CN101428153B

CN101428153B - 生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN101428153B
Application number: CN2008102047806A
Authority: CN
Inventors: 常江; 郇志广
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: CN101428153A

Abstract

本发明涉及生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料及其制备方法和应用，属于医用生物材料领域。本发明是由调和液和生物活性磷酸钙/硅酸三钙组成的糊状物，复合粉体中硅酸三钙的质量百分含量为1-50％，调和液和磷酸氢钙/硅酸三钙的质量比为0.5-1.5∶1，所选的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机物溶液中任意一种。与现有材料相比，本发明的材料具有强度较高，任意塑形，自行固化，具有生物活性的特性，可以达到诱导类骨磷灰石生成的效果，其力学性能和生物活性比类似磷酸钙类骨/牙缺损修复材料。

Description

生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料及其制备方法和应用

发明领域

本发明涉及一种生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料、制备及用途，属于医用生物材料领域。

背景技术

80年代中期Brown和Chow发明了新型的自固化生物活性骨修复材料——磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement；CPC)。CPC是指几种磷酸盐粉末与调和液混合，在室温或者人体温下发生水化反应并能自发凝固的磷酸钙(Calcium Phosphate，CP)材料。CPC不同于陶瓷材料，其制备成型、临床试用一体化，可根据骨缺损部位任意塑形，手术操作方便。近几年，随着磷酸钙骨水泥研究的深入和扩展，磷酸钙水泥的应用逐渐扩展至牙科修复和组织工程领域。其中，P.Boudeville等人于2002年提出一种用于牙根管填充的组成为磷酸氢钙(CaHPO₄·2H₂O，DCPD)和氧化钙(CaO)的磷酸钙水泥(P.Boudeville等，J Biomed Mater Res Appl Biomater 2002；67：447-453)，这种水泥以磷酸盐缓冲溶液为调和液，水化产物主要为羟基磷灰石和少量剩余的磷酸氢钙。体外试验证明这种材料能够快速凝固，同时具有良好的生物相容性，并且具有一定的抗菌性能。但是，这种材料在应用上仍然存在着一些缺陷，这主要体现在以下几个方面：首先，这种磷酸钙骨水泥虽然凝固较快，但凝固之后强度很低(10MPa左右)，不能满足牙齿组织修复材料的力学要求；其次，这种材料与磷酸钙类陶瓷相似，诱导类骨磷灰石沉积能力差，从而导致材料与组织之间结合强度较低；最后，由于成分中的氧化钙成分具有相对较大的溶解度，因此会导致环境pH值快速升高至10.0以上，使得这种材料的应用局限在牙髓管填充领域。此外，在治疗过程中很可能出现材料在体液中溃散，从而导致治疗失败。

硅酸三钙(Ca₃SiO₅，Tricalcium Silicae，C₃S)是波特兰水泥中的主要成分之一，同时也是目前用于齿科填充材料的Mineral Trioxide Aggregate(MTA)的主要成分(含量大于60％)，临床证明其具有良好的生物相容性。向硅酸三钙粉体加入适量的调和液制备的糊状物具有任意塑形、自行固化等特点。当硅酸三钙粉体与水接触，微粒表层溶解并伴随离子迁移，具有纳米孔结构的钙硅酸盐水合物凝胶沉积在粉体微粒表面，同时氢氧化钙[Ca(OH)₂]晶粒在水合物凝胶毛细孔区成核并长大；随着反应的进行，钙硅酸盐水合物凝胶聚合硬化，形成具有一定微孔和强度的块体材料钙硅水合物(C-S-H)(Barnes著，Structureand performance of cements.London：Applied Science Publishers.1983)。研究表明，与生物活性玻璃和陶瓷类似，硅酸三钙也具有优良的生物活性(Zhao等，Mater Lett 2004；58：2350-2353)。硅酸三钙粉体与模拟体液接触，材料表面首先溶解，Ca²⁺和SiO₄ ^4-进入溶液；溶液中SiO₄ ^4-稳定性下降并发生聚合反应，富集在材料表面，在材料表面形成富硅的Si-O网络凝胶层；随着上述反应的进行和Ca²⁺持续溶解，材料表面附近溶液中的Ca²⁺、OH^-浓度提高，随后通过静电吸引Ca²⁺、PO₄ ^3-、HPO₄ ^2-与富硅活性表面作用并吸附在表面，沉积形成钙磷酸盐，它们再与溶液中的HPO₄ ^2-、CO₃ ^2-、OH^-相互作用，钙磷酸盐转化形成碳酸羟基磷灰石晶核，这种晶核不断长大，形成纳米级的类骨磷灰石层。硅酸三钙粉体表面诱导沉积的碳酸羟基磷灰石具有人体骨中纳米级针状磷灰石晶体相同的结构，从而保证了与人体骨组织中的胶原键合和外延生长。此外，硅酸三钙不仅具有优良的生物活性，还具有适度的硅离子释放和降解性能。

基于上述磷酸氢钙/氧化钙骨水泥和硅酸三钙水泥各自的特点，结合CaO与硅酸三钙水化过程中产生的Ca(OH)₂的在磷酸钙水泥体系中的相似性，本发明提出的设想是能否以磷酸氢钙为主体，以硅酸三钙替换磷酸氢钙/氧化钙体系中的氧化钙成分，以获得用于骨/牙科修复的新型生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料。这种磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料相比于磷酸氢钙/氧化钙水泥的优势在于：(1)在凝固较快的情况下，具有更高的力学强度；(2)由于含有生物活性诱导成分(硅酸三钙)，磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料能够与人体组成形成更强的材料-组织相互作用，从而避免磷酸氢钙/氧化钙水泥生物活性较差的缺陷；(3)由于硅酸三钙的溶解度显著低于氧化钙的溶解度，使得磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料在应用时不易溃散或降解；(4)磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料水化过程更为温和，不易引起环境pH值的大幅变化，从而能够避免对周围组织产生不良影响。从而引导出本发明的构思。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料及其制备方法和应用。它将磷酸钙骨水泥快速凝固、生物相容性优良与具有骨传导性的特点和硅酸三钙良好的自固化性能、生物活性的特点结合起来，制备出一种新型的生物活性人体骨/牙缺损填充修复材料；通过调整复合材料粉体中硅酸三钙的含量的比例，可以制备出主要适合于骨科、口腔科以及微创治疗中应用的自固化材料。

基于上述发明目的，本发明提供了一种以磷酸氢钙为主体、加入硅酸三钙作为生物活性诱导物质，以水或各种溶液为调和液制备的原位固化生物活性材料，并且本发明还提供了原位固化生物活性磷酸钙/硅酸三钙材料的制备方法以及在骨/牙缺损填充、微创治疗方面的用途。

本发明提供的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙自固化材料既有优良的生物活性和生物相容性，又能根据需要，方便地制备成面团状或者可注射的水泥材料，满足临床进行骨/牙缺损修复手术的多种治疗需要。

本发明采用化学性质较为温和的磷酸氢钙和硅酸三钙作为原料，以磷酸钠盐为主的磷酸盐缓冲溶液作为调和液，制备具有自固化性能的生物活性骨修复材料。相比于先前专利中所报道的骨修复自固化材料，本发明中的新型自固化材料的元素组成类似于生物活性玻璃，具有优良的生物活性。同时，这种材料力学强度较高，降解速度较为缓慢，适用于需要长期为手术部位提供力学强度支持的骨组织修复治疗。

本发明的技术方案如下所述：

本发明所用的磷酸氢钙粉体为市售的分析纯磷酸氢钙粉体，其粉体粒径定义为1～300μm。

本发明所用的硅酸三钙粉体是以正硅酸乙酯和硅酸钙为原料，并且以硝酸作为催化剂，采用溶胶-凝胶法制备出凝胶并对其进行干燥，之后对其高温煅烧所得到的粉体。其粉体粒径定义为1～300μm。

本发明所采用的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体是按硅酸三钙含量1～50wt.％与磷酸氢钙粉体机械混合所得到的粉体。

本发明所用的人体骨缺损修复材料主要由生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体和调和液调浆制备成的糊状物，复合材料中硅酸三钙的质量百分含量为1-50wt.％。

本发明所用的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙自固化材料使用方法为将磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体与调和液按液固质量比为0.5-1.5∶1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到用于人体牙缺损修复的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙自固化材料。这种生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料，其特征在于它是由调和液和生物活性磷酸钙/硅酸三钙组成的糊状物，复合粉体中硅酸三钙的质量百分含量为1-50％，调和液和磷酸氢钙/硅酸三钙的质量比为0.5-1.5∶1，所选的调和液为去离子水、模拟体液、无机盐溶液或有机物溶液中任意一种。

优选的液固比例(调和液/复合粉体)为：0.6∶1(质量比)。

本发明所用的调和液是去离子水、无机盐(碳酸盐、氯化钙、磷酸盐等)溶液、有机物溶液(明胶、壳聚糖、透明质酸等)及模拟体液中的一种，优选为含有磷酸盐离子的磷酸盐缓冲溶液。以上述生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体和调和液混合后，调和0.5-1分钟，得到可作为修复人体骨/牙缺损填充修复的相应水泥糊状物样品。

复合自固化材料注射性和凝固时间的测定：

将样品装入2.5mL容量的带有喷嘴内径(D)为2.0mm针头的注射器，对其注射性进行试验；按ISO9597-1989E推荐标准，采用Vicat针对上述骨水泥糊状物的初凝时间(I)和终凝时间(F)进行测试。

表1为磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物凝固时间与其硅酸三钙含量的关系(液固比＝0.5∶1，调和液：0.75M磷酸盐缓冲溶液，*为磷酸氢钙/氧化钙骨水泥)

表1

硅酸三钙含量(wt.％)	初凝时间(min)	终凝时间(min)
			0*	9	13
20	17	36
			30	19	41
40	32	60

表1的结果表明，本发明前述的磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物的凝固时间可根据水泥体系中硅酸三钙的含量加以调整。图2的结果表明，当磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙质量含量达到1-50％，磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物可以注射。结合水泥可注射性能和凝固时间研究表明，当磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙质量含量达到1-30％时，磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物在调浆过程后十五分钟仍可以完全注射并兼顾力学强度，适用于微创手术；当磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙质量含量达到30-50％时，磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物在30分钟左右达到初凝，60分钟可基本达到终凝，并且在15分钟内可完全注射，适用于加工成各种复杂和特定形状的块体骨填充材料。另外，本发明的硅酸三钙含量为1-50％的糊状物材料可以很方便的加工成各种复杂形状，以满足某些临床上对材料的预成型要求。

复合自固化材料的生物活性测试：

对磷酸氢钙/硅酸三钙固化材料采用体外模拟体液(SBF)浸泡实验(Kokubo等，J Biomed Mater Res 1990；24：721-734)进行生物活性测试，并对浸泡后样品表面进行扫描电子显微镜(SEM)进行表征。如图3，4所示，本发明的磷酸氢钙/硅酸三钙固化材料表面能诱导类骨磷灰石生成，表明本发明的磷酸氢钙/硅酸三钙固化材料具有优良的生物活性。

复合材料水化pH值测试

对磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物采用体外模拟体液(SBF)浸泡实验(Boudeville等，J Mater Sci Mater Med 1993；13：1007-1014)进行水化pH值测试。如图5所示，本发明的磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物水化过程中的环境pH值变化接近中性(7.0～8.0)，未引起环境pH值的大幅波动。

复合自固化材料的体外降解性测试：

对磷酸钙/硅酸三钙复合自固化材料采用磷酸盐缓冲溶液(PhosphateBuffered Saline，PBS)进行体外降解性测试，以浸泡PBS溶液一定时间后磷酸氢钙/硅酸三钙固化材料的质量损失比率检测这种复合材料的降解性。如图5所示，磷酸钙/硅酸三钙复合材料的降解速率随成分中硅酸三钙含量的提高而降低。图6的结果表明，在临床应用中可以根据不同治疗部位的需要调整磷酸钙/硅酸三钙复合材料中硅酸三钙的含量来调节复合材料的降解性。

据此，本发明的复合自固化材料是一种新型的人体骨缺损修复材料，该材料具有优良的生物学性能，在人体模拟体液中能沉积类骨碳酸羟基磷灰石并且逐步降解，另外降解速率可以通过调整该材料中硅酸三钙的含量以满足不同治疗部位的要求。

按照上述内容，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，根据本领域的普遍知识和技术手段，向磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体颗粒原料和调和液中添加其他生物相容性和治疗性药物组分，都属于本发明内容包括的多种形式的修改、替换和变更，均属于本发明的范围。

本发明的复合自固化材料是一种新型的人体骨缺损修复材料，其元素组成与生物活性玻璃相似，具有良好的生物活性。这种材料的制备所采用的原料化学性质温和，材料在植入体内后不会产生因原料快速溶解所造成的环境酸碱度剧烈变化或是炎症反应，说明这种材料具有良好的组织相容性。此外，这种材料的在较长时间内力学强度较高，因此可以为治疗部位提供更有效的力学强度支持。

附图说明

图1磷酸氢钙/硅酸三钙骨水泥材料养护7天后的XRD图谱(硅酸三钙含量：20wt.％)。

图2磷酸氢钙/硅酸三钙糊状物的可注射性曲线；液固比＝0.6∶1(ml/g)。

图3养护7天后磷酸氢钙/硅酸三钙固化复合材料在SBF中浸泡7天时表面SEM照片(硅酸三钙含量：20wt.％；5000倍放大)

图4养护7天后磷酸氢钙/硅酸三钙固化复合材料在SBF中浸泡7天时表面SEM照片(硅酸三钙含量：20wt.％；30000倍放大)

图5磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料糊状物在SBF中浸泡过程中的水化pH值变化曲线。

图6养护7天后磷酸氢钙/硅酸三钙固化复合材料在PBS溶液中浸泡降解性曲线；液固比＝0.6∶1。

具体实施方式

下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。

实施例1

1)调和液配制

称取1.0g分析纯碳酸氢钠溶解于99.0mL去离子水中得到1.0％的碳酸氢钠溶液，消毒，密闭在消毒瓶中，备用。

2)磷酸氢钙/硅酸三钙复合骨缺损填充材料的制备：

将硅酸三钙含量为20wt.％的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.6∶1的比例充分调和0.5-1分钟，注入模具，在37℃和100％湿度条件下养护7天以上，之后退模即得到用于骨缺损填充的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料小球。这种小球的抗压强度可达30MPa以上，同时具有良好的生物活性。

实施例2

1)调和液配制

采用分析纯磷酸氢二钠(Na₂HPO₄·12H₂O)和磷酸二氢钠(NaH₂PO₄·2H₂O)配制pH值为7.0～7.5的磷酸钠缓冲溶液，溶液浓度可根据需要进行调整，范围为0.1～1.0mol/L。消毒，密闭在消毒瓶中，备用。

2)磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料的制备：

将硅酸三钙含量为20wt.％的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.6∶1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到可用于微创治疗的磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料。该自固化材料能够在注入缺损部位20分钟左右即达到初凝，自固化材料浆体在15分钟内可注射，自固化材料抗压强度可达30～40MPa，同时具有良好的生物活性和抗溃散性。

实施例3

1)调和液的配制

以模拟体液作为调和液，模拟体液的离子浓度如表2(pH＝7.25-7.4)：

表2

离子种类	Na⁺	K⁺	Mg²⁺	Ca²⁺	Cl^-	HCO₃ ^-	HPO₄ ^2-
								离子浓度mmol/L)	142.0	5.0	1.5	2.5	148.8	4.2	1.0

2)磷酸氢钙/硅酸三钙复合可降解材料的制备

将硅酸三钙含量为30wt.％的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.5-1.5∶1的比例充分调和0.5-1分钟，注入模具，在37℃和100％湿度条件下养护7天以上，之后退模即得到用于骨缺损填充的磷酸氢钙/硅酸三钙固化块体材料。这种块体材料的主要化学组成为羟基磷灰石，抗压强度可达30.0∽40.0MPa，同时具有良好的生物活性。

实施例4

1)调和液的配制

将明胶(Gelatin)按0.1g/ml的浓度完全溶解于40℃的去离子水中，即得到作为调和液的明胶水溶液。

2)磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料的制备

将硅酸三钙含量为40wt.％的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.5-1.5∶1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到可用于微创治疗的磷酸氢钙/硅酸三钙/明胶复合自固化材料。该自固化材料能够在注入缺损部位20分钟左右即达到初凝，自固化材料浆体在15分钟内可注射，自固化材料抗压强度可达30.0∽40.0MPa，同时具有良好的生物活性。

实施例5

1)调和液配制

采用分析纯磷酸氢二钠(Na₂HPO₄·12H₂O)和磷酸二氢钠(NaH₂PO₄·2H₂O)配制pH值为7.0～7.5的磷酸钠缓冲溶液，溶液浓度范围为0.75～1.0mol/L。消毒，密闭在消毒瓶中，备用。

2)磷酸氢钙/硅酸三钙牙髓管填充材料的制备：

将硅酸三钙含量为20wt.％的磷酸氢钙/硅酸三钙复合材料粉料和调和液按液固质量比为0.5～0.8∶1的比例充分调和0.5-1分钟，即得到可用于牙髓管填充的磷酸氢钙/硅酸三钙可注射复合自固化材料。该自固化材料浆体在15分钟内可注射，并能够在注入缺损部位20分钟左右即凝固，自固化材料抗压强度可达30～40MPa，同时具有良好的生物活性。

Claims

1.一种生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料，其特征在于其是由调和液和生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体组成的糊状物，所述复合粉体中硅酸三钙的质量百分含量为1-50％，调和液和磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体的质量比为0.5-1.5∶1，所选的调和液为磷酸盐缓冲溶液，磷酸氢钙粉体粒径为1-300μm，硅酸三钙粉体粒径为1-10μm。

2.一种根据权利要求1所述的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)将磷酸氢钙粉体和硅酸三钙粉体按硅酸三钙含量为1-50wt％进行机械混合，混合时间控制在1-2小时；

(2)将调和液和上述合成的磷酸氢钙/硅酸三钙复合粉体按液固质量比为0.5-1.5∶1的比例充分调和0.5-1分钟。

3.根据权利要求1所述的生物活性磷酸氢钙/硅酸三钙复合自固化材料的用途，其特征在于所述自固化材料用于人体骨/牙缺损的修复。