矽灰石/磷酸三鈣複合生物活性材料的製備方法

2023-06-12 23:32:16

專利名稱：矽灰石/磷酸三鈣複合生物活性材料的製備方法
技術領域：
本發明涉及矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，屬於生物材料領域，主要應用於生物醫學中人體硬組織(骨骼和牙齒)的填補、修復與重建。
P.N.De Aza等考慮到生物材料植入初期的承載及癒合過程中的組織的長入，設計製備了一種植入前緻密而植入後原位成孔的複合生物材料。在這種複合生物材料中，一相為具有生物活性的矽灰石(Wollastonite)，另一相則為生物可降解的磷酸三鈣(TCP)。複合生物材料製備中，將矽灰石和磷酸三鈣置於白金坩堝中2小時加熱到1500℃，得到均勻的液相，然後以3℃/分鐘的速度降至1410℃，再以0.5℃/小時的速度降至1390℃。由此製備的複合生物材料具有由矽灰石和磷酸三鈣薄層交替而形成的準球狀共熔結構。在模擬體液和人體唾液浸泡試驗中，此種矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料中的矽酸鈣被選擇性地消溶，形成原位多孔結構，而其中的磷酸三鈣轉化成低結晶度的、具磷酸三鈣假相的磷灰石。在試驗的後期階段，溶液中由於Ca2+和HPO42-的過飽和也導致羥基磷灰石層在材料表面的沉積。由此可見，上述矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料具有良好的生物活性及原位形成多孔結構的優點。
但是，上述由P.N.De Aza等設計製備矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料也有著如下缺點陶瓷燒結過程中溫度較高(1390-1500℃)，時間較長(大於40小時)，所以製備過程能耗大，成本高。另外，由於不能預先成型，因而樣品的形態設計也受到限制。
本發明製備矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料包括兩個步驟一是製備矽灰石和磷酸三鈣的複合粉體，二是複合粉體的燒結。具體技術方案如下以Na2SiO3或矽溶膠為矽源、Ca(NO3)2或CaCl2、Ca(OH)2為鈣源，分別配製成一定濃度的溶液，其中，含矽溶液pH值大於13.0，含鈣溶液pH值12.0-13.0，其pH值或用一濃氨水，或用KOH，或用NaOH溶液調節的。Ca2+、Si4+濃度在0.1-0.5摩爾/升之間，Ca2+/Si4+＝1.0；按設計的β-TCP與預期生成的矽灰石之體積比，將適量β-磷酸三鈣(β-TCP)粉體加入到上述含鈣溶液中，強力攪拌或超聲分散使之均勻；然後，將含矽溶液滴加入到強烈攪拌的含鈣及β-TCP粉的懸浮液中，生成白色的矽酸鈣水合物與β-TCP粉體的均勻混合的沉澱物，滴加完成後繼續攪拌成化反應產物，成化時間是12-24小時；然後抽濾去除溶液，用經氨水調節pH值(pH＝11.0-12.0)的去離子水多次清洗白色沉澱物，再用無水乙醇多次衝洗白色沉澱物後，將其置於烘箱內，於80-120℃經24小時烘乾；800-900℃煅燒1-2小時，得到矽灰石與β-TCP複合粉體；以無水乙醇為球磨介質，將粉體球磨12-24小時，80-120℃經24小時烘乾；加入1wt％ PVA乾粉配製的溶液，與粉體混合均勻，過40-100目網篩造粒；在10-20MPa下預成型，再經200MPa等靜壓；1300-1400℃空氣氣氛、2-5小時無壓燒結，得到矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料。


圖1是矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料在模擬體液中浸泡不同時間後表面形貌發生變化的SEM圖像。當複合生物材料在模擬體液中浸泡一天後，其表面為絨球狀沉積層所覆蓋(圖1-(B))，圖2之EDS分析表明，此沉積層化學成份為Ca和P(圖2-(B))；3天時，Ca、P「絨球」相互連接從而使沉積層變得緻密(圖1-(C))；到7天時，沉積層變得更加緻密，且在緻密層上又有新的球狀沉積結構生成。在對生物材料進行體外生物活性評價時，其依據是在模擬體液浸泡中，生物材料表面羥基磷灰石沉積層形成、生長的速度及沉積層對生物材料表面覆蓋的情況。圖1之矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料表面羥基磷灰石沉積層形成、生長的速度快，且能很快完全覆蓋表面，這說明此矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料具有良好的生物活性。
圖3為矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料在模擬體液中浸泡不同時間後，模擬體液中Ca、Si、P濃度發生變化的情況。Ca離子濃度在浸泡的28天中一直在上升，只是浸泡3天後上升便趨於平穩；Si離子濃度在浸泡的最初3天上升較快，此後趨於平穩。P離子濃度在浸泡一開始便急劇下降，到7天時幾乎為零。這是因為在浸泡的初期階段，溶液中Ca、P離子濃度相對於羥基磷灰石已經飽和，而對矽灰石是不飽和，所以矽灰石被選擇性地溶解，形成原位多孔結構，釋放出Ca、Si離子，Si離子重又聚合形成矽凝膠。另一方面，溶液中Ca離子濃度的升高進一步增加了羥基磷灰石的過飽和度，且矽凝膠提供了良好的成核位置，因而磷灰石層在試樣表面同時發生沉積，這表現為P離子濃度的急劇下降。磷灰石層的沉積阻礙了Ca、Si離子從試樣向模擬體液中的自由擴散，從而在一定程度上抑制了矽灰石的進一步溶解。此時，Ca、Si離子濃度趨於平穩。
圖4為矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料在模擬體液中浸泡不同時間後，模擬體液中pH值的變化情況。在矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料浸泡於模擬體液的28天時間裡，模擬體液的pH值從最初的7.25上升到7.66，這是因為生物材料中的Ca2+與模擬體液中H+交換、模擬體液一直未更新的緣故。在人或者動物體內，體液是不停流動更新的，植入體周圍的pH值完全可以維持在正常的水平之內。
圖5、圖6為矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料在模擬體液中浸泡不同時間後，對其表面進行薄膜X射線衍射(TF-XRD)及傅立葉紅外轉換光譜(FTIR)分析的結果。由以上測試可知，矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料(WT(0))在模擬體液中浸泡1天後，其表面形成了結晶度較低的含碳酸根的羥基磷灰石層，因為在TF-XRD圖譜中出現了羥基磷灰石的特徵衍射峰(2θ＝32°和26°)，而FTIR圖譜上也分別有PO43-(1100cm-1)、CO32-(1400-1550cm-1)、OH-(2500-3700cm-1)的吸收峰；隨著浸泡時間的延長，上述沉積層的衍射強度逐漸增加，而矽灰石/磷酸三鈣基底的信息逐漸減弱至無，這表明羥基磷灰石沉積層的厚度在不斷增加。
本發明提供的方法製備的複合生物材料，可根據不同的需要，對複合材料中各組分進行調節；尤其是原位多孔結構的形成非常有利於組織、血管等的長入。因此，本發明提供的方法製備的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料可應用於人體硬組織(骨和牙齒)的修復、填補與重建。
圖2矽灰石/磷酸三鈣複合材料在浸泡前及在模擬體液中浸泡14後的表面能譜儀(EDS)成分分析。
圖3矽灰石/磷酸三鈣複合材料在模擬體液中浸泡不同時間後，模擬體液中Ca、Si、P濃度變化之感應耦合等離子體—原子發射光譜(ICP-AES)成分分析。橫座標為浸泡時間，單位為天數；縱座標為元素濃度，單位為mM。
圖4矽灰石/磷酸三鈣複合材料在模擬體液中浸泡不同時間後，模擬體液中pH值發生變化的情況。橫座標為浸泡時間，單位為天數；縱座標為pH值。
圖5矽灰石/磷酸三鈣複合材料在模擬體液中浸泡不同時間後，其表面薄膜X射線衍射(TF-XRD)分析圖譜。圖中○代表磷灰石。
圖6矽灰石/磷酸三鈣複合材料在模擬體液中浸泡不同時間後，其表面傅立葉紅外轉換光譜(FTIR)分析圖譜。
操作步驟如下(1)將124.85克分析純Ca(NO3)2·4H2O加入到適量去離子水中，攪拌至溶解澄清，加入適量氨水，調節溶液pH值至12.0，此時溶液的體積為1.25升；(2)將38克β-TCP粉體加入到上述Ca(NO3)2溶液中，強力攪拌30分鐘，以使加入粉體分散均勻；(3)將145.55克分析純Na2SiO3·9H2O加入到適量去離子水中，攪拌至溶解澄清，配備溶液1.25升，測得其pH值為13.40；(4)強力攪拌配備好的Ca(NO3)2及β-TCP粉體懸濁液，同時將上述Na2SiO3溶液滴加到其中，生成矽酸鈣水合物與β-TCP均勻混合之沉澱；待滴加完成，繼續攪拌12小時，以使反應進行完全；(5)抽濾去溶液，用經氨水調節pH值至12.0的去離子水、無水乙醇反覆多次清洗反應所得沉澱，然後在烘箱中於80℃，經24小時烘乾；
(6)在煅燒爐中、空氣氣氛下，900℃經2小時煅燒得到矽灰石/磷酸三鈣複合粉體；以無水乙醇為球磨介質，球磨矽酸鈣粉體24小時，而後在烘箱中於80℃，經24小時烘乾；(7)加入1wt％ PVA溶液(以PVA質量計)，與矽灰石/磷酸三鈣複合粉體混合均勻後過100目網篩造粒。在10MPa下，將上述粉體預壓成型，再於200MPa下等靜壓；(8)空氣氣氛下、1400℃、2小時燒結上述樣品，得到矽灰石/磷酸三鈣複合材料；製備的複合材料在模擬體液中分別浸泡1、3、7、14、21、28天，試樣表面形貌、成分、結構變化，如圖4、5、6所示。
在本實施例製備的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料中，矽灰石與磷酸三鈣之間的體積比設計在60∶40，最後的產物中兩者之間的比值應該可以達到設計的要求。因為反應是在強鹼性(pH＞12.0)條件下進行，溶液滴加完後繼續成化，且清洗矽酸鈣水合物時去離子水經氨水調節pH值，這都有利於反應時Ca2+的充分沉積，有效地防止了洗滌過程中Ca2+的流失。
模擬體液浸泡實驗結果表明，矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料具有良好的生物活性，特別是原位多孔結構的形成尤為重要。這是因為生物材料在植入的早期如有承載則需具有一定的力學性能；原位多孔結構形成時，微血管和組織的長入則又加強了生物體與植入材料之間界面結合強度，從而更有利於承載，利於組織的重建與癒合。因此，本發明提供的方法製備的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料可應用於人體硬組織(骨和牙齒)的修復、填補與重建。
權利要求
1.一種矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，包括矽石灰/磷酸三鈣複合粉體的製備和複合粉體的燒結二個工藝步驟，其特徵在於(1)複合粉體的製備，包括①先配製濃度分別在0.1-0.5摩爾/升之間的Ca2+/Si4+＝1.0的強鹼性含矽的溶液和含鈣的溶液；②按矽灰石/磷酸三鈣的體積比，將β-TCP粉體假如到含鈣溶液中，並強力攪拌或超聲分散均勻；③將含矽的溶液滴加入強調攪拌的含鈣及β-TCP粉體的懸濁液中，生成白色的矽酸鈣水合物與β-TCP粉體均勻混合的沉澱物，滴加完成後，繼續攪拌，成化反應產物；④抽濾去除溶液，用經氨水調節的pH為11-12的去離子水清洗白色沉澱物，再用無水乙醇清洗後，於80-120℃經24小時烘乾；並在800-900℃煅燒1-2小時後經球磨、粉碎、過濾得到矽灰石/磷酸鈣複合粉體；(2)複合粉體的燒結，包括①加入1wt％ PVA乾粉配製的溶液，均勻混合，過40-100目網篩造粒；②預成型後經200MPa等靜石成型，1300-1400℃空氣條件下2-5小時無壓燒結，製成矽灰石/磷酸三鈣複合材料。
2.按權利要求1所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於含矽的溶液是以Na2SiO3或矽溶膠為矽源；含鈣的溶液是以Ca(NO3)2或CaCl2、Ca(OH)2為鈣源。
3.按權利要求1或2所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於所述的含矽的溶液pH值大於13.0；含鈣的溶液pH值12.0-13.0；pH值是或用濃氨水，或用KOH，或用NaOH溶液調節的。
4.按權利要求1所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於矽灰石/磷酸三鈣的體積比為60∶40。
5.按權利要求1所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於成化反應時間為12-24小時。
6.按權利要求1所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於所述的煅燒後複合粉體經以無水乙醇為球磨介質，12-24小時後於80-120℃，24小時烘乾。
7.按權利要求1所述的矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法，其特徵在於所述的矽灰石/磷酸三鈣粉體預成型的壓力為10-20MPa。
全文摘要
本發明涉及矽灰石/磷酸三鈣複合生物材料的製備方法,屬於生物材料領域。其特徵在於以Na
文檔編號A61L31/16GK1367153SQ02110848
公開日2002年9月4日 申請日期2002年2月9日 優先權日2002年2月9日
發明者黃翔, 江東亮, 譚壽洪 申請人:中國科學院上海矽酸鹽研究所