一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法
2023-11-09 23:31:32 1
一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，屬於生物醫用材料製備技術領域。
【背景技術】
[0002]在臨床醫療過程中，經常遇到重建或再生因病或由於外傷造成的骨缺損情況，需要大量的骨缺損修復材料。目前臨床應用最為廣泛的骨缺損修復材料是自體骨和同種異體骨，但是存在來源不足、供骨區併發症、移植排異反應、疾病傳播及融合時間較長等問題，限制了其應用，因而需要研究和開發新型人造骨修復材料以滿足臨床上的大量需求。
[0003]目前研究最多的骨修復材料是輕基磷灰石(Hydroxyapatite，CaiQ(P04)6(0H)2，簡稱HA) AA生物陶瓷材料因具有與人體骨骼晶體成分和結構基本一致，生物相容性、界面活性及骨傳導性均優於各類醫用合金、橡膠及其它高分子材料，並且能夠與骨直接形成鍵性結合等優點，成為當前臨床上人造生物骨修復材料的理想選擇之一。生物研究和臨床應用表明，臨床上需要的骨缺損修復材料不僅要具有合適的力學性能，還希望具有與人體骨組織相似的互連多孔結構。互連多孔的羥基磷灰石骨修復材料不僅具有與骨組織的生長速度較匹配的降解速度，而且還能滿足骨組織及血管的長入，加快骨缺損修復的過程。國內外相關研究結果表明，多孔羥基磷灰石骨修復材料中含有適當尺寸並佔有一定體積分數的孔隙(一般希望孔隙率大於40%，大孔與微孔並存，大孔孔徑100-300μπι)能為細胞、纖維組織和骨組織的長入提供通道和生長空間，增大組織液與羥基磷灰石接觸表面積，並通過影響代謝、營養傳輸和血管生長而決定骨長入的程度和速度，加快骨修復過程。
[0004]國內外目前製備多孔HA基骨修復材料的方法主要有化學發泡法(Η202、碳酸鹽、亞硫酸鹽等作為發泡劑，聚乙烯醇作為粘結劑)、聚合物泡沫模板浸漬法(聚氨酯海綿作為造孔材料，聚乙烯醇或矽酸鈉作為粘結劑)、凝膠注模成型法(蠟球作造孔劑，聚乙烯醇作為粘結劑)、造孔劑法(碳酸氫銨、萘、氫化鈦及乙基纖維素作造孔劑，聚乙烯醇作為粘結劑)等。但是上述方法存在以下問題:(I)為了提高材料的力學性能和獲得穩定的多孔結構，上述方法製備過程中往往需要對材料進行較長時間的高溫燒結過程。而過高的燒結溫度和較長的保溫時間會造成HA發生部分分解，由於HA的分解產物與HA的降解速率不一致，導致材料的降解速率與骨組織爬行替代速率不匹配，使得材料的骨缺損修復能力降低；(2)上述方法製備材料的過程中需要加入粘結劑(如聚乙烯醇、矽酸鈉等)，儘管在高溫燒結過程中粘結劑絕大部分會分解揮發，但仍然有少量的粘結劑殘留在材料中。這些殘留的粘結劑如矽酸鈉不會降解，會影響微血管及骨組織的長入，降低材料的生物相容性和成骨活性，而聚乙烯醇已被證明具有肝和膽囊組織毒性；(3)上述方法在製備多孔HA材料的過程中容易引入雜質，會對材料的生物相容性造成不利影響。因而利用上述方法製備的多孔HA骨修復材料不能完全滿足臨床使用的要求，需要尋找新的製備方法來克服上述製備方法存在的問題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於針對現有骨修復用多孔羥基磷灰石材料製備技術的不足，提供一種利用放電等離子燒結製備骨修復用多孔羥基磷灰石材料的方法，獲得成分純淨無有害雜質、孔隙率可控、降解速率適宜、具有良好成骨誘導活性的骨修復用多孔羥基磷灰石材料，滿足臨床上對用於機體硬組織再生或重建的骨缺損修復材料的性能要求，推進其臨床應用。
[0006]本發明的技術方案是:一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，經過下列工藝步驟:
(I)按羥基磷灰石25%?50%、碳酸氫銨75%?50%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末，混合均勻(放入混料機內混合30?45min)後得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末。
[0007](2)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加200?500MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0008](3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加200?500MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0009](3)將步驟(2)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至6?8 Pa後進行燒結，以100?150 °C/min的升溫速度，加熱至800?900°C的燒結溫度後保溫5?8 min，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0010]本發明步驟(I)中，羥基磷灰石的純度2 97 %，平均粒徑10~30 nm。
[0011]本發明步驟(I)中，碳酸氫銨的純度為分析純，平均粒徑500?800 μπι。
[0012]本發明所述定製不鏽鋼模具包括壓頭1、模體2、模腔3、底座4，模體2的下端設有底座4，模體2內均勾分布有4?6個模腔3，模腔3為長方體形狀。.與現有技術相比，本發明的優點在於:
(1)材料成分純淨無有害雜質，生物相容性好。由於在製備過程中不添加任何粘結劑和模板劑，選擇的NH4HCO3造孔劑在較低的溫度下就完全揮發，因而製備的骨修復用多孔羥基磷灰石材料無任何雜質殘留，並且採用了放電等離子燒結技術後降低了燒結溫度和保溫時間，HA不會發生分解；
(2)孔隙參量可控，成骨活性好。所製備的多孔材料孔隙率為40?70%、孔隙尺寸為100?ΙΟΟΟμπι，且大孔、小孔並存，其獨特的孔隙結構和粗糙的內外表面將有利於成骨細胞的粘附、增殖，促使新骨組織長入孔隙，提高了材料的成骨活性；
(3)具有骨修復填充術所需的機械強度。所製備的多孔材料強度為4?6MPa，與自體骨相匹配，能夠滿足臨床要求。因此，採用本發明方法製備的骨修復用多孔羥基磷灰石材料可作為理想的人造機體硬組織再生或重建的骨缺損修復材料在臨床上應用；同時本發明方法工藝簡單、操作方便、成本低廉，易於實現工業化生產。
【附圖說明】
[0013]圖1實施例1中9000C燒結後骨修復用多孔HA材料的X射線衍射圖譜。
[0014]圖2實施例1中900°C燒結後骨修復用多孔HA材料孔隙SEM形貌圖。
[0015]圖3實施例1中900°C燒結後骨修復用多孔HA材料孔壁SEM形貌圖。
[0016]圖4實施例1中900°C燒結後骨修復用多孔HA材料與BMSCs共培養SEM形貌圖。
[0017]圖5為所述定製不鏽鋼模具的結構示意圖。
[0018]圖6為所述定製不鏽鋼模具的俯視圖。
[0019]圖5、6中1-壓頭;2-模體;3-模腔;4_底座。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護範圍並不限於所述內容。
[0021]本發明實施例所述定製不鏽鋼模具包括壓頭1、模體2、模腔3、底座4，模體2的下端設有底座4，模體2內均勻分布有4個模腔3，模腔3為長方體形狀，如圖5?6所示。
[0022]實施例1
本例用放電等離子燒結製備骨修復用多孔HA材料的工藝步驟是:
(1)按羥基磷灰石50%、碳酸氫銨50%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機內混合30min，得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加200MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0023](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至8 Pa後進行燒結，以100°C/min的升溫速度，加熱至900°C的燒結溫度後保溫5min，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0024]用相對密度法進行測量、並通過計算獲得骨修復用多孔HA材料的孔隙率為40%。對燒結後骨修復用多孔HA材料樣品進行了 X射線衍射儀(XRD)分析(如圖1所示)。從圖中可以看出，圖譜中並無雜相出現，燒結後主相仍為HA相，這表明燒結完成後試樣並未發生分解，有利於保持燒結後骨修復用多孔HA材料的生物相容性。利用掃描電鏡(SEM)對所燒結的燒結後骨修復用多孔HA材料微觀形貌進行了分析(如圖2、圖3所示)，觀察孔隙形貌(如圖2所示)，試樣中孔隙呈均勻的分布狀態，孔徑在70?400μπι範圍，這種大孔是由於造孔劑在燒結過程中高溫分解而造成的，這樣的孔有利於骨細胞的長入和體液的傳輸;觀察孔壁形貌(如圖3所示)，孔壁上存在由大量的摻鍶羥基磷灰石顆粒堆積形成的微孔(〈ΙΟμπι)，這些微孔使材料局部面積大大增加，有利於成骨細胞的黏附(如圖4所示)。根據GB/T 1964-1996在力學試驗機上測試了試樣的壓縮性能，結果表明材料的抗壓強度在6MPa，可滿足臨床上對生物骨修復材料力學性能的要求。
[0025]上述結果表明，利用該方法在不添加任何粘結劑和模板劑的情況下製備出的骨修復用多孔HA材料具有成分純淨、孔隙率可控、孔結構有利於成骨細胞在其表面粘附生長等優點，並且工藝簡單、操作方便、成本低廉，適宜用作人體骨修復材料。
[0026]實施例2
本例用放電等離子燒結製備骨修復用多孔HA材料方法的工藝步驟是:
(I)按羥基磷灰石25%、碳酸氫銨75%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機內混合35min，得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加300MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0027](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至6Pa後進行燒結，以150°C/min的升溫速度，加熱至820°C的燒結溫度後保溫6min，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0028]結果表明所製備骨修復用多孔HA材料的孔隙率為70%、抗壓強度為4MPa，具有較好的孔隙率和良好的力學性能，可滿足臨床上對生物骨修復材料性能的要求。
[0029]實施例3
本例用放電等離子燒結製備骨修復用多孔HA材料方法的工藝步驟是:
(1)按羥基磷灰石40%、碳酸氫銨60%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機內混合40min，得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加400MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0030](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至7Pa後進行燒結，以110°C/min的升溫速度，加熱至800°C的燒結溫度後保溫7min，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0031]結果表明所製備骨修復用多孔HA材料的孔隙率為50%、抗壓強度為5.6MPa，具有較好的孔隙率和良好的力學性能，可滿足臨床上對生物骨修復材料性能的要求。
[0032]實施例4
本例用放電等離子燒結製備骨修復用多孔HA材料方法的工藝步驟是:
(1)按羥基磷灰石30%、碳酸氫銨70%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機內混合45min，得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加500MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0033](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至SPa後進行燒結，以120°C/min的升溫速度，加熱至850°C的燒結溫度後保溫Smin，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0034]結果表明所製備骨修復用多孔HA材料的孔隙率為60%、抗壓強度為4.5MPa，具有較好的孔隙率和良好的力學性能，可滿足臨床上對生物骨修復材料性能的要求。
[0035]實施例5
本例用放電等離子燒結製備骨修復用多孔HA材料方法的工藝步驟是:
(1)按羥基磷灰石35%、碳酸氫銨65%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末；
(2)將步驟(I)稱取的粉末放入混料機內混合30min，得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末；
(3)將步驟(2)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，通過壓頭施加450MPa單向壓力，冷壓成型後退模得到塊體壓坯。
[0036](4)將步驟(3)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至7.5Pa後進行燒結，以130°C/min的升溫速度，加熱至880°C的燒結溫度後保溫7.5 min,燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。
[0037]結果表明所製備骨修復用多孔HA材料的孔隙率為55%、抗壓強度為4.8MPa，具有較好的孔隙率和良好的力學性能，可滿足臨床上對生物骨修復材料性能的要求。
【主權項】
1.一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於，具體包括以下工藝步驟: (1)按羥基磷灰石25%?50%、碳酸氫銨75%?50%的質量百分比，分別稱取羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末，混合均勻後得到羥基磷灰石和碳酸氫銨的混合粉末； (2)將步驟(I)得到的混合粉末放入定製不鏽鋼模具中，冷壓成型後退模得到塊體壓坯； (3)將步驟(2)得到的塊體壓坯裝入柱形石墨模具中，置於放電等離子燒結爐中，系統真空抽至6?8 Pa後進行燒結，以100~150°(:/1^11的升溫速度，加熱至800?900 °C的燒結溫度後保溫5?8 min，燒結過程中持續抽真空使得碳酸氫銨完全分解揮發後再隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。2.根據權利要求1所述的骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於:步驟(I)中羥基磷灰石的純度2 97 %，平均粒徑10~30 nm。3.根據權利要求1所述的骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於:步驟(I)中碳酸氫錢的純度為分析純，平均粒徑500?800μηι。4.根據權利要求1所述的骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於:步驟(1)所述混合過程為將羥基磷灰石粉末和碳酸氫銨粉末放入混料機內混合30?45min。5.根據權利要求1所述的骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於:步驟(2)所述冷壓成型通過壓頭施加的單向壓力為200?500MPa。6.根據權利要求1所述的骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，其特徵在於:所述定製不鏽鋼模具包括壓頭(I)、模體(2)、模腔(3)、底座(4)，模體(2)的下端設有底座(4)，模體(2)內均勾分布有4?6個模腔(3)，模腔(3)為長方體形狀。
【專利摘要】本發明涉及一種骨修復用多孔羥基磷灰石材料的製備方法，屬於生物醫用材料製備技術領域。將羥基磷灰石粉末（25%~50%）與碳酸氫銨造孔劑粉末（75%~50%）按質量比稱取後進行進行混料，混合均勻後經機械壓製成塊體壓坯，再將壓坯放入石墨模具，置入放電等離子燒結爐進行燒結，隨爐自然冷卻至室溫，退模即得到骨修復用多孔羥基磷灰石材料。利用本發明製備骨修復用多孔羥基磷灰石材料無需添加任何粘結劑和模板劑，成分純淨無有害雜質，孔隙率在40~70%之間可控，降解速率適宜，具有良好的成骨誘導能力，並且工藝簡單易行、快速高效、成本低廉且易於實現工業化生產，可以用於機體硬組織再生或重建的骨缺損修復材料。
【IPC分類】A61L27/12, A61L27/56, B28B7/24, C04B35/447, C04B35/64, C04B38/02
【公開號】CN105712735
【申請號】CN201610063495
【發明人】孟增東, 張玉勤, 張磊, 秦利波, 羅麗琳, 劉偉
【申請人】雲南省第一人民醫院, 昆明理工大學