CaO－P的製作方法

2023-05-12 00:03:21

專利名稱：CaO－P的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，屬於生物陶瓷製備技術領域。
背景技術：
多孔生物材料在組織工程中具有不可替代的功能，磷酸鈣系材料因其良好的生物相容性和生物活性被認為是製備仿生骨、支架和載體等多孔產品的最佳骨修復材料，已被廣泛應用於骨外科、整形外科及牙科領域。β-磷酸三鈣是鈣磷系統中一個重要的二元化合物，普遍認為是一種可吸收的生物活性陶瓷材料，當其植入人體後，能在體內降解，降解下來的Ca、P進入活體循環系統形成新生骨，具有良好的生物相容性和骨誘導能力。為了滿足不同組織長入的需要和增加骨融合速度，骨修復材料必須是具有高孔隙率、大孔相互貫通的多孔材料。其理想的孔徑尺寸為50～400μm，孔隙率應大於70％。但高孔隙率與低強度的矛盾一直制約該材料的發展和應用，目前已報導的磷酸鈣系多孔材料的抗壓強度為0.3～3.3MPa，還不足以滿足臨床應用的要求。近年來開展了大量相關研究旨在保持高孔隙率的基礎上增強材料的力學性能，發現玻璃相的添加不僅可有效改善多孔體的力學性能，同時還可調節β-磷酸三鈣的降解速率，使之與新骨生成速率相匹配。
有關生物活性玻璃合成方法的專利較多，如CN 03149539.7，US 5,675,720，US 5,125971，US 6,413,538等。中國專利03149539.7介紹了在CaO-SiO2體系中通過添加Na2O，CaF2或B2O3合成不含P2O5的玻璃，以及使用該生物活性玻璃作為助燒劑製備磷酸鈣玻璃燒結體的方法。另一類常見的生物玻璃體系是在SiO2-P2O5基質中添加鹼金屬或鹼土金屬氧化物。如美國專利5,675,720公開了組成為CaO-Na2O-SiO2-P2O5的多孔生物玻璃材料的製備方法；同樣，專利US6,413,538介紹了用此類玻璃製備生物硬組織材料的方法及其生物特性。通過在磷酸鈣陶瓷中加入生物玻璃來改善基質體的燒結性能和力學性能的研究已有報導。生物玻璃組成主要為含SiO2的玻璃體系，如美國專利US 5,125971採用的玻璃體系為CaO-MgO-Na2O-SiO2。臨床已證實這些含SiO2玻璃具有優良的生物相容性，當作為硬組織修補的填充物或替代材料時，在體液中玻璃體通過溶解-沉澱在界面上形成富矽層，有利於體液中Ca2+，PO3-離子遷移至宿主界面，在富矽層上形成無定形磷酸鈣薄膜，再與體液中的OH-和CO32-結合生成類磷灰石，從而與宿主發生黏連與融合。但SiO2不是人體硬組織的組成成分，不能在體內降解，因此這類玻璃只能視為具有生物活性的材料，而最終不會成為人體組織的一部分。
近年來開展的以CaO-P2O5為玻璃基質材料的研究發現CaO-P2O5玻璃體系具有更優異的生物活性、力學性能和可加工性。Toshihiro Kasuga(Bioactivecalcium pyrophosphate glasses and glass-ceramics，Acta Biomaterials，1(2005)55-64)報導了60CaO-30P2O5-3TiO2-7Na2O玻璃及玻璃—陶瓷的製備方法和相關性能，為CaO-P2O5體系生物玻璃及陶瓷-玻璃的開發提供了依據。

發明內容
本發明的目的在於提供一種CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，以該方法製備的多孔陶瓷孔隙貫通，具有較高的強度和優良的生物特性，可用於骨組織缺損、修復和體外細胞培養支架以及藥物釋放載體等的多孔生物陶瓷。
本發明是通過以下技術方案加以實現的，一種CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法；其特徵在於包括以下過程1.將P2O5，CaO，Na2O，MgO，按其質量百分比為(62～41.4)/(14.7～9.80)/(18～12)/(5.30～3.50)的原料研磨混合均勻，緩慢加入去離子水，攪拌，至無氣泡冒出，乾燥後於900～980℃熔融1-2小時，製得乳白色塊狀生物玻璃，研磨過篩、備用；2.對上述生物玻璃進行如下熱處理700～720℃保溫半小時，冷卻至室溫；740～750℃保溫1小時，再於800℃保溫2小時，隨爐冷卻，所得成分為焦磷酸鈉和磷酸鈉鈣鎂鹽的生物玻璃；3.焦磷酸鈉極易溶於水，溶液呈強鹼性，在配製料漿前在生物玻璃粉末中加入去離子水，不斷攪拌，除去容器中上層清液，反覆數次直至溶液pH在7～8.5之間；4.按Ca/P摩爾比為1.5精確稱取CaCO3和CaHPO4·2H2O，通過機械-化學混合法製得平均粒徑為380nm的β-磷酸三鈣(β～TCP)；在β-TCP粉末中加入由步驟1和2所製得的生物玻璃，其質量比為10～30％，在混合後的粉料中加入摩爾濃度為0.02mol/ml的聚丙烯酸銨(PAANH4)分散劑，聚丙烯酸銨的用量為每克混合粉料中加入0.08～0.1m，再加去離子水，球磨30～50分鐘製得流動性好，固相含量為60～70％的漿料；然後將成型的聚氨酯或聚醚多孔泡沫浸入該料漿中，浸漬體在潮溼環境下乾燥成坯體，坯體於550～600℃預燒後再於1000～1100℃燒結2～4小時，冷卻後得到具有較高強度的多孔磷酸鈣陶瓷；製備上述生物玻璃採用P2O5的化合物是NH4H2PO4或(NH4)2HPO4或兩者的混合物；製備上述生物玻璃採用CaO的化合物是CaCO3或Ca(OH)2；製備上述生物玻璃採用Na2O的化合物是Na2CO3；
製備上述生物玻璃採用MgO的化合物是MgCO3、Mg(OH)2或(MgCO3)4Mg(OH)2·5H2O；本方法製備的玻璃增強β-磷酸三鈣多孔生物陶瓷的孔隙率為45～93％，孔徑範圍為50～600μm，孔分布均勻，材料的抗壓強度在1.5～17MPa。成骨細胞與多孔陶瓷支架聯合培養，結果表明支架對成骨細胞的黏附效果良好，適於細胞黏附、爬行。


圖1為本發明實施例1製得的生物玻璃的X-射線衍射圖譜；圖2為本發明實施例3製得的玻璃增強β-磷酸三鈣多孔生物陶瓷的顯微照片；圖3為在本發明實施例3製得的載體上MC3T3-E1細胞在DMEM培養液(Gibco，美國)中培養一周後的顯微照片；圖4為在本發明實施例3製得的載體上MC3T3-E1細胞在DMEM培養液(Gibco，美國)中培養一周後的多孔材料的顯微照片。
具體實施例方式
實施例1CaO-P2O5-Na2O-MgO生物玻璃以NH4H2PO4、Ca(OH)2、Na2CO3、(MgCO3)4Mg(OH)2·5H2O為原料，按原料中的P2O5∶CaO∶Na2O∶MgO質量百分比為62∶14.7∶18∶5.30，總質量為100克，精確稱取47.12克NH4H2PO4，19.45克Ca(OH)2，30.19克Na2CO3和63.69克(MgCO3)4Mg(OH)2·5H2O。將所稱原料研磨均勻，倒入燒杯中，緩慢加入去離子水，並不斷攪拌，直至無氣泡冒出。將混合料在烘箱中於80℃恆溫乾燥，然後進行煅燒熔融，其制度為在300～400℃和700～800℃溫度段，升溫速率為1.5℃/分鐘，在400℃～700℃和700℃～910℃溫度段，升溫速率為3.5℃/分鐘，升溫至910℃保溫1小時。熔融後的玻璃隨爐溫自然冷卻、研磨、過篩。將研磨後的玻璃粉末在700℃熱處理半小時，冷卻至室溫，再升溫至740℃保溫1小時，而後於800℃熱處理2小時，隨爐溫自然冷卻，經熱處理後所得生物玻璃的成分為焦磷酸鈉和磷酸鈉鈣鎂鹽的複合粉體。
實施例2CaO-P2O5-Na2O-MgO生物玻璃以(NH4)2HPO4、CaCO3、Na2CO3、MgCO3為原料，按原料中的P2O5∶CaO∶Na2O∶MgO質量百分比為41.4∶9.80∶12∶3.50，總質量為50克，精確稱取26.98克(NH4)2HPO4，13.06克CaCO3，15.40克Na2CO3和5.46克MgCO3。將所稱原料研磨均勻，倒入燒杯中，緩慢加入去離子水，並不斷攪拌，直至無氣泡冒出。將混合料在烘箱中於80℃恆溫乾燥，然後進行煅燒熔融，其制度為在300～400℃和700～800℃溫度段，升溫速率為1.5℃/分鐘，在400℃～700℃和700℃～980℃溫度段，升溫速率為3.5℃/分鐘，升溫至980℃保溫2小時。熔融後的玻璃隨爐自然冷卻，研磨、過篩。將研磨後的玻璃細粉在720℃熱處理半小時，冷卻至室溫，再升溫至750℃保溫1小時，而後於800℃熱處理2小時，隨爐自然冷卻。經熱處理後所得生物玻璃的成分為焦磷酸鈉和磷酸鈉鈣鎂鹽的複合粉體。
實施例3玻璃增強磷酸三鈣多孔陶瓷原料以醫用級碳酸鈣(CaCO3)和二水磷酸氫鈣(CaHPO4·2H2O)為原料，按Ca/P摩爾比為1.5精確稱取171.1克CaHPO4·2H2O和50.0克CaCO3，將所稱料倒入球磨罐中，加入去離子水和氧化鋯磨球。按料∶磨球∶水按質量比為1∶3∶2.2進行配比，將混合料高速球磨16小時在烘箱中於85℃恆溫乾燥，乾燥後在830℃煅燒，獲得平均粒徑為380nm的β-磷酸鈣粉末。
工藝將β-磷酸三鈣和實施例1製得的生物玻璃按質量百分比為80∶20稱取總重為50克的混合粉末，量取33毫升去離子水，在去離子水中加入摩爾濃度為0.02mol/ml的4毫升聚丙烯酸銨，在微粒球磨機上混磨30分鐘，磨球為瑪瑙球，製得固相含量質量比為60％的漿料；把研磨後的料漿倒入盛料槽中，將聚氨酯海綿浸入料漿中，然後將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多餘料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體在溼度大於90％的環境中乾燥12小時之後，再在烘箱中乾燥；乾燥溫度為80℃，乾燥試樣在燒結爐中預燒，升溫程序為室溫至180℃為2℃/分鐘，180～400℃為0.8℃/分鐘，400～600℃為1.2℃/分鐘；將預燒試樣直接升溫至1000℃，升溫速度為2.5℃/分鐘，保溫4小時，可獲得孔隙率為79％的多孔陶瓷，孔徑大小在100～650μm之間，平均抗壓強度為3.8MPa。
實施例4玻璃增強磷酸三鈣多孔陶瓷將實施例3所製得的β-磷酸三鈣和生物玻璃按質量百分比為90∶10稱取總重為100克的混合粉末，量取43毫升去離子水，在去離子水中加入10毫升聚丙烯酸銨，在微粒球磨機上混磨40分鐘，磨球為瑪瑙球，製得固相含量質量比為70％的漿料；把研磨後的料漿倒入盛料槽中，將聚氨酯海綿浸入料漿中，然後將浸有料漿的海綿取出，通過碾輪將海綿中的多餘料漿碾出；被料漿包裹的海綿成型體在溼度大於90％的環境中乾燥12小時之後，再在烘箱中乾燥；乾燥試樣在燒結爐中預燒，升溫程序為室溫至180℃為2℃/分鐘，180～400℃為0.8℃/分鐘，400～600℃為1.2℃/分鐘；將預燒試樣直接升溫至1000℃，升溫速度為2.5℃/分鐘，保溫4小時，可獲得孔隙率為84％的多孔陶瓷，孔徑大小在50～500μm之間，平均抗壓強度為2.1MPa。
實施例5生物實驗對實施例3所製備的多孔陶瓷進行細胞粘附、生長和增殖測試；具體方法為對實施例3的多孔支架進行高溫、高壓消毒，預製尺寸為0.5cm×0.5cm×1.5cm，共12塊(無菌包裝)，預製同尺寸異體骨12塊(無菌包裝)。將長滿瓶底約90％左右的MC3T3-E1細胞消化、洗滌、離心計數後製成1×106/ml的細胞懸液，分別負壓接種於細胞支架和異體骨上，置37℃、5％CO2飽和溼度細胞培養箱中培養4h後取出。再將複合支架分別置於35mm×10mm培養皿中，加入含10％胎牛血清的培養液，置細胞培養箱於37℃、5％CO2及飽和溼度條件下培養。分別於培養第1天、3天、5天各取聯合培養多孔骨細胞陶瓷支架4塊，PBS液反覆衝洗，加入5％胰蛋白酶消化液消化10分鐘，吸取消化液衝洗支架材料，使MC3T3-E1細胞完全脫落，收集衝洗液中止消化，每塊多孔陶瓷支架和異體骨衝洗液離心後定容至4ml，進行細胞計數並在光學顯微鏡下觀察細胞形態。圖3和圖4為MC3T3-E1細胞在DMEM培養液中培養一周後的顯微照片，可觀察到多孔骨細胞陶瓷支架與成骨細胞在體外環境中有良好的附合能力。表1為培養1天、3天和5天後成骨細胞在不同材料上的增殖數量，統計學結果顯示在培養第1、3、5天兩組數據的差異性指標P＜0.05，有顯著差異，表明隨培養時間的延長，細胞支架中成骨細胞的數量有了明顯的增加，證明成骨細胞在支架中進行了正常的增殖，能夠正常生長，且性能優於異體骨支架。
表1 成骨細胞在不同材料上的增殖數量
權利要求
1.一種CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法；其特徵在於包括以下過程(1).將P2O5，CaO，Na2O，MgO，按其質量百分比為(62～41.4)/(14.7～9.80)/(18～12)/(5.30～3.50)的原料研磨混合均勻，緩慢加入去離子水，攪拌，至無氣泡冒出，乾燥後於900～980℃熔融1-2小時，製得乳白色塊狀生物玻璃，研磨過篩、備用；(2).對上述生物玻璃進行如下熱處理700～720℃保溫半小時，冷卻至室溫；740～750℃保溫1小時，再於800℃保溫2小時，隨爐冷卻，所得成分為焦磷酸鈉和磷酸鈉鈣鎂鹽的生物玻璃；(3).焦磷酸鈉極易溶於水，溶液呈強鹼性，在配製料漿前在生物玻璃粉末中加入去離子水，不斷攪拌，除去容器中上層清液，反覆數次直至溶液pH為7～8.5；(4).按Ca/P摩爾比為1.5精確稱取CaCO3和CaHPO4·2H2O，通過機械-化學混合法製得平均粒徑為380nm的β-磷酸三鈣；在β-TCP粉末中加入由步驟(1)和(2)所製得的生物玻璃，其質量比為10～30％，在混合後的粉料中加入摩爾濃度為0.02mol/ml的聚丙烯酸銨分散劑，聚丙烯酸銨的用量為每克混合粉料中加入0.08～0.1m，再加去離子水，球磨30～50分鐘製得流動性好，固相質量含量為60～70％的漿料；然後將成型的聚氨酯或聚醚多孔泡沫浸入該料漿中，浸漬體在潮溼環境下乾燥成坯體，坯體於550～600℃預燒後再於1000～1100℃燒結2～4小時，冷卻後得到具有較高強度的多孔磷酸鈣陶瓷。
2.按權利要求1所述的CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，其特徵在於，製備生物玻璃採用P2O5的化合物是NH4H2PO4或(NH4)2HPO4或兩者的混合物。
3.按權利要求1所述的CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，其特徵在於，製備生物玻璃採用CaO的化合物是CaCO3或Ca(OH)2。
4.按權利要求1所述的CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，其特徵在於，製備生物玻璃採用Na2O的化合物是Na2CO3。
5.按權利要求1所述的CaO-P2O5-Na2O-MgO玻璃增強多孔β-磷酸三鈣生物陶瓷製備方法，其特徵在於，製備生物玻璃採用MgO的化合物是MgCO3、Mg(OH)2或(MgCO3)4Mg(OH)2·5H2O。
全文摘要
本發明涉及一種CaO－P
文檔編號C04B35/447GK1830907SQ20061001333
公開日2006年9月13日 申請日期2006年3月20日 優先權日2006年3月20日
發明者蔡舒, 於顯著, 許國華, 肖張瑩, 張喆 申請人:天津大學