多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其製備方法

2023-05-16 17:50:56

專利名稱：多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其製備方法，屬於生物醫學材料領域。
背景技術：
常規的多孔磷酸鈣陶瓷的製備工藝包括磷酸鈣陶瓷粉末的製備和成型燒結兩大步驟，即製備多孔磷酸鈣陶瓷需要首先在高溫合成磷酸鈣陶瓷粉末，然後再用預先合成的磷酸鈣陶瓷粉末加入致孔劑成型，再經二次高溫燒結才能得到多孔磷酸鈣陶瓷。日本專利JP5208877公開了一種用燒結法製備多孔磷酸鈣生物陶瓷的方法按一定的重量比將具有球形孔的有機材料和磷酸鈣陶瓷粉末混合併壓製成型，然後在特定溫度下燒制而獲得多孔磷酸鈣生物陶瓷。其工藝過程是將佔60～40wt.％的具有良好的生物相容性的磷酸鈣陶瓷粉末(如羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2粉末)和佔20～60wt％的球形有機致孔劑(如丙烯酸脂顆粒材料)相互混合，用幹壓法壓製成型，然後在溫度大約500℃下脫去有機致孔劑，在溫度800～1400℃燒製得到磷酸鈣多孔生物陶瓷材料，其氣孔孔徑為10～100μm、開口孔隙率為40～80％，孔隙呈球形且相互連通。該專利採用的是燒結合成多孔磷酸鈣生物陶瓷的方法，不是採用水熱合成多孔磷酸鈣生物陶瓷的方法。
水熱法是與常規燒結法有很大不同的一種合成材料的方法，該方法也可以用於製備磷酸鈣生物陶瓷粉體和多孔磷酸鈣生物陶瓷。
徐光亮等(無機材料學報，2002，17(3)600～604)報導了用化學純的碳酸鈣CaCO3和磷酸氫鈣CaHPO4·2H2O為原料，用水熱法合成結晶完好、晶粒完整、分散性好、端面粒度＜100nm的羥基磷灰石納米粉體。該報導用水熱法合成的產物為磷酸鈣生物陶瓷粉體，而不是多孔磷酸鈣生物陶瓷。
日本專利JP3261673公開了通過使鈣複合物和磷酸複合物反應產生氣體，通過水熱合成的方法壓製成型，並燒制產品，以改善多孔材料的機械強度。其工藝過程如下將能夠產生氣體的鈣化合物如氫氧化鈣Ca(OH)2或碳酸鈣CaCO3與磷酸複合物，諸如(NH4)2HPO4或(NH4)H2PO4按一定的摩爾比混合。其混合的重量百分比是5～30％在蒸餾水中攪拌30～120分鐘，控制水熱反應熱壓成型的條件為100～350℃和10～70MPa壓力下0～5小時，然後進行水熱反應熱壓成型的定型產品在900～1400℃燒制1～3小時，這樣就產生了磷酸鈣多孔陶瓷材料。該方法存在以下缺點(1)多孔磷酸鈣陶瓷採用料漿進行水熱反應熱壓成型，所得水熱反應熱壓定型的中間物在在900～1400℃燒制前強度很低；(2)其多孔結構主要由水熱反應熱壓定型反應過程中產生NH3等逸出氣體所決定，因而控制所合成的多孔磷酸鈣陶瓷的孔結構和孔隙率較為困難；(3)所產生的NH3體可能汙染環境。
徐曄等(化學物理學報，2001，14(3)340～344)報導了用取自中國南海的多孔珊瑚通過水熱交換處理製備的珊瑚羥基磷灰石。其工藝過程如下將珊瑚切割成10×10×5mm3的片狀，然後與等質量的磷酸氫二銨放入高壓釜內，並注入約50ml蒸餾水在高壓釜內進行水熱轉換，主要反應如下。
所製備的產物既具有羥基磷灰石良好的生物相容性，又保持了珊瑚的原始孔隙結構。該方法存在以下缺點(1)在高壓釜內進行水熱轉換所得的多孔磷酸鈣陶瓷的多孔結構主要由所選珊瑚的原始孔隙結構所決定，因此，不能人為控制所合成的多孔磷酸鈣陶瓷的孔結構和孔隙率，且珊瑚原料的供應受到限制；(2)由於所用的引入磷的原料受到反應劇烈程度的限制，一般採用(NH4)2HPO4或(NH4)H2PO4作為引入磷的原料，因此，水熱轉換過程中也將產生NH3氣，所產生的NH3氣可能汙染環境。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足而提供一種多孔磷酸鈣生物陶瓷及其製備方法。
多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的起始原料的配方組分按摩爾比Ca/P＝1.00～2.00/1.00，計算稱取鈣源和磷源的原料，按摩爾比Ca/H2O＝1.00/3.00～20.00，計算加入水量，按重量比致孔劑/Ca＝0.00～6.00/1.00計算加入致孔劑。
其中鈣源為碳酸鈣、氧化鈣和/或氫氧化鈣中的至少一種；磷源為磷酸、五氧化二磷以及鈣磷兼有的磷酸氫鈣、磷酸二氫鈣、偏磷酸鈣、焦磷酸氫鈣、焦磷酸鈣、磷酸三鈣、磷酸四鈣、磷酸八鈣、磷酸七鈣、磷酸二氫四鈣和/或焦磷酸四鈣中的至少一種。
致孔劑為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、硬脂酸、萘、蔗糖、葡萄糖、檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氟化鈉和/或氟化鉀中的至少一種。
本發明中的致孔劑都是本領域中技術人員公知的技術，可以配合使用，其前提條件是這些致孔劑的加入對本發明的目的實現以及本發明優良效果的取得不產生不利影響。
多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的製備方法(1)按摩爾比Ca/P＝1.00～2.00/1.00計算稱取鈣源和磷源的原料，按摩爾比Ca/H2O＝1.00/3.00～20.00計算量取蒸餾水，然後將作為鈣源和磷源的原料與所量取的蒸餾水在容器中攪拌混合製得漿狀混合物；(2)將漿狀混合物在溫度50～100℃乾燥1～48小時，然後將乾燥的混合料研磨成粉末；(3)按重量比致孔劑/Ca＝0.00～6.00/1.00計算稱取粒徑為0.1～2.0mm的致孔劑，加入混合料粉末中、並混合均勻，然後壓製成型；(4)壓製成型的試樣升溫至50～1000℃保溫0～24小時，再放入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數PH為5～14，溫度為140～360℃，壓力為0.4～20Mpa，保溫時間為0～24小時；(5)水熱處理後沒有殘留致孔劑的試樣升溫至50～1400℃保溫0～24小時即得多孔磷酸鈣生物陶瓷；(6)水熱處理後有殘留致孔劑存在的試樣，則根據殘留的致孔劑的性質按照下述方式進行處理(a)殘留的致孔劑為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、硬脂酸、萘、蔗糖、葡萄糖或檸檬酸有機物時，升溫至600～1400℃、保溫0～6小時除去有機致孔劑，即得多孔磷酸鈣生物陶瓷；
(b)殘留的致孔劑為氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氟化鈉、氟化鉀、蔗糖、葡萄糖、檸檬酸或檸檬酸鈉溶於水的物質時，用蒸餾水將致孔劑浸出，然後升溫50～1400℃保溫0～24小時即得多孔磷酸鈣生物陶瓷。
能夠容易地製備出物相結構中含有CO32-、開口孔隙率為40～85％、具有1～5μm微孔/0.1～2.0mm大孔相互連通的孔結構，即具有大孔壁上富含大量微孔的材料結構的多孔磷酸鈣生物陶瓷，該生物陶瓷可以作為人體硬組織缺損的修復材料和骨組織工程用的支架材料。
本發明具有下列優點(1)可以使用與碳酸鈣等原料反應劇烈的磷酸作為原料，可以選用在水熱合成多孔磷酸鈣陶瓷的反應產物中沒有NH3和可分解產生NH3的(NH4)2CO3等的原料，避免了在合成反應中產生汙染環境的NH3氣，而且擴大了原料範圍；(2)在進行水熱合成前，採用壓製成型方式成型製品，水熱處理主要起合成作用，所合成的多孔磷酸鈣陶瓷的孔結構和孔隙率由加入的致孔劑進行人為控制；(3)所製備的多孔磷酸鈣生物陶瓷可以具有針狀晶體結構，這不同於常規燒結法製備的同類材料的晶體結構，該結構有利於提高多孔磷酸鈣生物陶瓷的力學性能；(4)該生物陶瓷材料的物相組成可以人為控制，能夠製備出以下主要物相的多孔磷酸鈣生物陶瓷(a)羥基磷灰石和碳酸鈣；(b)羥基磷灰石；(c)羥基磷灰石和β-磷酸三鈣；(d)β-磷酸三鈣；(e)缺鈣型羥基磷灰石；四具體實施方式
下面通過實施例對本發明進行具體的描述。有必要在此指出的是本實施例只用於對本發明進行進一步的說明，不能理解為對本發明的範圍限制。該領域的技術熟練人員可以根據上述本發明的內容作出一些非本質的改進和調整。
實施例1(1)按照摩爾比Ca/P＝1.60、摩爾比磷酸氫鈣CaHPO4.2H2O/氫氧化鈣Ca(OH)2/碳酸鈣CaCO3＝1.00/1.00/1.00的比例計算磷酸氫鈣CaHPO4.2H2O、氫氧化鈣Ca(OH)2、碳酸鈣CaCO3和磷酸H3PO4。稱取CaHPO4.2H2O55.71克、Ca(OH)223.97克、CaCO332.39克加入燒杯中，再加入蒸餾水60ml攪拌30分鐘得到備用混合料漿；
(2)稱取濃度為85wt％的H3PO432.65克加入燒杯中，再加入蒸餾水60ml稀釋，攪拌混合3分鐘備用；(3)在攪拌狀態下將稀釋的磷酸緩慢地全部滴加入上述備用的混合料漿中，得到混合均勻的呈料漿狀的混合料；(4)該料漿在溫度50℃乾燥48小時、研磨成粉，然後加入粒徑為1.0～1.8mm的聚苯乙烯15克、混合均勻，並壓製成型；(5)壓製成型的試樣在溫度280℃預處理2小時後，再將試樣移入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數PH為7，溫度為260℃，壓力為4.70Mpa，時間為10小時；(6)水熱處理後的試樣，在1020℃處理2小時，得到主晶相為羥基磷灰石和β-磷酸三鈣的多孔磷酸鈣生物陶瓷。
實施例2(1)按照摩爾比Ca/P＝2.00、摩爾比磷酸四鈣Ca4P2O9/CaHPO4.2H2O/CaCO3＝1.00/2.00/4.00的比例計算Ca4P2O9、CaCO3、CaHPO4.2H2O和H3PO4。稱取Ca4P2O933.76克CaHPO4.2H2O31.74克、CaCO336.9克加入燒杯中，再加入蒸餾水120ml攪拌30分鐘得到備用混合料漿；(2)稱取濃度為85wt％的H3PO410.64克加入燒杯中，加入蒸餾水80ml稀釋，攪拌混合3分鐘備用；(3)在攪拌狀態下將稀釋的磷酸緩慢地全部滴加入上述備用的混合料漿中，得到混合均勻的呈料漿狀的混合料；(4)該料漿在溫度80℃乾燥36小時、研磨成粉，然後加入粒徑為0.42～0.84mm的硬脂酸20克、混合均勻，並壓製成型；(5)壓製成型的試樣在溫度750℃預處理2小時，再將試樣放入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數PH為5，溫度為240℃，壓力為3.35Mpa，時間為12小時；(6)水熱處理後的試樣，在溫度50℃乾燥24小時，得到主晶相為羥基磷灰石和碳酸鈣的多孔磷酸鈣生物陶瓷。
實施例3
(1)按照摩爾比Ca/P＝1.50、摩爾比磷酸三鈣Ca3(PO4)2/CaHPO4.2H2O/Ca(OH)2/CaCO3＝1.00/1.00/1.00/1.00的比例計算Ca3(PO4)2、CaCO3、CaHPO4.2H2O和H3PO4。稱取Ca3(PO4)248.23克CaHPO4.2H2O26.76克、Ca(OH)211.51克、CaCO315.56克加入燒杯中，加入蒸餾水80ml攪拌30分鐘得到混合料漿；(2)稱取濃度為85wt％的H3PO417.94克加入燒杯中，再加入蒸餾水70ml稀釋，攪拌3分鐘備用；(3)在攪拌狀態下將稀釋的磷酸緩慢地全部滴加入上述備用的混合料漿中，得到混合均勻的呈料漿狀的混合料；(4)該料漿在溫度60℃乾燥48小時、研磨成粉，然後加入粒徑為0.2～0.4mm的氯化鈉80克致孔劑混合均勻，並壓製成型；(5)壓製成型的試樣在溫度110℃預處理2小時後，再將試樣放入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數PH為7，溫度為230℃，壓力為2.80Mpa，時間為14小時；(6)水熱處理後的試樣用蒸餾水浸泡以除去氯化鈉，浸泡工藝每次加入蒸餾水的體積以完全淹沒試樣為宜，浸泡2小時候換水，浸泡換水次數為4次；(7)用蒸餾水浸泡除去氯化鈉後的試樣在120℃乾燥1小時，即得到主晶相為缺鈣羥基磷灰石的多孔生物陶瓷。
實施例4(1)按照摩爾比Ca/P＝1.00、摩爾比CaHPO4.2H2O/CaCO3＝1.00/1.00的比例計算CaCO3、CaHPO4.2H2O和H3PO4。稱取CaHPO4.2H2O61.15克、CaCO335.55克加入燒杯中，再加入蒸餾水50ml攪拌30分鐘得到備用混合料漿；(2)稱取濃度為85wt％的H3PO440.99克加入燒杯中，再加入蒸餾水50ml稀釋，攪拌3分鐘備用；(3)在攪拌狀態下將稀釋的磷酸緩慢地全部滴加入上述備用的混合料漿中，得到混合均勻的呈料漿狀的混合料；(4)該料漿在溫度90℃乾燥24小時、研磨成粉，然後加入粒徑為0.42～0.84mm的硬脂酸30克、混合均勻，並壓製成型；
(5)壓製成型的試樣按每分鐘1℃的升溫速率升至300℃即斷電自然冷卻，冷卻至室溫後再將試樣放入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數為PH為12，溫度為270℃，壓力為5.51Mpa，時間為24小時；(6)水熱處理後的試樣，按每分鐘2℃的升溫速率升至1150℃即斷電自然冷卻，得到主晶相為羥基磷灰石的多孔磷酸鈣生物陶瓷。
實施例5(1)按照摩爾比Ca/P＝1.70、摩爾比CaHPO4.2H2O/Ca(OH)2/CaCO3＝1.00/1.00/1.00的比例計算Ca(OH)2、CaCO3、CaHPO4.2H2O和H3PO4。稱取CaHPO4.2H2O57.79克、Ca(OH)224.86克、CaCO333.60克加入燒杯中，再加入蒸餾水100ml攪拌30分鐘得到備用混合料漿；(2)稱取濃度為85wt％的H3PO429.64克加入燒杯中，再加入蒸餾水40ml稀釋，攪拌3分鐘備用；(3)在攪拌狀態下將稀釋的磷酸緩慢地全部滴加入上述備用的混合料漿中，得到混合均勻的呈料漿狀的混合料；(4)該料漿在溫度70℃乾燥40小時、研磨成粉，然後壓製成型；(5)壓製成型的試樣在溫度60℃預處理24小時後，再將試樣放入蒸壓釜進行水熱處理，水熱處理工藝參數為PH為8，室溫升溫至200℃的升溫速率為每分鐘1℃，200℃升溫至280℃的升溫速率為每分鐘0.2℃，升溫升至280℃即斷電自然冷卻；(6)水熱處理後的試樣，在溫度80℃乾燥4小時，得到主晶相為羥基磷灰石、次晶相為碳酸鈣的多孔磷酸鈣生物陶瓷。
權利要求
1.多孔生物磷酸鈣陶瓷材料，其特徵在於該生物陶瓷材料的起始原料配方組成按摩爾比Ca/P＝1.00～2.00/1.00計算稱取鈣源和磷源的原料，按摩爾比Ca/H2O＝1.00/3.00～20.00計算加入水量，按重量比致孔劑/Ca＝0.00～6.00/1.00計算加入致孔劑，其中鈣源為碳酸鈣、氧化鈣和/或氫氧化鈣中的至少一種；磷源為磷酸、五氧化二磷，以及鈣磷兼有的磷酸氫鈣、磷酸二氫鈣、偏磷酸鈣、焦磷酸氫鈣、焦磷酸鈣、磷酸三鈣、磷酸四鈣、磷酸八鈣、磷酸七鈣、磷酸二氫四鈣和/或焦磷酸四鈣中的至少一種，製備出開口孔隙率為40～85％，具有1～5μm微孔/0.1～2.0mm大孔相互連通的孔結構，且物相結構中可含CO32-。
2.如權利要求1所述多孔磷酸鈣生物陶瓷材料，其特徵在於致孔劑為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂、聚氨脂、硬脂酸、萘、蔗糖、葡萄糖、檸檬酸、檸檬酸鈉、氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氟化鈉和/或氟化鉀中的至少一種。
3.如權利要求1或2所述多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的製備方法，其特徵在於(1)按摩爾比Ca/P＝1.00～2.00/1.00計算稱取鈣源和磷源的原料，按摩爾比Ca/H2O＝1.00/3.00～20.00計算量取蒸餾水，加入混合容器中攪拌混合製成漿狀混合物；(2)將漿狀混合物在溫度50～100℃乾燥1～48小時、研磨成粉末；(3)按重量比致孔劑/Ca＝0.00～6.00/1.00計算加入粒徑為0.1～2.0mm的致孔劑，並混合均勻、壓製成型；(4)壓製成型的試樣升溫至50～1000℃、保溫0～24小時，移入蒸壓釜內進行水熱處理，水熱處理工藝參數PH為5～14，溫度為140～360℃，壓力為0.4～20Mpa，保溫時間為0～24小時；(5)水熱處理後沒有殘留致孔劑的試樣升溫至50～1400℃保溫0～24小時即得多孔磷酸鈣生物陶瓷；(6)水熱處理後有殘留致孔劑存在的試樣，則根據殘留的致孔劑的性質按照下述方式進行處理(a)殘留的致孔劑為聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、硬脂酸、萘、蔗糖、葡萄糖或檸檬酸有機物時，升溫至600～1400℃保溫0～6小時除去有機致孔劑；(b)殘留的致孔劑為氯化鈉、氯化鈣、氯化鉀、氟化鈉、氟化鉀、蔗糖、葡萄糖、檸檬酸或檸檬酸鈉溶於水的物質時，用蒸餾水將致孔劑浸出，然後升溫至50～1400℃保溫0～24小時，即得多孔磷酸鈣生物陶瓷。
4.如權利要求3所述多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的用途，其特徵在於該生物陶瓷材料可以作為人體硬組織缺損的修復材料和骨組織工程用的支架材料。
全文摘要
多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其製備方法，其特點是按摩爾比Ca/P＝1.00～2.00/1.00計算稱取作為鈣源和磷源的原料，按摩爾比Ca/H
文檔編號C04B38/00GK1488602SQ0313558
公開日2004年4月14日 申請日期2003年8月12日 優先權日2003年8月12日
發明者黃永前 申請人:四川大學