硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架及其制备方法

技术领域

本发明涉及骨损伤修复医用材料的技术领域，尤其是指一种硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架、表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架及其制备方法。

背景技术

骨组织的主要无机成分为羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA；HA的Ca/P摩尔比为1.67)，人工合成羟基磷灰石具有优异的生物相容性、良好的骨传导性和骨整合性，HA陶瓷的力学性能较高，但生物降解性低，对骨缺损的再生修复不利，限制了其在骨修复领域的广泛应用。磷酸三钙(tricalcium phosphate,TCP； TCP的Ca/P摩尔比为1.5)的化学组成与骨矿物的化学组成比较相近，同样具有优异的生物相容性、良好的骨传导性和骨整合性，而且生物降解性较高，可实现骨缺损的再生修复，已在临床上规范应用于骨缺损修复，但TCP陶瓷的力学性能不如HA陶瓷。由HA与TCP复合构成双相磷酸钙(biphasic calciumphosphate,BCP)，可调控可降解性和生物活性，且BCP陶瓷的力学性能优于TCP 陶瓷。TCP有两种晶体结构：α-TCP和β-TCP，由于β-TCP比α-TCP具有更好的化学稳定性，故BCP通常由HA与β-TCP构成。BCP可直接化学合成，也可采用合成的HA和β-TCP进行复合。虽然BCP可结合HA和β-TCP的优点，但其缺乏骨诱导性和成血管诱导性导致骨修复能力不足(Bouler J M,Pilet P, Gauthier O,Verron E.Biphasic calcium phosphate ceramics for bonereconstruction: A review of biological response[J].Acta Biomaterialia,2017,53,1-12.)。

镁、锌、硅、锶等是天然骨的无机矿物中的微痕量元素，这些元素在与骨发育和代谢密切相关的生化反应中起着重要作用(Dorozhkin S V,Epple M. Biological andmedical significance of calcium phosphates[J].Angewandte Chemie-InternationalEdition,2002,41(17):3130-3146.)。磷酸钙材料的锌和锶离子掺杂主要起促成骨的作用，镁离子掺杂主要起促成血化的作用，而硅离子掺杂同时起促成骨和成血管的共同作用(Bose S,Fielding G,Tarafder S,et al. Understanding of dopant-inducedosteogenesis and angiogenesis in calcium phosphate ceramics[J].Trends inBiotechnology,2013,31(10):594-605.)。其中锌离子掺杂促成骨的效果较强，而硅离子掺杂对促成骨和成血管均具有良好的作用，但单元离子掺杂的效果仍不够佳，而且磷酸钙陶瓷基体中掺杂的活性离子释放相对缓慢，支架难以实现早期血管化。而早期血管化是骨缺损修复的重要条件，血管不仅可以为周围细胞带来氧气和营养物质并同时清除代谢废物，还可以将参与修复的细胞输送到骨缺损部位，因此，促进早期血管化更有利于加快骨缺损的修复进程。

CN107441558A公开了一种骨组织工程用多孔SiO

发明内容

本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架及其制备方法。

本发明的第二目的在于提供一种表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架及其制备方法。

本发明的第一目的通过下述技术方案实现：一种硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的制备方法，包括以下步骤：

1)将钙源、磷源分别溶于去离子水形成钙源溶液A1和磷源溶液A2，将硅源溶于无水乙醇形成硅源溶液A3，将硅源溶液A3与磷源溶液A2均匀混合，再滴入钙源溶液A1中，得到反应溶液A，调节反应溶液A的pH值后，再依次进行搅拌、水热处理、离心取沉淀物、洗涤、离心、干燥和煅烧，得到硅掺杂羟基磷灰石粉体；将钙源和锌源溶于水得到钙/锌源混合溶液B1，将磷源溶于水得到磷源溶液B2，将磷源溶液B2滴入钙/锌源混合溶液B1，得到反应溶液B，调节反应溶液B的pH值后，再依次进行搅拌、陈化、离心取沉淀物、洗涤、离心、干燥和煅烧，得到锌掺杂β-磷酸三钙粉体；

2)将步骤1)得到的硅掺杂羟基磷灰石粉体和锌掺杂β-磷酸钙粉体均匀混合，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙混合粉体；

3)将步骤2)得到的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙混合粉体与增稠剂充分均匀混合，滴入粘结剂，充分搅拌，制备成打印浆料，3D打印成型，干燥，得到硅 /锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

4)将步骤3)得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体进行高温烧结，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

优选的，具有如下a-f中的至少一项：

a、合成硅掺杂羟基磷灰石粉体的钙源为硝酸钙，磷源为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或几种组合，硅源为正硅酸乙酯；

b、所述硅掺杂羟基磷灰石粉体的分子式为Ca

c、合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体的钙源为硝酸钙，锌源为硝酸锌，磷源为磷酸氢二铵、磷酸二氢铵、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠中的一种或几种组合；

d、所述锌掺杂β-磷酸三钙粉体的(Zn+Ca)/P摩尔比为1.5，其中Zn/(Zn+Ca) 摩尔比为0.015-0.03；

e、所述硅掺杂羟基磷灰石粉体和锌掺杂β-磷酸钙粉体的混合粉体的质量百分比为20-40:60-80；f、所述增稠剂为甲基纤维素，所述粘结剂为聚乙烯醇。

发明人发现，硅掺杂会破坏羟基磷灰石的稳定性使其更容易分解产生α-TCP，而α-TCP降解过快不能为干细胞的初期粘附提供一个稳定的环境，不利于干细胞后续的增殖和成骨分化，同时降解过快的材料不能在植入初期为骨缺损组织提供力学支撑，而且降解空间与新骨生成量的匹配性差。而本发明采用化学沉淀法结合水热处理的制备方法，并进一步优选上述工艺参数范围，可解决羟基磷灰石分解产生α-TCP的问题，获得物相单一的硅掺杂羟基磷灰石。锌掺杂能提高磷酸钙材料的成骨性能，但锌掺杂使磷酸钙材料的降解性能有所下降；硅掺杂不仅可以提高磷酸钙支架的生物活性和成血管性能，还可加快磷酸钙材料的降解速度。因此，硅、锌双离子掺杂可使磷酸钙材料具有与骨缺损修复进程相匹配的降解速度，同时还兼具优良的成骨与成血管性能。另外，离子掺杂量过高会引起细胞毒性并降低成骨/成血管活性；掺杂量过低，促成骨和成血化的能力不足，故掺杂量优选上述合适的掺杂量范围。

发明人发现，双相磷酸钙的两相比例对材料的骨诱导性能及降解性能有影响，若β-磷酸三钙含量过高，会使双相磷酸钙的降解速度过快，材料不稳定不利于新骨形成；若羟基磷灰石含量过高，会使双相磷酸钙的降解速度较慢，不利于新骨的长入，故两相的比例优选出合适的范围。

发明人发现，针对血管化，支架孔径过小不利于成血管，孔径达到300μm 以上有利于成血管，故打印支架孔径达到400μm则烧结后孔径超过300μm，而且进一步提高孔径更有利于后续镁掺杂硅酸钙表面改性促早期孔道的血管化，但孔径过大会降低支架的力学性能，而且不利于成骨细胞充满孔道，故需要采用适当的孔径范围。

优选的，在步骤1)中，合成硅掺杂羟基磷灰石粉体的反应溶液A的pH值为10.5-11，搅拌速率为400-600r/min，搅拌时间为40-60min，水热处理温度为140-180℃，水热处理时间为16-24h，反应后溶液的离心速率为2000-4000r/min，洗涤液为去离子水，洗涤过程的搅拌速率为400-600r/min，搅拌时间为10-20 min，洗涤后溶液的离心速率为4000-5000r/min，干燥温度为40-70℃，干燥时间为18-24h，煅烧温度为850-950℃，保温时间为2-3h；

合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体的反应溶液B的pH值为6.4-6.8，搅拌速率为400-600r/min，搅拌时间为40-60min，陈化时间为12-24h，反应后溶液的离心速率为2000-4000r/min，洗涤液为去离子水，洗涤过程的搅拌速率为400-600 r/min，搅拌时间为10-20min，洗涤后溶液的离心速率为4000-5000r/min，干燥温度为40-70℃，干燥时间为18-24h，煅烧温度为850-950℃，保温时间为2-3 h。

优选的，在步骤4)中，所述硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体的烧结温度为1050-1150℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间为2-4h。

本发明提供了一种由上述方法制备得到的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架，能够应用于制备骨损伤修复医用材料。

本发明的第二目的通过下述技术方案实现：一种利用上述硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架制备表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的方法，包括以下步骤：

将钙源和镁源溶于去离子水得到钙/镁源混合溶液C1，将硅源溶于去离子水得到硅源溶液C2，将钙/镁源混合溶液C1滴加入硅源溶液C2中，得到反应溶液C，再依次进行搅拌、离心、洗涤、离心取沉淀物、加入去离子水、添加分散剂和搅拌，得到镁掺杂硅酸钙前驱体浆料；

将硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架置于镁掺杂硅酸钙前驱体浆料中浸渍，负压下表面渗透涂覆，然后干燥，经重复浸渍渗透涂覆，形成镁掺杂硅酸钙前驱体表面层，得到表面渗透涂覆的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架；

将表面渗透涂覆的掺杂双相磷酸钙陶瓷支架进行热处理，得到表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

优选的，具有如下a、b中的至少一项：

a、所述钙源为硝酸钙，硅源为硅酸钠，镁源为硝酸镁；

b、所述镁掺杂硅酸钙前驱体浆料的Mg/(Mg+Ca)摩尔比为0.05-0.12。

优选的，制备镁掺杂硅酸钙前驱体浆料的反应溶液C的搅拌速率为300-600 r/min，搅拌时间为15-45min，离心速率为2000-4000r/min，洗涤过程的搅拌速率为300-600r/min，搅拌时间为5-10min，洗涤后溶液的离心速率为3000-4000 r/min，洗涤液和浆料溶液为去离子水，分散剂为聚乙二醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸酯氨中的一种或几种组合，分散剂的浓度为2-6g/L；

所述镁掺杂硅酸钙前驱体浆料中镁掺杂硅酸钙的浓度为0.4-0.6mol/L；镁掺杂硅酸钙前驱体浆料浸渍硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的负压范围为 -0.05～-0.25MPa，浸渍时间为10-30s，浸渍渗透涂覆的次数为1-3，干燥温度为 40-60℃，干燥时间为30-60min；浸渍渗透涂覆形成的镁掺杂硅酸钙前驱体表面层的最终厚度为5-20μm。

优选的，所述表面渗透涂覆的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的热处理温度为850-950℃，升温速率为5-10℃/min，保温时间为1-3h。

发明人发现，掺杂双相磷酸钙基体的活性离子释放相对缓慢，对支架早期血管化的促进作用仍不够显著。硅酸钙的离子释放速度更快，且可释放出硅离子，而镁离子掺杂硅酸钙可同时释放硅离子和镁离子，协同提高促血管化性能。因此，将离子释放速度较快的镁掺杂硅酸钙作为离子释放速度较慢的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的表面改性材料，有利于支架前期对促血管化的活性离子释放，进一步促进支架的初期血管化。而支架基体对硅、锌离子的长期缓释则有利于新骨的后期产生和长入。通过表面层和支架基体对活性离子的适当时序性释放可加快并实现骨缺损的再生修复。

发明人发现，镁掺杂硅酸钙的离子掺杂量对材料早期介导内皮细胞成血管行为和涂层稳定性有一定的影响，由于镁离子半径比钙离子半径小，镁掺杂量过高会破坏硅酸钙晶体结构的稳定性，导致前期镁离子的释放量过大，细胞培养液中的镁离子浓度过高，从而抑制内皮细胞对成血管相关基因的表达，甚至产生细胞毒性；而镁掺杂量过低，对成血管相关基因表达的促进作用不够显著，故优选上述合适的掺杂量范围。

发明人发现，渗透涂覆的条件对磷酸钙支架性能有一定的影响。负压可使镁掺杂硅酸钙前驱体浆料渗透进入磷酸钙支架表面的孔隙内，使表面涂覆层与基体结合更加紧密，并使支架的力学强度有所提高。若负压过低，不利于浆料渗入支架表面孔隙；若负压过高，渗透进入支架表面孔隙过深，影响支架基体的降解。涂覆表面层的厚度取决于浸渍时间和浸渍次数，表面层厚度过低，则释放促血管化的活性离子过少、持续释放时间较短，不足以充分刺激初期血管化；表面层厚度过高，则表面层降解所需时间延长，不利于支架基体对锌离子的释放，使后续的新骨产生和长入受限，降低骨修复效率。

另外，热处理温度对镁掺杂硅酸钙表面层的稳定性和生物活性有一定影响。若热处理温度过低，表面改性层未能与支架基体形成化学键合，容易发生脱落现象；若热处理温度过高，改性层过于致密，对促血管化的活性离子释放减缓，不利于提高支架的血管化性能。

本发明提供了一种由上述方法制备得到的表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架，能够应用于制备骨损伤修复医用材料。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明通过硅掺杂羟基磷灰石与锌掺杂β-磷酸三钙复合制备硅、锌离子掺杂的双相磷酸钙陶瓷支架，其中锌掺杂具备促成骨的效果，硅掺杂具备促成骨和血管化的效果，与未掺杂的双相磷酸钙陶瓷支架相比，具有优越的促成骨与成血管性能；通过调控硅掺杂羟基磷灰石与锌掺杂β-磷酸三钙比例可调控硅、锌活性离子的释放量和支架的降解性能。

2、本发明制备出的硅、锌双离子掺杂的双相磷酸钙陶瓷支架与单一离子掺杂的双相磷酸钙陶瓷支架相比，硅、锌离子掺杂能起协同作用提高材料的成骨与成血管能力，能弥补单一离子掺杂的不足，且离子掺量易于调节，从而能够调节有利于促成骨与成血管的离子释放率。

3、本发明通过进一步对双相磷酸钙陶瓷支架进行表面渗透涂覆镁掺杂硅酸钙制备出表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架，由于支架基体材料与表面渗透涂覆材料的溶解速率不同，故通过表面涂覆镁掺杂硅酸钙能优先释放均具有促成血管效果的Mg和Si离子，利用Mg和Si离子协同促血管化能有利于早期促进支架孔道成血管，为后续新骨的生长提供氧气和营养物质，并消除代谢废物，加快骨修复进程。通过调控适当的镁离子掺杂量、表层厚度和热处理温度可调控适当的Mg、Si离子的释放率和释放周期，为早期促血管化奠定基础。

4、本发明制备支架的镁掺杂硅酸钙表面改性层工艺较简单，采用化学沉淀法合成镁掺杂硅酸钙前驱体并制备成浆料，前驱体浆料具有粘结性，采用负压下的浸渍法渗透涂覆可以制备出分布均匀的支架孔壁表面改性层，在适当负压下镁掺杂硅酸钙浆料可渗透进入支架孔壁的表面孔隙，再经过热处理得到结晶镁掺杂硅酸钙表面改性层，故镁掺杂硅酸钙表面改性层与支架孔壁结合牢固，不易脱落；镁掺杂硅酸钙表面改性层与支架孔壁结合还能提高支架的力学性能，并能改进支架表面的形貌和粗糙度，有利于细胞黏附和迁移。

5、本发明通过控制镁掺杂硅酸钙前驱体浆料浸渍支架的负压、浸渍时间和浸渍次数可调控镁掺杂硅酸钙的渗透量和表面层厚度。

附图说明

图1为对比例1、2和实施例1的X射线衍射图。

图2为实施例1的体外离子释放测试结果图。

图3为对比例1和实施例1的体外降解测试结果图。

图4为小鼠骨髓间充质干细胞在对比例1和实施例1的样品表面的成骨分化相关基因表达情况结果图。

图5为人脐静脉内皮细胞在对比例2和实施例1的样品表面的成血管相关基因表达情况结果图。

图6为实施例4、5表面涂覆层的X射线衍射图。

图7为实施例5的支架表面、断面电镜图和表面EDS元素分布图。

图8为实施例1和5的抗压强度图。

图9为人脐静脉内皮细胞在实施例1、4、5表面培养的成血管相关基因表达情况结果图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，视为可以通过市售购买得到的常规产品。

对比例1

本对比例应用未掺杂的羟基磷灰石粉体和锌掺杂量为2.5mol.％的β-磷酸三钙粉体为原料，具体过程步骤包括：

1)利用化学沉淀法和水热法合成未掺杂羟基磷灰石粉体方法如下：将 118.075g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将39.618g磷酸氢二铵溶于1 L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴加到钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH值为10.5，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后装入高压反应釜中进行水热处理，水热温度为180℃，水热时间为16h，之后，以4000r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600 r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为 5℃/min，保温2h，煅烧后得到羟基磷灰石粉体；

2)利用化学沉淀法合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体方法如下：将207.222g硝酸钙和6.694g硝酸锌溶于1L去离子水得到钙/锌源混合溶液，将79.236g磷酸氢二铵溶于1L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴入钙/锌源混合溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液 pH值为6.8，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后室温陈化24h，以4000r/min速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min 速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2h，煅烧后得到锌掺杂β-磷酸三钙粉体；

3)将步骤1)得到的未掺杂的羟基磷灰石粉体与步骤2)得到的锌掺杂量为2.5mol.％的β-磷酸三钙粉体与按质量百分比为40:60的比例加入球磨罐中形成混合粉体，以混合粉体:无水乙醇:球磨珠的质量比为1:2:1的比例进行球磨，球磨速率为30Hz，球磨时间为2h，球磨完毕后置于60℃烘箱干燥，干燥时间为2h，得到锌离子掺杂的双相磷酸钙粉体；

4)取步骤3)得的锌离子掺杂的双相磷酸钙粉体5g，加入甲基纤维素0.15 g，充分混合均匀，继续滴加8wt.％浓度的聚乙烯醇溶液4.25g，搅拌均匀后装入3D打印料筒，经3D打印得到锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

5)将步骤4)得到锌掺杂量为2.5mol.％的双相磷酸钙陶瓷支架坯体，在 1150℃高温烧结，升温速率为2℃/min，保温时间为2h，得到锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

对比例2

本对比例应用硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体和未掺杂的β-磷酸三钙粉体为原料，具体过程步骤包括：

1)利用化学沉淀法和水热法合成硅掺杂羟基磷灰石粉体方法如下：将 118.075g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将38.033g磷酸氢二铵溶于1 L去离子水得到磷源溶液，将2.72mL的正硅酸四乙酯与等量的无水乙醇混匀后加入磷源溶液，得到磷/硅混合溶液，再将磷/硅混合溶液滴加到钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH 值为10.5，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后装入高压反应釜中进行水热处理，水热温度为180℃，水热时间为16h，之后，以4000 r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2h，煅烧后得到硅掺杂羟基磷灰石粉体；

2)利用化学沉淀法合成未掺杂β-磷酸三钙粉体方法如下：将212.535g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将79.236g磷酸氢二铵溶于1L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴入钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600 r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH值为6.8，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后室温陈化24h，以4000r/min速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600 r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为 5℃/min，保温2h，煅烧后得到未掺杂β-磷酸三钙粉体；

3)将步骤1)得到的硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体与步骤2)得到的未掺杂的β-磷酸三钙粉体按质量百分比为40:60的比例加入球磨罐中形成混合粉体，以混合粉体:无水乙醇:球磨珠的质量比为1:2:1的比例进行球磨，球磨速率为30Hz，球磨时间为2h，球磨完毕后置于60℃烘箱干燥，干燥时间为2 h，得到硅离子掺杂的双相磷酸钙粉体；

4)取步骤3)得的硅离子掺杂的双相磷酸钙粉体5g，加入甲基纤维素0.15 g，充分混合均匀，继续滴加8wt.％浓度的聚乙烯醇溶液4.25g，手动搅拌均匀后装入3D打印料筒，经3D打印得到硅离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

5)将步骤4)得到的硅离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体，在1150℃高温烧结，升温速率为2℃/min，保温时间为2h，得到硅离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

实施例1

本实施例应用硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体和锌掺杂量为2.5 mol.％的β-磷酸三钙粉体为原料，具体过程步骤包括：

1)利用化学沉淀法和水热法合成硅掺杂羟基磷灰石粉体方法如下：将 118.075g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将38.033g磷酸氢二铵溶于1 L去离子水得到磷源溶液，将2.72mL的正硅酸四乙酯与等量的无水乙醇混匀后加入磷源溶液，得到磷/硅混合溶液，再将磷/硅混合溶液滴加到钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH 值为10.5，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后装入高压反应釜中进行水热处理，水热温度为180℃，水热时间为16h，之后，以4000 r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2h，煅烧后得到硅掺杂羟基磷灰石粉体；

2)利用化学沉淀法合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体方法如下：将207.222g硝酸钙和6.694g硝酸锌溶于1L去离子水得到钙/锌源混合溶液，将79.236g磷酸氢二铵溶于1L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴入钙/锌源混合溶液，得到反应溶液，滴加过程中以600r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液 pH值为6.8，滴加完成后继续搅拌40min(搅拌速度为600r/min)，随后室温陈化24h，以4000r/min速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以5000r/min 速率离心，然后置于70℃烘箱干燥18h，进行初次研磨后在马弗炉中进行950℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2h，煅烧后得到锌掺杂β-磷酸三钙粉体；

3)将步骤2)得到的硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体与步骤1)锌掺杂量为2.5mol.％的β-磷酸三钙粉体按质量百分比为40:60的比例加入球磨罐中形成混合粉体，以混合粉体:无水乙醇:球磨珠的质量比为1:2:1的比例进行球磨，球磨速率为30Hz，球磨时间为2h，球磨完毕后置于60℃烘箱干燥，干燥时间为2h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体；

4)取步骤3)得的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体5g，加入甲基纤维素0.15 g，充分混合均匀，继续滴加8wt.％浓度的聚乙烯醇溶液4.25g，手动搅拌均匀后装入3D打印料筒，经3D打印得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

5)将步骤4)得到的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体，在1150℃高温烧结，升温速率为2℃/min，保温时间为2h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

图1为对比例1、对比例2和实施例1陶瓷支架的X射线衍射图，由图1 可以看出对比例1、对比例2和实施例1陶瓷支架的物相均只由β-磷酸三钙 (JCPDF NO.090169)和羟基磷灰石(JCPDF NO.090432)组成，无其他杂相。经精修计算，对比例1、对比例2和实施例3的羟基磷灰石和β-磷酸三钙的质量百分比均维持在40:60左右。

图2为实施例1的电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)测试结果。将经过高压灭菌的陶瓷支架烘干，放置于48孔板中，每组陶瓷支架设置3个平行样，然后按照每孔0.5ml加入高糖基础培养基，隔天更换培养基液，并在1,3,7和14d 的时间点收集陶瓷支架的浸泡液，并使用ICP检测浸泡液中的Zn、Si元素的浓度，得到对应时间点的离子释放浓度。由测试数据可知，在培养基中锌离子浓度在0.3-0.4mg/L范围内，硅酸根离子浓度在3-4mg/L范围内，结合XRD测试结果可说明硅酸根和锌离子成功分别掺入羟基磷灰石和β-磷酸三钙晶格中。

图3为对比例1与实施例1的体外降解测试结果。称取初始干燥陶瓷支架的质量，记为m

图5为培养在对比例2和实施例1陶瓷支架的人脐静脉内皮细胞(HUVECs) 对成血管相关基因的表达情况。对比例2和实施例1的材料经高温高压灭菌后烘干，放置为48孔板，加入完全培养基浸泡润湿6h，材料表面按照4×10

实施例2

本实施例应用硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体和锌掺杂量为1.5 mol.％的β-磷酸三钙粉体为原料，具体过程步骤包括：

1)利用化学沉淀法和水热法合成硅掺杂羟基磷灰石粉体方法如下：将 118.075g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将38.033g磷酸氢二铵溶于1 L去离子水得到磷源溶液，将2.72mL的正硅酸四乙酯与等量的无水乙醇混匀后加入磷源溶液，得到磷/硅混合溶液，再将磷/硅混合溶液滴加到钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以400r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH 值为11，滴加完成后继续搅拌60min(搅拌速度为400r/min)，随后装入高压反应釜中进行水热处理，水热温度为140℃，水热时间为24h，之后，以2000r/min 的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为400r/min，搅拌时间为20min，洗涤后溶液以4000r/min速率离心，然后置于40℃烘箱干燥24h，进行初次研磨后在马弗炉中进行850℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温3h，煅烧后得到硅掺杂羟基磷灰石粉体；

2)利用化学沉淀法合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体方法如下：将209.346g硝酸钙和4.016g硝酸锌溶于1L去离子水得到钙/锌源混合溶液，将79.236g磷酸氢二铵溶于1L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴入钙/锌源混合溶液，得到反应溶液，滴加过程中以400r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液 pH值为6.4，滴加完成后继续搅拌60min(搅拌速度为400r/min)，随后室温陈化12h，以2000r/min速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为20min，洗涤后溶液以4000r/min 速率离心，然后置于40℃烘箱干燥24h，进行初次研磨后在马弗炉中进行850℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温3h，煅烧后得到锌掺杂β-磷酸三钙粉体；

3)将步骤1)得到的硅掺杂量为4mol.％的羟基磷灰石粉体与步骤2)得到锌掺杂量为1.5mol.％的β-磷酸三钙粉体按质量百分比为20:80的比例加入球磨罐中形成混合粉体，以混合粉体:无水乙醇:球磨珠的质量比为1:2:1的比例进行球磨，球磨速率为30Hz，球磨时间为2h，球磨完毕后置于60℃烘箱干燥，干燥时间为2h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体；

4)取步骤3)得的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体5g，加入甲基纤维素0.15 g，充分混合均匀，继续滴加8wt.％浓度的聚乙烯醇溶液4.25g，手动搅拌均匀后装入3D打印料筒，经3D打印得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

5)将步骤4)得到的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体，在1050℃高温烧结，升温速率为10℃/min，保温时间为3h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

物相分析结果显示，实施例2陶瓷支架由双相磷酸钙组成，无其他杂相，且羟基磷灰石和β-磷酸三钙的质量百分比均维持在20:80左右。由ICP测试结果可知，Zn

实施例3

本实施例应用硅掺杂量为2mol.％的羟基磷灰石粉体和锌掺杂量为3mol.％的β-磷酸三钙粉体为原料，具体过程步骤包括：

1)利用化学沉淀法和水热法合成硅掺杂羟基磷灰石粉体方法如下：将 118.075g硝酸钙溶于1L去离子水得到钙源溶液，将38.826g磷酸氢二铵溶于1 L去离子水得到磷源溶液，将1.36mL的正硅酸四乙酯与等量的无水乙醇混匀后加入磷源溶液，得到磷/硅混合溶液，再将磷/硅混合溶液滴加到钙源溶液，得到反应溶液，滴加过程中以500r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液pH 值为10.8，滴加完成后继续搅拌50min(搅拌速度为500r/min)，随后装入高压反应釜中进行水热处理，水热温度为160℃，水热时间为20h，之后，以3000 r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为500r/min，搅拌时间为15min，洗涤后溶液以4500r/min速率离心，然后置于60℃烘箱干燥22h，进行初次研磨后在马弗炉中进行900℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2.5h，煅烧后得到硅掺杂羟基磷灰石粉体；

2)利用化学沉淀法合成锌掺杂β-磷酸三钙粉体方法如下：将206.159g硝酸钙和8.032g硝酸锌溶于1L去离子水得到钙/锌源混合溶液，将79.236g磷酸氢二铵溶于1L去离子水得到磷源溶液，将磷源溶液滴入钙/锌源混合溶液，得到反应溶液，滴加过程中以500r/min速度持续搅拌，同时加入氨水使反应溶液 pH值为6.6，滴加完成后继续搅拌50min(搅拌速度为500r/min)，随后室温陈化18h，以3000r/min速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶性盐，洗涤过程搅拌速率为500r/min，搅拌时间为15min，洗涤后溶液以4500r/min 速率离心，然后置于60烘箱干燥22h，进行初次研磨后在马弗炉中进行900℃煅烧，升温速率为5℃/min，保温2.5h，煅烧后得到锌掺杂β-磷酸三钙粉体；

3)步骤1)得到的硅掺杂量为2mol.％的羟基磷灰石粉体与步骤2)得到锌掺杂量为3mol.％的β-磷酸三钙粉体按质量百分比为30:70的比例加入球磨罐中形成混合粉体，以混合粉体:无水乙醇:球磨珠的质量比为1:2:1的比例进行球磨，球磨速率为30Hz，球磨时间为2h，球磨完毕后置于60℃烘箱干燥，干燥时间为2h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体；

4)取步骤3)得的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙粉体5g，加入甲基纤维素0.15 g，充分混合均匀，继续滴加8wt.％浓度的聚乙烯醇溶液4.25g，手动搅拌均匀后装入3D打印料筒，经3D打印得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体；

5)将步骤4)得到的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架坯体，在1100℃高温烧结，升温速率为5℃/min，保温时间为3h，得到硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

物相分析结果显示，实施例3陶瓷支架由双相磷酸钙组成，无其他杂相，且羟基磷灰石和β-磷酸三钙的质量百分比均维持在30:70左右。由ICP测试结果可知，Zn

实施例4

本实施例制备镁掺杂量为5mol.％的硅酸钙浆料表面渗透涂覆于实施例1样品表面，具体过程步骤包括：

1)将11.220g硝酸钙和0.641g硝酸镁溶于100mL去离子水得到钙/镁源混合溶液，将14.21g硅酸钠溶于100mL去离子水得到硅源溶液，在搅拌的情况下(600r/min)，将钙/镁源混合溶液滴加入硅源溶液中，滴加完毕后继续以600 r/min的速率搅拌处理45min，以4000r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以4000r/min速率离心得到掺镁硅酸钙前驱体反应物，加入200mL去离子水，加入0.8g聚乙二醇分散剂，以400r/min的速率搅拌30min，得到0.6 mol/L浓度的5mol.％镁掺杂硅酸钙前驱体浆料；

2)将实施例1的硅/锌共掺杂磷酸钙陶瓷支架置于步骤1)得到的镁掺杂硅酸盐浆料中浸渍，表面渗透涂覆，渗透负压为-0.20MPa，渗透时间为25s，然后置于50℃烘箱中干燥40min，经2次重复浸渍和干燥，形成具有厚度为12μm 的镁掺杂硅酸钙表面层，得到表面改性的双相磷酸钙陶瓷支架；

3)将步骤2)得到的磷酸钙陶瓷支架置于马弗炉，900℃进行热处理3h，升温速率为8℃/min，得到5mol.％镁掺杂硅酸钙表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

实施例5

本实施例制备镁掺杂量为10mol.％的硅酸钙浆料表面渗透涂覆于实施例1 样品表面，具体过程步骤包括：

1)将10.627g硝酸钙和1.282g硝酸镁溶于100mL去离子水得到钙/镁源混合溶液，将14.21g硅酸钠溶于100mL去离子水得到硅源溶液，在搅拌的情况下(600r/min)，将钙/镁源混合溶液滴加入硅源溶液中，滴加完毕后继续以600 r/min的速率搅拌处理45min，以4000r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶盐，洗涤过程搅拌速率为600r/min，搅拌时间为10min，洗涤后溶液以4000r/min速率离心得到掺镁硅酸钙前驱体反应物，加入200mL去离子水，加入0.8g聚乙二醇分散剂，以400r/min的速率搅拌30min，得到均匀的0.6mol/L浓度的10mol.％镁掺杂硅酸钙前驱体浆料；

2)将实施例1得到的硅/锌共掺杂磷酸钙陶瓷支架置于步骤1)得到的镁掺杂硅酸盐浆料中浸渍，表面渗透涂覆，渗透负压为-0.20MPa，渗透时间为25s，然后置于50℃烘箱中干燥40min，经2次重复浸渍和干燥，形成具有厚度为12 μm的镁掺杂硅酸钙表面层，得到表面改性的双相磷酸钙陶瓷支架；

3)将步骤2)得到的磷酸钙陶瓷支架置于马弗炉，900℃进行热处理3h，升温速率为8℃/min，得到10mol.％镁掺杂硅酸钙表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

图6为实施例4和实施例5表面涂层的X射线衍射图，由XRD图谱显示，硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷的涂覆层的物相为硅酸钙，随着镁掺入量的增加，特征峰向高角度移动，可见镁离子成功进入钙离子晶格位点。

图7为实施例5的表层涂覆表征。由图可知(上方左图为表面未涂覆的支架，而上方右图为表面涂覆的支架)，表面改性的陶瓷支架具有约400μm的宏孔。涂层厚度约为12μm(下方右图)。由EDS元素分布图(下方中间图，而下方左图为对应的形貌图)可以看出，Mg、Si元素均匀分布于陶瓷支架的表面，表明镁掺杂硅酸钙成功涂覆在硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的表面。

图8为实施例1与实施例5的抗压强度性能测试结果。实施例1的抗压强度为8.94MPa，实施例5的抗压强度为10.76MPa，表明陶瓷支架经过镁掺杂硅酸钙的表面渗透涂覆能够提高掺杂磷酸钙陶瓷支架的抗压强度。

图9为人脐静脉内皮细胞在实施例1、实施例4和实施例5表面培养3d和 5d后对成血管相关相关基因的表达情况。实施例1、实施例4和实施例5的材料经高温高压灭菌后烘干，放置为48孔板，加入完全培养基浸泡润湿6h，材料表面按照4×10

实施例6

本实施例制备镁掺杂量为12mol.％的硅酸钙浆料表面渗透涂覆于实施例2 样品表面，具体过程步骤包括：

1)将10.390g硝酸钙和1.538g硝酸镁溶于100mL去离子水得到钙/镁源混合溶液，将14.21g硅酸钠溶于100mL去离子水得到硅源溶液，在搅拌的情况下(500r/min)，将钙/镁源混合溶液滴加入硅源溶液中，滴加完毕后继续以450 r/min的速率搅拌处理30min，以3000r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶盐，洗涤过程搅拌速率为500r/min，搅拌时间为8min，洗涤后溶液以4000r/min速率离心得到掺镁硅酸钙前驱体反应物，加入200mL去离子水，加入1.2g聚甲基丙烯酸酯胺分散剂，以400r/min的速率搅拌30min，得到均匀的0.4mol/L浓度的12mol.％镁掺杂硅酸钙前驱体浆料；

2)将实施例2得到的硅/锌共掺杂磷酸钙陶瓷支架置于步骤1)得到的镁掺杂硅酸盐浆料中浸渍，表面渗透涂覆，渗透负压为-0.25MPa，渗透时间为30s，然后置于60℃烘箱中干燥30min，经3次重复浸渍和干燥，形成具有厚度为20 μm的镁掺杂硅酸钙表面层，得到表面改性的双相磷酸钙陶瓷支架；

3)将步骤2)得到的磷酸钙陶瓷支架置于马弗炉，950℃进行热处理1h，升温速率为10℃/min，得到12mol.％镁掺杂硅酸钙表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

物相分析结果显示，双相磷酸钙陶瓷表面涂覆层的物相为硅酸钙。扫描电镜观察显示掺镁硅酸钙涂层均匀包覆了支架表面与孔壁，EDS元素分布分析也表明镁元素和硅元素均匀分布在双相磷酸钙陶瓷支架的表面。这些都说明镁掺杂硅酸钙表面涂覆改性硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的成功制备。与实施例 2进行对比，实施例6能更好的促进人脐静脉内皮细胞在支架表面的增殖、黏附以及对VEGF、HIF-1α、eNOS基因的表达。这说明，镁掺杂量为12mol.％的硅酸钙表面涂覆硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架更易于血管生成，有利于实现支架的早期血管化。

实施例7

本实施例制备镁掺杂量为20mol.％的硅酸钙浆料表面渗透涂覆于实施例2 样品表面，具体过程包括：

1)将9.446g硝酸钙和2.564g硝酸镁溶于100mL去离子水得到钙/镁源混合溶液，将14.21g硅酸钠溶于100mL去离子水得到硅源溶液，在搅拌的情况下(300r/min)，将钙/镁源混合溶液滴加入硅源溶液中，滴加完毕后继续以300 r/min的速率搅拌处理15min，以2000r/min的速率离心取沉淀物，用去离子水反复洗涤去除可溶盐，洗涤过程搅拌速率为300r/min，搅拌时间为5min，洗涤后溶液以3000r/min速率离心得到掺镁硅酸钙前驱体反应物，加入200mL去离子水，加入1.0g聚乙二醇分散剂，以400r/min的速率搅拌30min，得到均匀的0.4mol/L浓度的5mol.％镁掺杂硅酸钙前驱体浆料；

2)将实施例2得到的硅/锌离子掺杂磷酸钙陶瓷支架置于步骤1)得到的镁掺杂硅酸盐浆料中浸渍，表面渗透涂覆，渗透负压为-0.05MPa，渗透时间为10 s，然后置于40℃烘箱中干燥60min，形成具有厚度为5μm的镁掺杂硅酸钙表面层，得到表面改性的双相磷酸钙陶瓷支架；

3)将步骤2)得到的磷酸钙陶瓷支架置于马弗炉，850℃进行热处理1h，升温速率为5℃/min，得到20mol.％镁掺杂硅酸钙表面改性的硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架。

物相分析结果显示，双相磷酸钙陶瓷表面涂覆层的物相为硅酸钙。扫描电镜观察显示掺镁硅酸钙涂层均匀包覆了支架表面与孔壁，EDS元素分布分析也表明镁元素和硅元素均匀分布在双相磷酸钙陶瓷支架的表面。这些都说明镁掺杂硅酸钙表面涂覆改性硅/锌离子掺杂双相磷酸钙陶瓷支架的成功制备。将人脐静脉内皮细胞接种于实施例6和实施7的材料表面，结果显示，与实施例7对比，实施例6能够更好地促进人脐静脉内皮细胞在支架表面的增殖、黏附以及对VEGF、HIF-1α、eNOS的表达。

本发明的实施例仅是为清楚地说明本发明所举的例子，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的专业人员而言，在上述实施例的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。