CN113289058A - 一种具有生物活性的新型复合骨水泥 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有生物活性的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂包括如下质量百分比含量的组分：39％～84.3％的聚甲基丙烯酸甲酯微球、5％～15％的二氧化锆、0.5％～3％的过氧化苯甲酰、0.2％～2％的硫酸庆大霉素、10％～41％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须，液体包括如下质量比百分比含量的组分：98％～99.6％的甲基丙烯酸甲酯、0.4％～2％的N,N‑二甲基对甲苯胺，将粉剂、液体混合，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥；在体外模拟人体体液中能诱导类骨磷灰石在骨水泥表面沉积，在动物模型兔体内能促进新骨在骨水泥与骨组织界面处生长，表现出较好的生物活性和促成骨能力，该骨水泥抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量均高于常规骨水泥。

Description

一种具有生物活性的新型复合骨水泥
技术领域
本发明涉及生物医用高分子材料领域，尤其涉及一种具有良好生物活性的新型复合骨水泥，能够在体外模拟人体体液中诱导类骨磷灰石形核沉积、在体内能促进新骨生长，使骨水泥与骨组织间的界面结合由机械连锁替代为骨性结合，从而降低无菌性炎症及松动，延长关节假体在人体内的使用寿命。
背景技术
经多年的临床实践及术后追踪，常规使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)骨水泥存在一定的性能缺陷，主要表现为：本身不降解，与周边骨组织融合性较差，依靠机械连锁与骨组织连接，这种物理连接机制容易在材料变形和损耗时失效；缺乏生物活性，不利于骨细胞的粘附和生长，无法与宿主骨组织形成骨性结合。以上缺陷会导致关节假体在植入体内后出现非菌性炎症或松动，甚至被纤维膜包围而与周边骨组织隔离。患者不得不接受多次重复治疗，增加了经济负担；且多数病患为成骨能力较差的中老年人，身体条件难以承受。近些年骨水泥固有缺陷造成假体移植年限缩短的问题日益凸显，弥补材料缺陷开始得到重视。
针对PMMA骨水泥的生物活性改性的思路可分为以下3类：(1)模仿骨组织工程学，借助生长因子和种子细胞成骨，该类生物活性改性主要凭借PMMA骨水泥可用于载药的特性，以其为生长因子和种子细胞的载体，利用生长因子的诱导作用促使种子细胞分化成骨。但MMA聚合放热使得骨水泥短期升温至80℃以上，生长因子存在失活的风险，必须额外添加材料降低固化热效应。(2)依据模拟人体体液(SBF)中磷灰石在Bioglass45S5生物玻璃上的沉积机理，通过二元组合添加赋予骨水泥生物活性，其特点是将含有Si-OH基、-PO4H2基或-COOH基等表面官能团的液态有机单体添加至MMA，Na+、K+、Ca2+活性离子的可溶盐部分取代PMMA微球，通过表面官能团吸引Ca2+、HPO4 2-和OH-到表面富集、活性离子释放提高离子活度积(IAP)的双重作用，赋予PMMA骨水泥生物活性进而促进新骨生长。但由于有机添加物自身强度较低，造成改性后骨水泥的力学性能变差。(3)添加生物活性陶瓷，构建具有生物活性的复合骨水泥，该类研究主要是在骨水泥粉剂中添加HAP、A-W微晶玻璃、TiO2等生物陶瓷，利用陶瓷本身良好的生物相容性和生物活性诱导磷灰石沉积，再通过巨噬细胞吞噬、成骨细胞增殖分化及基质晶化生成新骨，赋予PMMA骨水泥生物活性。但PMMA基体内部的活性材料丧失其改性的作用，为了缩短成骨期而增大添加量的做法会恶化基体的力学性能。
但是上述改性思路各自存在弊端，仍然不能得到性能理想的骨水泥材料。
发明内容
本发明利用锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)的性能优势，通过机械复合使PMMA骨水泥在具有生物活性和促成骨能力的同时，其力学性能明显增强、固化性能满足ISO5833的要求；该复合骨水泥可作为椎体及椎体后凸成形、髋(膝)关节置换的填充材料，用于治疗脊柱压缩性骨折和固定关节假体。
本发明制备复合骨水泥的技术方案如下：
一种具有生物活性的新型复合骨水泥材料，原材料包括粉剂、液体，粉剂包括如下质量比百分比含量的组分：39％～84.3％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、5％～15％的二氧化锆(ZrO2)、0.5％～3％的过氧化苯甲酰(BPO)、0.2％～2％的硫酸庆大霉素、10％～41％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体包括如下质量比百分比含量的组分：98％～99.6％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、0.4％～2％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)。
所述二氧化锆(ZrO2)替换为硫酸钡(BaSO4)。
所述聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为50000～120000；数均分子量Mn为25000～96000；微球尺寸为7～38μm。
所述粉剂、液体的质量体积比为1.0～3.0g/mL。
所述锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶为钙摩尔量的1％～10％，镁为钙摩尔量的1％～5％。
所述锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照比例配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清得到澄清液；
(2)调节步骤(1)澄清液的pH值为1.75～3.50；
(3)将步骤(2)溶液装入反应釜进行水热反应，反应后陈化8～24h，清洗、干燥，得到锶镁共掺羟基磷灰石晶须。
步骤(1)澄清液中硝酸钙的浓度为0.01～2mol/L，磷酸二氢铵的浓度为0.005～1mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的5～20倍。
步骤(2)使用浓硝酸、浓氨水调节pH值，浓硝酸与步骤(1)使用的浓硝酸相同，浓硝酸和浓氨水均为市购常规试剂，市售浓硝酸质量分数约为68％，市售浓氨水为工业一级品，质量分数为22-25％。
步骤(3)水热反应温度为160～220℃，反应时间为5～24h。
本发明具有生物活性的新型复合骨水泥材料的制备方法如下：按原料按比例称取粉剂后，用调刀搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.0～3.0g/mL质量体积比混合，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
本发明的有益效果如下：
1、本发明水热均相沉淀法合成SrMg-HAPw，其主相为羟基磷灰石，具有一定的择优生长取向，结晶度满足85.13％～99.18％，其基本形貌为晶须，长度为50.5～500.8μm，直径为0.2～5.4μm，平均长径比为68.3±22.8～250.3±47.2。
2、本发明通过调控锶镁掺量、硝酸钙和磷酸二氢铵的摩尔浓度及比例、沉淀剂乙酰胺用量、水热反应温度和时间等来调控SrMg-HAPw的成分、结构和晶须长径比等；再通过调控粉剂及液体各组分的质量百分比、粉液混合比、PMMA微球分子量及颗粒尺寸等来制备新型复合骨水泥，使其表现出较好的生物活性和促成骨能力，力学性能明显提高，固化性能满足ISO5833的要求。
3、本发明新型复合骨水泥在37±1℃、pH＝7.40±0.02的模拟人体体液(Simulated Body Fluid，SBF)中浸泡14天即可诱导球形类骨磷灰石形核沉积，浸泡21天沉积的类骨磷灰相互团聚并扩展成层；与生物惰性的纯PMMA骨水泥相比，SrMg-HAPw赋予了PMMA骨水泥诱导磷灰石形核沉积的能力，与添加纯HAP晶须复合骨水泥长达28天的诱导沉积期相比，锶、镁掺杂有助于缩短磷灰石的沉积期。
3、小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1细胞)、人胚胎成骨细胞(hFOB1.19)在本发明新型复合骨水泥浸提液中培养7天和14天后，其细胞相对增殖度(RGR)均大于100％，与纯PMMA样品相比，SrMg-HAPw能促进细胞增殖，且在较高掺杂量下Sr、Mg元素的作用更为明显。
4、本发明新型复合骨水泥移植到骨缺损动物模型(兔桡骨缺损15cm)，未发现明显的排斥反应及炎症反应，表明其具有良好的组织相容性；术后16周动物模型兔右桡骨中段骨缺损区的远、近截骨端髓腔实现再通，骨缺损区得到修复，且与复合骨水泥形成连续性骨连接，复合骨水泥表现出良好的促成骨能力。
5、本发明新型复合骨水泥按照国际标准ISO 5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量，其抗压强度、抗弯强度以及抗弯弹性模量均高于纯PMMA骨水泥，添加SrMg-HAPw能提高PMMA骨水泥的力学性能。
6、本发明新型复合骨水泥按照国际标准ISO 5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其固化性能，其面团时间、固化时间以及最高放热温度均满足国际标准ISO5833的相关对应要求：注射形式使用时的固化时间6.5min～15min；以面团形式使用时面团时间≤5±1.5min，固化时间3min～15min；最高放热温度≤90±5℃；本发明新型复合骨水泥适用于治疗脊柱压缩性骨折和固定关节假体，可作为椎体及椎体后凸成形、髋(膝)关节置换的填充材料；本发明新型复合骨水泥表现出的无细胞毒性、较好的生物相容性和生物活性，能够降低植入体内后出现非菌性炎症或松动的几率，实现材料与骨组织间的骨性连接，达到延长关节假体使用寿命、避免重复治疗的目的。
7、本发明新型复合骨水泥材料以SrMg-HAPw为添加剂，利用SrMg-HAPw中羟基磷灰石较好的生物学性能和Sr、Mg元素在成骨方面的生理作用、晶须形态较高的力学强度及“纤维增韧”作用，在赋予PMMA骨水泥诱导磷灰石沉积、促进新骨生长的同时，进一步提高力学性能，以解决现有商业PMMA骨水泥的临床缺陷。
附图说明
图1为实施例1锶镁共掺羟基磷灰石晶须(Sr(3％)Mg(1％)-HAPw)的X射线衍射(XRD)图谱；
图2为实施例2锶镁共掺羟基磷灰石晶须(Sr(1％)Mg(2％)-HAPw)的SEM图和EDS能谱(a为SEM图，b为EDS能谱)；
图3为实施例3锶镁共掺羟基磷灰石晶须(Sr(3％)Mg(5％)-HAPw)的傅立叶红外(FT-IR)光谱和透射电镜(TEM)图及衍射斑(a为FT-IR光谱，b为透射电镜(TEM)及衍射斑)；
图4为实施例4MC3T3-E1细胞、hFOB1.19细胞在浓度为0.1～0.5g/mL的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(Sr(10％)Mg(3％)-HAPw)浸提液中培养24h后的细胞相对增殖度；
图5为纯PMMA骨水泥、实施例5新型复合骨水泥在37±1℃、pH＝7.40±0.02的模拟人体体液(SBF)浸泡后7天、14天和21天后的表面形貌和EDS能谱(a为纯PMMA骨水泥的表面形貌，b为新型复合骨水泥的表面形貌，c为新型复合骨水泥沉积磷灰石的EDS能谱)；
图6为MC3T3-E1细胞、hFOB1.19细胞在实施例6新型复合骨水泥浸提液中培养24h后的细胞相对增殖度(RGR)；
图7为实施例8新型复合骨水泥移植到动物模型兔桡骨缺损15cm处植入时的术中、术后光学影像照片(a为术中、b为术后、c为术后16周)；
图8为实施例9新型复合骨水泥在未浸泡、SBF浸泡21天后的抗压强度和应力-应变曲线(a为抗压强度，b和c分别为未浸泡时和SBF浸泡21天后的应力-应变曲线)；
图9为实施例10新型复合骨水泥的抗弯强度和抗弯弹性模量以及应力-应变曲线(a为抗弯强度和抗弯弹性模量，b为应力-应变曲线)；
图10为实施例13新型复合骨水泥的固化特性曲线。
具体实施方式
以下实施例是针对本发明的材料特征和制备方法所展开的一系列详细描述，不能凭此理解为是对本发明权利要求的限制。还需指出的是，在不脱离本发明构思的前提下所做出的若干替换和改进，都属于本发明的保护范围。如未特别说明，本发明使用的原料均为市购常规产品，使用的浓硝酸和浓氨水均为市购常规试剂，市售浓硝酸质量分数约为68％，市售浓氨水为工业一级品，质量分数为22-25％。
实施例1
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有39％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、15％的二氧化锆(ZrO2)、3％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、41％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.0g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
本实施例使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为120000、数均分子量Mn为96000、微球尺寸范围为7～38μm。
本实施例使用的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的3％，镁的摩尔量为钙摩尔量的1％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；硝酸钙的摩尔浓度为0.05mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.03mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的10倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用质量分数25％浓氨水调节步骤(1)的澄清液pH值至2.75；
(3)将步骤(1)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为180℃，反应时间为10h，反应结束后陈化10h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(3％)Mg(1％)-HAPw。
本实施例制成Sr(3％)Mg(1％)-HAPw的X射线衍射(XRD)图谱及晶体结构信息分别见图1和表1，由图1可知：水热合成的Sr(3％)Mg(1％)-HAPw其主相为羟基磷灰石(HAP)，掺锶造成X射线衍射峰朝小角度偏移，衍射峰I(300)/I(002)、I(300)/I(210)的峰强比高于标准卡片JCPDS09-0432，材料存在一定的择优生长取向；由表1可知，经JADE6.0计算得出的晶胞参数
Figure BDA0003013314340000051
晶胞体积
Figure BDA0003013314340000052
结晶度为96.53％。
表1
Figure BDA0003013314340000061
实施例2
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有84.3％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、5％的硫酸钡(BaSO4)、0.5％的过氧化苯甲酰(BPO)、0.2％的硫酸庆大霉素、10％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有99.6％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、0.4％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按3.0g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
本实施例使用的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为50000、数均分子量Mn为25000、微球尺寸范围为7～14μm。
本实施例使用的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的1％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.1mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.05mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的15倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)的澄清液pH值至2.05；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为200℃，反应时间为8h，反应结束后陈化8h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(1％)Mg(2％)-HAPw。
本实施例制成的Sr(1％)Mg(2％)-HAPw的扫描电镜形貌(SEM)及EDS能谱分别见图2(a)和图2(b)，由图2(a)可知：Sr(1％)Mg(2％)-HAPw的形貌为单根、独立生长的晶须，其长度为126～313μm，直径为1.0～3.8μm，平均长径比105.7±30.3；由图2(b)可知，EDS能谱中出现了Sr、Mg元素的特征峰，表明其已顺利进入羟基磷灰石晶格并取代Ca，由能谱的定量结果计算可知：预设掺锶量1％、掺镁量2％的Sr(1％)Mg(2％)-HAPw，其实际掺锶量和掺镁量分别为0.62％和1.96％，镁掺杂的量与预设值较为符合。
实施例3
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有66.2％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、7％的硫酸钡(BaSO4)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、1.5％的硫酸庆大霉素、24.3％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.3％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.7％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.2g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为100000、数均分子量Mn为50000、微球尺寸范围为15～27μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的3％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为2mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为1mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的20倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓氨水调节步骤(1)澄清液pH值至3.50；
(3)将上述混合澄清液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为220℃，反应时间为5h，反应结束后陈化24h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(3％)Mg(5％)-HAPw。
本实施例制成Sr(3％)Mg(5％)-HAPw原料的傅立叶红外光谱(FT-IR)以及透射电镜(TEM)结果分别见图3(a)和图3(b)，由图3(a)可知：Sr(3％)Mg(5％)-HAPw的FT-IR光谱上主要显示的是OH-、H2O、HPO4 2-、PO4 3-、CO3 2-基团的振动峰，除了羟基磷灰石特有的振动峰外，出现CO3 2-基团则表明有部分乙酰胺在水解生成CO2溶于溶液，以CO3 2-的形式参与了均相沉淀反应并取代OH-基团；由图3(b)可知，Sr(3％)Mg(5％)-HAPw的透射电镜形貌及其衍射班，形貌上进一步肯定合成材料为细长纤维，衍射斑为HAPw的(002)、(110)晶面，其晶带轴为[-220]，材料沿六方晶系[001](c轴)方向生长。
实施例4
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有78％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、5％的二氧化锆(ZrO2)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、1.8％的硫酸庆大霉素、14.2％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.8％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.2％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.0g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为110000、数均分子量Mn为88000、微球尺寸范围为13～31μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的10％，镁的摩尔量为钙摩尔量的3％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.01mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.005mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的5倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至1.75；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为160℃，反应时间为24h，反应结束后陈化8h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(10％)Mg(3％)-HAPw。
本实施例制成的Sr(10％)Mg(3％)-HAPw分别采用小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)以及人胚胎成骨细胞(hFOB1.19)测试其细胞毒性，按0.1、0.2、0.3、0.4和0.5g/mL的浓度，将不同质量的Sr(10％)Mg(3％)-HAPw投入完全培养基(对于MC3T3-E1细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素；对于hFOB1.19细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM/F12、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素)，静置24h并离心后制成Sr(10％)Mg(3％)-HAPw的浸提液，将小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)以及人胚胎成骨细胞(hFOB1.19)的第二代细胞按1×105cells/cm2的细胞密度，加入每孔含100μL浸提液的96孔板中，在37℃含5％CO2的湿化气氛下培养24h，相对增殖度(RGR)结果见图4，由图4可知，MC3T3-E1细胞和hFOB1.19细胞在所有浸提液浓度下的相对增殖度为88.3％～123.4％，均大于80％，根据国际标准ISO10993，Sr(10％)Mg(3％)-HAPw材料的细胞毒性反应等级为0级或1级，判定无细胞毒性，表现出良好的体外生物相容性；另外在较高的浓度下，Sr、Mg元素具有一定的促细胞增殖作用。
实施例5
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有66％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、9.4％的二氧化锆(ZrO2)、1.6％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、21％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.5％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.5％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.0g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为120000、数均分子量Mn为96000、微球尺寸范围为30～35μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的3％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.1mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.06mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的12倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓氨水调节步骤(1)澄清液pH值至3.20；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为185℃，反应时间为11h，反应结束后陈化13h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(3％)Mg(2％)-HAPw。
将本实施例制成的新型复合骨水泥塑形成10mm×15mm×1mm的薄片，并用1000#SiC砂纸轻微打磨表面，随后投入装有35mL SBF的塑料瓶中，并置于37±1℃的恒温箱中分别浸泡7天、14天、21天，以未复合的纯PMMA骨水泥采用同样的处理方法作为对照，SBF浸泡后骨水泥样品的表面SEM电镜形貌及EDS能谱分别见图5(a)和图5(b)、图5(c)，由图5(a)可知，未复合的纯PMMA骨水泥浸泡时间延长至21天其表面仍无沉积物，呈生物惰性；图5(b)新型复合骨水泥在SBF浸泡14天后表面出现类骨磷灰石沉积物，浸泡时间延长至21天时，沉积物明显增多且相互团聚扩展成层，覆盖于整个骨水泥表面，表现出较好的体外生物活性，由图5(c)可知，浸泡21天后，新型复合骨水泥表面类骨磷灰石沉积物的Ca/P摩尔比1.43，小于1.67，为钙不足型类骨磷灰石。
实施例6
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有54％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、12％的硫酸钡(BaSO4)、0.5％的过氧化苯甲酰(BPO)、0.5％的硫酸庆大霉素、33％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.4％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.6％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.3g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为50000、数均分子量Mn为40000、微球尺寸范围为8～17μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)共5种，第一种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的1％，镁的摩尔量为钙摩尔量的1％；第二种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的7％，镁的摩尔量为钙摩尔量的1％；第三种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的1％，镁的摩尔量为钙摩尔量的3％；第四种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的7％，镁的摩尔量为钙摩尔量的3％；第五种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的9％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.01mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.005mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的17倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓氨水调节步骤(1)澄清液pH值至2.85；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为175℃，反应时间为22h，反应结束后陈化20h，去离子水清洗，室温干燥，得到5种产物Sr(1％)Mg(1％)-HAPw、Sr(7％)Mg(1％)-HAPw、Sr(1％)Mg(3％)-HAPw、Sr(7％)Mg(3％)-HAPw和Sr(9％)Mg(5％)-HAPw。
将本实施例制成的新型复合骨水泥塑形成φ6mm×4mm的圆柱，再分别浸泡于75％的消毒酒精和磷酸盐缓冲液(PBS)各12h，按表面积与培养基体积比例3cm2/mL，将其投入0.43mL完全培养基(对于MC3T3-E1细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素；对于hFOB1.19细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM/F12、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素)，于37℃静置24h并0.2μm无菌过滤后制成骨水泥浸提液，将第二代MC3T3-E1细胞和hFOB1.19细胞按1×105cells/cm2的细胞密度，分别加入对应的每孔含100μL完全培养基的96孔板中，在37℃含5％CO2的湿化气氛下培养24h，随后用等量的骨水泥浸提液替换完全培养基，再置于同样的环境下培养24h，依据国家标准GB/T16886.12-2005规定的方法检测新型复合骨水泥浸提液中细胞的相对增殖度(RGR)，并根据国际标准ISO10993判断对应的毒性等级，新型复合骨水泥体外细胞毒性测试结果见图6，由图6可知，MC3T3-E1细胞和hFOB1.19细胞在5种新型复合骨水泥样品中的相对增殖度(RGR)为89.3％～120％，均大于80％，根据国际标准ISO10993，这5种由不同锶镁掺量SrMg-HAPw原料制成的新型复合骨水泥，其细胞毒性反应等级为0级或1级，判定无细胞毒性，表现出良好的体外生物相容性。
实施例7
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有41％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、15％的二氧化锆(ZrO2)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、41％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.5g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为65000、数均分子量Mn为52000、微球尺寸范围为25～38μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的10％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.23mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.15mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的18倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至2.20；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为165℃，反应时间为22h，反应结束后陈化14h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(10％)Mg(5％)-HAPw。
将本实施例制成的新型复合骨水泥塑形成φ6mm×4mm的圆柱，再分别浸泡于75％的消毒酒精和磷酸盐缓冲液(PBS)各12h，按表面积与培养基体积比例3cm2/mL将其投入0.43mL完全培养基(对于MC3T3-E1细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素；对于hFOB1.19细胞，完全培养基按体积百分比含有89％的DMEM/F12、10％的胎牛血清以及1％的青霉素/链霉素双抗生素)，于37℃静置24h并0.2μm无菌过滤后制成骨水泥浸提液，将第二代MC3T3-E1细胞和hFOB1.19细胞按1×105cells/cm2的细胞密度分别加入对应的每孔含100μL完全培养基的96孔板中，在37℃含5％CO2的湿化气氛下培养24h，随后用等量的骨水泥浸提液替换培养基，在同样的环境下持续培养7天和14天，期间每隔2天换一次浸提液，依据国家标准GB/T16886.12-2005规定的方法检测上述细胞的相对增殖度(RGR)。经检测，MC3T3-E1细胞在骨水泥浸提液中培养7天和14天后的细胞相对增殖度为113.2％±5.7％、141.2％±10.3％，hFOB1.19细胞的细胞相对增殖度为117.4％±4.8％、153.5％±14.3％，细胞增殖度均大于100％，且随着培养时间的增加，增殖度上升，新型复合骨水泥依靠Sr(10％)Mg(5％)-HAPw原料能够明显促进细胞增殖。
实施例8
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有50％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、10％的硫酸钡(BaSO4)、0.5％的过氧化苯甲酰(BPO)、1.5％的硫酸庆大霉素、38％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.6％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.4％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.7g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为78000、数均分子量Mn为39000、微球尺寸范围为22～34μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的5％，镁的摩尔量为钙摩尔量的4％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.85mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.65mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的13倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至2.25；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为205℃，反应时间为17h，反应结束后陈化17h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(5％)Mg(4％)-HAPw。
将本实施例制成新型复合骨水泥移植到动物模型兔桡的骨缺损处，通过影像学X光对新型复合骨水泥的成骨能力进行了评估，其术中、术后以及术后16周的光学影像照片分别如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示，由图7(a)为兔桡骨终端15mm处的缺损在植入本例复合骨水泥时的术中情况；由图7(b)可知，复合骨水泥在植入后，未发现明显的排斥反应及炎症反应，材料具有较好的体内生物相容性；由图7(c)可知，术后16周右桡骨中段骨缺损处的远、近截骨端髓腔实现再通，原截骨端与该复合骨水泥形成连续的骨性连接，缺损段靠新生骨得到修复，材料表现出良好的促成骨能力。
实施例9
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有63％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、11％的硫酸钡(BaSO4)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、23％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.4％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.6％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.6g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为93600、数均分子量Mn为52000、微球尺寸范围为11～19μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)共5种，第一种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的2％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％；第二种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的2％，镁的摩尔量为钙摩尔量的4％；第三种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的4％，镁的摩尔量为钙摩尔量的4％；第四种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的6％，镁的摩尔量为钙摩尔量的4％；第五种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的6％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％，其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为1.2mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.75mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的11倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至2.40；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为190℃，反应时间为11h，反应结束后陈化9h，去离子水清洗，室温干燥，得到5种产物Sr(2％)Mg(2％)-HAPw、Sr(2％)Mg(4％)-HAPw、Sr(4％)Mg(4％)-HAPw、Sr(6％)Mg(4％)-HAPw和Sr(6％)Mg(5％)-HAPw。
本实施例制成的5种新型复合骨水泥，按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其抗压强度，试样为尺寸φ6mm×12mm的圆柱，十字头下压位移速度设定为20mm/min，取应变-应力曲线上先出现的2％偏移强度或上屈服点强度作为其抗压强度，测试对象为未浸泡SBF和SBF浸泡21天后的上述骨水泥试样，其SBF浸泡前后抗压强度、未浸泡时的应力-应变曲线以及SBF浸泡21天后的应力-应变曲线分别见图8(a)、8(b)和8(c)，由图8(a)可知，新型复合骨水泥浸泡前的抗压强度为100.8±4.0MPa～104.5±2.7MPa，SBF浸泡21后骨水泥的抗压强度94.6±4.0MPa～105.5±3.5MPa，尽管SBF浸泡导致骨水泥强度有所下降，但仍然满足ISO5833对抗压强度≥70MPa的要求，对比图8(b)和图8(c)可知，由5种不同锶镁掺量SrMg-HAPw原料制成的新型复合骨水泥，其对应应力-应变曲线的线性区基本不变，表明新型复合骨水泥的抗压弹性模量不受SBF浸泡的影响。
实施例10
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有58％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、15％的二氧化锆(ZrO2)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、24％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有98.3％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.7％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按1.6g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为68000、数均分子量Mn为34000、微球尺寸范围为7～27μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)共3种，第一种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的1％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％；第二种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的3％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％；第三种SrMg-HAPw中锶的摩尔量为钙摩尔量的3％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.0167mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.01mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的8倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至2.55；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为200℃，反应时间为16h，反应结束后陈化22h，去离子水清洗，室温干燥，得到3种产物Sr(1％)Mg(2％)-HAPw、Sr(3％)Mg(2％)-HAPw和Sr(3％)Mg(5％)-HAPw。
本实施例制成的新型复合骨水泥，按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其抗弯强度及抗弯弹性模量，采用四点弯曲测量法，试样尺寸为75mm×10mm×3.3mm，十字头下压位移速度设定为5mm/min，取样品断裂时的强度作为其抗弯强度，新型复合骨水泥的抗弯强度和抗弯弹性模量、应力-应变曲线分别见图9(a)和图9(b)，由图9(a)可知，由3种不同锶镁掺量Sr-HAPw制成的新型复合骨水泥，其抗弯强度为66.5±6.5MPa～71.0±5.6MPa，抗弯弹性模量3.88±0.15GPa～3.93±0.14GPa，与未复合的纯PMMA骨水泥样品相比，新型复合骨水泥的抗弯强度和抗弯弹性模量更好，且满足ISO5833对抗弯强度≥70MPa、抗弯弹性模量≥1.8GPa的要求，表明SrMg-HAPw依靠其晶须力学特性能够显著改善骨水泥的抗弯性能，由图9(b)可知，随着锶镁元素掺量增加，断裂点处的延伸率增加，相比于未复合的纯PMMA骨水泥，新型复合骨水泥的抗变形能力有所增加。
实施例11
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，共有3种产品，粉剂按质量百分比计，含有13.5％的二氧化锆(ZrO2)、3％的过氧化苯甲酰(BPO)、1.5％的硫酸庆大霉素且量固定，第一个种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为66％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为16％；第二个种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为58％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为24％；第三个种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为49％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为33％；液体按质量百分比计，含有98.7％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.3％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.1g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为55000、数均分子量Mn为44000、微球尺寸范围为25～34μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的5％，镁的摩尔量为钙摩尔量的5％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为0.334mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.186mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的9倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓氨水调节步骤(1)澄清液pH值至3.15；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为180℃，反应时间为13h，反应结束后陈化15h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(5％)Mg(5％)-HAPw。
本实施例制成的新型复合骨水泥，按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其抗压强度、抗弯强度及抗弯弹性模量，抗压测试时，试样尺寸为φ6mm×12mm，十字头下压位移速度为20mm/min，取应变-应力曲线上先出现的2％偏移强度或上屈服点强度作为其抗压强度，抗弯测试时，采用四点弯曲测量法，试样尺寸为75mm×10mm×3.3mm，十字头下压位移速度设定为5mm/min，取样品断裂时的强度作为其抗弯强度，该系列新型复合骨水泥的力学性能见表2，由表2可知，该新型复合骨水泥的抗压强度89.3±10.5MPa～107.6±6.2MPa，抗弯强度为64.2±4.7MPa～75.5±6.3MPa，抗弯弹性模量为3.57±0.36GPa～3.85±0.17GPa，其力学性能均高于未复合的纯PMMA骨水泥，且满足ISO5833的相关要求，随着Sr(10％)Mg(5％)-HAPw原料添加量的增加，新型复合骨水泥的力学性能呈先增大后减小的趋势，当Sr(10％)Mg(5％)-HAPw含量为24％时，骨水泥的力学性能最优。
表2
Figure BDA0003013314340000161
实施例12
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，粉剂按质量百分比计，含有60％的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球、13％的硫酸钡(BaSO4)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素、24％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)，液体按质量百分比计，含有99.5％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、0.5％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料按比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.1g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为81000、数均分子量Mn为66000、微球尺寸范围为15～25μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的6％，镁的摩尔量为钙摩尔量的3％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为1.67mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为1mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的14倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓硝酸调节步骤(1)澄清液pH值至1.95；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为210℃，反应时间为7h，反应结束后陈化16h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(6％)Mg(3％)-HAPw。
本实施例制成的新型复合骨水泥，按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其固化性能；具体是，将该新型复合骨水泥的非粘性面团嵌入φ60mm×5mm圆盘模具中，用测温热感探头接触底部圆截面，探头的另一端连接热温记录仪；从粉液混合时开始记录数据，直到面团完全固化并逐步降温后结束，根据记录数据，选择放热最高峰值作为PMMA骨水泥的最高放热温度，固化时间为固化温度在时间-温度曲线上的对应值，经检测，该新型复合骨水泥的固化时间为8.5±0.5min，最高放热温度为77.3±1.8℃，分别满足国际标准ISO5833对骨水泥以注射器形式使用时固化时间6.5min～15min，最高放热温度≤90±5℃的相应要求。
实施例13
一种具有生物活性同时力学性能增强的新型复合骨水泥，原材料包括粉剂、液体，共有3种产品，粉剂按质量百分比计，含有15％的二氧化锆(ZrO2)、1％的过氧化苯甲酰(BPO)、2％的硫酸庆大霉素且量固定，第一个种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为61.5％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为20.5％；第二种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为53.3％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为28.7％；第三种产品中聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球含量为45.1％，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)含量为36.9％；液体按质量百分比计，含有98.8％的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、1.2％的N，N-二甲基对甲苯胺(DmpT)；粉剂按上述各原料比例称取后，用调刀持续搅拌直至均匀，粉剂、液体按2.2g/mL混合比混合后，经搅拌、静置、塑形、固化得到新型复合骨水泥。
聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的重均分子量Mw为74000、数均分子量Mn为52000、微球尺寸范围为25～34μm。
锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)采用水热均相沉淀法合成，锶镁共掺羟基磷灰石晶须(SrMg-HAPw)中锶的摩尔量为钙摩尔量的5％，镁的摩尔量为钙摩尔量的2％；其主要制备步骤如下：
(1)配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清；澄清液中硝酸钙的摩尔浓度为1.67mol/L，磷酸二氢铵的摩尔浓度为0.835mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的16倍；按比例添加硝酸锶、硝酸镁；
(2)用浓氨水调节步骤(1)澄清液pH值至2.65；
(3)将步骤(2)的溶液装入反应釜进行水热反应；水热反应温度为170℃，反应时间为14h，反应结束后陈化11h，去离子水清洗，室温干燥，得到产物Sr(5％)Mg(2％)-HAPw。
本实施例制成的新型复合骨水泥，按照国际标准ISO5833：2002(E)正文和附录A至F的规定测试其以面团形式使用时的面团时间，固化时间和最高放热温度，3个系列产品的固化特性曲线和具体性能参数分别见图10和表3，由图10知，随着Sr(5％)Mg(2％)-HAPw含量的增加，粉液混合均匀所需的搅拌时间延长，面团时间先增后减，在Sr(5％)Mg(2％)-HAPw含量为28.7％时存在最大值，固化时间延长，固化最高放热温度下降，由表3可知，新型复合骨水泥3种产品的面团时间为3.89±0.23min～4.69±0.12min，固化时间为8.05±0.20min～9.12±0.20min，最高放热温度范围为65.9±2.2℃～74.7±2.3℃，分别满足国际标准ISO5833对于面团时间≤5±1.5min，固化时间3min～15min，最高放热温度≤90±5℃的要求。
表3
Figure BDA0003013314340000181

Claims (9)

1.一种具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，原材料包括粉剂、液体，粉剂包括如下质量百分比含量的组分：39％～84.3％的聚甲基丙烯酸甲酯微球、5％～15％的二氧化锆、0.5％～3％的过氧化苯甲酰、0.2％～2％的硫酸庆大霉素、10％～41％的锶镁共掺羟基磷灰石晶须，液体包括如下质量百分比含量的组分：98％～99.6％的甲基丙烯酸甲酯、0.4％～2％的N,N-二甲基对甲苯胺。
2.根据权利要求1所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，所述二氧化锆替换为硫酸钡。
3.根据权利要求1所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯微球的重均分子量Mw为50000～120000，数均分子量Mn为25000～96000，微球尺寸为7～38μm。
4.根据权利要求1所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，所述粉剂、液体的质量体积比为1.0～3.0g/mL。
5.根据权利要求1所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，所述锶镁共掺羟基磷灰石晶须中锶为钙的摩尔量的1％～10％，镁为钙的摩尔量的1％～5％。
6.根据权利要求5所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，所述锶镁共掺羟基磷灰石晶须的制备方法，具体步骤如下：
(1)按照比例配置硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁、磷酸氢二铵、乙酰胺、水的混合物，用浓硝酸滴定至澄清得到澄清液；
(2)调节步骤(1)澄清液的pH值为1.75～3.50；
(3)将步骤(2)溶液装入反应釜进行水热反应，反应后陈化8～24h，清洗、干燥，得到锶镁共掺羟基磷灰石晶须。
7.根据权利要求6所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，步骤(1)澄清液中硝酸钙的浓度为0.01～2mol/L，磷酸二氢铵的浓度为0.005～1mol/L；乙酰胺用量为硝酸钙、硝酸锶、硝酸镁总摩尔量的5～20倍。
8.根据权利要求6所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，步骤(2)使用浓硝酸、浓氨水调节pH值。
9.根据权利要求6所述具有生物活性的新型复合骨水泥，其特征在于，步骤(3)水热反应温度为160～220℃，反应时间为5～24h。
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