表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷及其製備方法

2023-07-29 22:35:26

專利名稱：表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種生物陶瓷及其製備技術，特別涉及一種表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷，以及該多孔生物陶瓷的製備方法，屬於生物材料領域。
背景技術：
因為和人體硬組織中的無機成分相似，磷酸鈣，如羥基磷灰石，磷酸三鈣，以及它們的組合物，一直成為硬組織修復重點關注的生物材料。而在具體使用中，例如用於骨缺損的填充，磷酸鈣通常加工成為多孔的生物陶瓷。把磷酸鈣加工成具有多孔結構的生物陶瓷，有利於骨組織長入孔隙，從而促進骨整合和骨再生。由於具有這些生物學性能，磷酸鈣多孔生物陶瓷現在已經作為骨缺損修復材料廣泛應用於臨床。然而，因受製備方法的限制，目前應用的多孔磷酸鈣生物陶瓷大都由直徑通常大於I微米的磷酸鈣顆粒構建而成的。另外，這些多孔生物陶瓷在微納米尺度的表面缺乏納米孔隙。因此，目前應用的多孔磷酸鈣生物 陶瓷的生物活性通常都很低。為提高磷酸鈣多孔生物陶瓷的生物活性，已經公開的專利「一種納米多孔生物陶瓷的製備方法及裝置」其申請號200510021620. 4報導了使用微波燒結的方法製備了具有納米顆粒直徑的多孔磷酸鈣生物陶瓷。和傳統的磷酸鈣多孔生物陶瓷相比較，該納米磷酸隹丐多孔生物陶瓷的生物活性有顯著提高(Materials Science Engineering Report 2010,70: 228-242)，同時證實了納米多孔生物陶瓷的優勢。儘管如此，該專利報導的製備多孔納米磷酸鈣生物陶瓷的方法具有局限性。這些局限性主要體現在(I)必須使用微波燒結這一特殊設備，而這種設備目前也很難實現規模化生產；(2)對燒結溫度的控制非常苛刻；(3)製備的納米多孔磷酸鈣生物陶瓷的力學強度低。另一份已公開的專利「磷酸鈣陶瓷表面形成類骨磷灰石層的方法」，其申請號200410033613. I，該專利報導了使用模擬體液對生物陶瓷表面進行處理，使其表面形成與人體骨結構和無機成分相近的類骨磷灰石層。然而，由該方法製備的產品具有以下缺陷
(I)表面形成的新生成的類骨磷灰石片和基底陶瓷的結合很弱，極易和基底陶瓷分離而脫落。(2)這些多孔陶瓷在微納米尺度的表面缺乏納米孔隙。(3)表面形成的片狀磷灰石層的生物學性能是未知的。

發明內容
本發明的目的是針對現有納米磷酸鈣多孔生物陶瓷所存在的缺陷以及其製備技術的不足，提供一種表面層由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷及其製備方法。所述的製備方法是採用生物模擬礦化的過程在陶瓷表面生長形成磷酸鈣納米粒子，然後在高溫焙燒除去有機成分而最終獲得表面具有磷酸鈣納米粒子的多孔生物陶瓷；該多孔生物陶瓷表面由厚度為10-1000納米的磷酸鈣納米粒子層構成，其中，構成納米粒子層的磷酸鈣納米粒子的直徑為10-100納米。為實現上述目的，本發明採用以下措施構成的技術方案來實現的。
本發明提供的表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於採用生物模擬礦化的過程在生物陶瓷表面生長形成磷酸鈣納米粒子，然後用高溫焙燒除去有機成分來製備，其具體步驟如下在無菌條件下，將磷酸鈣多孔生物陶瓷浸泡到含動物血清的浸泡液中，浸泡時間1-30天，然後取出，用清水衝洗乾淨，再將其乾燥，最後在600-1000°C進行6小時焙燒，除去有機成分，即製得表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷。上述方案中，所述的動物血清在浸泡液中的百分比濃度為1-100%。上述方案中，所述磷 酸鈣多孔生物陶瓷，其體積大小和含動物血清的浸泡液的體積比為1:1-1:50。上述方案中，所述的動物血清是牛血清，或兔血清、或雞血清，或狗血清，或豬血清，或馬血清，或山羊血清，或驢血清。上述方案中，所述磷酸鈣多孔生物陶瓷的化學組成是羥基磷灰石，或是磷酸三鈣，或是磷酸八鈣，或是它們的組合物。本發明依上述方法製備的表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷，其特徵在於該多孔生物陶瓷表面的磷酸鈣納米粒子的直徑為10-100納米。上述方案中，所述表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷，其表面的磷酸鈣納米粒子的化學組分，視其焙燒溫度不同，其組分隨著焙燒溫度的上升逐漸從無定型磷酸鈣納米粒子向無定型/碳酸磷灰石到碳酸磷灰石的結構轉變，或者向無定型/碳酸磷灰石/磷酸三鈣到碳酸磷灰石/磷酸三鈣的結構轉變。上述方案中，所述磷酸鈣多孔生物陶瓷表面生長形成的磷酸鈣納米粒子，會在其表面形成一層磷酸鈣納米粒子層。上述方案中，所述磷酸鈣多孔生物陶瓷表面形成的磷酸鈣納米粒子層，其厚度隨浸泡時間在1-30天之間，磷酸鈣納米粒子層厚度會從10納米增長到1000納米。上述方案中，所述表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷，其表面的磷酸鈣納米粒子構建了豐富的納米孔隙，這些納米孔隙的孔徑在2-100納米範圍。本發明所述的表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷，具有以下特點及有益的技術效果本發明製備方法製備的多孔生物陶瓷表面的磷酸鈣納米粒子，由於磷酸鈣納米粒子的直徑為10-100納米，所以由納米粒子構建的多孔生物陶瓷表面具有高的比表面，因而其具有高的生物活性；更重要的是，由磷酸鈣納米粒子構建形成的孔徑為2-100納米的納米孔隙，改善了多孔生物陶瓷的表面特徵，賦予了多孔生物陶瓷骨誘導性；另外，本發明所述磷酸鈣納米粒子是在具有相同或相似的化學組成的磷酸鈣多孔生物陶瓷基底表面上生長形成，並經過高溫焙燒熔合，因而磷酸鈣納米粒子是和磷酸鈣多孔生物陶瓷基底是緊密連接的，所以由本發明製備的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷具有很好的穩定性和力學強度；而且本發明的製備方法簡單，重複性高，可以規模化生產。


圖I是本發明實施例I所使用的羥基磷灰石多孔生物陶瓷的SEM照片；圖2是本發明實施例I製備的多孔生物陶瓷表面的磷酸鈣納米粒子層的SEM照片;圖3是本發明實施例I製備的多孔生物陶瓷表面的磷酸鈣納米粒子層的厚度的SEM照片；圖4是本發明實施例I製備的多孔生物陶瓷在磷酸鈣納米粒子層表面的細胞表達的鹼性磷酸酶的螢光顯微鏡照片；圖5是本發明實施例I製備的表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷植入兔背部肌肉2個月的組織切片的照片。
具體實施例方式下面用具體實施例對本發明作進一步的詳細說明，但不應理解為是對本發明保護內容的任何限定。實施例I在無菌條件下，將直徑為2釐米，高為I釐米的圓柱形羥基磷灰石多孔生物陶瓷浸泡到含50%牛血清的31. 4mL的浸泡液中，羥基磷灰石多孔生物陶瓷與浸泡液的體積比為1:10，在37度溫度和無菌條件下浸泡7天。然後取出，用清水衝洗乾淨，再用烘箱乾燥，最後在600°C溫度條件下進行6小時焙燒，除去有機成分，得到表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為100納米；由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔隙的孔徑為2-50納米。如圖2和圖3所示。所製備的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷和兔骨髓間充質細胞培養7天，細胞高表達鹼性磷酸酶，從而體外證明骨髓間充質細胞朝成骨方向分化，如圖4所示；把該磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷植入兔的背部肌肉2個月，組織切片觀察到磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷內部有新骨形成，如圖5所示。實施例2將實施例I的羥基磷灰石多孔生物陶瓷在浸泡液中浸泡時間變為I天，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為10納米。實施例3將實施例I的浸泡時間變為30天，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-100納米，納米粒子層厚度為700納米。由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例4將實施例3的焙燒溫度變為1000°C，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為30-100納米，納米粒子層厚度為700納米。由納米粒子構建的納米孔的孔徑為10-100納米。實施例5使用含10%牛血清的浸泡液，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為500納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例6使用含1%牛血清的浸泡液，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為200納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例7
使用含100%牛血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為500納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例8多孔生物陶瓷和含牛血清的浸泡液的體積比為1:50，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為1000納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例9多孔生物陶瓷和含牛血清的浸泡液的體積比為1:20，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為900納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例10多孔陶瓷和含牛血清的浸泡液的體積比為1: 1，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子層厚度為40納米的，磷酸鈣納米粒子的直徑為10-50納米。由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例11使用磷酸三鈣多孔生物陶瓷，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石/磷酸三鈣構成，磷酸鈣納米粒子層厚度為400納米的，磷酸鈣納米粒子的直徑為10-50納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例12使用磷酸八鈣多孔生物陶瓷，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石/磷酸三鈣構成，磷酸鈣納米粒子層厚度為360納米的，磷酸鈣納米粒子的直徑為10-50納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例13使用羥基磷灰石/磷酸三鈣雙相多孔生物陶瓷，其中羥基磷灰石/磷酸三鈣的組分比為6 :4，其他條件和實施例3相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石/磷酸三鈣構成，磷酸鈣納米粒子層厚度為250納米的，磷酸鈣納米粒子的直徑為10-50納米，由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例14使用含兔血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納 米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，其納米粒子的直徑為10-50納米，納米粒子層厚度為100納米，由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例15使用含狗血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，其納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為100納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例16使用含豬血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，其納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為100納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例17使用含雞血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中磷酸鈣納米粒子由無定型/碳酸磷灰石構成，納米粒子的直徑為10-50納米，磷酸鈣納米粒子層厚度為100納米，由磷酸鈣納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例18使用含馬血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中納米粒子的直徑為10-50納米，其納米粒子層厚度為100納米，由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例19使用含山羊血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中粒子的直徑為10-50納米，其粒子層厚度為100納米，由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。實施例20使用含驢血清的浸泡液，其他條件和實施例I相同，獲得表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷。其中粒子的直徑為10-50納米，粒子層厚度為100納米，由納米粒子構建的納米孔的孔徑為2-50納米。本發明由所述方法製備的表面含有磷酸鈣納米粒子的多孔生物陶瓷，其表面的磷酸鈣納米粒子的直徑為10-100納米，納米粒子層厚度為10- 1000納米，納米粒子孔隙的孔徑為2-100納米；所製備的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷具有良好的生物活性和骨誘導性；使用骨髓間充質細胞和多孔陶瓷進行培養，可以很快的誘導骨髓間充質細胞高表達鹼性磷酸酶，結果如圖4所示。骨髓間充質細胞高表達鹼性磷酸酶證明該細胞分化成為了成骨細胞；把所製備的表面含有磷酸鈣納米粒子的多孔生物陶瓷植入肌肉，在陶瓷內部很快
就有新骨生成，結果如圖5所示。
權利要求
1.一種表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於採用生物模擬礦化的過程在多孔生物陶瓷表面生長形成磷酸鈣納米粒子，然後用高溫焙燒除去有機成分來製備，其具體步驟如下 在無菌條件下，將磷酸鈣多孔生物陶瓷浸泡到含動物血清的浸泡液中，浸泡時間1-30天，然後取出，用清水衝洗乾淨，再乾燥，最後在600-100(TC進行6小時焙燒，除去有機成分，即製得表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷。
2.根據權利要求I所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於所述的動物血清在浸泡液中的百分比濃度為1-100%。
3.根據權利要求I或2所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於所述的動物血清是牛血清，或兔血清、或雞血清，或狗血清，或豬血清，或馬血清，或山羊血清，或驢血清。
4.根據權利要求I所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於所述 磷酸鈣多孔生物陶瓷，其體積大小和含動物血清的浸泡液的體積比為1:1-1:50。
5.根據權利要求I或4所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷的製備方法，其特徵在於所述磷酸鈣多孔生物陶瓷的化學組成是羥基磷灰石，或是磷酸三鈣，或是磷酸八鈣，或是它們的組合物。
6.權利要求1-5任一項所述方法製備的表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷，其特徵在於其表面所述的磷酸鈣納米粒子的直徑為10-100納米。
7.根據權利要求6所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷，其特徵在於其表面所述的磷酸鈣納米粒子的化學組分，視其焙燒溫度的不同，其組分隨著焙燒溫度的上升逐漸從無定型磷酸鈣納米粒子向無定型/碳酸磷灰石到碳酸磷灰石的結構轉變，或者向無定型/碳酸磷灰石/磷酸三鈣到碳酸磷灰石/磷酸三鈣的結構轉變。
8.根據權利要求6或7所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷，其特徵在於其表面所述生長形成的磷酸鈣納米粒子，會在其表面形成一層磷酸鈣納米粒子層。
9.根據權利要求8所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷，其特徵在於其表面所述生長形成的磷酸鈣納米粒子層，其厚度隨浸泡時間在1-30天，磷酸鈣納米粒子層厚度會從10納米增長到1000納米。
10.根據權利要求6所述的磷酸鈣納米粒子多孔生物陶瓷，其特徵在於所述表面由磷酸鈣納米粒子層構建的多孔生物陶瓷，其表面的磷酸鈣納米粒子構建了豐富的納米孔隙，這些納米孔隙的孔徑為2-100納米。
全文摘要
本發明涉及一種表面由磷酸鈣納米粒子構建的多孔生物陶瓷及其製備方法，屬於生物材料領域。所述製備方法是採用生物模擬礦化的過程在陶瓷表面生長形成磷酸鈣納米粒子，然後在高溫焙燒除去有機成分而最終獲得表面具有磷酸鈣納米粒子的多孔生物陶瓷。本發明所製備的多孔陶瓷表面的厚度為10-1000納米的磷酸鈣納米粒子層，由於納米粒子的直徑在10-100納米範圍，並且在形成的納米粒子間能形成豐富的、直徑在2-100納米直徑的孔隙，所以由納米粒子構建的多孔生物陶瓷具有高的生物活性和骨誘導性。由於該方法製備過程簡單，重複性高，可以規模化生產。
文檔編號C04B38/00GK102850079SQ20121033104
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者洪友良, 譚成方 申請人:四川大學