專利名稱：一種磷灰石－硅灰石/β－磷酸三鈣復(fù)合生物活性陶瓷材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)非金屬材料及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，涉及一種新體系骨修復(fù)材料——磷灰石/硅灰石(AW)/β-磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合生物活性陶瓷材料。
背景技術(shù)：
1982年，Kokubo等研制出含磷灰石(A，apatite)、硅灰石(W，wollastonite)晶相以及玻璃相的MgO-CaO-SiO2-P2O5系A(chǔ)W生物活性玻璃陶瓷。A-W生物活性玻璃陶瓷生物相容性良好，制品植入體內(nèi)后，安全、無毒，且無排異、發(fā)炎及組織壞死等不良反應(yīng)，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。其生物活性也非常出色，當(dāng)它被植入體內(nèi)后能在短時間內(nèi)通過表面化學(xué)反應(yīng)形成磷灰石層，從而與體內(nèi)骨牢固地鍵合為一體，形成骨性結(jié)合。自上世紀(jì)八十年代以來，人們對生物降解型磷酸鈣陶瓷材料給予了極大的重視并進(jìn)行了較深入地研究。具有良好生物相容性、骨傳導(dǎo)作用和生物降解性的β-磷酸三鈣(β-TCP，β-tricalcium phosphate)特別引人注目。它的組成成分與生物骨中的無機(jī)成分相似，生物相容性好，植入體內(nèi)后發(fā)生溶解，溶解下來的Ca、Pi(指全部游離的無機(jī)磷酸根離子，如HPO42-、H2PO4-、PO43-)進(jìn)入活體循環(huán)系統(tǒng)然后形成新生骨，一定時間后非生命的植入體逐漸溶解消失，為有生命的新生骨所取代。在成骨速度上β-TCP優(yōu)于羥基磷灰石(HA)，是一種非常理想的、臨床應(yīng)用前景十分誘人的硬組織缺損修復(fù)材料。
作為骨修復(fù)材料或組織工程支架材料，為了促進(jìn)新骨長入材料，材料應(yīng)具有合適的、模擬自然骨的多孔結(jié)構(gòu)。骨組織工程支架材料孔隙率越高越有利于細(xì)胞和骨組織的長入，但是，高孔隙率材料力學(xué)性能較低。為綜合發(fā)揮AW生物活性玻璃陶瓷優(yōu)良的力學(xué)性能、生物活性及β-TCP的可吸收降解性，本發(fā)明采用AW復(fù)合β-TCP來制備AW/β-TCP復(fù)合生物陶瓷。在制備AW/β-TCP復(fù)合生物陶瓷時加入的致孔劑相對量較低，使其比單一AW或β-TCP有相對較低的初始孔隙率，從而具有較高的初始力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)AW/β-TCP復(fù)合生物陶瓷被浸泡或植入體內(nèi)后，通過溶解相β-TCP的溶解能原位(in situ)成孔，為新骨生長提供豐富的Ca2+、Pi，在材料原有孔隙率的基礎(chǔ)上增大材料孔隙率，為組織細(xì)胞提供營養(yǎng)通道，利于骨組織及血管的長入。
經(jīng)檢索查新，林開利等在發(fā)明專利“多孔硅酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)相生物陶瓷材料的制備方法”(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，專利公開號CN 1439618A)中提出了硅酸鈣/β-磷酸三鈣復(fù)相生物陶瓷體系；黃翔等在發(fā)明專利“硅灰石/磷酸三鈣復(fù)合生物活性材料的制備方法”(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，專利公開號CN 1171644C)中提出了硅灰石/β-磷酸三鈣復(fù)相生物陶瓷體系；且大量報道提到了羥基磷灰石/β-磷酸三鈣復(fù)合體系，如王晨等發(fā)明專利“羥基磷灰石與β-磷酸三鈣復(fù)相生物陶瓷的制備方法”(清華大學(xué)，專利公開號CN 1562873A)。上述報道為組織工程支架材料提供了豐富的選擇方案。
本發(fā)明提出采用生物活性及力學(xué)強(qiáng)度都十分優(yōu)異的AW生物活性玻璃陶瓷，與可降解相β-磷酸三鈣進(jìn)行復(fù)合，制備骨組織工程支架材料，可提高復(fù)合生物陶瓷支架材料的力學(xué)性能，在浸泡或植入體內(nèi)過程中增大孔隙率，同時通過β-CP相賦予支架可控的生物降解性。經(jīng)檢索國內(nèi)尚無該體系作為骨修復(fù)材料或骨組織工程修復(fù)材料的專利及論文報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對骨組織工程支架材料對生物材料生物活性、力學(xué)強(qiáng)度、孔隙形態(tài)及可降解特性的要求，通過磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AWGC)與可降解相β-磷酸三鈣(β-TCP)的復(fù)合制備具有較高初始力學(xué)強(qiáng)度、生物活性優(yōu)異及可生物降解的組織工程支架材料。
本發(fā)明磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AWGC)/β-磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合生物陶瓷的制備過程涉及采用自行開發(fā)的溶膠一凝膠法高活性、微細(xì)AW GC粉(專利申請?zhí)?00510021184.0)或采用熔制法得到的AW粉末與β-TCP粉末為原料(也可采用未經(jīng)煅燒的AW、β-TCP前驅(qū)體粉末)，先將β-TCP粉末造粒，再將AW粉與β-TCP粉按不同比例進(jìn)行混料，然后再添加致孔劑、粘合劑混料后模壓成型，在1170℃煅燒得到復(fù)合生物陶瓷材料。
X衍射分析證明本發(fā)明通過AW粉與β-TCP粉均勻共混、成型、造孔并經(jīng)適宜溫度(1170℃)煅燒后制備的復(fù)合生物活性陶瓷材料，并未發(fā)生新的固相反應(yīng)，其晶型結(jié)構(gòu)為磷灰石、β-硅灰石及β-磷酸三鈣三相共存。
本發(fā)明中，為了模擬自然骨的多孔結(jié)構(gòu)，本發(fā)明在制備多孔陶瓷的過程中加入顆粒尺寸為600～700μm的硬脂酸顆?；蚧蜉令w粒作為致孔劑，利用致孔劑的揮發(fā)在陶瓷體中形成宏觀孔，以利于骨組織的長入；利用在體液環(huán)境中β-TCP相的原位溶解可進(jìn)一步提高材料孔隙率、利于細(xì)胞的長入、體液的循環(huán)；由于材料能夠原位成孔，故可減少致孔劑的加入量提高材料的初始力學(xué)強(qiáng)度。掃描電鏡結(jié)果顯示復(fù)合多孔生物陶瓷具有適宜的孔隙形態(tài)100～500μm的相互貫通宏觀孔，孔壁上具有大量微孔。
本發(fā)明制備的新型復(fù)合生物活性陶瓷具有出色的生物活性，在體外模擬體液實驗中能夠快速形成表面羥基磷灰石層，而表面磷灰石層的形成是材料生物活性的主要標(biāo)志；經(jīng)成骨方向誘導(dǎo)的骨髓基質(zhì)干細(xì)胞在材料表面能夠快速黏附、增殖、分化，表明新型生物活性玻璃陶瓷細(xì)胞相容性良好。
在骨修復(fù)材料以及骨組織工程支架材料的應(yīng)用領(lǐng)域中，本發(fā)明制備的復(fù)合體系材料具有以下優(yōu)點1.磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β-磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合體系中，AW生物活性玻璃陶瓷具有非常出色的生物活性，有利于復(fù)合材料植入后與骨組織間發(fā)生緊密的骨性鍵合；2.AW生物活性玻璃陶瓷是無機(jī)生物陶瓷材料中力學(xué)強(qiáng)度最高的，AW生物玻璃陶瓷的復(fù)合增強(qiáng)大大提高了材料力學(xué)性能；3.復(fù)合多孔生物陶瓷具有適宜的孔隙形態(tài)100～500μm的相互貫通宏觀孔，孔壁上具有大量微孔，并且體液環(huán)境中材料通過原位溶解形成的大量微孔將有利于體液的滲透。
4.通過制備過程中控制可降解相β-磷酸三鈣添加比例及通過控制致孔劑含量調(diào)節(jié)孔隙率可使復(fù)合多孔陶瓷支架材料具有可控的生物降解性和材料所需的初始力學(xué)性能。
5.組織工程支架材料孔隙率越高越有利于細(xì)胞和骨組織的長入，但材料孔隙率的增高將導(dǎo)致力學(xué)強(qiáng)度顯著下降，現(xiàn)有骨修復(fù)材料的孔隙率一般為45～55％；而本發(fā)明制備的新體系由于通過AW GC力學(xué)增強(qiáng)相進(jìn)行了增強(qiáng)，多孔材料孔隙率可高達(dá)70％，植入前材料初始力學(xué)強(qiáng)度達(dá)到支架材料要求；植入后由于材料在體液中的原位溶解還將進(jìn)一步增大材料的孔隙率；6.復(fù)合體系生物陶瓷在體液或模擬體液環(huán)境中能快速形成表面生物磷灰石層，顯示良好的生物活性；材料細(xì)胞相容性良好，有利于細(xì)胞在其表面的快速黏附、增殖、分化，適宜作為骨組織工程支架材料。


附圖1復(fù)合生物活性陶瓷的X衍射圖譜附圖2復(fù)合生物活性陶瓷多孔支架材料的掃描電鏡圖片具體實施方式
實例11.采用自行開發(fā)的溶膠-凝膠法制備高活性、微細(xì)AW GC前驅(qū)體粉末(專利申請?zhí)?00510021184.0)，基本步驟為先將正硅酸乙酯及磷酸三乙酯在乙醇中充分水解，再將易水解的無機(jī)鹽先后溶于有機(jī)試劑中，并使之與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)水解與縮聚過程而形成凝膠，再經(jīng)過陳化、干燥，并于500℃熱分解除去殘余有機(jī)物和水分，制得微細(xì)前驅(qū)體粉末；2.TCP前驅(qū)體粉末的制備用去離子水將高純微細(xì)CaCO3調(diào)和成漿料。常溫下于超聲攪拌作用下滴入磷酸溶液，按Ca/P＝1.5進(jìn)行反應(yīng)，將沉淀洗滌、干燥后得到TCP前驅(qū)體；3.磷灰石-硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合生物活性陶瓷的制備3.1將步驟2得到的TCP前驅(qū)體造粒過60目標(biāo)準(zhǔn)篩；3.2將步驟1得到的AW前驅(qū)體粉末與3.1所得TCP前驅(qū)體顆粒料按AW∶TCP＝70∶30(wt％)在V型混料機(jī)中混合，再加入占粉料重量30％、粒徑為20～30目的硬脂酸，加入適量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘結(jié)劑，進(jìn)行充分混勻。
3.3經(jīng)充分混勻的料經(jīng)過壓力成型(成型壓力為)為柱狀、片狀、條狀等形狀制品坯體，在110℃下干燥2小時。
3.4將3.3所得制品坯體置于高溫爐中，在250℃～450℃間緩慢升溫，完全去除粘合劑，避免坯體開裂，并使致孔劑燃燒揮發(fā)在基體中殘留大孔，然后快速升溫至1170℃下煅燒2h，隨爐冷卻后得到復(fù)合生物活性陶瓷多孔支架材料，其晶型結(jié)構(gòu)為磷灰石、β-硅灰石和β-磷酸三鈣，結(jié)果見附圖1；其孔隙形態(tài)為100～500μm相互貫通的宏觀孔，孔壁上具有大量微孔，結(jié)果見附圖2；實例21.采用熔制法制備AW基礎(chǔ)玻璃粉末，基本步驟為將MgO4.6、CaO44.9、SiO234.2、P2O516.3、CaF20.5的混合物(重景百分比)在鉑金坩堝中于1450℃熔化2h，然后驟冷成熔塊后，粉碎、篩分得到玻璃粉末；2.TCP前驅(qū)體粉末的制備采用TCP鈣磷比的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4進(jìn)行化學(xué)沉淀反應(yīng)，氨水調(diào)節(jié)pH為11～12，反應(yīng)12h，過濾、洗滌、干燥后得前驅(qū)體粉末；3.磷灰石-硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β-磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合生物活性陶瓷的制備與實例1步驟3方法所述一致制備AW GC/β-TCP復(fù)合生物活性陶瓷。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明一種磷灰石-硅灰石/β-磷酸三鈣(AW GC/β-TCP)復(fù)合生物陶瓷材料，其特征在于將β-TCP微粉造粒過60目標(biāo)準(zhǔn)篩，與AW GC微粉按不同比例進(jìn)行混料，再加入有機(jī)粘合劑、致孔劑進(jìn)行充分混勻。經(jīng)成型、煅燒等工藝得到磷灰石-硅灰石/β-磷酸三鈣(AW GC/β-TCP)復(fù)合生物陶瓷材料；
2.如權(quán)利要求1所述制備磷灰石-硅灰石/β-磷酸三鈣(AW GC/β-TCP)復(fù)合粉末，其特征在于AW GC粉末采用溶膠-凝膠法或傳統(tǒng)的熔制法制得；β-TCP采用化學(xué)沉淀法制備并造粒過60目標(biāo)準(zhǔn)篩按AW∶β-TCP質(zhì)量百分比70∶30、60∶40、50∶50等不同比例進(jìn)行混料；加入占粉料重量一定質(zhì)量比例、粒徑為20～30目的硬脂酸或萘顆粒等作致孔劑及加入適量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘結(jié)劑，進(jìn)行充分混勻。
3.如權(quán)利要求1所述磷灰石-硅灰石/β-磷酸三鈣(AW GC/β-TCP)復(fù)合生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于將由權(quán)利2所得的復(fù)合均勻混合粉，經(jīng)壓力成型后在高溫爐中經(jīng)低溫煅燒去除粘合劑，并使致孔劑揮發(fā)燃燒在基體中殘留大孔，再快速升溫至1170℃煅燒2h后得到復(fù)合生物活性陶瓷多孔支架材料；
4.本發(fā)明一種新體系骨組織工程支架材料磷灰石-硅灰石(AW)/β-磷酸三鈣(β-TCP)復(fù)合生物活性陶瓷多孔支架材料，晶型結(jié)構(gòu)為磷灰石、β-硅灰石和β-磷酸三鈣，顯微結(jié)構(gòu)為100～500μm相互貫通的宏觀大孔，孔壁上具有大量微孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磷灰石－硅灰石(Apatite－Wollastonite，簡稱AW)/β－磷酸三鈣(β－tricalcium phosphate，簡稱β－TCP)復(fù)合生物活性陶瓷材料。以溶膠—凝膠法或熔制法制備AW前驅(qū)體粉末，以化學(xué)沉淀法制備TCP前驅(qū)體粉末。將TCP前驅(qū)體粉末造粒過60目標(biāo)準(zhǔn)篩。將AW前驅(qū)體粉末與TCP前驅(qū)體粒料按不同比例稱量置于混料機(jī)中，加入占粉料重量一定比例(視孔隙率要求而定)、粒徑為20～30目的硬脂酸或萘顆粒，加入適量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘結(jié)劑，進(jìn)行充分混勻?；靹蛄辖?jīng)成型、干燥、煅燒等工藝后制得多孔磷灰石－硅灰石/β－磷酸三鈣復(fù)合生物活性陶瓷，晶相組成為β－硅灰石、磷灰石及β－磷酸三鈣；多孔支架材料顯微結(jié)構(gòu)為100～500μm貫通大孔，孔壁有大量微孔分布。復(fù)合材料生物活性優(yōu)異，能夠生物降解，且材料溶解后在原位形成微孔將有利于體液的循環(huán)、細(xì)胞的長入，材料與細(xì)胞相容性好，適宜細(xì)胞的黏附、生長，是一種優(yōu)異的骨組織工程支架材料或骨修復(fù)材料。
文檔編號C04B35/622GK1923752SQ200510021568
公開日2007年3月7日 申請日期2005年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月30日
發(fā)明者楊為中, 周大利, 尹光福, 陳槐卿, 張云, 肖斌, 歐俊 申請人:四川大學(xué)