专利名称：具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有生物活性的碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体，以及含有此
粉体的一种生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料及其制备方法和用途。更具体地说 涉及人体骨和牙组织缺损填充修复的生物活性自固化材料及其制备方法，及其在骨科、牙 科和微创治疗中的应用。属于生物医用材料领域。
背景技术：
随着世界人口老龄化伴随而来的骨质疏松等骨疾病，以及由于运动、事故和肿瘤 切除造成的骨缺损与日倶增，其中大部分骨缺损需要使用骨修复或替换材料。在我国这样 一个人口大国，随着人口老龄化、中青年创伤增加及科技的发展，对于骨/牙组织修复材料 的巨大需求不言而喻。但是，到目前为止，还没有任何一种骨修复材料能够真正与人体组 织匹配，其都存在着一定的缺陷。随着年龄的增长，人体的机能下降，学者普遍认为未来医 用生物材料的发展的方向关键是如何实现组织的再生。实现组织的再生，关键是激发机体 的自我修复功能，即要通过医用生物材料控制组织内的祖母细胞或干细胞的增值和分化 (Hench Journal offthe European Ceramic Society 2008 ;29(7) :1257-1265)。
在众多的硬组织修复材料中，研究发现生物活性玻璃具有生物活性，表面诱导磷 灰石，能与骨形成骨性连接，具有较好的骨组织键合能力；同时也具有调节和激活骨细胞的 功能，实现骨的再生。然而，生物活性玻璃在应用方面还存在一些问题，如生物活性玻璃一 般以块材使用，在手术过程中，需要对材料或者对组织进行切削处理，使材料和修复处尺寸 匹配，这样会带来组织的二次缺损和周围组织的损伤，限制了其在硬组织修复方面的广泛 应用，尤其是微创治疗领域。 大量研究发现，生物活性玻璃与骨组织键合能力基于其表面的硅羟基诱导类骨磷 灰石在材料表面的沉积。同时，释放出来的钙、硅离子能与骨母细胞作用，激活细胞基因表 达，促进成骨细胞的增值和分化，实现了骨的再生。由此可以，诱导磷灰石形成和促进人体 骨细胞增值、分化是某些含钙-硅组分生物活性材料的共同特性，这为开发具有生物活性 自固化材料提供了科学依据。 硅酸三钙(生物活性硅酸三钙自固化材料、制备方法及用途，申请号 200510025824. 5)、硅酸二钙(一种原位自固化生物活性材料、制备及应用，专利号 Z1200410067419. 5)是波特兰水泥中最主要的成分，加入适量的调和液制备的糊状物具有 任意塑性、自固化的特点。研究表明硅酸三钙和硅酸二钙与生物活性玻璃类似，其表面也能 诱导磷灰石的形成，具有优良的生物活性，能与骨形成键合。最新研究显示，硅酸三钙和硅 酸二钙不仅具有优良的生物活性，还具有适度的钙和硅离子的释放，对骨细胞的增值和分 化也具有促进作用。验证诱导磷灰石形成和促进人体骨细胞增值、分化是某些含钙_硅组 分生物活性材料的共同特性。硅酸三钙和硅酸二钙可以作为人体骨/牙组织缺损填充修复 的生物活性材料。但是硅酸三钙和硅酸二钙依然存在某些缺陷，一方面，硅酸三钙和硅酸二钙较难制备，制备硅酸三钙和硅酸二钙分别需要在120(TC和145(TC的高温下进行，而且硅 酸三钙和硅酸二钙的晶型在极冷的过程中易发生转变，并且较难控制；另一方面，硅酸三钙 和硅酸三钙的水化固化过程进展较慢，固化需要较长的时间，不能较好地适应骨科临床应 用。 纳米二氧化硅具有巨大的比表面积，表面存在大量的硅羟基。因此，纳米二氧化 硅具有较高的活性，在水和碱(如氢氧化钙等)的作用下生成与硅酸三钙和硅酸二钙水化 产物类似的水化硅酸钙凝胶。纳米二氧化硅和氢氧化钙的自固化粉体，加入适量的调和液 制备的糊状物同样具有任意塑性、自行固化等特点。当纳米二氧化硅在水和氢氧化钙的作 用下，纳米二氧化硅的网络结构解聚，与氢氧化钙形成水化硅酸钙凝胶，随反应的进行，水 化硅酸钙凝胶聚合固化，形成具有大量微孔和强度的固化体。其与硅酸三钙和硅酸二钙相 似，能诱导类骨磷灰石的形成，能与骨形成键合，也具有优良的生物活性。氢氧化钙和纳米 二氧化硅的固化体在模拟体液(SBF)中浸泡，材料表面首先溶解，Ca2+和Si(V+进入溶液， 表面形成富含Si-OH的网络凝胶层，随浸泡时间的延长，固化体重残余的Ca(OH)2与模拟体 液(SBF)中的HC03—反应，在表面沉积碳酸钙，同时无定型磷酸钙以表面形成的Si-OH为形 核位点沉积于材料表面。随表面与模拟体液(SBF)中的HP0/—、C032—等离子的作用，碳酸盐 的沉积逐渐停止，无定型磷酸钙不断沉积，并转化成晶型的类骨磷灰石。类骨磷灰石的形成 从而保证了与人体骨组织中的胶原键合和外延的生长，能与骨组织形成键合，具有优异的 生物活性。氢氧化钙激发纳米二氧化硅骨水泥是一种新型的骨/牙组织缺损填充修复的生 物活性自固化材料，其在骨科、牙科和微创治疗等方面将有良好的应用优势和前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体；本发明的另一 目的 是提供一种含有上述粉体的具有生物活性的碱性激发纳米二氧化硅自固化材料；本发明还 有一 目的是提供上述具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料的制备方法；本发明 还有一 目的是公开上述生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料的应用，以满足骨/牙 组织缺损填充修复和微创治疗方面的需要。 本发明的技术方案为一种具有生物活性的碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体， 其特征在于由氢氧化f丐和纳米二氧化硅组成；其中，氢氧化f丐和纳米二氧化硅的摩尔比为
(i 4) : i。 优选所述的纳米二氧化硅的粒径为5 200nm。更优选纳米二氧化硅的粒径为 20 30nm。本发明所用的纳米颗粒直径越小越有利于塑性浆体的水化和凝结速度。
本发明的纳米二氧化硅可以为购买医用级纳米二氧化硅，也可以优选采用正硅酸 四乙酯为原料水解制备的无定性的纳米二氧化硅，其制备方法如下 将正硅酸四乙酯加入到无水乙醇中，其中正硅酸四乙酯的摩尔量与无水乙醇的体 积比为1-2. 5mol/L，在70 8(TC的水浴中水解1 3小时；室温下成化1 7天后，置入 40 50°C的真空烘箱中干燥；干燥后的样品在150 20(TC下热处理5 8小时，去除所有 有机成份。样品冷却后，即得到平均粒径为100 200nm的无定型纳米二氧化硅粉体。再 通过振动磨研磨5 8小时，可制备粒径在20 30nm的无定型纳米二氧化硅。
本发明还提供了一种具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料，其特征在于由上述的碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体和调和液组成的塑性浆体；其中调和液体积
与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体质量的比为1 3 : lml/g，拌合后形成可注射的塑性
浆体，塑性浆体对骨/牙组织缺损进行修复填充，塑性浆体可原位固化形成固化体。 上述的调和液为去离子水、模拟体液(SBF)、无机盐溶液或有机溶液中任意一种。
优选所述的无机盐溶液为钙的碳酸盐、硫酸盐、氯化盐或磷酸盐溶液，或者为钠的碳酸盐、
硫酸盐、氯化盐或磷酸盐溶液；所述的有机溶液为壳聚糖、聚乙烯醇、威兰胶、明胶或透明质酸。 上述无机盐溶液浓度为(0. 5 100) g/ml ;有机溶液的浓度为(0. 1 5) g/ml。
本发明还提供了上述的生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料的方法，其具 体步骤如下 (1)碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备 以分析纯氢氧化钙和纳米二氧化硅为原料，将氢氧化钙和纳米二氧化硅按摩尔比 为1 4 : 1的比例配料，机械混合后，即得到碱性激发二氧化硅自固化粉体；
(2)自固化材料的制备 按调和液体积与粉体质量比为(1 3) : lml/g的比例混合均匀，调成糊状，即成 塑性浆体，为具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料。
其中调和液的配制为调和液消毒后，密闭在消毒瓶中，备用。 本发明还提供了上述生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料用于人体骨/ 牙组织缺损填充修复和微创治疗，同时在应用中可负载药物。 本发明的碱性激发纳米二氧化硅自固化材料可用于各种原因引起的骨/牙组织 的缺损、骨延迟愈合的填充修复；创伤骨折中骨折愈合促进剂；四肢骨延长术中骨组织的 生长填充加速剂；股骨头坏死用修复材料；脊柱压縮性骨折中骨缺损填充或椎体强度强化 材料；椎体矫形、融合植入材料；椎体减压植骨材料；关节翻修用材料；钢板、螺钉内固定植 入粘结、填充强化材料；颅骨骨缺损修复材料；牙槽骨缺损修复及牙槽嵴垫高用材料等。
按照上述内容，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，根据本领域的普遍 知识和技术手段，向碱性激发纳米二氧化硅复合粉体和调和液中添加其它生物相容性和治 疗药物组分，都属于本发明内容的多种形式的修改、替换和变更，均属于本发明的范围。
有益效果 1.纳米二氧化硅具有巨大的比表面积，表面存在大量的硅羟基。因此，纳米二氧 化硅具有较高的活性，在水和碱(如氢氧化钙等)的作用下生成与硅酸三钙和硅酸二钙水 化产物类似的水化硅酸钙凝胶。纳米二氧化硅和氢氧化钙的自固化粉体，加入适量的调和 液制备的糊状物同样具有任意塑性、自行固化等特点。当纳米二氧化硅在水和氢氧化钙的 作用下，纳米二氧化硅的网络结构解聚，与氢氧化钙形成水化硅酸钙凝胶，随反应的进行， 水化硅酸钙凝胶聚合固化，形成具有大量微孔和强度的固化体。其与硅酸三钙和硅酸二钙 相似，能诱导类骨磷灰石的形成，能与骨形成键合，也具有优良的生物活性。本发明改变氢 氧化钙与纳米二氧化硅的摩尔比和调和液体积与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体质量 的比可实现对塑性浆体的凝结时间和注射性能的调控；拌合的塑性浆体具有较好的流动性 能，在100N的压力下，都具有可注射性。 2.体外活性实验中证明该材料的固化体能诱导类骨磷灰石的形成，具有生物活性，可以实现与骨组织的键合；以无机盐溶液作为调和液可以进一步提高固化体的生物活 性和生物相容性能；以有机溶液作为调和液可以提高塑性浆体的抗溃散性能，避免体液的 冲刷导致修复和填充的失败。固化体具有一定的强度，在新骨组织生成愈合前，可以起到一 定强度的支撑作用，也可以起到对破碎骨块的粘结作用。 3.本发明的另一个特点是碱性激发纳米二氧化硅自固化材料可以作为药物缓释 的载体。固化体为多孔结构，孔都为纳米尺度，且由内到外三维联通，可以在调和中将药物 引入，控制药物的释放速度，实现对药物的控释。
图1纳米二氧化硅的XRD图，其中令为无定型二氧化硅。
图2塑性浆体的注射曲线。 图3固化1天后碱性激发纳米二氧化硅固化体在模拟体液(SBF)中浸泡的XRD图， 其中图中O为碳酸钙；參为磷灰石；A为水化硅酸钙凝胶。 图4载药后碱性激发纳米二氧化硅固化体内部(a)和表面(b)的扫描电镜照片。
具体实施例方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但实施方式并不仅限于此，凡基
于本发明上述内容所所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。 实施例1 1)纳米二氧化硅的制备 以正硅酸四乙酯为原料制备纳米二氧化硅。首先，将O. 2mo1正硅酸四乙酯加入 200ml的无水乙醇中，在8(TC的水浴中水解2小时；室温下成化2天后，置入4(TC的真空烘 箱中干燥12小时；干燥后的样品在20(TC下热处理6小时，去除所有有机成份。样品冷却 后，即得到平均粒径为150nm的无定型纳米二氧化硅粉体。在通过振动磨研磨6小时，可制 备平均粒径为20nm的无定型纳米二氧化硅，对纳米二氧化硅进行XRD分析(如图1)，从结 果可以看出该方法可以较简易的制备出无定型的纳米二氧化硅，该纳米二氧化硅可具有较 高的活性。 2)碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备 以分析纯氢氧化*丐和制备的粒径为20nm的步骤1)制备的无定型纳米二氧化硅为 原料，按氢氧化钙和二氧化硅的摩尔比为2的比例称取一定量原料，在搅拌器中搅拌30min 后，将粉体取出，消毒后备用，即得到碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体。
3)调和液的配制 采用去离子水作为调和液，调和液消毒后，密闭在消毒瓶中，备用。
4)塑性浆体的制备 将去离子水调和液和碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体按1.3 : lml/g的比例充 分调和1 2min。 得到的将得到塑性浆体填充与开口尺寸为2mm的15ml的注射器中，进行注射性能 测试(如图2)，从图中看出，在压力位100N的情况下，塑性浆体能全部注射，具有优异的注 射性能；塑性浆体60min内固化，固化后抗压强度可大9MPa，该塑性浆体可以用于骨和牙组织缺损修复和填充，也可以用于微创治疗。
实施例3 D碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备 采用购买的平均粒径为30nm的二氧化硅为原料，再将分析氢氧化钙和二氧化硅 的摩尔比扩大为3，按实施例2操作制备碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体。
2)调和液的配制 称取l.Og羧甲基壳聚糖用去离子水溶解后，定容至lOOml，得到羧甲基壳聚糖调
和液，消毒，密闭在消毒瓶中，备用。 3)塑性浆体的制备 将羧甲基壳聚糖调和液与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体按1 : lml/g的比例 充分调和1 2min。 得到塑性浆体能在血液(体液)较多的骨缺损处使用，能够防止血液向浆体内部 的渗透，40min内凝结，具有较好的抗溃散性能。
实施例4 1)碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备
同实施例l。
2)调和液的配制 称取20. Og磷酸二氢钠用去离子水溶解后，定容至100ml ，得到磷酸盐调和液，消
毒，密闭在消毒瓶中，备用。 3)塑性浆体的制备 将磷酸盐调和液与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体按1 : lml/g的比例充分调 禾口 1 2min。 塑性浆体在30min内固化，1天抗压强度可以达到20 30MPa，可以起到对骨缺损 处的较好支撑作用；固化1天的浆体在模拟体液(SBF)中浸泡，表面能诱导类骨磷灰石的形 成(如图3)，具有良好的生物活性，能实现与骨组织的连接。
实施例5 1)碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备
同实施例l。
2)调和液的配制 向去离子水中加入一定量的庆大霉素，配置成浓度为2mg/ml的庆大霉素调和液，
消毒，密闭在消毒瓶中，备用。 3)塑性浆体的制备 将庆大霉素(一种抗菌消炎药)调和液和碱性激发纳米二氧化硅粉体按 1.2 : lml/g的比例充分调和l 2min，即得到庆大霉素的碱性激发纳米二氧化硅自固化 载体材料，对固化1天的载体进行扫描电镜分析，庆大霉素没有改变固化体的多孔性，固化 体由内而外具有联通的三维孔(如图4)，是药物缓释优异的稳定载体。
实施例6 1)碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备 以正硅酸四乙酯为原料制备纳米二氧化硅。首先，将O. 5mol正硅酸四乙酯加入200ml的无水乙醇中，在7(TC的水浴中水解3小时；室温下成化4天后，置入50°C的真空烘 箱中干燥10小时；干燥后的样品在18(TC下热处理8小时，去除所有有机成份。样品冷却 后，即得到平均粒径为200nm的无定型纳米二氧化硅粉体。在通过振动磨研磨7小时，可制 备平均粒径为30nm的无定型纳米二氧化硅。
2)调和液的配制 采用去离子水作为调和液，调和液消毒后，密闭在消毒瓶中，备用。
3)塑性浆体的制备 将调和液和碱性激发纳米二氧化硅粉体按1 : lml/g的比例充分调和1 2min。
将塑性桨体注入直径和长分别为3mm和6mm的不锈钢磨具中，固化24小时后，将 固化体植入兔子股骨髓腔中，未见化脓或异常渗出，该材料具有较好的生物相容性。术后6 周，材料表面已有类骨磷灰石的沉积，材料具有较好的生物活性，材料周围形成了新生的骨 组织，表明该材料具有较好的成骨能力，能促进骨组织的再生和愈合。
权利要求
一种碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体，其特征在于由氢氧化钙和纳米二氧化硅组成；其中，氢氧化钙和纳米二氧化硅的摩尔比为(1～4)∶1。
2. 根据权利要求1所述的碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体，其特征在于所述的纳米二氧化硅的粒径为5 200nm。
3. —种具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料，其特征在于由碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体和调和液组成的塑性浆体；其中调和液体积与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体质量的比为1 3 : lml/g。
4. 根据权利要求3所述的自固化材料，其特征在于所述的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机溶液中任意一种。
5. 根据权利要求4所述的自固化材料，其特征在于所述的无机盐溶液为钙的碳酸盐、硫酸盐、氯化盐或磷酸盐的溶液，或者为钠的碳酸盐、硫酸盐、氯化盐或磷酸盐的溶液；所述的有机溶液为壳聚糖、聚乙烯醇、威兰胶、明胶或透明质酸。
6 . 根据权利要求4所述的自固化材料，其特征在于无机盐溶液的浓度为0. 5 100g/ml ;有机溶液的浓度为0. 1 5g/ml。
7. —种制备如权利要求3所述的生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料的方法，其具体步骤如下(1) 碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体的制备以分析纯氢氧化钙和纳米二氧化硅为原料，将氢氧化钙和纳米二氧化硅按摩尔比为1 4 : 1的比例配料，机械混合后，即得到碱性激发二氧化硅自固化粉体；(2) 自固化材料的制备按调和液体积与粉体质量比为(1 3) : lml/g的比例混合均匀，调成糊状，即成塑性浆体，为具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料。
8. —种权利要求1所述的生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料在人体骨/牙组织缺损填充修复和微创治疗中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种具有生物活性碱性激发纳米二氧化硅自固化材料及其制备方法和应用；是将纳米二氧化硅粉体与氢氧化钙按摩尔比为(1～4)的比例混合制备碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体，再配制调和液，最后将调和液加入碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体中，其中调和液体积与碱性激发纳米二氧化硅自固化粉体质量的比为(1～3)∶1ml/g，搅拌形成塑性浆体。本发明的材料具有“生物活性优良，任意塑性，可注射，自固化，逐步降解和负载药物”的特性，该材料可以诱导类骨磷灰石的形成，能与骨组织形成键合；该材料制备方法简单，固化性能和注射性能可调控。该材料可以应用于骨/牙组织缺损的修复填充和微创治疗，同时也可以负载药物。
文档编号A61K6/027GK101791427SQ201010101118
公开日2010年8月4日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者兰祥辉, 李延报, 林青, 许仲梓, 陆春华 申请人:南京工业大学