專利名稱：硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料及其制備方法和用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料及其制備方法和用途，屬于生
物材料領域。
背景技術：
著名生物材料學家Hench教授指出，第三代生物材料不僅應滿足具有生物活性的 特點，同時應當具有可降解性[Science 295 :1014-1017 ;2002]。同時，材料在降解過程中， 還應能誘導組織再生[Nature Mater. ，8 :457-470 ;2009]。這也是目前對第三代生物材料 發(fā)展的基本要求。 在無機生物醫(yī)用硬組織損傷修復材料方面，研究和臨床應用得最多的材料是磷酸 鈣類Ca-P基生物材料和生物玻璃類Ca-Si基生物材料。羥基磷灰石[Cai。(P04)6(0H)2，HAp] 和P-磷酸三鈣[e-Ca3(P04)2， P-TCP]是磷酸鈣類Ca-P基生物陶瓷材料的最主要代表， 具有良好的生物相容性，在硬組織損傷修復方面的研究和臨床應用已經(jīng)有很長的歷史。目 前國內(nèi)外市場上已經(jīng)有HAp和P-TCP陶瓷人工骨產(chǎn)品被用于骨科臨床治療。然而，Ca-P基 生物陶瓷存在的一些問題限制了其應用的進一步推廣。其中，HAp生物陶瓷雖然具有較好 的生物活性，能夠良好地誘導骨組織生長，但降解性很差；而P-TCP生物陶瓷雖然具有很 好的降解性，但生物活性很低，對細胞和組織生長沒有明顯的促進作用，植入體內(nèi)后對組織 再生也沒有活性剌激作用，用于截斷(大段)骨組織缺損的修復效果不佳。
Ca-Si基生物材料的最典型代表是生物活性玻璃材料，因其優(yōu)良的生物活性和降 解性而越來越受到重視。自從二十世紀70年代L. Hench教授發(fā)明了 Ca0-Si02-Na20-P205系 統(tǒng)生物活性玻璃[J. Biomed. Mater. Res. ，2 :117-141 ;1971.]以來，人們對生物活性玻璃的 生物活性與組成的關系及生物活性玻璃與人體組織鍵合機理作了大量研究工作。研究結果 顯示，其活性是由于生物活性玻璃表面與體內(nèi)組織液之間發(fā)生了無機化學反應[J Biomed Mater Res. 7 :25_42 ;1973.]，而Ca0和Si02組分是材料具有生物活性的一個關鍵因素。 Hench教授的最新研究結果還顯示生物活性玻璃降解時釋放出的硅離子有激活細胞、剌激 細胞基因表達的作用[J. Biomed. Mater. Res. 55 :151-157 ;2001.]。在這些研究的基礎上美 國還研制出了顆粒狀生物玻璃材料并成功應用于臨床骨組織的修復。 二十世紀80年代，著名的生物材料學者日本的T. Kokubo教授發(fā)明了 A_W生 物活性玻璃陶瓷材料[Biomaterials. 12 :155-163 ;1991.]，該材料采用4. 6wt. % MgO、 44. 7wt. % Ca0、34. Owt. % Si02、16. 2wt. % P20，0. 5wt. % CaF2為原料高溫熔融、冷卻后將 玻璃粉碎、球磨、壓制后燒結制備得到以羥基磷灰石和硅酸鈣為主相的A-W玻璃陶瓷。A-W 玻璃陶瓷材料具有良好的生物活性和力學強度，已經(jīng)在臨床中得到應用。但是，A-W玻璃陶 瓷材料降解性差，體內(nèi)植入實驗表明A-W生物活性玻璃陶瓷在體內(nèi)可以穩(wěn)定存在10年以上 [J. Bone Jt. Surg. 71A :264 ;1989.]。因此，A_W玻璃陶瓷材料在組織工程支架領域和降解 性要求較高的臨床應用場合受到極大限制。此外，A-W玻璃陶瓷還具有如下的缺點(l)材料制備采用高溫熔融工藝，該工藝具有制備溫度高、耗時長、能耗高的缺點。(2)制備得到的 原料是玻璃塊狀，較難成型，需要事先粉碎、球磨、過篩后，才能進行壓制成型，成型后還要 再燒結才能制備得到主晶相為羥基磷灰石和硅酸鈣的A-W玻璃陶瓷材料。同時，粉碎、球磨 過程又需要采用氧化鋯或氧化鋁等球磨介質(zhì)，極易引入雜質(zhì)，而生物材料對純度的要求又 極高。研究表明，在A-W玻璃陶瓷中只要滲入極微量的A1203，就導致A-W生物玻璃失去生物 活性[J. Biomed. Mater. Res. 24 :331-343 ;1990. ] 。 (3)羥基磷灰石相和硅灰石相的復合比 例單一，從而導致其力學強度、降解性和生物活性難以調(diào)控。而不同的臨床應用場合對植入 材料的力學強度和降解性的要求又不盡相同。(4)A-W玻璃陶瓷難以制備成具有良好降解性 的組織工程用多孔支架材料。因此，A-W玻璃陶瓷較弱的降解性極大地限制了其臨床應用。
近年來的研究結果顯示硅酸鈣生物陶瓷具有良好的生物活性、降解性和力學性能 [Materials Letters, 58 :2109-2113 ;2004. ; J. Mater. Res. ， 14 :529-536 ; 1999.]。動物植 入實驗研究還表明，硅酸鈣材料植入體內(nèi)后能夠同骨組織形成良好的鍵合作用、具有良好 的骨誘導形成能力[Biomaterials，29 :2588-2596 ;2008.]。然而，動物植入實驗和體外降 解性實驗均表明硅酸鈣陶瓷材料的降解性過快，難以調(diào)控硅酸鈣陶瓷的降解速率。因此，同 其他可降解生物陶瓷材料一樣，如何調(diào)控硅酸鈣生物陶瓷的降解速率是這類材料研究和臨 床應用的一個關鍵問題。 理想的可降解生物活性陶瓷應該是具有優(yōu)良的生物活性，它能激活細胞、剌激組 織再生；同時，又要求材料的降解速率與組織再生的速度相匹配。這樣才能達到完美的人體 組織的再生修復。因此，綜合調(diào)控材料的生物活性和降解性、并具有良好的力學性能，使材 料適合各種不同生理條件下應用的需要是可降解生物活性陶瓷研究的最終目的。目前，臨 床中應用的磷酸鈣類生物陶瓷、生物活性玻璃、A-W玻璃陶瓷等生物醫(yī)用無機材料都不同程 度地存在著生物活性、降解性或力學性能的缺陷，以及生物活性和降解性之間難以調(diào)控等 缺點。因此，這些材料均難以滿足理想的第三代生物材料的臨床使用要求。對于這些單相 生物陶瓷材料，雖然可以通過制備工藝的調(diào)整在一定范圍內(nèi)調(diào)控材料的降解性，但是，由于 單相生物材料的組成和成分已經(jīng)確定，其降解性的有效調(diào)控范圍非常有限。解決這一問題 的方法之一是通過制備復合生物陶瓷材料，以降解性好的材料與降解性差的材料進行復合 來調(diào)控材料的降解性；以生物活性好的材料與活性差的材料復合來調(diào)控材料的生物活性， 從而提高材料的組織誘導形成能力。 羥基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性、但降解性差；硅酸鈣陶瓷具有良 好的生物相容性、生物活性、降解性和力學性能，但降解速率過快。而A-W玻璃陶瓷的研究 顯示，一定比例的硅酸鈣相與磷灰石相復合可以得到優(yōu)良的生物活性和很低的降解性。
綜上所述，本領域缺乏一種羥基磷灰石與硅酸鈣的復合比例可調(diào)以及生物活性、 降解性和力學強度等綜合性能良好且可控的復合生物陶瓷材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于通過優(yōu)化工藝提供一種新的具有優(yōu)良力學性能、生物活性
和降解性的，且力學強度、生物活性和降解性可控的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材 料。 本發(fā)明的第二目的在于提供硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法。
本發(fā)明的第三目的在于提供硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料作為硬組織 缺損修復材料的應用。 本發(fā)明的第一方面提供一種硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，其硅酸鈣 /羥基磷灰石復合生物陶瓷材料中硅酸鈣的質(zhì)量百分比含量占總量的5_95%，優(yōu)選10 90%。 本發(fā)明提供的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料具有不同于以往單相硅 酸鈣或單相羥基磷灰石的獨特性能，如通過復合得到的材料的力學性能明顯優(yōu)于純硅酸 鈣(純硅酸鈣生物陶瓷抗彎強度約50-95MPa，參考文獻[Ceram. Intern. ，31 :323-326 ; 2005])生物陶瓷或純羥基磷灰石生物陶瓷(純羥基磷灰石生物陶瓷通常抗彎強度小于 100MPa)，如在復合陶瓷中硅酸鈣的質(zhì)量含量為10%時，制備得到的復合陶瓷的抗彎強度 約98MPa，與純硅酸鈣生物陶瓷或羥基磷灰石生物陶瓷材料相當，但其在Tris-HCl緩沖溶 液中2周的降解率約0.6%，而純羥基磷灰石生物陶瓷通常認為不降解，文獻還表明純硅 酸鈣在在Tris-HCl緩沖溶液中2周的降解率約16% [J. Biomed. Mater. Res. ，85A :72-82 ; 2008]。 同時，硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的抗彎強度和降解性隨硅酸鈣含量 的提高而顯著增大。硅酸鈣含量為30wt. %時，抗彎強度約125MPa、2周的降解率約2%;硅 酸鈣含量為50wt. X時，抗彎強度約150MPa、2周的降解率約4X;硅酸鈣含量為70wt. %時， 抗彎強度約175MPa、2周的降解率約6. 5% ;硅酸鈣含量為90wt. %時，抗彎強度約221MPa、 2周的降解率約10%?？梢?，尤其當硅酸鈣的含量高于50wt. %時，其力學強度明顯優(yōu)于純 硅酸鈣或純羥基磷灰石生物陶瓷材料，但制備得到的復合材料的降解性明顯低于純硅酸鈣 生物陶瓷材料，即通過調(diào)控復合陶瓷中硅酸鈣的含量可以良好地調(diào)控材料的力學性能和降 解性。 通過調(diào)節(jié)硅酸鈣的含量可以顯著提高所發(fā)明的復合陶瓷材料的力學性能是由于 燒結后材料中內(nèi)部原位形成纖維狀晶粒。且該纖維狀晶粒的數(shù)量隨硅酸鈣含量的增加而 明顯增多(纖維晶粒如本發(fā)明提供的附圖3中的箭頭符號所示)。研究表明，由于纖維狀 陶瓷晶粒的優(yōu)異力學性能，其可以顯著提高陶瓷材料的力學性能，并被廣泛應用于材料的 力學增強和增韌領域[J.Alloys Compounds,472 :395-399 ;2009 ;CompositeScience and Technology,66 :1002-1111 ;2006]。 本發(fā)明的第二方面提供一種硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法， 包括如下步驟 (1)以可溶性鈣鹽為原料，配制可溶性鈣鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為9-11. 5 ;以可溶 性磷鹽為原料，配制可溶性磷鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的PH為8-10. 5 ;以可溶性硅酸鹽為原料，配 制可溶性硅酸鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為9-12 ; (2)以鈣磷摩爾比為1. 60-1. 70的比例，將可溶性磷鹽溶液加入可溶性鈣鹽溶液 中，加入過程中保持反應溶液pH為9-12，然后將反應產(chǎn)物陳化、過濾； (3)將步驟(2)所得粉體加入到水中形成混濁液，按硅酸鈣占硅酸鈣和羥基磷灰
石總量5wt^ _95^%的配比，在上述混濁液中加入可溶性硅酸鹽溶液； (4)將與硅酸鹽離子摩爾比為0. 8-1. 2的可溶性鈣鹽水溶液加入步驟(3)所得產(chǎn)
物中，加入過程調(diào)節(jié)溶液的pH為9-12，加入后繼續(xù)攪拌、陳化、過濾、洗滌、烘干后獲得粉體，將粉體成型后煅燒。 上述步驟中，優(yōu)選可溶性f丐鹽溶液的f丐離子濃度為0. 05-2mol/L ;優(yōu)選可溶性磷 鹽的磷酸根離子濃度為0. 05-2mol/L ;優(yōu)選可溶性硅酸鹽的硅酸根離子濃度為0. 05-2mo1/ L。 上述步驟中，調(diào)節(jié)溶液的pH為采用堿性溶液調(diào)節(jié)，優(yōu)選采用加入氨水調(diào)節(jié)，優(yōu)選 氨水的濃度為0. 05-2mol/L。 上述步驟中成型條件優(yōu)選為采用以粉體為原料干壓或等靜壓成型方法獲得陶瓷 坯，進一步優(yōu)選在粉體中加入質(zhì)量百分比1_5%濃度為1_10%的聚乙烯醇作粘結劑。
上述步驟中煅燒條件優(yōu)選為800-100(TC煅燒l-5h。 在上述過程中，在粉體原料制備中，主要是利用鈣鹽中的鈣離子與磷酸鹽中的磷 酸根離子在一定的pH環(huán)境及制備條件下沉淀獲得羥基磷灰石粉體；利用鈣鹽中的鈣離子 與硅酸鹽中的硅酸根離子在一定的pH環(huán)境及制備條件下沉淀獲得硅酸鈣粉體。
對本發(fā)明得到的復合材料樣品在日本島津公司的AG-I精密萬能實驗機上測試抗 彎強度和彈性模量。樣品的測試速度為5. Omm/min，測試表明本發(fā)明得到的復合材料的抗彎 強度的可控制在95-230MPa范圍內(nèi)，其強度與人體致密骨抗彎強度(50-150MPa)相當，通過 調(diào)節(jié)復合比例甚至可以制備獲得力學強度顯著高于人體致密骨的抗彎強度；而彈性模量僅 12-20GPa，與人體致密骨的彈性模量相當。 對本發(fā)明得到的部分樣品用阿基米德法測試孔隙率，應用掃描電鏡觀察材料的斷 面顯微結構?？紫堵蕼y試表明本發(fā)明得到的復合材料的燒結密度較高(孔隙率<4%);掃 描電鏡觀察結果也表明制備得到的復合材料具有較高的燒結密度，且晶粒尺寸細小、并具 有纖維狀晶粒，該纖維狀晶粒起到良好的力學增強效果。 將本發(fā)明得到的復合材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、晾干后進行體外溶液生物 活性測試。所用的溶液為人體模擬體液(SBF ;Simulated Body Fluid) 。 SBF含有與人體血 漿相同的離子和離子團濃度，為日本Kokubo教授首先研究并制備[Surfacechemistry of bioactive glass-ceramics， J. Noncryst. Solids 1990 ;120 :138-51]
按復合陶瓷材料表面積(平方厘米)與SBF體積(立方厘米)比為1 : 10的比 例將樣品浸泡于SBF中，并置于37. 5t:水浴振蕩器內(nèi)，浸泡1和3天后，取出樣品并經(jīng)過去 離子水洗滌后做SEM和XRD測試，結果分別見圖5和圖6。生物活性實驗表明本發(fā)明得到的 硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料能在表面誘導生成類骨羥基磷灰石，從而表明這些 材料具有生物活性。 將本發(fā)明得到的復合材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、烘干后進行體外降解性實 驗評價。我們通過該類多孔材料在pH值為7. 25的Tris-HCl緩沖溶液中浸泡不同時間后 材料的失重來評價材料的降解性。實驗表明通過調(diào)節(jié)材料的組分可以很好地調(diào)控該類復合 材料的降解速率。結果表明硅酸鈣質(zhì)量范圍在10% -90%的復合材料在化18緩沖液中浸 泡14天的降解率可以控制在1% -10%?？梢姳景l(fā)明得到的復合材料的降解性可以通過調(diào) 節(jié)材料的組分來調(diào)控。 由上述測得的復合材料的理化性能，得出本發(fā)明的第三方面，本發(fā)明提供硅酸鈣 /羥基磷灰石復合生物陶瓷材料作為硬組織缺損修復材料的應用，可以滿足臨床應用的需要。
本發(fā)明的硅酸鈣/羥基磷灰石復合材料可以通過調(diào)節(jié)制備工藝和材料的組分，改 變其生物活性、降解性和力學強度。通過調(diào)節(jié)材料中硅酸鈣的含量，可以調(diào)控該類材料在人 體模擬體液中浸泡時表面沉積形成的類骨羥基磷灰石的速度，進而調(diào)控材料的生物活性； 同時，通過調(diào)整材料中硅酸鈣的含量，還可以很好地調(diào)控該類復合材料的降解速率。因此， 本發(fā)明的具有生物活性、降解性、力學強度可控的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷既具 有良好的生物界面和化學特性，又具有良好的生物活性和降解性。采用本發(fā)明提供的方法， 可以根據(jù)不同的組織損傷修復對材料的不同要求制備出具有不同特性的材料以滿足臨床 應用的需要。 綜上所述，本發(fā)明的具有良好力學性能，且生物活性、降解性和力學強度可控的硅 酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，作為硬組織缺損修復材料具有獨特優(yōu)勢。


圖1是化學沉淀法制備得到的復合比例為10 : 90(A) 、30 : 70(B) 、50 : 50(C)、
70 : 30(D)和90 : 10(E) (wt. % )的硅酸鈣/羥基磷灰石復合粉體的x-射線衍射圖譜。 表明制備得到的不同復合比例的粉體均由P-硅酸鈣(e-CS)和羥基磷灰石(HAp)物相組 成。 圖2是化學沉淀法制備得到的復合比例為10 : 90(A) 、30 : 70(B) 、50 : 50(C)、 70 : 30(D)和90 : lO(E)(wt. %)的硅酸f丐/羥基磷灰石復合粉體的投射電鏡照片。表 明制備得到的復合粉體的顆粒尺寸約20-200納米。 圖3是硅酸鈣羥基磷灰石復合比例(wt. %)為10 : 90(A) 、30 : 70(B)、
so : 50(c)、70 : 30(d)和90 : io(e)的陶瓷樣品aioo。c煅燒3小時)斷口的fesem圖
片?？梢娭苽涞玫降奶沾奢^致密，晶粒尺寸細小、約100-200納米；且隨著硅酸鈣含量的增
加，纖維狀的晶粒數(shù)量在增加。 圖4是硅酸鈣羥基磷灰石復合比例為50 : 50的樣品于IIO(TC燒結3h后的XRD 圖譜。表明制備得到的復合陶瓷由P-硅酸鈣(e-CS)和羥基磷灰石(HAp)物相組成。
圖5是硅酸f丐羥基磷灰石復合比例(wt. % )為30 : 70(A) 、50 : 50(B)和 70 : 30(C)的陶瓷樣品在SBF中浸泡1天后表面的FESEM圖片?？梢?，樣品在SBF中浸泡 l天后在陶瓷表面誘導生成了一層晶粒尺寸約100納米毛毛蟲狀物質(zhì)，該物質(zhì)即為典型的 類骨羥基磷灰石，表明材料具有良好的生物活性。且硅酸鈣含量越多，裂紋越明顯。該裂紋 是由于沉積的類骨羥基磷灰石層較厚，導致樣品在涼干厚由于水分蒸發(fā)導致的龜裂紋，也 表明沉積的類骨羥基磷灰石層較厚。還可以說明，材料的生物活性隨硅酸鈣復合量的增加 而顯著提高。 圖6、硅酸鈣羥基磷灰石復合比例(wt. % )為50 : 50的陶瓷樣品在SBF中浸 泡3天后的XRD圖譜。 圖7是復合生物陶瓷在Tris-HCl中隨浸泡時間的降解率曲線。材料的降解性隨 硅酸鈣含量的增加而顯著增大。說明，材料的降解性可以通過材料的復合比例加以調(diào)控。
綜合圖4-6的結果，在圖5的材料表面沉積的新的物相為類骨羥基磷灰石層。圖 5的結果顯示該類復合陶瓷的生物活性隨著硅酸鈣含量的增加而得到提高。硅酸鈣含量越 高，材料沉積類骨羥基磷灰石的速度越快，即材料的生物活性越強。表明通過調(diào)節(jié)復合材料中硅酸鈣的比例可以很好地調(diào)控該類復合陶瓷材料的生物活性。圖7的結果表明通過調(diào)節(jié) 材料中硅酸鈣的含量，還可以很好地調(diào)控該類復合陶瓷的降解性。
具體實施例方式
以下結合具體實施例，進一步闡明本發(fā)明。應理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實施例中未注明具體條件的實驗方法，通常按照常規(guī)條 件，例如是工藝手冊中的條件，或按照制造廠商所建議的條件。比例和百分比基于摩爾比例 (或稱為原子比例)，除非特別說明。 除非另有定義或說明，本文中所使用的所有專業(yè)與科學用語與本領域技術熟練人 員所熟悉的意義相同。此外任何與所記載內(nèi)容相似或均等的方法及材料皆可應用于本發(fā)明 方法中。 實施例1 所用的粉體原料制備方法如上文所述。取58. 80克的Ca (N03) 2溶于500mL去離子 水中，并用1 : 1的氨水調(diào)節(jié)到pH = ll，將19. 73克的(NH4)2HP04溶于500mL去離子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。將上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料過程用1 : 1 的氨水溶液保持反應體系的pH值為ll，加畢繼續(xù)攪拌24小時，過濾得到羥基磷灰石納米粉 體，將羥基磷灰石納米粉體分散于500mL去離子水中，并溶解50. 89克Ca (N03) 2，獲得分散有 羥基磷灰石納米粉體的白色懸浮液；將pH為11. 0的500mL并溶有61. 25克的Na2Si03水溶 液逐滴加入上述懸浮液中，加料過程用1 : 1的氨水溶液保持反應體系的pH值為ll，加畢 后繼續(xù)攪拌24小時。之后，過濾、用去離子水和無水乙醇洗滌、濾干、于8(TC烘干12小時得 到干粉體，將干粉體在95(TC煅燒2小時，得到質(zhì)量百分比為50 : 50的羥基磷灰石/硅酸 鈣納米復合粉體。制備得到的納米復合粉體的形貌如圖2C所示，顆粒尺寸約50-80納米， 物相如圖l所示；化學組成(質(zhì)量百分比)為Ca052. 31%、 Si02 25.45%、P205 21.87%， 而理論值分別為CaO 52.03%、 Si02 25. 86% 、 P20521. 22% ?？梢?，制備得到的粉體的化學 組成同理論值吻合得很好。 在硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體中加入濃度為6%的PVA溶液作黏結劑，調(diào)均 勻后，于14MPa干壓成型、再以100-200MPa等靜壓得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保溫3小時制得本發(fā)明的材料，本發(fā)明的第一方面提供一種硅酸 鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，其硅酸鈣與羥基磷灰石的配比為50 : 50wt. %
孔隙率約1. 65% ，其抗彎壓強度為148MPa，彈性模量約16GPa。在Tris-HCl緩沖 溶液中浸泡14天的降解率約為4%。 將所得的多孔材料在SBF模擬體液中浸泡1和3天，并將浸泡后的樣品進行生物 活性評價。圖4、圖5和圖6表明本發(fā)明制備得到的多孔生物材料具有優(yōu)良的生物活性，且 通過調(diào)節(jié)材料的組分可以很好地調(diào)控材料的生物活性和降解性。
實施例2 所用的粉體原料制備方法如上文所述。取211. 68克的Ca(N03)2溶于1800mL去離 子水中，并用1 : 1的氨水調(diào)節(jié)到pH二 11，將71.01g克的(NH》2HP04溶于1000mL去離子 水中得(NH4) 2HP04水溶液。將上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料過程用 1 : 1的氨水溶液保持反應體系的PH值為11，加畢繼續(xù)攪拌24小時，過濾得到羥基磷灰石納米粉體，將羥基磷灰石納米粉體分散于200mL去離子水中，并溶解20. 36克Ca (N03) 2，獲得 分散有羥基磷灰石納米粉體的白色懸浮液；將pH為11. 0的200mL并溶有24. 50的Na2Si03 水溶液逐滴加入上述懸浮液中，加料過程用1 : 1的氨水溶液保持反應體系的pH值為11， 加畢后繼續(xù)攪拌24小時。之后，過濾、用去離子水和無水乙醇洗滌、濾干、于8(TC烘干12小 時得到干粉體，將干粉體在95(TC煅燒2小時，得到質(zhì)量百分比為10 : 90的均勻復合的硅 酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體。制備得到的納米復合粉體的形貌如圖2A所示顆粒尺寸 約，顆粒尺寸約20-50納米，物相如圖1所示；化學組成(質(zhì)量百分比)為CaO 54. 09%、 Si02 5 . 07%、P205 38. 34%，而理論值分別為CaO 55. 03%、Si02 5.17%、P205 38.19%。可 見，制備得到的粉體的化學組成同理論值吻合得很好。 在硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體中加入濃度為6%的PVA溶液作黏結劑，調(diào)均 勻后，于14MPa干壓成型、再以100-200MPa等靜壓得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保溫3小時制得本發(fā)明的材料，本發(fā)明的第一方面提供一種硅酸 鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，其硅酸鈣與羥基磷灰石的配比為10 : 90wt. %
孔隙率約0. 41 % ，其抗彎壓強度為98MPa，彈性模量約19GPa。在Tris-HCl緩沖溶 液中浸泡14天的降解率約為0. 6% .
材料的生物活性評價同實施例1 。
實施例3 所用的粉體原料制備方法如上文所述。取23. 52克的Ca(N03)2溶于200mL去離子 水中，并用1 : 1的氨水調(diào)節(jié)到pH = ll，將7. 89g克的(NH4)2HP04溶于120mL去離子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。將上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料過程用1 : 1 的氨水溶液保持反應體系的pH值為ll，加畢繼續(xù)攪拌24小時，過濾得到羥基磷灰石納米粉 體，將羥基磷灰石納米粉體分散于1800mL去離子水中，并溶解183. 24克Ca (N03) 2，獲得分散 有羥基磷灰石納米粉體的白色懸浮液；將pH為11. 0的800mL并溶有220. 50克的化25103水 溶液逐滴加入上述懸浮液中，加料過程用1 : 1的氨水溶液保持反應體系的pH值為ll，加 畢后繼續(xù)攪拌24小時。之后，過濾、用去離子水和無水乙醇洗滌、濾干、于8(TC烘干12小時 得到干粉體，將干粉體在95(TC煅燒2小時，得到質(zhì)量百分比為90 : 10的硅酸鈣/羥基磷 灰石納米復合粉體。制備得到的納米復合粉體的形貌如圖2E所示，顆粒尺寸約，顆粒尺寸 約10-30納米，物相如圖l所示；化學組成(質(zhì)量百分比)為CaO 47.91%、Si02 46 . 61%、 P205 4. 34%，而理論值分別為CaO 49. 03%、Si02 46. 557%、P205 4.24%。可見，制備得到 的粉體的化學組成同理論值吻合得很好。 在硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體中加入濃度為6%的PVA溶液作黏結劑，調(diào)均 勻后，于14MPa干壓成型、再以100-200MPa等靜壓得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保溫3小時制得本發(fā)明的材料，其硅酸鈣與羥基磷灰石的配比為 90 : lOwt. %，孔隙率約3. 66X，其抗彎壓強度為221MPa，彈性模量約15GPa。在Tris-HCl 緩沖溶液中浸泡14天的降解率約為10%。
材料的生物活性評價同實施例1。
實施例4 所用的粉體原料制備方法如上文所述。 所用的粉體原料制備方法如上文所述。取164. 64克的Ca(N03)2溶于1400mL去離子水中，并用l : 1的氨水調(diào)節(jié)到pH二 11，將55. 23g克的(NH4)2HP04溶于900mL去離 子水中得(NH4) 2HP04水溶液。將上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料過程 用l : 1的氨水溶液保持反應體系的PH值為11，加畢繼續(xù)攪拌24小時，過濾得到羥基磷灰 石納米粉體，將羥基磷灰石納米粉體分散于600mL去離子水中，并溶解61. 08克Ca(N03)2， 獲得分散有羥基磷灰石納米粉體的白色懸浮液；將pH為11. 0的600mL并溶有73. 50克的 Na^i03水溶液逐滴加入上述懸浮液中，加料過程用1 : l的氨水溶液保持反應體系的pH值 為11，加畢后繼續(xù)攪拌24小時。之后，過濾、用去離子水和無水乙醇洗滌、濾干、于8(TC烘 干12小時得到干粉體，將干粉體在95(TC煅燒2小時，得到質(zhì)量百分比為30 : 70的硅酸鈣 /羥基磷灰石納米復合粉體。制備得到的納米復合粉體的形貌如圖2B所示，顆粒尺寸約， 顆粒尺寸約10-30納米，物相如圖1所示；化學組成(質(zhì)量百分比)為CaO 52. 31%、 Si02 15.76%、P205 30. 15%，而理論值分別為CaO 53.53%、Si02 1 5 . 22%、P205 29.70%?？梢?， 制備得到的粉體的化學組成同理論值吻合得很好。 在硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體中加入濃度為6%的PVA溶液作黏結劑，調(diào)均 勻后，于14MPa干壓成型、再以100-200MPa等靜壓得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保溫3小時制得本發(fā)明的材料，其硅酸鈣與羥基磷灰石的配比為 30 : 70wt. %，孔隙率約0. 57%，其抗彎壓強度為125MPa，彈性模量約15GPa。在Tris-HCl 緩沖溶液中浸泡14天的降解率約為2%。
材料的生物活性評價同實施例1 。
實施例5 所用的粉體原料制備方法如上文所述。 所用的粉體原料制備方法如上文所述。取70. 56克的Ca (N03) 2溶于600mL去離子 水中，并用1 : 1的氨水調(diào)節(jié)到pH = ll，將23. 67g克的(NH4)2HP04溶于400mL去離子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。將上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料過程用1 : 1 的氨水溶液保持反應體系的pH值為ll，加畢繼續(xù)攪拌24小時，過濾得到羥基磷灰石納米粉 體，將羥基磷灰石納米粉體分散于1400mL去離子水中，并溶解142. 52克Ca (N03) 2，獲得分散 有羥基磷灰石納米粉體的白色懸浮液；將pH為11. 0的1400mL并溶有171. 50克的Na2Si03 水溶液逐滴加入上述懸浮液中，加料過程用1 : 1的氨水溶液保持反應體系的pH值為11， 加畢后繼續(xù)攪拌24小時。之后，過濾、用去離子水和無水乙醇洗滌、濾干、于8(TC烘干12小 時得到干粉體，將干粉體在95(TC煅燒2小時，得到質(zhì)量百分比為70 : 30的硅酸鈣/羥基磷 灰石納米復合粉體。制備得到的納米復合粉體的形貌如圖2D所示，顆粒尺寸約，顆粒尺寸 約10-50納米，物相如圖l所示；化學組成(質(zhì)量百分比)為CaO 49.22%、Si02 36 . 95%、 P205 13. 02%，而理論值分別為Ca050. 53%、 Si02 36 . 21%、P205 12.73%。可見，制備得到 的粉體的化學組成同理論值吻合得很好。 在硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體中加入濃度為6%的PVA溶液作黏結劑，調(diào)均 勻后，于14MPa干壓成型、再以100-200MPa等靜壓得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保溫3小時制得本發(fā)明的材料，其硅酸鈣與羥基磷灰石的配比為 70 : 30wt. %，孔隙率約2. 6%，其抗彎壓強度為175MPa，彈性模量約15GPa。在Tris-HCl 緩沖溶液中浸泡14天的降解率約為6. 5% 。
材料的生物活性評價同實施例1 。
10
在本發(fā)明提及的所有文獻都在本申請中引用作為參考，就如同每一篇文獻被單獨 引用作為參考那樣。此外應理解，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領域技術人員可 以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范 圍。
權利要求
硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，其特征在于，其中硅酸鈣的質(zhì)量百分比含量占總量的5-95％。
2. 按權利要求1所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料，其特征在于，其中硅酸 牽丐的質(zhì)量百分比含量占總量的10 90%。
3. 硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟(1) 以可溶性鈣鹽為原料，配制可溶性鈣鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為9-11. 5 ;以可溶性磷 鹽為原料，配制可溶性磷鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為8-10. 5 ;以可溶性硅酸鹽為原料，配制可 溶性硅酸鹽溶液，調(diào)節(jié)溶液的pH為9-12 ;(2) 以鈣磷摩爾比為1. 60-1. 70的比例，將可溶性磷鹽溶液加入可溶性鈣鹽溶液中，加 入過程中保持反應溶液pH為9-12，然后將反應產(chǎn)物陳化、過濾；(3) 將步驟(2)所得粉體加入到水中形成混濁液，按硅酸鈣占硅酸鈣和羥基磷灰石總 量5wt^ _95^%的配比，在上述混濁液中加入可溶性硅酸鹽溶液；(4) 將與硅酸鹽離子摩爾比為O. 8-1. 2的可溶性鈣鹽水溶液加入步驟(3)所得產(chǎn)物中， 加入過程調(diào)節(jié)溶液的pH為9-12，加入后繼續(xù)攪拌、陳化、過濾、洗滌、烘干后獲得粉體，將粉 體成型后煅燒。
4. 按權利要求3所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特征在 于，所述可溶性鈣鹽溶液的鈣離子濃度為0. 05-2mol/L ;所述可溶性磷鹽的磷酸根離子濃 度為0. 05-2mol/L ;所述可溶性硅酸鹽的硅酸根離子濃度為0. 05-2mol/L。
5. 按權利要求3所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特征在 于，所述調(diào)節(jié)溶液的pH采用堿性溶液調(diào)節(jié)。
6. 按權利要求5所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特征在 于，所述優(yōu)選調(diào)節(jié)溶液的PH采用加入氨水調(diào)節(jié)，優(yōu)選氨水的濃度為0. 05-2mol/L。
7. 按權利要求3或4所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，所述成型條件為干壓或等靜壓成型。
8. 按權利要求3或4所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，所述成型條件為在粉體中加入質(zhì)量百分比1_5%濃度為1_10%的聚乙烯醇作粘結 劑后干壓或等靜壓。
9. 按權利要求3或4所述的硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料的制備方法，其特 征在于，所述煅燒條件為800-100(TC煅燒l-5h。
10. 硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料在硬組織缺損修復材料方面的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅酸鈣/羥基磷灰石復合生物陶瓷材料及其制備方法和用途，屬于生物材料領域。本發(fā)明以化學方法制備得到的硅酸鈣/羥基磷灰石納米復合粉體為原料，經(jīng)干壓成型得材料素坯，將素坯在于1000-1200℃煅燒1-10小時，可以得到力學性能良好的可降解硅酸鈣/羥基磷灰石生物活性復合陶瓷材料，用作硬組織缺損修復材料。本發(fā)明的生物陶瓷的生物活性、降解性和力學強度均可調(diào)控。本發(fā)明工藝簡單易行且便于推廣。
文檔編號A61L27/02GK101700415SQ20091019881
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月13日 優(yōu)先權日2009年11月13日
發(fā)明者常江, 林開利, 金曉剛 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所