一种抗溃散钙硅基复合骨水泥及其制备方法和应用技术领域
本发明属于医用生物材料领域，涉及一种具有抗溃散性能的钙硅基复合骨水泥材料
及其制备方法和应用。该可注射性材料作为人体硬组织填充修复材料，可用于牙科、骨科等
用途。
背景技术
骨缺损是骨科中最常见的疾病，需要大量的骨修复材料来治愈和修复，因此研制各
种适合于人体骨缺损修复的生物医用材料具有重要的社会意义。在无机骨修复材料领域，相
比于块状的生物陶瓷材料，自固化材料因其具有低温固化、可注射、可根据骨缺损部位的形
状任意塑形的独特性能(Journal of the Ceramic Society of Japan1991；99:954-64)得到广泛的关注
及应用。
目前，临床应用上的无机骨水泥主要包括硫酸钙(Calcium Sulfate Cement,CSC)
(Journal of Inorganic Materials2013；28:795-803)、磷酸钙(Calcium Phosphate Cement,
CPC)(Journal of Applied Biomaterials&Functional Materials 2012；10:2-11)等，但是传统的骨水
泥存在缺乏生物活性(Journal of Materials Science-Materials in Medicine2013；24:355-64)、降解
速度和骨生成速度不匹配(Acta Biomaterialia 2014；10:3279-87；Journal of Spinal Disorders&
Techniques 2012；25:333-7)等问题。因此，研制开发新型骨水泥体系具有十分重要的意义。研
究表明，以硅酸三钙(Ca3SiO5)(Journal of Biomedical Materials Research Part A
2008；85A:336-44)、硅酸二钙(Ca2SiO4)(Journal of Biomedical Materials Research Part B-
Applied Biomaterials 2005；73B:244-51)为代表的新型钙硅基骨水泥与水调和后形成的水泥浆
体具有自行固化、任意塑形的特点，并且该体系骨水泥具有良好的生物活性和降解性，在降
解过程中溶出的硅离子能促进成骨细胞增殖和分化(Journal of Materials Chemistry
2009；19:1183；Journal of Dentistry 2014；42:517-33)。但是，钙硅基骨水泥存在抗溃散性差、凝
固时间长、力学强度偏低等一系列的问题，并且在注射过程中会产生严重的固液分离现象。
Liu等人(International Journal of Applied Ceramic Technology 2011；8:560-565)将硅酸三钙
(C3S)、硅酸二钙(C2S)两种粉体复合，通过调控两种粉体的比例对骨水泥的理化性能进
行一系列的调控，并且能够有效缩短骨水泥的凝固时间、提高骨水泥的抗压强度。然而这些
工作仍无法克服钙硅基骨水泥固有的缺点，这将导致骨水泥在应用中容易被血液冲散，在注
射过程中产生严重的固液分离等问题。因此，研制一种既具有生物活性又具有优异的抗溃散
性、可注射/可塑形的新型骨水泥是十分必要的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明的目的在于提供一种具有抗溃散特性的的钙硅基
复合骨水泥。其中钙硅基骨水泥能够自行固化，并且该体系骨水泥具有良好的生物活性和降
解性，在降解过程中溶出的硅(Si)离子能促进成骨细胞增殖和分化；海藻酸钠(SA)会同
钙(Ca)离子反应生成海藻酸钙水凝胶，有效抑制了钙硅基骨水泥的溃散。
在此，本发明提供一种抗溃散钙硅基复合骨水泥，所述钙硅基复合骨水泥由固相原
料与液相原料按照液固比为0.4～1.2mL/g的比例调和得到，其中，所述固相原料为钙硅基材
料，所述液相原料为海藻酸钠溶液。
该材料是以具有生物活性的钙硅基骨水泥粉体为固相组成，以海藻酸钠(Sodium
alginate，SA)溶液为调和液，经调和均匀后形成。本发明利用钙硅基骨水泥和海藻酸钠的
特性，制备出新型的可注射的钙硅基生物活性骨水泥，制备方法简单。该复合骨水泥材料具
有优异的可注射性、可塑性及抗溃散性，适用于牙科、骨科等用途。其可注射性、可塑形
性、凝固时间和力学强度等性能可以通过调节组成进行调控。此外，复合材料还具有良好的
生物活性和可调控的降解性能，并且能够支持相关成骨细胞的增殖和分化。本发明具有制备
工艺简单易行、成本低廉、易规模化制备等优点。
较佳地，所述钙硅基材料的组成为：硅酸三钙(Ca3SiO5，C3S)、硅酸二钙
(Ca2SiO4，C2S)或硅酸三钙/硅酸二钙(Ca3SiO5/Ca2SiO4，C3S/C2S)混合粉体，钙硅基混
合粉体中硅酸三钙(C3S)粉体的含量为0～100％，硅酸二钙(C2S)粉体的含量为
0～100％。
较佳地，硅酸三钙粉体的粒径为1～100μm，硅酸二钙粉体粒径为1～100μm。
较佳地，所述海藻酸钠溶液为海藻酸钠水溶液，浓度为0.1wt％～10wt％。
较佳地，海藻酸钠的分子量为5000～200000。
本发明的钙硅基复合骨水泥具有以下一个或多个特征：
抗溃散性能：注入水中不发生溃散(将复合骨水泥浆体注入去离子水中，未有溃散现象发
生)，置于120r/分钟震荡24小时后，复合骨水泥浆体的失重率小于5％；
凝固时间：初凝时间为20～80分钟，终凝时间为30～180分钟；
可注射性能：静置5～30分钟后可注射率为90～100％；
抗压强度:养护28天后，抗压强度大于20MPa，优选20～60MPa，更优选50MPa以上。
本发明的另一目的在于提供一种钙硅基复合骨水泥的制备方法，其特征在于，所述
制备方法包括：将钙硅基材料粉体与海藻酸钠溶液按照液固比为0.4～1.2mL/g的比例调和，
得到具有抗溃散性质的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥。
较佳地，所述海藻酸钠溶液由海藻酸钠粉体加入水中，搅拌1～5小时配制得到，所
述海藻酸钠溶液的浓度为0.1wt％～10wt％，海藻酸钠的分子量为5000～200000。
较佳地，所述钙硅基材料粉体为硅酸三钙、硅酸二钙或硅酸三钙/硅酸二钙混合粉
体，其中，硅酸三钙粉体的粒径为1～100μm，硅酸二钙粉体粒径为1～100μm。
本发明的目的还在于提供上述钙硅基复合骨水泥在制备用于微创治疗或复杂骨缺损
形状的填充的材料中的应用。该复合骨水泥材料具有优异的抗溃散性、可注射性或可塑性，
适用于牙科、骨科等用途。
附图说明
图1为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥养护14天后的XRD图谱(本图中钙硅基材料为
硅酸三钙粉体，液固比为0.6mL/g)。(a)硅酸三钙；(b)调和液为1.0％海藻酸钠溶液；
(c)调和液为1.5％海藻酸钠溶液；(d)调和液为2.0％海藻酸钠溶液(◆：C-S-H；*：C3S；
O：Ca(OH)2)。
图2为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥养护14天后的断面形貌图(本图中钙硅基材料为
硅酸三钙粉体，液固比为0.6mL/g)。(a)硅酸三钙；(b)调和液为1.0％海藻酸钠溶液；
(c)调和液为1.5％海藻酸钠溶液；(d)调和液为2.0％海藻酸钠溶液。
图3为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的抗溃散性比较图(本图中钙硅基材料为硅酸三
钙粉体，液固比为0.6mL/g)。(a)硅酸三钙；(b)调和液为1.0％海藻酸钠溶液；(c)调和
液为1.5％海藻酸钠溶液；(d)调和液为2.0％海藻酸钠溶液。
图4为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的可注射性比较图(本图中钙硅基材料为硅酸三
钙粉体，液固比为0.6mL/g)。
图5为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的可塑性图(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉
体，液固比为0.6mL/g)。
图6为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的固化时间图(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉
体，液固比为0.6mL/g)。
图7为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的抗压强度图(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉
体，液固比为0.6mL/g)。
图8为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥在SBF中浸泡14天后表面形貌及EDS图(本图
中钙硅基材料为硅酸三钙粉体，液固比为0.6mL/g)。(a)硅酸三钙；(b)调和液为1.5％海
藻酸钠溶液。
图9为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的降解性图(本图中钙硅基材料为硅酸三钙粉
体，液固比为0.6mL/g)。
图10为钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的的细胞相容性图(本图中钙硅基材料为硅酸三
钙粉体，液固比为0.6mL/g)。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说
明本发明，而非限制本发明。
本发明中，以具有生物活性的钙硅基骨水泥为基础，向其中引入生物相容性优异的
高分子，最终希望获得抗溃散性、可注射性优异或可任意塑形的复合骨水泥浆体。本发明中
选用的高分子为海藻酸钠(SA)，原因在于天然高分子海藻酸钠(SA)具有持水性、低毒
性、生物相容性、螯合性等特点，在伤口敷料、药物及细胞载体等方面得到广泛的应用
(Progress in Polymer Science 2012；37:106-2)。海藻酸钠(SA)会和钙(Ca)离子发生螯合反
应生成具有抗溃散性的海藻酸钙水凝胶，而钙硅基骨水泥成分在水化形成C-S-H网络结构的
过程中会不断释放钙(Ca)离子。因此我们基于钙硅基骨水泥在水化过程中释放钙(Ca)
离子的特性，将其与海藻酸钠(SA)的特性相结合，形成具有抗溃散性的新型钙硅基复合
骨水泥。
本发明的抗溃散钙硅基复合骨水泥材料，固相原料为具有自固化性能的钙硅基材
料，液相原料为海藻酸钠(SA)溶液，二者经均匀调制混合后，形成具有抗溃散性能、可
注射或可塑形的自固化骨水泥浆体。
本发明的抗溃散钙硅基复合骨水泥的制备方法具体包括以下步骤。
(1)海藻酸钠溶液
分别称取不同质量的海藻酸钠(SA)粉体，加入去离子水中，于室温下搅拌1～5小时，得
到不同浓度的海藻酸钠(SA)溶液。本发明中，海藻酸钠(SA)溶液的浓度可为
0.1wt％～10wt％，优选为1wt％～2wt％。暂不使用时，可将海藻酸钠溶液于低温环境保存备
用，例如置于4℃冰箱保存。
(2)钙硅基复合骨水泥的制备
将钙硅基骨水泥粉体与不同浓度的海藻酸钠(SA)溶液按照液固比为0.4～1.2mL/g的比例
充分调和0.5～1分钟，得到具有抗溃散性质的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥浆体。当钙硅基骨
水泥粉体与海藻酸钠(SA)溶液的液固比超出上述范围时，将会出现粉体不能固化或是固
化时间过长等不利后果。所述钙硅基骨水泥粉体优选为具有自固化性能的钙硅基材料，更优
选为硅酸三钙(Ca3SiO5，C3S)、硅酸二钙(Ca2SiO4，C2S)或硅酸三钙/硅酸二钙
(Ca3SiO5/Ca2SiO4，C3S/C2S)混合粉体。硅酸三钙粉体的粒径范围可为1～100μm，硅酸二
钙粉体粒径范围可为1～100μm。当选用硅酸三钙/硅酸二钙(Ca3SiO5/Ca2SiO4，C3S/C2S)
混合粉体时，二者的质量比可为(0～100)：(100～0)，优选为(90～60)：(10～40)。
将上述骨水泥浆体于37℃，100％湿度的环境中养护。养护14天后，对骨水泥产物
进行XRD及SEM分析，并作出性能评价。
抗溃散性
将不同浓度的海藻酸钠(SA)溶液分别以液固比0.4～1.2mL/g与钙硅基粉体混合、搅拌均
匀后，将骨水泥浆体手动挤入去离子水中并观察浆体在水中的溃散情况：单纯钙硅基骨水泥
在水中溃散迅速；含有海藻酸钠的复合骨水泥浆体在水中未有溃散现象发生。将上述复合骨
水泥置于去离子水中并于120r/分钟条件震荡24小时后，复合骨水泥浆体的失重率小于
5％，这说明该复合骨水泥具有优异的抗溃散性。
可注射性和可塑性
将不同浓度的海藻酸钠(SA)溶液分别以液固比0.4～1.2mL/g与钙硅基粉体混合、搅拌均
匀，将骨水泥浆体置于注射器中静置5分钟，对其进行可注射性实验；将骨水泥浆体按压于
模具的任意缺损部位，对其进行可塑性观察。本发明所述的复合骨水泥浆体静置5分钟后可
注射率可达90％以上，这说明该复合骨水泥具有优异的可注射性，并且骨水泥浆体在按压过
程中可根据缺损部位的形状任意塑形。
固化时间和抗压强度
将复合骨水泥浆体置于聚四氟乙烯模具(Ф6×12mm3)中，并置于37℃，100％湿度的环境
中养护。用维卡仪分别测得几组浆体的初凝时间及终凝时间。该体系中，通过海藻酸钠
(SA)含量的调控，复合骨水泥的初凝时间和终凝时间可分别在40～60分钟、60～160分钟
内进行调控；养护28天后，抗压强度可达到20～60MPa。
矿化能力
对钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥采用模拟体液(SBF)中浸泡实验进行生物活性测试，并且对
浸泡后的材料面进行SEM及EDS表征。本发明提供的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥能够诱
导类骨磷灰石的生成，表明该材料具有良好的生物活性。
降解性
对钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥采用Tri-HCl浸泡实验进行体外降解测试。可通过调控海藻酸
钠(SA)的含量对复合骨水泥的降解速率进行调控。
细胞相容性
对养护3天后的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的浸提液采用成骨细胞MC3T3进行体外细胞相
容性实验。结果表明复合骨水泥材料浸提液的稀释液中，溶出的离子能明显刺激MC3T3的
增殖。
本发明的有益效果：本发明的抗溃散钙硅基复合骨水泥材料具有良好的抗溃散性，
其可注射性、可塑形性、凝固时间和力学强度等性能可以通过调节组成进行调控。此外，复
合材料还具有良好的生物活性和可调控的降解性能，并且能够支持相关成骨细胞的增殖和分
化。本发明具有制备工艺简单易行、成本低廉、易规模化制备等优点。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发
明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的
上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参
数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内
选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.2g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
1.0％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸三钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸三钙粉体与1.0％海藻酸钠溶液以液固比0.6mL/g调和均匀，得到硅酸三钙/海藻酸钠
复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含量为0.6％。于室温条件下测试该复合骨水泥浆体的抗
溃散性、可注射性。结果表明，该复合骨水泥浆体在水中抗溃散效果明显(参见图3中的图
b)；浆体在注射器中静置5分钟后可注射率接近100％(参见图4)，并且注射过程中没有固
液分离现象，说明该复合骨水泥浆体适用于骨缺损的微创手术应用。图5示出钙硅基/海藻
酸钠复合骨水泥的可塑性，由图5可看出该复合骨水泥具有优异的可塑性。将骨水泥浆体
注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护，并用维卡仪测定该复合骨水泥的初凝及终凝时
间分别为57分钟和77分钟(参见图6)。图7示出该复合骨水泥的抗压强度，由图7可以
看出养护28天后复合骨水泥的抗压强度可达55MPa。将该复合骨水泥片置于SBF中浸泡
14天后，对骨水泥表面的沉积物进行SEM及EDS表征(参见图8)，结果表明表面沉积物
为类骨磷灰石，这说明该复合骨水泥可诱导类骨磷灰石矿化。图9示出该复合骨水泥的降解
性，由图9可以看出复合骨水泥的一个月后的降解后失重率可达55％。图10示出该复合骨
水泥浸提液用于培养成骨细胞MC3T3的增殖结果，由图10可以看出该复合骨水泥具有良
好的细胞相容性。
实施例2
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.3g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
1.5％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸三钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸三钙粉体与1.5％海藻酸钠溶液以液固比0.6mL/g调和均匀，得到硅酸三钙/海藻酸钠
复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含量为0.9％。于室温条件下测试该复合骨水泥浆体的抗
溃散性、可注射性。结果表明，该复合骨水泥浆体在水中抗溃散效果明显(参见图3中的图
c)；浆体在注射器中静置5分钟后可注射率接近100％(参见图4)，并且注射过程中没有固
液分离现象，说明该复合骨水泥浆体适用于骨缺损的微创手术应用。将骨水泥浆体注模成
型，于37℃，100％湿度条件下养护，并用维卡仪测定该复合骨水泥的初凝及终凝时间分别
为60分钟和89分钟(参见图6)。图7示出该复合骨水泥的抗压强度，由图7可以看出养
护28天后复合骨水泥的抗压强度可达27.9MPa，较硅酸三钙骨水泥来说，该复合骨水泥长
期抗压强度略低。将该复合骨水泥片置于SBF中浸泡14天后，对骨水泥表面的沉积物进行
SEM及EDS表征(参见图8)，结果表明表面沉积物为类骨磷灰石，这说明该复合骨水泥可
诱导类骨磷灰石矿化。图9示出该复合骨水泥的降解性，由图9可以看出复合骨水泥的一个
月后的降解后失重率可达58％，高于实例1中的复合骨水泥的降解后失重率。图10示出该
复合骨水泥浸提液用于培养成骨细胞MC3T3的增殖结果，由图10可以看出该复合骨水泥
具有良好的细胞相容性。
实施例3
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.4g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
2.0％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸三钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸三钙粉体与2.0％海藻酸钠溶液以液固比0.6mL/g调和均匀，得到硅酸三钙/海藻酸钠
复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含量为1.2％。
图1示出硅酸三钙以及上述实施例1～3制得的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥养护14
天后的XRD图谱，由图1可以看出复合骨水泥的水化产物同硅酸三钙的水化产物没有明显
区别。图2示出硅酸三钙以及上述实施例1～3制得的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥养护14
天后的断面形貌，由图2可以看出海藻酸钠对复合骨水泥的断面形貌产生较大影响，其中，
实施例1中(图2b所示)的断面结构更为致密。图3示出硅酸三钙以及上述实施例1～3制
得的钙硅基/海藻酸钠复合骨水泥的抗溃散性，由图3可以看出本发明的复合骨水泥浆体在
水中抗溃散效果明显。图4示出硅酸三钙以及上述实施例1～3制得的钙硅基/海藻酸钠复合
骨水泥的可注射性，由图4可以看出相对于单纯的硅酸三钙骨水泥，该复合骨水泥的可注射
率达90％以上，这说明该复合骨水泥具有优异的可注射性。
实施例4
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.3g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
1.5％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸二钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸二钙粉体与1.5％海藻酸钠溶液以液固比0.5mL/g调和均匀，得到硅酸二钙/海藻酸钠
复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含量为0.75％。
于室温条件下测试该复合骨水泥浆体的抗溃散性及可塑形性。结果表明，该复合骨
水泥浆体在水中抗溃散效果明显；制作缺损骨模型，将复合骨水泥浆体按压入模型的缺损部
位，骨水泥浆体在固化的过程中可以和缺损部位较好地贴合，说明该复合骨水泥浆体可以根
据骨缺损的部位任意成型，适用于复杂形状骨缺损部位的填充。
实施例5
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.4g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
2.0％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸三钙/硅酸二钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸三钙粉体与硅酸二钙粉体按照4:1混合均匀后，与2.0％海藻酸钠溶液以液固比
0.6mL/g调和均匀，得到硅酸三钙/硅酸二钙/海藻酸钠复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含
量为1.2％。
于室温条件下测试该复合骨水泥浆体的抗溃散性、可注射性。结果表明，该复合骨
水泥浆体在水中抗溃散效果明显；浆体在注射器中静置5分钟后可注射率接近100％，并且
注射过程中没有固液分离现象,说明该复合骨水泥浆体适用于骨缺损的微创手术应用。将复
合骨水泥浆体注模成型，于37℃，100％湿度条件下养护后测试其抗压强度，复合骨水泥的
抗压强度明显提升。
实施例6
1)海藻酸钠溶液的配制：
称取0.4g海藻酸钠粉体溶解于20mL去离子水中，并于室温下搅拌均匀，最终得到浓度为
2.0％海藻酸钠溶液，置于4℃冰箱保存，备用；
2)硅酸三钙/硅酸二钙/海藻酸钠复合骨水泥的制备：
将硅酸三钙粉体与硅酸二钙粉体按照4:1混合均匀后，与2.0％海藻酸钠溶液以液固比
0.5mL/g调和均匀，得到硅酸三钙/硅酸二钙/海藻酸钠复合骨水泥浆体，此时海藻酸钠的含
量为1.0％。
于室温条件下测试该复合骨水泥浆体的抗溃散性及可塑形性。结果表明，该复合骨水
泥浆体在水中抗溃散效果明显，并且复合骨水泥浆体在固化过程中可以和复杂形状缺损贴
合，说明该复合骨水泥浆体可以根据骨缺损的部位任意成型，适用于复杂形状骨缺损部位的
填充。
产业应用性：本发明的抗溃散钙硅基复合骨水泥材料具有优异的可注射性、可塑性
及抗溃散性，可用于微创治疗或复杂骨缺损形状的填充。