一種釔摻雜磷酸鈣骨水泥及其製備方法與流程
2023-05-28 17:52:36
本發明屬於骨缺損修復醫用材料領域，特別涉及一種釔摻雜磷酸鈣骨水泥及其製備方法。
背景技術：
羥基磷灰石由於在形態、晶體結構、合成和結晶度上與生物骨、牙組織的磷灰石相似，被廣泛應用於硬組織修復材料中。稀土元素具有多種生物活性，通過改變細胞膜的通透性、細胞膜表面、DNA合成等多種途徑，對細胞的生長產生不同的影響，具有抗凝血和促進組織生長，抗腫瘤、抗誘變作用和抗炎、殺菌作用。
由於稀土元素獨特的性質，有研究學者設想將少量稀土元素添加到生物醫用材料中；其中，在羥基磷灰石中摻雜少量的稀土釔成為研究的熱點。劉泉等研究了釔-羥基磷灰石納米微粒對人牙周膜細胞生物學行為的影響，結果表明：相比羥基磷灰石納米微晶，含釔分別為0.05mol/L和0.25mol/L的釔-羥基磷灰石納米微晶促進牙周膜細胞增殖作用明顯(劉泉，莫安春.釔-羥基磷灰石納米微粒對人牙周膜細胞生物學行為的影響.牙體牙髓牙周病學雜誌,2008,18(3):139-143.)。Ergun等的研究表明：三價態的稀土離子能替代鈣離子進入到磷灰石結構中，為補償額外的正電荷，每兩個釔離子取代一個鈣離子，導致磷灰石折射率和晶格參數的改變。含釔為0.1-0.35mol/L的磷灰石陶瓷表面吸附了大量的高濃度鈣和玻基結合蛋白、膠原，增強了成骨細胞的黏附，認為釔元素進入磷灰石晶體內可能為蛋白質的吸附和細胞的粘附提供位點，從而促進磷灰石生物陶瓷的細胞相容性(Ergun C，Webster TJ，Bizios R，et a1.Hydroxyapatite with substituted magnesium，zinc，cadmium and yttrium.I.Structure and microstructure.J Biomed Mater Res，2002，59(1)：305-3l1.Webster TJ，Ergun C，Doremus RH，et a1.Hydroxyapatite with substituted magnesium，zinc，cadmium，and yttrium.Ⅱ.Mechanisms ofosteoblast adhesion.J Biomed Mater Res，2002，59(2)：3l2-3l7.)。Sato等在鈦的表面沉積了一層納米羥基磷灰石塗層，研究發現摻雜了釔的納米晶羥基磷灰石塗層與未摻雜釔的塗層相比具有更好的成骨活性(Sato M，Sambito MA，Aslani A，Kalkhoran NM，Slamovich EB，and Webster TJ.Increased osteoblast funcfions on undoped and yttrium doped nanocrystalline hydroxyapatite coatings on titanium.Biomaterials，2006，27(11):2358-2369.)。白石等製備了不同釔含量的釔/羥基磷灰石複合納米晶體微粒並對其結構、化學和生物學性能進行了研究。結果表明，釔元素進入羥基磷灰石晶體結構中並取代部分鈣元素，鈣和釔的溶出隨著釔含量的增加而增多，從而促進人牙周膜細胞和大鼠成骨細胞生長，對口腔細菌有一定的抑制作用。釔/羥基磷灰石複合納米微晶，在形態、晶體結構、合成和結晶度方面與生物骨、牙組織的磷灰石相似，同時具有更好的生物、化學活性及一定的抑菌作用(白石,莫安春,陳治清等.釔/羥基磷灰石複合納米晶體微粒的製備及性能.中國口腔種植學雜誌,2006,l1(1):1-4.)。這些研究均表明，在羥基磷灰石中摻雜少量的釔離子有助於材料生物活性的提高。
磷酸鈣骨水泥又稱羥基磷灰石骨水泥，它是指一類以各種磷酸鈣鹽為主要成份，在生理條件下具有自固化能力及降解活性、成骨活性的無機材料。由於其獨特的性能，磷酸鈣骨水泥得到了國際生物材料界和醫學界的重視，成為當今骨修復材料的研究熱點之一，並逐步試用於臨床。但磷酸鈣骨水泥較低的力學性能一直是限制其應用的重要因素。因此，若能設計出新型的固化產物為釔摻雜羥基磷灰石的釔摻雜磷酸鈣骨水泥，一方面提高磷酸鈣骨水泥的力學性能，另一方面又能發揮釔離子對羥基磷灰石的生物活性增強作用，這將使磷酸鈣骨水泥有更好的應用前景。
技術實現要素：
本發明的目的之一是提供一種釔摻雜磷酸鈣骨水泥的製備方法，包括以下操作步驟：
(1)將磷酸鹽與鈣鹽混合，摻入六水硝酸釔，球磨6～12h後乾燥，得到乾燥後球磨混合料；
(2)步驟(1)得到的乾燥後球磨混合料進行固相反應，並在空氣下急冷，之後幹磨4～8h、過篩，得到釔摻雜磷酸四鈣粉末；
(3)將二水磷酸氫鈣行星球磨4～8h，乾燥、過篩，得到無水磷酸氫鈣，收集待用；
(4)將釔摻雜磷酸四鈣粉末和步驟(3)收集的無水磷酸氫鈣混合均勻，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體；
(5)將步驟(4)得到的釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體，添加調和液調和成漿體，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥膏體。
其中，步驟(1)所述磷酸鹽的製備方法為：將二水磷酸氫鈣在馬弗爐中煅燒至450℃並保溫1h，升溫速度為150℃/h，隨爐冷卻，磨細，過200目篩；所述鈣鹽為分析純碳酸鈣。
優選地，步驟(1)中，磷酸鹽與鈣鹽的摩爾比為1:1；六水硝酸釔的添加量為使得乾燥後球磨混合料中，Y和Ca的摩爾比為(0.5:99.5)～(5:95)。
優選地，步驟(2)所述固相反應的燒成制度為2h由室溫升溫到400℃，再以5h升溫到1450～1550℃，並在1450～1550℃保溫6～12h。
優選地，步驟(2)和步驟(3)中，所述過篩均指過100～400目篩。
優選地，步驟(4)中，釔摻雜磷酸四鈣粉末和無水磷酸氫鈣的摩爾比為(1:1)～(1:2)。
優選地，步驟(5)所述的調和液是去離子水、稀磷酸溶液、生理鹽水、殼聚糖溶液、血液、可溶性磷酸鹽溶液中的至少一種，所述調和液與釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體的用量比為1mL:(2～6g)。
所述釔摻雜磷酸鈣骨水泥的固化產物為釔摻雜羥基磷灰石。
本發明的目的之二是提供一種釔摻雜磷酸鈣骨水泥，所述釔摻雜磷酸鈣骨水泥通過如上所述方法製備得到。
本發明與現有技術相比，具有如下優點和有益效果：
採用本發明製備工藝製成的釔摻雜磷酸鈣骨水泥在不降低孔隙率的基礎上顯著地提高了磷酸鈣骨水泥的力學性能，保留了磷酸鈣骨水泥的固化性能，同時其固化產物具有更好的生物活性，該材料較傳統的磷酸鈣骨水泥具有顯著的優勢及更廣闊的臨床應用前景。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步詳細的說明，但本發明的實施方式不限於此。
實施例1
將二水磷酸氫鈣在馬弗爐中煅燒至450℃並保溫1h，升溫速度為150℃/h，隨爐冷卻，磨細，過200目篩；將上述磷酸鹽與分析純碳酸鈣以1：1的摩爾比混合，摻入Y/Y+Ca摩爾比為2％的六水硝酸釔Y(NO3)3·6H2O，以無水乙醇為介質，在行星球磨機中球磨8h後乾燥。將乾燥後球磨混合料裝入高溫坩堝中，在高溫爐中進行固相反應，燒成制度為2h由室溫升溫到400℃，再以5h升溫到1500℃，並在1500℃保溫6h；而後將反應物取出在空氣下急冷，冷卻後稍加研碎，裝入球磨機幹磨6h，過200目篩，得到釔摻雜磷酸四鈣粉末。將二水磷酸氫鈣裝入球磨罐，用無水乙醇作為分散劑，行星球磨6h，然後取出在120℃下乾燥，冷卻後稍加研磨，過200目篩，得到無水磷酸氫鈣，收集待用。將釔摻雜磷酸四鈣和球磨好的無水磷酸氫鈣以摩爾比1:1混合均勻，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體。以固相與液相之間比例為4g/mL添加去離子水調和成漿體後，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥膏體。本實施例得到的釔摻雜磷酸鈣骨水泥與同體系純磷酸鈣骨水泥相比，固化3d後平均孔隙率分別為44.38％和42.74％，平均抗壓強度分別為36.99MPa和20.01MPa，抗壓強度提高85％。
實施例2
將二水磷酸氫鈣在馬弗爐中煅燒至450℃並保溫1h，升溫速度為150℃/h，隨爐冷卻，磨細，過200目篩；將上述磷酸鹽與分析純碳酸鈣以1：1的摩爾比混合，摻入Y/Y+Ca摩爾比為1.5％的六水硝酸釔Y(NO3)3·6H2O，以無水乙醇為介質，在行星球磨機中球磨6h後乾燥。將乾燥後球磨混合料裝入高溫坩堝中，在高溫爐中進行固相反應，燒成制度為2h由室溫升溫到400℃，再以5h升溫到1500℃，並在1500℃保溫6h；而後將反應物取出在空氣下急冷，冷卻後稍加研碎，裝入球磨機幹磨6h，過300目篩，得到釔摻雜磷酸四鈣粉末。將二水磷酸氫鈣裝入球磨罐，用無水乙醇作為分散劑，行星球磨6h，然後取出在120℃下乾燥，冷卻後稍加研磨，過200目篩，得到無水磷酸氫鈣，收集待用。將釔摻雜磷酸四鈣和球磨好的無水磷酸氫鈣以摩爾比1:1混合均勻，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體。以固相與液相之間比例為3.5g/mL添加1％殼聚糖溶液調和成漿體後，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥膏體。
本實施例得到的釔摻雜磷酸鈣骨水泥與同體系純磷酸鈣骨水泥相比，固化3d後平均孔隙率分別為46.25％和44.04％，平均抗壓強度分別為26.89MPa和16.40MPa，抗壓強度提高64％。
實施例3
將二水磷酸氫鈣在馬弗爐中煅燒至450℃並保溫1h，升溫速度為150℃/h，隨爐冷卻，磨細，過200目篩；將上述磷酸鹽與分析純碳酸鈣以1：1的摩爾比混合，摻入Y/Y+Ca摩爾比為2.5％的六水硝酸釔Y(NO3)3·6H2O，以無水乙醇為介質，在行星球磨機中球磨10h後乾燥。將乾燥後球磨混合料裝入高溫坩堝中，在高溫爐中進行固相反應，燒成制度為2h由室溫升溫到400℃，再以5h升溫到1550℃，並在1550℃保溫8h；而後將反應物取出在空氣下急冷，冷卻後稍加研碎，裝入球磨機幹磨8h，過300目篩，得到釔摻雜磷酸四鈣粉末。將二水磷酸氫鈣裝入球磨罐，用無水乙醇作為分散劑，行星球磨6h，然後取出在120℃下乾燥，冷卻後稍加研磨，過200目篩，得到無水磷酸氫鈣，收集待用。將釔摻雜磷酸四鈣和球磨好的無水磷酸氫鈣以摩爾比1:1.5混合均勻，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥粉體。以固相與液相之間比例為4.5g/mL添加去離子水調和成漿體後，得到釔摻雜磷酸鈣骨水泥膏體。
本實施例得到的釔摻雜磷酸鈣骨水泥與同體系純磷酸鈣骨水泥相比，固化3d後平均孔隙率分別為44.36％和41.74％，平均抗壓強度分別為36.68MPa和21.12MPa，抗壓強度提高74％。
本文雖然已經給出了本發明的一些實施例，但是本領域的技術人員應當理解，在不脫離本發明精神的情況下，可以對本文的實施例進行改變。上述實施例只是示例性的，不應以本文的實施例作為本發明權利範圍的限定。