本发明属于骨损伤修复医用材料领域，具体涉及到含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷、骨损伤修复材料及其制备方法。
背景技术：
羟基磷灰石是目前研究和应用较为广泛的一种磷酸钙类骨修复材料。它的成分与人体骨和牙齿的无机矿物成分相似，具有很好的生物相容性，植入体内后可以与骨组织发生键合。但羟基磷灰石是一种最稳定的磷酸钙材料，在生物体内的ph值和温度环境下几乎不发生生物降解，因此，羟基磷灰石与组织发生生物反应的速度相对较慢，成骨的能力较低，影响了骨修复的效果。
硅元素存在于体内的骨与结缔组织中，可以在生物矿化的早期阶段提供钙化的活性位点。同时，硅元素对细胞活性也具有刺激作用，可以促进成骨细胞的增殖和间质干细胞的成骨分化。因此，为改善羟基磷灰石的成骨性能，已有研究者制备了硅掺杂羟基磷灰石陶瓷或含硅物质(如生物活性玻璃)与羟基磷灰石的复合材料。硅掺杂羟基磷灰石陶瓷是通过合成过程中加入硅酸盐，然后经高温烧结制得。硅掺杂羟基磷灰石陶瓷中部分硅替代磷进入羟基磷灰石晶格内部，但替代程度有限，多余硅元素以单态或聚合态硅酸根的形式存在。含硅物质与羟基磷灰石复合陶瓷的传统制备主要通过直接机械混合，直接机械混合法采用液相作为介质，使用球磨机将两种固体粉末充分混合，溶剂烘干后得到混合粉末。
但是，直接机械混合法中的物料均匀性较差，通过直接机械混合法制备的含硅物质改性羟基磷灰石陶瓷，两物相间不能形成均匀而紧密的结合，造成材料结构变得疏松，力学性能显著降低。同时，不均匀和疏松的结构使材料的降解和离子溶出较快，造成局部环境ph过高，对骨修复效果产生不利影响。
技术实现要素：
本发明目的在于提供含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷及其制备方法；提供以这种含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷制备的骨损伤修复材料及其制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
将硅源溶解在水中得到含硅溶液，所述硅源与水的摩尔比为1:1～1:10，使用稀酸调节含硅溶液的ph值至1.0～2.0，搅拌；
加入磷酸三乙酯，搅拌；
加入四水合硝酸钙，搅拌，待溶液澄清后，得到含硅混合溶胶；
将羟基磷灰石粉末加压成型，预烧，得到预烧结羟基磷灰石坯体；
将预烧结羟基磷灰石坯体浸泡在含硅混合溶胶中，进行渗透步骤；
然后依次进行干燥、烧结步骤，获得所述含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷；
所述浸泡的时间为5～60min，渗透的真空负压为0～100kpa。
优选的，所述搅拌速度范围是300～600r/min，搅拌时间范围是15～45min；所述干燥的过程是在25～45℃干燥24～72h，然后在60～80℃干燥12～48h，最后在120℃干燥6～24h。
优选的，所述稀酸为稀硝酸、稀醋酸、稀乳酸、稀柠檬酸中的至少一种。
优选的，所述硅源、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为40:56:8～80:19:2，所述含硅混合溶胶中sio2:cao:p2o5的摩尔比为40:56:4～80:19:1。
优选的，所述硅源为硅酸四甲酯和硅酸四乙酯中的至少一种。
优选的，所述加压成型的过程是，预压成型，所述预压成型的压强为20～70mpa，所述预压成型的时间为15～120s，得到预压坯体；之后在冷等静压机中进行二次成型，所述二次成型的压强为80～220mpa，所述二次成型的时间为3～20min。
优选的，所述预烧温度范围是500℃～1000℃，以2～10℃/min的速率升温至500℃～1000℃，保温时间为0.5～3h。
优选的，所述烧结的温度范围是1050℃～1250℃，以2～10℃/min的速率升温至1050℃～1250℃，烧结时间为1-4h。
一种含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，所述含硅晶界相均匀包裹羟基磷灰石晶粒，所述羟基磷灰石晶粒通过含硅晶相的界面进行结合，所述含硅晶界相为硅酸磷酸钙和硅酸钙。
一种骨损伤修复材料，所述修复材料包括上述的硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷。
与现有技术相比，本发明有以下优点和有益效果：
(1)在高温烧结过程中，含硅物质中部分硅元素通过硅氧四面体取代羟基磷灰石中磷氧四面体的方式进入羟基磷灰石晶格内部，生成硅酸磷酸钙(ca5(po4)2sio4)。同时部分硅与羟基磷灰石发生反应生成硅酸钙(casio3)和磷酸三钙。高温下生成的硅酸磷酸钙和硅酸钙为羟基磷灰石陶瓷引入硅元素，硅元素均匀分布在羟基磷灰石陶瓷的晶界上，且含硅量可控，可实现硅酸根离子的缓释，能促进骨髓间充质干细胞在陶瓷表面的增殖和成骨分化，提高了羟基磷灰石的成骨性能。
(2)在制备含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷过程中，通过改变坯体预烧温度、渗透时间和渗透真空负压可以控制含硅混合溶胶的渗入量。经过不同的温度预烧后，陶瓷坯体的孔隙率不同，预烧温度越低，孔隙越多，渗入坯体的含硅混合溶胶也越多。同时渗透时间越长、真空负压越低，含硅混合溶胶的渗入量也越多。因此通过调控预烧温度、渗透时间和渗透真空负压可实现含硅混合溶胶渗入量的可控性。
(3)本发明将预烧结羟基磷灰石坯体在真空条件下浸渍在含硅混合溶胶中，使溶胶填充在预烧结羟基磷灰石坯体的孔隙中并包裹羟基磷灰石陶瓷颗粒，其中生成的含硅晶界相均匀包裹在羟基磷灰石晶粒周围，羟基磷灰石晶粒通过含硅相的界面进行结合。相比于通过直接机械混合法制备的硅改性羟基磷灰石陶瓷，含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷中硅元素的分布更均匀，物相的结合更紧密，晶界结合强度更高，沿晶断裂较为困难，因此含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷具有更好的力学性能。
(4)本发明制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，其中含硅晶界相具有良好的溶解性，能够改善羟基磷灰石的降解性能。
附图说明
图1为对比例1陶瓷烧结后断面的扫描电子显微镜图。
图2为实施例1的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷烧结后断面的扫描电子显微镜图。
图3为实施例1的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷烧结后断面的x射线能谱分析图，其中图(a)为断面选区，图(b)为断面选区的硅元素分布图，图(c)为断面选区的能谱图。
图4为实施例1与对比例1的x射线衍射图。
图5为实施例1与对比例1的红外光谱图。
图6为实施例1的小鼠骨髓间充质干细胞在含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷与对比例1陶瓷表面培养7天后的增殖与成骨分化情况柱状图。
图7为对比例2陶瓷烧结后断面的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
将硅酸四乙酯溶解在去离子水中得到含硅溶液，所述硅酸四乙酯与所述去离子水的摩尔比为1:8，硅酸四乙酯用量为67.20ml，去离子水用量为43.2ml，使用1mol/l的稀硝酸溶液调节含硅溶液的ph值至1.5，用搅拌机以350r/min的速度搅拌45min；
加入磷酸三乙酯(tep，op(oc2h5)3)，用搅拌机以350r/min的速度搅拌45min；
加入四水合硝酸钙(ca(no3)2·4h2o)，用搅拌机以350r/min的速度搅拌45min，待溶液澄清后，得到含硅混合溶胶，含硅混合溶胶中含有sio2：60mol％、cao：36mol％、p2o5：4mol％；
硅酸四乙酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为60:36:8，具体用量分别为67.20ml、42.51g和6.81ml。
将0.2g羟基磷灰石粉末装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为30mpa，保压时间60s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为200mpa，保压时间为3min；
500℃预烧，升温速率为5℃/min，保温时间0.5h，得到预烧结羟基磷灰石坯体。
将预烧结羟基磷灰石坯体浸泡在含硅混合溶胶中，在真空负压100kpa下浸泡60min，以完成渗透步骤。
渗透结束后，进行三阶段的干燥步骤，第一阶段，在25℃下干燥24h；第二阶段，在70℃干燥48小时；最后在120℃下干燥6h。
进行烧结步骤，以获得含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，所述烧结温度为1150℃，升温速度为5℃/min，烧结时间为2h。
对比例1
为与本实施例制备得到的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷进行对比，对比例1制备了不经含硅混合溶胶渗透的羟基磷灰石陶瓷，其制备方法包括以下步骤：
(1)将0.2g羟基磷灰石粉末装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为30mpa，保压时间60s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为200mpa，保压时间为3min，得到成型胚体。
(2)然后将成型坯体在1150℃烧结，升温速率为5℃/min，烧结时间为2h，得到不经含硅混合溶胶渗透的羟基磷灰石陶瓷。
图1为对比例1陶瓷的断面扫描电子显微镜图像，图2是实施例1制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的断面扫描电子显微镜图像。由图1可知，对比例1中陶瓷断面中晶体多呈现规则六方柱结构，晶粒大小均一。本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷断面形貌中出现了较小晶粒均匀包裹在大晶粒周围的现象，晶粒之间以晶间相界面的方式结合。
图3为本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的断面能谱分析图。图中可知，si元素均匀地分布在陶瓷断面，说明在真空条件下含硅混合溶胶可以充分地渗入整个羟基磷灰石陶瓷坯体中，能谱分析结果显示本实施例中改性羟基磷灰石陶瓷中si元素含量为2.69atomic.％。
图4为实施例1和对比例1的样品的x射线衍射结果，可以看出，对比例的陶瓷中主晶相为羟基磷灰石，含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷中出现了β-磷酸三钙和硅酸磷酸钙的衍射峰。在高温下含硅物质与羟基磷灰石发生反应，含硅物质中部分硅氧四面体取代羟基磷灰石中磷氧四面体进入羟基磷灰石晶格内部，形成硅酸磷酸钙，同时促进羟基磷灰石分解生成磷酸三钙。
图5为实施例1和对比例1样品的红外光谱图，图中可知，含硅晶界相改性羟基磷灰石的红外光谱中出现硅酸根的振动峰，因此反应还生成了硅酸钙。结合x射线衍射和红外光谱图结果分析表明断面形貌中在羟基磷灰石晶格周围生成小晶粒为含硅晶界相——硅酸磷酸钙和硅酸钙。
图6为小鼠骨髓间充质干细胞在本实施例中制备的改性羟基磷灰石陶瓷与对比例陶瓷表面的增殖与成骨分化性能情况。细胞在材料表面培养7天后，使用细胞计数试剂盒(cellcountingkit-8,cck-8)和碱性磷酸酶(alkalinephosphatase,alp)活性分别表征细胞的增殖和成骨性能。cck-8检测中，细胞培养板为48孔板，细胞接种密度为5×103cells/孔。alp活性检测中，细胞培养板为48孔板，细胞接种密度为2×104cells/孔。结果显示，在cck-8检测中，细胞在改性羟基磷灰石陶瓷表面的吸光度为1.11±0.08，高于细胞在对比例的样品表面的吸光度(0.78±0.07)；在alp活性检测中，细胞在改性羟基磷灰石陶瓷表面的alp活性表达量为67.87±3.92u/mg，高于细胞在对比例的样品表面的表达量(38.60±5.93u/mg)。因此含硅晶界相的存在提高了骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石陶瓷表面的增殖与成骨性能。
体外降解实验表明，本实施例中含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷在tris-hcl缓冲溶液中浸泡14天后，质量损失率为1.2％±0.04％，硅酸根离子的释放量为8.31mg/l；对比例陶瓷在tris-hcl缓冲溶液中浸泡14天后，质量损失率为0.15％±0.01％，浸泡液中未检测出硅酸根离子。含硅晶界相的存在改善了羟基磷灰石陶瓷的体外降解性能。
实施例2
将硅酸四甲酯溶解在去离子水中得到含硅溶液，所述硅酸四甲酯与所述去离子水的摩尔比为1:1，硅酸四甲酯用量为29.76ml，去离子水的用量为3.6ml，使用1mol/l的稀乳酸溶液调节含硅溶液的ph值至1.0，用搅拌机以600r/min的速度搅拌15min；
加入磷酸三乙酯(tep，op(oc2h5)3)，用搅拌机以600r/min的速度搅拌15min；
加入四水合硝酸钙(ca(no3)2·4h2o)，用搅拌机以600r/min的速度搅拌15min，待溶液澄清后，得到含硅混合溶胶，含硅混合溶胶含有sio2，40mol％；cao，56mol％；p2o5，4mol％；
硅酸四甲酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为40:56:8，具体用量分别为29.76ml、66.12g和6.81ml。
将0.2g羟基磷灰石粉末装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为20mpa，保压时间120s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为80mpa，保压时间为20min；
1000℃预烧，升温速率为10℃/min，保温时间1h，得到预烧结羟基磷灰石坯体。
将预烧结羟基磷灰石坯体浸泡在含硅混合溶胶中，浸泡时间5min，然后在真空负压50kpa完成渗透步骤。
渗透结束后，进行三阶段的干燥步骤，第一阶段，在45℃下干燥48h；第二阶段，在80℃干燥12小时；最后在120℃下干燥24h。
进行烧结步骤，以获得含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，所述烧结温度为1200℃，升温速度为10℃/min，烧结时间为1h。
x射线荧光光谱分析得到本实施例中含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷中硅元素含量为1.96mol.％，由此计算含硅物质的添加量为8.12wt.％。
对比例2
为与本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷进行对比，本对比例制备了直接机械混合法改性的羟基磷灰石作为对照样品，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照质量比为8.12：91.88的比例称取含硅物质粉体(由含硅混合溶胶经650℃煅烧2h得到)和羟基磷灰石粉体，以无水乙醇作为分散介质使用行星磨进行湿法球磨(725rpm，2h)，后经烘干、过筛得到混合粉体。
(2)将0.2g混合粉体装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为20mpa，保压时间120s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为80mpa，保压时间为20min，得到成型胚体。
(3)然后将得到的成型坯体在1200℃烧结，升温速率为10℃/min，烧结时间为1h，得到直接机械混合法改性的羟基磷灰石陶瓷。
对比例2陶瓷烧结后的表面微观形貌如图7所示，在直接机械混合改性得到的对比例2陶瓷中，晶粒异常长大，并且在晶粒见出现了棒状结晶物，结晶物周围有裂纹产生，基体形貌杂乱无序。实施例2制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的表面微观形貌显示，含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷在烧结后，微观形貌中出现含硅晶界相包裹羟基磷灰石晶粒的现象，并且可以观察到基体中出现微孔。本实施例中含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的压缩强度为335.26±11.27mpa，明显高于由直接混合法改性得到的羟基磷灰石陶瓷的强度(192.71±9.63mpa)。含硅晶界相改性羟基磷灰石中羟基磷灰石晶粒通过含硅相的界面进行结合，晶粒间结合作用力较强，结合强度高，沿晶断裂较为困难，因此其压缩强度高于直接机械混合法制备的改性羟基磷灰石陶瓷。
物相分析的结果显示，本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷和对比例的陶瓷均由硅酸磷酸钙、羟基磷灰石、磷酸三钙和硅酸钙组成，说明两组样品的物相组成并没有差异。x射线荧光光谱分析结果显示，本实施例中含硅晶界相羟基磷灰石陶瓷中si元素的含量为1.96mol.％，对比例陶瓷中si元素的含量为2.14mol.％。两组陶瓷在tris-hcl缓冲溶液中浸泡14天后，含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的质量损失率为3.5％±0.13％，硅酸根离子的释放量为6.44mg/l，对比例陶瓷的质量损失率为3.9％±0.08％，硅酸根离子的释放量为9.71mg/l。
实施例3
将硅酸四甲酯溶解在去离子水中得到含硅溶液，所述硅酸四甲酯与所述去离子水的摩尔比为1:6，硅酸四甲酯的用量为59.52ml，去离子水的用量为43.20ml，使用1mol/l的稀醋酸溶液调节含硅溶液的ph值至2.0，用搅拌机以300r/min的速度搅拌40min；
加入磷酸三乙酯(tep，op(oc2h5)3)，用搅拌机以300r/min的速度搅拌40min；
加入四水合硝酸钙(ca(no3)2·4h2o)，用搅拌机以300r/min的速度搅拌40min，待溶液澄清后，得到含硅混合溶胶，含硅混合溶胶含有sio2，80mol％；cao，19mol％；p2o5，1mol％；
硅酸四甲酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为80:19:2，具体用量分别为59.52ml、22.43g和1.70ml。
将0.2g羟基磷灰石粉末装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为70mpa，保压时间15s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为150mpa，保压时间为10min。
800℃预烧，升温速率为2℃/min，保温时间3h，得到预烧结羟基磷灰石坯体。
将预烧结羟基磷灰石坯体浸泡在含硅混合溶胶中，浸泡时间30min，然后在真空负压80kpa下完成渗透步骤。
渗透结束后，进行三阶段的干燥步骤，第一阶段，在30℃下干燥36h；第二阶段，在60℃干燥36小时；最后在120℃下干燥12h。
进行烧结步骤，以获得含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，所述烧结温度为1050℃，升温速度为2℃/min，烧结时间为4h。
本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷形貌分析得出，含硅晶界相均匀的包裹羟基磷灰石晶粒，基体中出现了微孔。物相分析结果显示，本实施例制备的改性陶瓷由硅酸磷酸钙、羟基磷灰石、磷酸三钙和硅酸钙组成。含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的抗压强度为346.59±14.95mpa。改性陶瓷在tris-hcl缓冲溶液中浸泡14天后，质量损失率为1.8％±0.11％，si元素的释放量为11.76mg/l，因此含硅晶界相的存在改善了羟基磷灰石的降解性能。小鼠骨髓间充质干细胞在改性陶瓷表面培养7天后，cck-8检测中，吸光度为1.34±0.13，alp活性检测中，alp活性表达量为71.19±4.73u/mg，本实施例中细胞的种植密度和检测方法与实施例1相同，因此含硅晶界相的存在促进了小鼠骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石表面的增殖，提高了羟基磷灰石陶瓷的成骨性能。
实施例4
将硅酸四乙酯溶解在水中得到含硅溶液，所述硅酸四乙酯与水的摩尔比为1:10，硅酸四乙酯的用量为89.60ml，去离子水的用量为72ml，使用1mol/l的稀柠檬酸溶液调节含硅溶液的ph值至1.5，用搅拌机以450r/min的速度搅拌30min；
加入磷酸三乙酯(tep，op(oc2h5)3)，用搅拌机以450r/min的速度搅拌30min；
加入四水合硝酸钙(ca(no3)2·4h2o)，用搅拌机以450r/min的速度搅拌30min，待溶液澄清后，得到含硅混合溶胶，含硅混合溶胶含有sio2，80mol％；cao，16mol％；p2o5，4mol％；
硅酸四乙酯、四水合硝酸钙和磷酸三乙酯的摩尔比为80:16:8，具体用量分别为89.60ml、18.89g和6.95ml。
将0.2g羟基磷灰石粉末装填入不锈钢模具中，用压力机预压成型，成型压强为50mpa，保压时间90s，得到预压坯体；然后将预压坯体装填入塑性模具中密封，用冷等静压机二次成型，成型压强为220mpa，保压时间为15min。
500℃预烧，升温速率为5℃/min，保温时间0.5h，得到预烧结羟基磷灰石坯体。
将预烧结羟基磷灰石坯体浸泡在含硅混合溶胶中，浸泡时间60min，然后在真空负压0kpa下完成渗透步骤。
渗透结束后，进行三阶段的干燥步骤，第一阶段，在37℃下干燥72h；第二阶段，在60℃干燥24小时；最后在120℃下干燥10h。
进行烧结步骤，以获得含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷，所述烧结温度为1250℃，升温速度为5℃/min，烧结时间为3h。
本实施例制备的含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷形貌分析得出，含硅晶界相均匀的包裹羟基磷灰石晶粒，基体中出现了微孔。物相分析结果显示，本实施例制备的改性陶瓷中由硅酸磷酸钙、羟基磷灰石、磷酸三钙和硅酸钙组成。含硅晶界相改性羟基磷灰石陶瓷的抗压强度为325.59±13.49mpa。改性陶瓷在tris-hcl缓冲溶液中浸泡14天后，质量损失率为2.5％±0.04％，si元素的释放量为12.64mg/l，因此含硅晶界相的存在改善了羟基磷灰石的降解性能。小鼠骨髓间充质干细胞在改性陶瓷表面培养7天后，cck-8检测中，吸光度为1.26±0.07，alp活性检测中，alp活性表达量为74.33±5.12u/mg，本实施例中细胞的种植密度和检测方法与实施例1相同，因此含硅晶界相的存在促进了小鼠骨髓间充质干细胞在羟基磷灰石表面的增殖，提高了羟基磷灰石陶瓷的成骨性能。
本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。