径为20~50µm。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其还包含用于骨修复的药物，所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。
在一些实施方式中，所述药物负载在纳米氮化硅上。当所述纳米氮化硅进行载药后，制备所得的磷酸镁基骨修复材料为缓释载体，具有缓释效果。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其还包含固化液。在一些实施方式中，所述固化液是没食子酸水溶液，其中所述没食子的浓度为约30 μm/L。
在第二方面，本发明提供了一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (1.5-9)；和
b) 将所述骨水泥组分和纳米氮化硅与固化液混合，其中所述固化液是没食子酸水溶液。
在一些实施方式中，本发明提供了制备骨修复材料的方法，其还包括将所述纳米氮化硅浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的纳米氮化硅的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。
在一些实施方式中，所述药物溶液的浓度为100~200μmol/L，和/或所述浸渍的时间为2~3h。
在第三方面，本发明提供了一种骨修复材料，其是通过本发明第二方面所述的方法制备的。
在第三方面，本发明提供了根据本发明第一方面的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。
在一个实施方式中，所述骨科疾病选自：骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明技术方案带来的有益效果：
（1）本发明磷酸镁基骨修复材料的制备方法简单易行；
（2）本发明的磷酸镁基骨修复材料通过所选的成分组合获得了多方面综合的改进特性，包括：适宜的凝固时间（可为6~10min），具有很好的生物相容性、成骨性和降解性，能促进成骨细胞的粘附、增殖和分化，可刺激细胞生长，刺激成骨细胞向骨细胞分化，从而为生物活性骨修复的制备提供了重要实验基础；具有优异的体外降解性能、抗压强度和缓释性能；并且可直接注射进骨缺损处。进一步地，负载药物，例如葛根素后的磷酸镁基骨修复材料具有一定的抗炎性能，并且有明显的成骨作用；可具有良好的抗菌性能，能有效地防止术后感染，抑制细菌感染，避免二次手术的风险。
以下将对本发明的各个方面进行更详细的说明。
1. 骨质疏松症
骨质疏松骨折多为脆性骨折，最大特点就是骨折块多而碎，容易造成骨缺损；另外，骨质疏松骨折缺损很难愈合，这是由于骨缺损区域周边的血管病变及新生血管减少，导致骨质疏松骨折愈合进程缓慢（骨延迟愈合或不愈合）。因此，针对骨质疏松骨折缺损的微创治疗，需要研制一种能够在骨折缺损区域快速血管化及促进骨再生的可注射骨修复材料。
骨生长和骨再生过程包括成骨细胞介导的骨形成和破骨细胞介导的骨吸收。当骨形成和骨吸收的平衡被打破，导致成骨细胞介导的骨形成弱于破骨细胞介导的骨吸收时，骨表现出以骨质疏松为代表的病变状态，表现为骨脆性增加、骨微结构破坏，及增加骨折风险。
骨折以及其它的骨骼结构性破裂通过类似的发育顺序的过程来愈合，要求成骨细胞的浸润和后续的基质沉积。
一般认为，骨质疏松症影响骨再生的原因在于：① 成骨细胞的数量和活性下降，② 破骨细胞数量和活性增加。因此，在骨质疏松状况下，为了促进骨再生并修复骨缺损，骨修复材料应该具有的性能：提高成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的活性。此外，骨修复还应考虑骨再生过程中的生物力学性能，以及可能出现的继发症状，例如感染等。
2. 骨修复材料
人工骨修复材料是用于骨修复治疗的生物医学材料。为了更接近骨骼组织的性能，已经开发了一系列的人工骨修复材料，包括改性天然材料、生物陶瓷材料和高分子材料等。
生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。医生在手术过程中无法按照病人骨缺损部位任意塑型，而且不能完全充填异形骨空穴。
骨水泥在骨科手术中用作骨粘固剂。骨水泥具有良好的骨修复效果，并且能注射入人体骨缺损处。
本发明提供了一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包含氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1:(1.5-9)，例如1: (2-8)，优选地，所述重量比1:2、1：2.33、1:3、1:4、1:5、1:6或者1:7，更优选地，所述重量比为1：2.33。
更具体地，本发明提供了骨修复材料组合物，其中基于所述骨修复材料组合物的总重量，所述纳米氮化硅占约15-30wt%，和/或所述骨水泥组分占约70-85wt%。
氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料，属高温难熔化合物，无熔点；与水几乎不发生作用；在浓强酸溶液中缓慢水解生成铵盐和二氧化硅；易溶于氢氟酸，与稀酸不起作用。浓强碱溶液能缓慢腐蚀氮化硅，熔融的强碱能很快使氮化硅转变为硅酸盐和氨。在生物医用方面，具有良好的生物活性、生物耐磨性、化学稳定性、抗菌性等优点，氮化硅已成为很有前景的髋/膝关节、脊柱融合器等骨科植入材料。
在本发明的骨修复材料组合物中，所述纳米氮化硅的粒径为10~50nm，优选为20~30nm。若所述纳米氮化硅的粒径大于50nm，所得骨修复材料的强度会降低，不合适使用要求；若所述纳米氮化硅的粒径小于10μm，则凝固时间大于10min。
本发明中，所述纳米氮化硅可通过本领域常规方法制得，只要是粒径符合前述要求即可。优选通过下述步骤制得：将硅粉置于球磨机研磨，研磨后置于超声机超声，随后置于氮气环境下煅烧即可。所述球磨、超声为本领域常规，优选为600 r/min的频率研磨6h。所述煅烧温度优选为1200℃；所述煅烧时间优选为4h。
本发明中，所述纳米氮化硅更优选通过下述步骤制得：（1）将硅粉置于球磨机以600 r/min的频率研磨6h，拿出研磨后硅粉置于超声机超声30min；
（2）将（1）所得硅粉放入氧化铝陶瓷舟并置于高温管式炉中，通以0.1L/min N2流，于1200℃烧制4h既得所需纳米氮化硅。
在一些实施方式中，本发明提供了骨修复材料组合物，其中所述氧化镁和所述磷酸二氢钠的摩尔比为约1:1。在本发明的骨水泥组分中，所述磷酸二氢钠为微米级粉末颗粒，粒径为1~50 µm，优选为10~20 µm；所述氧化镁的粒径为20~50µm。
在本发明的骨水泥组分中，使用经过煅烧、球磨的氧化镁。所述煅烧的操作和条件可为本领域常规。优选地，所述锻烧条件为：温度1500~1700℃保温1~3h，例如温度1600℃保温2h或3h。所述煅烧的升温过程中，升温速率一般为5~10℃/min，优选为8℃/min。优选地，经球磨后，所述氧化镁的粒径为20~50µm。
本发明的骨修复材料组合物还可以进一步包含用于骨修复的药物，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。在一些实施方式中，所述药物负载在纳米氮化硅上。当所述纳米氮化硅进行载药后，制备所得的磷酸镁基骨修复材料为缓释载体，具有缓释效果。在其他实施方式中，所述药物与所述骨水泥组分混合。
本发明中，优选将所述纳米氮化硅进行载药后使用。所述载药的操作和条件可为本领域常规，一般将所述纳米氮化硅浸渍于药物溶液中，搅拌后离心、干燥即可。所述药物可为本领域常规的治疗炎症、促进成骨药物，例如葛根素。所述药物溶液中，药物的浓度可为本领域常规，优选100~200μmol/L。所述搅拌的操作和条件可为本领域常规，一般为搅拌2~3h。所述离心、干燥的操作和条件可为本领域常规。
本发明的骨修复材料组合物还可以包含固化液。在一些实施方式中，所述固化液可以为本领域中已知的固化液，例如纯水、蒸馏水、去离子水等。优选地，用于本发明的固化液是没食子酸水溶液，其中所述没食子的浓度为约30 μm/L。
3. 用于骨修复的药物
根据本发明的骨修复材料组合物可以进一步包含用于骨修复的药物，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物。
骨质疏松状况下，为了促进骨再生并修复骨缺损，通常采取提高成骨细胞的活性，抑制破骨细胞的活性的药物。用于减少破骨细胞的数量和活性的药物包括例如雌激素类、双膦酸盐类的药物等。用于增加成骨细胞的数量和活性的药物包括例如甲状旁腺激素类，前列腺素E2，他汀类降脂药以及氟化物的药物等。所述抗骨质疏松的药物还可以包括用于预防和治疗骨质疏松症的补充剂，例如钙剂和维生素D。
葛根素是葛根(Pueraia lobata)的根部中所富含的异黄酮类活性成分。已知葛根素具有多种不同的生理功能，包括抗高血压、抗心律不齐、抗氧化、抗缺血、抗凋亡、抗糖尿病和神经保护特性。葛根素已经被用于心血管疾病和II型糖尿病的治疗中。
此外，近年来发现葛根素在人体中起到类雌激素的作用，具有调节骨代谢，抑制骨吸收，促进骨形成，增加骨密度，加快骨质疏松骨折愈合的作用，可部分代替雌激素治疗骨质疏松症。因此，在本发明中，优选地，所述用于骨修复的药物是葛根素。
如前所述，生物材料相关感染仍然是临床骨科中的一种危害严重的并发症，是导致骨科植入材料失败的主要原因之一。因此，所述用于骨修复的药物还包括本领域已知的各种抗感染药物，包括例如青霉素类、头抱菌素类、氨基糖苷类、大环内酯类、四环素类、喹诺酮类、磺胺类等。
除此之外，研究表明：没食子酸类药物不仅具有抗氧化功效，而且具有抗菌活性，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、巴氏杆菌、链球菌都有较强的抑制作用。因此，在本发明中，优选地，所述用于骨修复的药物可以包括没食子酸类(GA)药物。
研究表明：GA能增加骨的碱性磷酸酶活性、DNA和钙的含量，具有促进成骨细胞增殖与分化及新骨形成的功能。体外实验表明：没食子酸类药物能通过降低氧化应激水平来防止成骨前体细胞凋亡，提高成骨前体细胞的成骨分化能力；体内实验表明：没食子酸类药物能改善骨密度下降、骨量降低及骨组织微结构改变。
通过将包含没食子酸类药物的骨修复材料微创注射到骨质疏松骨折缺损处，局部缓释没食子酸类药物，清除骨缺损周围骨组织过多的ROS，可以提高成骨细胞的数量和活性，抑制破骨细胞的数量和活性，从而促进骨形成，抑制骨吸收。利用该骨修复材料修复骨质疏松骨折缺损，并治疗周围骨组织的骨质疏松，防止再骨折。
除此之外，本发明人还发现，没食子酸类药物能与金属离子（镁离子：Mg2+）发生螯合作用；因此，通过调控固化液中的GA含量，调控该骨水泥体系的固化速度、力学强度、降解性以及缓释等性能；另外，通过调控骨水泥体系的降解性能，可以实现骨水泥对葛根素的缓释，从而实现多重有益效果。
4. 制备方法
本发明提供了一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (1.5-9)；和
b) 将所述骨水泥组分和纳米氮化硅与固化液混合，其中所述固化液是没食子酸水溶液。
任选地，所述方法还包括将混合的骨水泥组分和固化液调和，凝固，并固化的步骤。优选地，将骨水泥组分和纳米氮化硅混合均匀后，加入没食子酸水溶液调和，凝固后进行所述固化即可。所述混合和所述调和的操作和条件可为本领域常规。
本发明中，所述固化的操作和条件可为本领域常规，一般为37℃，湿度100%，固化24~120h，例如在37℃，湿度100%的条件下固化72h。所述固化是指骨修复材料组合物形成的固态骨水泥进行固化反应的过程。
在本发明中，所述固化液的用量可为本领域常规，一般能够使得所述骨水泥组分调和为浆状物即可。在一些实施方案中，所述没食子酸水溶液的浓度为约30 μM/L。本领域技术人员可以根据期望的使用要求，例如pH、凝固时间、抗压强度、药物释放速率等，调整使用的固化液的用量。
在一些实施方式中，所述方法还包括将所述纳米氮化硅浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的纳米氮化硅的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。在一些实施方式中，所述药物溶液的浓度为100~200μmol/L，和/或所述浸渍的时间为2~3h。
本发明的骨修复材料组合物具有适宜的凝固时间。优选地，所述凝固时间为6~10min。凝固的时间是指加入固化液调和由浆状转化为块状的时间。
本发明还提供了根据本发明的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。由此制备的骨修复材料也在本发明预期保护的范围之内。
根据本发明，可以将由此制备的骨修复材料注射进骨缺损处，从而治疗骨科疾病。所述骨科疾病包括但不限于骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损等。用于注射所述骨修复材料的装置和方法是本领域中已知的。
附图说明
图1(a)为实施例1所得的纳米氮化硅的SEM照片，图1(b)为实施例1所得纳米氮化硅的TEM照片。
图2为对照例（图2a、d）、实施例1 （图2b、e）和实施例2 （图2c、f）所制得的骨修复材料的表面外观的照片。
图3为对照例、实施例1和实施例2所制得的骨修复材料的抑菌率照片，其中MPC代表对照例的骨修复材料，MC15和MC30分别代表实施例1和2的骨修复材料。
图4为对照例和实施例2所制得的骨修复材料的骨水泥表面培养rBMSCs的SEM照片，其中图4a、图4d分别为对照组未添加氮化硅的骨水泥组24h、72h细胞粘附情况；图4b、图4e分别为未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组24h、72h细胞粘附情况；图4c、图4f为实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料组24h、72h细胞粘附情况
图5为对照例和实施例2所制得的骨修复材料的表面培养rBMSCs不同时间的OD值柱状图，其中MS0表示对照组未添加氮化硅的骨水泥组、MS30表示未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组、MSD30表示实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）组。
图6为对照例和实施例2所制得的骨修复材料的表面培养rBMSCs不同时间的ALP活性柱状图，其中，MS0表示对照组未添加氮化硅的骨水泥组、MS30表示未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组、MSD30表示实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）组
图7是将实施例2的骨修复材料浸泡在Tris-HCL（三羟甲基氨基甲烷）中不同时间的SEM图片，其中图7a、图7b、图7c为浸泡21天后的SEM图片，图7d、图7e、图7f为浸泡35天后的SEM图片。
图8为对照例、实施例1和实施例2所制得的骨修复材料浸泡在Tris-HCL中不同时间节点的失重率曲线图，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、MS0为对照组未添加氮化硅的骨水泥。
图9为对照例、实施例1和实施例2所制得的骨修复材料浸泡在Tris-HCL中不同时间的溶液pH变化曲线，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、MS0为对照组未添加氮化硅的骨水泥。
图10为对照例、实施例1和实施例2所制得的骨修复材料抗压强度柱状图。
图11为实施例1和实施例2所制得的骨修复材料的药物体外缓释曲线图，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料。
具体实施方案
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
下述实施例中，纳米氮化硅均通过下述步骤制得：
（1）将硅粉置于球磨机以600 r/min的频率研磨6h，拿出研磨后硅粉置于超声机超声30min。
（2）将（1）所得硅粉放入氧化铝陶瓷舟并置于高温管式炉中，通以0.1L/min N2流，于1200°烧制4h既得所需纳米氮化硅。
本发明所用其他试剂和原料均市售可得。
实施例1
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）将纳米氮化硅颗粒溶入200μmol/L葛根素溶液，搅拌2h后离心干燥，既得所需载药纳米氮化硅颗粒；
（2）骨水泥粉末为氧化镁、磷酸二氢钠以摩尔比1：1均匀混合而成；
（3）将0.75g载药纳米氮化硅颗粒与4.25g磷酸镁骨水泥粉相混合均匀，取4g没食子酸水溶液与粉相调和，入模凝固后（凝固时间为6~10min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即可。
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中，纳米氮化硅的占比为15wt%，磷酸镁骨水泥粉的占比为85wt%；纳米氮化硅的粒径为20~30nm。
实施例2
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料制备方法，其包括下述步骤：
（1）将纳米氮化硅颗粒溶入200μmol/L葛根素溶液，搅拌2h后离心干燥，既得所需载药纳米氮化硅颗粒；
（2）骨水泥粉末为氧化镁、磷酸二氢钠以摩尔比1：1均匀混合而成；
（3）将1.5g载药纳米氮化硅颗粒与3.5g磷酸镁骨水泥粉相混合均匀，取4g没食子酸水溶液与粉相调和，入模凝固（凝固时间为6~10min）后放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即可。
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中，纳米氮化硅的占比为30wt%，磷酸镁骨水泥粉的占比为70wt%；纳米氮化硅的粒径为20~30nm。
实施例3
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料制备方法，包括下述步骤：
（1）将纳米氮化硅颗粒溶入100μmol/L葛根素溶液，搅拌2h后离心干燥，既得所需载药纳米氮化硅颗粒；
（2）骨水泥粉末为氧化镁、磷酸二氢钠以摩尔比1：1均匀混合而成；
（3）将1.5g载药纳米氮化硅颗粒与3.5g磷酸镁骨水泥粉相混合均匀，取4g没食子酸水溶液与粉相调和，入模凝固后（凝固时间为6~10min）放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即可。
纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中，纳米氮化硅占比为30wt%，磷酸镁骨水泥粉的占比为70wt%；纳米氮化硅的粒径为20~30nm。
对照组
未添加氮化硅的骨水泥（即纯磷酸镁骨水泥）制备方法如下：将1g氧化镁与3g磷酸二氢钠均匀混合，取2g去离子水与粉相调和，入模凝固后放置在37℃，100%湿度的环境下固化72h即得。
效果实施例1
对实施例1~3的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中的纳米氮化硅结构、形貌等进行表征。
（1）SEM、TEM分析
采用扫描电子显微镜（SEM，Hatachi S-4800，日本日立集团），对纳米氮化硅进行表面形态观察。采用透射电子显微镜（TEM，JEM-1400，日本电子株式会社）对纳米氮化硅进行亚显微或超微结构分析。测试结果如图1所示。
图1(a) 为实施例1所得纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中纳米氮化硅的SEM图片，图中可见氮化硅粒径较小，无法明显分辨。图1(b) 为实施例1所得纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中纳米氮化硅TEM图片，图中可见氮化硅粒径分布在20-30nm之间。
效果实施例2
采用扫描电子显微镜（SEM，Hatachi S-4800，日本日立集团），对实施例1~3所得的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料和对照组所得的未添加氮化硅的骨水泥（即纯磷酸镁骨水泥）进行表面形态观察。测试结构如图2所示。
图2是纳米氮化硅-磷酸镁复合骨水泥的表面形貌，其中未添加氮化硅的骨水泥表面为针状结构（图2a、d）。实施例1所制复合材料表面较为平坦，可见氮化硅被包裹进磷酸镁骨水泥内部（图2b、e）。实施例2所制复合材料表面可见氮化硅与磷酸镁融合为一体，表面较为粗糙（图2c、f）。
实施例3的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料中的纳米氮化硅的表面形貌与实施例2相当（图片未显示）。
效果实施例3
抗菌实验
对实施例1-3中的纳米氮化硅-磷酸镁复合骨水泥进行抗菌实验，其中样品直径为12mm，厚度为2mm。
将金葡菌菌株复苏后，在37℃，5% CO2条件下培养；将灭菌后的样品放置在24孔板中，将大肠杆菌和金葡菌溶液以5×105CFU/mL浓度接种在样品表面，共培养24小时后，将样品取出，通过超声震荡（40W）将细菌剥离样品；得到的细菌悬浮液稀释10倍后，接种在胰蛋白胨上培养24h进行计数。以纯磷酸镁为对照组。测试结果见图3。
从图3中可以看出磷酸镁组小皿中仍然有大量的菌落，说明PEKK对这两种细菌都没有抑制作用。实施例1组和实施例2组，在培养皿中的菌落数量都大大减少，其中实施例2组的对两种细菌的抑菌率效果明显好于实施例1组，说明随着氮化硅含量的增加，复合材料的抗菌性能提高。
效果实施例4
细胞粘附增殖实验
对实施例1-3中的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥（即纯磷酸镁骨水泥）、未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料进行细胞粘附增殖实验，其中样品直径为12mm，厚度为2mm。
未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料的制备方法：除未包括步骤（1）的载药步骤外，其它步骤及方法均与实施例2相同。
细胞粘附增殖实验的具体方法如下：
将大鼠骨髓间充质干细胞以每孔1×104的密度接种在复合样品表面，培养24h、72h后采用SEM对表面进行细胞形态观察。图4为实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥表面培养rBMSCs时间为24h、或者72h后SEM照片，其中，图4a、图4d分别为对照组未添加氮化硅的骨水泥组24h、72h细胞粘附情况；图4b、图4e分别为未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组24h、72h细胞粘附情况；图4c、图4f为实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料组24h、72h细胞粘附情况。结果表明，三种骨修复体表面均有较多细胞粘附，且细胞铺展状态良好；实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）组粘附的细胞数量更多，且具有更好的粘附形态，表明其具有更好的细胞相容性。
采用CCK8法进行细胞增殖实验。在细胞接种开始前，先把3种样品（样品分别为 1.对照组 未添加氮化硅的骨水泥，2.未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料，3.实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药））通过环氧乙烷消毒灭菌，放进24孔板内，然后在材料上接种1×104个细胞/mL的大鼠骨髓间充质干细胞。培养过程中每两天更换一次细胞培养液，在细胞培养了1、3和7天之后，在相应的时间点，取出材料放进新的24孔板内，添加500μL的CCK8试剂，放回培养箱中培养4小时，然后从中吸100μL培养液到96孔板内，采用酶标仪在490 nm位置，测定对应的光密度值（OD）。以未添加氮化硅的骨水泥样品为对照组。
图5为实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）、未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥的表面培养rBMSCs（骨髓间充质干细胞）不同时间的OD值柱状图（OD值即为光密度值，光密度可以用来衡量细胞增殖，光密度值越大，细胞增殖能力越强），其中，MS0表示对照组未添加氮化硅的骨水泥组、MS30表示未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组、MSD30表示实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）组。
可见实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）的细胞增殖能力最高（1天、3天、7天的光密度值分别为0.47、0.76、1.06），未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料次之（1天、3天、7天的光密度值分别为0.42、0.68、0.91），对照组未添加氮化硅的骨水泥（纯磷酸镁材料）的细胞增殖能力最低（1天、3天、7天的光密度值分别为0.32、0.54、0.69）。
实施例1、3中的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料的细胞粘附增殖情况与实施例2相当。
效果实施例5
细胞分化实验
对实施例1-3中的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥（即纯磷酸镁骨水泥）、未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料进行细胞分化实验，其中样品直径为12mm，厚度为2mm。
未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料的制备方法均与效果实施例2中相同。
细胞分化实验的具体方法如下：
采用碱性磷酸酶（ALP）测试盒，研究细胞在材料上的分化情况。先用环氧乙烷将样品进行消毒灭菌，然后放入24孔板内，在材料表面接种2.5×104个细胞/mL的大鼠骨髓间充质干细胞。采用ALP染色观察细胞在材料表面培养7、10和14天后的分化情况，细胞培养的过程中，每隔两天重新换一次细胞培养液。在对应的时间，吸去孔板中的培养基，然后用PBS缓冲液清洗孔三次。
在放有材料的孔中加入500μL浓度为1%的乙基苯基聚乙二醇溶液，以获得细胞裂解液。裂解完成之后，把1 mg/mL的P-硝基苯磷酸盐溶液在每孔加入50μL，室温下经过15min后，通过添加100μL的0.1M的NaOH溶液终止反应。最终用酶标仪在405nm的波长处测量孔中的OD值，并按照OD值计算细胞的ALP活性。以未添加氮化硅的骨水泥为对照组。结果见图6。
图6为实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）、未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥的表面培养rBMSCs不同时间的ALP活性（碱性磷酸酶活性）柱状图，其中，MS0表示对照组未添加氮化硅的骨水泥组、MS30表示未载药30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料组、MSD30表示实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）组。
由图6可知，随着细胞培养时间的延长，三种样品上的细胞ALP活性都逐渐增强。总体而言，实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）的细胞分化活性最高（4天、7天、14天ALP活性分别为0.033、0.086、0.151），未载药的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁复合材料次之（4天、7天、14天ALP活性分别为0.028、0.077、0.142），对照组未添加氮化硅的骨水泥的细胞分化活性最低（4天、7天、14天ALP活性分别为0.026、0.066、0.117 OD /min/mg protein）。所以，随着氮化硅的加入，复合材料对细胞的分化有良好的促进作用。
实施例1、3中的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料的细胞分化情况与实施例2相当。
效果实施例6
体外降解性测试
骨水泥体外降解性是在37℃的Tris-HCL溶液中浸泡84天，通过其失重率和pH变化情况来判定。
将样品（实施例1、实施例2、对照组，直径12mm，厚度2mm）浸泡在Tris-HCL中（浸泡比例20mL/g），每周更新一次Tris-HCL溶液。分别在第1、7、14、21、28、35、42、49、56、63、70和84天将材料从溶液中取出干燥并称重。
计算失重率的公式如下：
失重率=（W0-Wt）/ W0×100%
其中，W0=骨水泥初始质量，Wt=每个时间段骨水泥干重。
将样品（实施例1、实施例2、对照组，直径12mm，厚度2mm）浸泡在Tris-HCL中（浸泡比例20mL/g），每周更新一次Tris-HCL溶液。分别在第1、7、14、21、28、35、42、49、56、63、70和84天，用pH计（PhS-3C，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定其溶液pH值。
采用SEM 对浸泡21天、35天的实例2进行表面形态观察。
测试结果见图7、图8、图9。
图7是将实施例2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）浸泡在Tris-HCL（三羟甲基氨基甲烷）中不同时间的SEM图片，其中图7a、图7b、图7c为浸泡21天后的SEM图片，图7d、图7e、图7f为浸泡35天后的SEM图片。由图7a~7f可知，降解21天、35天后材料表面均沟壑纵横、粗糙不平，但程度不同，降解35天后明显材料损失较多，且材料呈现针状外表。故随着时间的增加，纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料的降解程度提高。
图8为实施例1~2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥浸泡在Tris-HCL中不同时间节点的失重率曲线图，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、MS0为对照组未添加氮化硅的骨水泥。结果表明，随着氮化硅含量的提升，实施例2的降解速度最快。实施例2在Tris-HCl溶液中浸泡12周后失重率为44.3wt%，而实例1和对照组在Tris-HCl溶液中浸泡12周后失重率分别为32.2wt%和25.1wt%，随着氮化硅加入量提升，复合材料的降解性获得较为显著的增强。失重率实验的结果同SEM观察的结果相符。
图9为实施例1~2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、对照组未添加氮化硅的骨水泥的浸泡在Tris-HCL中不同时间的溶液pH变化曲线，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料、MS0为对照组未添加氮化硅的骨水泥。从图中可以看出，MS0的pH值在12周的时间内从7.43下降至7.23，MS15在前四周的pH值由7.4下降到7.24，从4周至12周，pH值又从7.25上升到7.38，MS30在前四周的pH值由7.4下降到7.26，从4周至12周，pH值又从7.27上升到7.44。这表明，开始阶段少量未反应的磷酸二氢钠降解到溶液中，而磷酸二氢钠呈酸性，导致溶液中pH先下降，随后趋于平稳。氮化硅的加入能够改变溶液中的pH值，当复合骨水泥中的氮化硅溶解进溶液中后，就会引起溶液中的pH值的提高。由上述分析可知，氮化硅能够起到调控复合骨水泥pH值的效果，这也将复合骨水泥降解后pH的改变保持在一种可控的状态。
效果实施例7
抗压强度测试
测定抗压强度样品的规格是直径6mm，高度12mm，用电子万能试验机（E42.503，优鸿测控技术（上海）有限公司）对样品（实施例1~2、对照组）的抗压强度进行测试，将固化后的骨水泥样品置于材料万能试验机上，保证样品与仪器接触面平滑，以恒定速度（1mm/min）进行抗压强度检测，考察固化样品的抗压强度。测试结果如图10所示。由图10可知，复合材料的强度随着氮化硅的加入而增加，其中，实施例2最高，为73.6MPa，实施例1次之，为52.7MPa，对照组最低，为32.2MPa。
效果实施例8
药物缓释实验
将实施例1~2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药）放入真空干燥箱中37℃干燥，将干燥后的材料放入10ml装有PBS（pH=7.0）的离心管中探究药物缓释的情况，整个药物缓释实验在37℃恒温震荡箱中进行。在第1、3、5、7、14、21、28天取上清液200μL，用酶标仪测吸光度值，同时向离心管中补充200μL PBS（pH=7.0）溶液。然后通过标准曲线计算每个时间段二苯乙烯苷的累积释放量。
图11为实施例1~2的纳米氮化硅-磷酸镁骨水泥复合骨修复材料（载药） 的体外缓释曲线图，其中，MS15为实施例1的15wt%纳米氮化硅与85wt%磷酸镁复合材料，MS30为实施例2的30wt%纳米氮化硅与70wt%磷酸镁骨水泥复合骨修复材料。实施例1在前五天表现出突释行为，其释放量约59%，而28天释药量只有87%。实施例2 前五天释放量为54%，28天释药量为95%。两组材料在开始的一段时间释药速度较快，是因为这一阶段是释放的药物是在材料表面吸附的药物，后期释放较缓慢是因为此时释放的是材料内部的药物。
本发明制得的磷酸镁骨水泥复合材料，生物活性优良，成骨性能显著提高，为生物活性骨修复或替代材料的制备提供了重要实验基础。
以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (16)

1. 一种骨修复材料组合物，其包含骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包含氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (1.5-9)。
2.权利要求1所述的骨修复材料组合物，其中所述纳米氮化硅的粒径为10~50nm，优选为20~30nm。
3. 权利要求1或2所述的骨修复材料组合物，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (2-8)，优选地，所述重量比1:2、1：2.33、1:3、1:4、1:5、1:6或者1:7，更优选地，所述重量比为1：2.33。
4.前述权利要求中任一项所述的骨修复材料组合物，其中基于所述骨修复材料组合物的总重量，所述纳米氮化硅占约15-30wt%，和/或所述骨水泥组分占约70-85wt%。
5.前述权利要求中任一项所述的骨修复材料组合物，其还包含用于骨修复的药物，所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。
6.权利要求5所述的骨修复材料组合物，其中所述药物负载在纳米氮化硅上。
7.根据前述权利要求中任一项的骨修复材料组合物，其中所述氧化镁和所述磷酸二氢钠的摩尔比为约1:1。
8.根据前述权利要求中任一项的骨修复材料组合物，其中所述氧化镁的粒径为20~50µm。
9.根据前述权利要求中任一项的骨修复材料组合物，其还包含固化液。
10.根据权利要求9的骨修复材料组合物，其中所述固化液是没食子酸水溶液，其中所述没食子的浓度为约30μm/L。
11. 一种制备骨修复材料的方法，其包括以下步骤：
a) 提供骨水泥组分和纳米氮化硅，其中所述骨水泥组分包括：氧化镁和磷酸二氢钠，其中所述纳米氮化硅与骨水泥组分的重量比为1: (1.5-9)；和
b) 将所述骨水泥组分和纳米氮化硅与固化液混合，其中所述固化液是没食子酸水溶液。
12.根据权利要求11所述的方法，其还包括将所述纳米氮化硅浸渍于用于骨修复的药物溶液中，从而获得负载药物的纳米氮化硅的步骤，其中所述药物选自促进成骨、抗骨质疏松和抗感染的药物，优选地，所述药物为葛根素。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述药物溶液的浓度为100~200μmol/L，和/或所述浸渍的时间为2~3h。
14.一种骨修复材料，其通过权利要求11-13中任一项的方法制备。
15.根据权利要求1-10任一项的骨修复材料组合物在制备用于治疗骨科疾病的骨修复材料中的用途。
16.根据权利要求15的用途，其中所述骨科疾病选自：骨质疏松症、骨折、全身性骨代谢疾病和骨缺损。
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