CN102584203A - 生物活性陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种具有降解性的生物活性陶瓷材料，其中的生物活性陶瓷成份的化学组成为Ca₇Si₂P₂O₁₆。生物陶瓷材料的制备方法，包括利用溶胶－凝胶法合成纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体的工序A；在Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体中加入聚乙烯醇造粒、干压成型得坯体、高温煅烧坯体得到Ca₇Si₂P₂O₁₆生物陶瓷材料的工序B。本发明的磷酸二正硅酸钙陶瓷能够支持骨髓基质干细胞的贴壁和增殖。相对于传统的β-磷酸三钙陶瓷，更能促进骨髓基质干细胞的成骨分化，而且，磷酸二正硅酸钙陶瓷具有比β-磷酸三钙陶瓷更快的降解性。

Description

生物活性陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型的具有生物活性的磷酸二正硅酸钙（Ca₇Si₂P₂O₁₆）陶瓷材料的制备及用途，属生物材料领域。

背景技术

人体硬组织骨和牙的主要无机矿化成分是磷灰石，为了模拟人体硬组织成分，在硬组织修复中，临床上大多使用了磷酸钙类生物活性陶瓷，主要包括羟基磷灰石和β-磷酸三钙陶瓷。研究表明，磷酸钙类生物陶瓷具有较好的生物活性和相容性，但是近来，越来越多的研究发现羟基磷灰石和β-磷酸三钙陶瓷的降解性偏慢，对于组织细胞也没有明显的促进作用。硅元素是人体的一个重要元素，据报道硅元素能够促进骨的早期发育和矿化。硅酸盐生物活性陶瓷的研究在过去几年已经成了一个研究热点。研究发现硅酸盐生物活性陶瓷释放的含Si的离子产物能够促进多种干细胞的成骨分化。为此，有很多研究利用硅掺杂磷酸钙陶瓷来提高生物活性，但因为掺杂量有限，不能根本上解决磷酸钙类陶瓷的降解性偏慢的问题。因此，如果能直接制备含Ca-Si-P的纯相生物活性陶瓷将能够进一步提高其理化性能和生物活性。

而磷酸二正硅酸钙是一种含有Ca、Si和P的三元组分的化合物，先前还没有文献报道其化学合成以及用于硬组织修复的研究，因此，磷酸二正硅酸钙陶瓷作为生物材料的研究与应用具有一定的意义。

溶胶－凝胶法合成组成比较复杂的磷酸二正硅酸钙粉体材料，具有工艺比较简单，条件易于控制等优点。而磷酸二正硅酸钙生物活性陶瓷用作人体硬组织修复和植入材料具有良好的生物活性，在模拟体液中有良好诱导磷灰石矿化的能力，同时能够促进牙周膜细胞和骨髓基质干细胞的成骨分化。因此，本发明制备了磷酸二正硅酸钙陶瓷用作生物材料具有很强的实用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的生物陶瓷材料，其中包括的生物活性陶瓷成份的化学组成为磷酸二正硅酸钙（Ca₇Si₂P₂O₁₆）。

本发明的磷酸二正硅酸钙陶瓷能够支持骨髓基质干细胞的贴壁和增殖。相对于传统的β-磷酸三钙陶瓷，更能促进骨髓基质干细胞的成骨分化，而且，磷酸二正硅酸钙陶瓷具有比β-磷酸三钙陶瓷更快的降解性。因此，磷酸二正硅酸钙陶瓷是一种潜在的生物活性陶瓷，可用作硬组织修复和植入材料。

本发明还提供一种生物陶瓷材料的制备方法，包括利用溶胶－凝胶法合成纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体的工序A；在Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体中加入聚乙烯醇造粒、干压成型得坯体、高温煅烧坯体得到Ca₇Si₂P₂O₁₆生物陶瓷材料的工序B。

溶胶－凝胶法可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间是在分子水平上被均匀地混合。与固相反应相比，化学反应容易进行，而且仅需要较低的合成温度。本发明利用溶胶－凝胶法合成化学组成比较复杂的磷酸二正硅酸钙，具有工艺比较简单，条件易于控制等优点。

优选地，工序A包括采用正硅酸乙酯为Si源原材料使之充分水解的工序A1；依次加入化学计量比的磷酸三乙酯和硝酸钙制得干凝胶的工序A2；将干凝胶在一定温度下煅烧得纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆、球磨得粉体的工序A3。

优选地，在工序A1中正硅酸乙酯与水的摩尔比为1：(5~8)。

优选地，在工序A1中调节正硅酸乙酯水溶液的pH值为2~4。

优选地，使用硝酸调节所述水溶液的pH值为2~4。

优选地，在工序A3中于1300~1550℃煅烧干凝胶3~5小时得纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆。 

优选地，在工序B中干压成型是先在10~20MPa干压Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体与粘合相材料的混合物成坯体，并使所述坯体于200MPa下冷等静压处理。 

优选地，工序B中于1400~1550℃煅烧坯体3~8小时得到包含Ca₇Si₂P₂O₁₆的生物陶瓷材料。

磷酸二正硅酸钙生物活性陶瓷用作人体硬组织修复和植入材料具有良好的生物活性，在模拟体液中有良好诱导磷灰石矿化的能力，同时能够促进牙周膜细胞和骨髓基质干细胞的成骨分化。因此，本专利制备了磷酸二正硅酸钙陶瓷用作生物材料具有很强的实用意义。

本发明利用溶胶－凝胶法合成化学组成比较复杂的磷酸二正硅酸钙干凝胶，再通过煅烧、球磨工艺制备纯的磷酸二正硅酸钙粉体，进而通过成型和烧结工序获得本发明新型的生物陶瓷材料，具有工艺比较简单，条件易于控制等优点。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙陶瓷的XRD图，烧成后的磷酸二正硅酸钙陶瓷没有杂质产生；

图2为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙粉体在模拟体液中浸泡0 (a)、1 (b)、 3 (c) 和7(d) 天后的SEM图, 从图中可以看出磷酸二正硅酸钙粉体诱导磷灰石矿化；

图3为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙陶瓷在模拟体液中浸泡1(a, b)、 3 (c, d)和7(e, f)后的SEM图。其中(b, d和f)是高放大倍数图片。从图中可以看出磷酸二正硅酸钙陶瓷块体诱导磷灰石矿化；

图4为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙陶瓷在Tris-HCl中失重结果图，磷酸二正硅酸钙陶瓷比β-磷酸三钙陶瓷具有更快的降解性；

图5为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞增殖的影响图，培养7天后，浸提液浓度为50和100mg/mL时，其离子产物能够提高牙周膜细胞的增殖；

图6 为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞碱性磷酸酶的影响图，培养7和14天后，其离子产物能够提高牙周膜细胞碱性磷酸酶的表达；

图7a和图7b 为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞的成骨/牙相关的基因表达的影响图，培养7天(图7a)和14天(图7b)后，其离子产物能够提高成骨/牙相关的基因表达；

图8 为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙陶瓷片支持对骨髓基质干细胞的粘附图。骨髓基质干细胞在陶瓷片上培养7天后，与陶瓷片进行了很好的粘附；

图9a 和图9b 为本发明的一个实施例的磷酸二正硅酸钙陶瓷片显著地促进骨髓基质干细胞的成骨分化图。磷酸二正硅酸钙陶瓷片相对于β-TCP陶瓷片能够促进骨髓基质干细胞的骨钙素(图9a)和骨桥蛋白 (图9b)。

具体实施方式

参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本发明，应理解，说明书附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的目的在于通过溶胶－凝胶法合成出磷酸二正硅酸钙粉体，并在一定的温度下烧结成磷酸二正硅酸钙陶瓷。然后通过对陶瓷的体外生物活性，降解性和牙周膜细胞与骨髓基质干细胞细胞相容性等性能对该新型的生物活性植入材料作出评价。

下面示例性地说明本发明磷酸二正硅酸钙陶瓷制备的步骤，并应理解以下步骤中的某个也可以省略或使用能够达到同等效果的其他替代工艺，且每个步骤中的每个特征也不是必须或固定地而不可替换，而只是示例地说明：

（1）将分析纯正硅酸乙酯与水按1：（5~8）的比例混合，并用硝酸调节pH值为2~4，在室温下充分搅拌30分钟，然后加入四水合硝酸钙（或氯化钙）和磷酸三乙酯，其Ca、Si和P的摩尔比为7：2：2。搅拌3~5小时后，密封，在60℃中陈化1~2天，并在120℃中干燥2天；

（2）将干燥好的干凝胶在1300~1500℃煅烧3~5小时，得到纯的磷酸二正硅酸钙粉体；

（3）将合成的磷酸二正硅酸钙粉体球磨，过筛后使其粒度小于30微米，并加入6~10 wt％的聚乙烯醇PVA造粒，先在10~20MPa干压磷酸二正硅酸钙粉体成型，并在200MPa下冷等静压处理；

（4）将压成的陶瓷坯体在1350~1550℃烧结3~8小时，可制得磷酸二正硅酸钙陶瓷。

通过XRD和SEM对合成的粉体及烧结的陶瓷片进行表征。并对制备的陶瓷的体外生物活性，降解性和牙周膜细胞以及骨髓基质干细胞相容性进行评价。

本发明的一个实施例为：（1）取分析纯正硅酸乙酯45.4mL,与100mL水和50mL乙醇混合，并加硝酸溶液，调节pH值为2，在室温下充分搅拌5分钟，然后加入34.1毫升磷酸三乙酯，搅拌30分钟后，加入150克四水合硝酸钙搅拌2小时，密封，在60℃中陈化2天，并在120℃中干燥2天；（2）将干燥好的干凝胶球磨5小时候，在1500℃煅烧3小时，得到纯的磷酸二正硅酸钙粉体；（3）将合成的磷酸二正硅酸钙粉体球磨，过筛后使其粒度小于30微米，并加入6％的PVA造粒，先在10MPa干压磷酸二正硅酸钙粉体成型，并在200MPa下冷等静压；（4）将压成的陶瓷坯体在1500℃烧结5小时，可制得磷酸二正硅酸钙陶瓷。

图1为本发明的上述实施例制备的磷酸二正硅酸钙陶瓷的XRD图。参见图1可知烧成后的磷酸二正硅酸钙陶瓷没有杂质产生。

下面对上述实施例中制得的磷酸二正硅酸钙的性能进行评价。

磷酸二正硅酸钙陶瓷的生物活性：

采用模拟体液浸泡粉体和陶瓷片（直径10毫米，厚度2毫米）0、1、 3 和7天。模拟体液含有与人体血浆相同的离子和离子团浓度，其组成为：

NaCl: 7.996g/L；

NaHCO₃: 0.350g/L；

KCl: 0.224g/L；

K₂HPO₄.3H₂O: 0.228g/L；

MgCl₂.6H₂O: 0.305g/L；

HCl: 1mol/L；CaCl₂: 0.278g/L；

Na₂SO₄: 0.071g/L；

NH₂C(CH₂OH)₃: 6.057g/L；

浸泡后，烘干样品，采用XRD和SEM检测形成的羟基磷灰石。

图2为磷酸二正硅酸钙粉体在模拟体液中浸泡0 (a)、1 (b)、 3 (c) 和7(d) 天后的SEM图, 从图中可以看出磷酸二正硅酸钙粉体诱导磷灰石矿化。图3为磷酸二正硅酸钙陶瓷在模拟体液中浸泡1(a, b)、3 (c, d)和7(e, f)后的SEM图。其中(b, d和f)是高放大倍数图片。从图中可以看出磷酸二正硅酸钙陶瓷块体诱导磷灰石矿化。图2和图3的结果显示羟基磷灰石能够形成在粉体和陶瓷的表面，磷酸二正硅酸钙具有良好的生物活性。

磷酸二正硅酸钙陶瓷的降解性：

将制备的磷酸二正硅酸钙陶瓷片和β-磷酸三钙陶瓷片分别浸泡在三羟甲基胺基甲烷-盐酸(Tris-HCl)缓冲溶液中0、5、7、14、21和28天，作为对照。然后测试两种陶瓷的失重，比较其体外降解性。参看图4，结果表明磷酸二正硅酸钙陶瓷具有比β-磷酸三钙陶瓷更快的降解性。

磷酸二正硅酸钙陶瓷与牙周膜细胞的相互作用：

采用磷酸二正硅酸钙的浸提液，稀释成不同梯度的浸提液浓度，然后研究磷酸二正硅酸钙浸提液对牙周膜干细胞的增殖、碱性磷酸酶活性以及成骨/成牙相关的基因表达。图5为磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞增殖的影响图，培养7天后，浸提液浓度为50和100mg/mL时，其离子产物能够提高牙周膜细胞的增殖。图6 为磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞碱性磷酸酶的影响图，培养7和14天后，其离子产物能够提高牙周膜细胞碱性磷酸酶的表达。图7a和图7b 为磷酸二正硅酸钙离子产物对牙周膜细胞的成骨/牙相关的基因表达的影响图，培养7天(图7a)和14天(图7b)后，其离子产物能够提高成骨/牙相关的基因表达。结果表明磷酸二正硅酸钙的离子产物能够显著地促进牙周膜细胞的增殖和成骨分化。

磷酸二正硅酸钙陶瓷与基质干细胞的相互作用：

将骨髓基质细胞种植在磷酸二正硅酸钙陶瓷片上，7天后用扫描电镜观察细胞的形貌，并采用MTT法检测细胞的增殖能力，通过RT-PCR 测试骨髓基质干细胞在陶瓷片上的基因表达。图8 为磷酸二正硅酸钙陶瓷片支持对骨髓基质干细胞的粘附图。骨髓基质干细胞在陶瓷片上培养7天后，与陶瓷片进行了很好的粘附。图9a 和图9b为磷酸二正硅酸钙陶瓷片显著地促进骨髓基质干细胞的成骨分化图。磷酸二正硅酸钙陶瓷片相对于β-TCP陶瓷片能够促进骨髓基质干细胞的骨钙素(图9a)和骨桥蛋白 (图9b)。结果表明骨髓基质干细胞能够在材料上进行很好的黏附和增殖，磷酸二正硅酸钙陶瓷相对于β-TCP瓷更能促进骨髓基质干细胞的成骨相关的基因表达。说明磷酸二正硅酸钙陶瓷具有很好的诱导骨髓基质干细胞的成骨分化能力。

本发明的另一个实施例为：（1）取分析纯正硅酸乙酯45.4mL,与100mL水混合，并加硝酸溶液，调解pH值为4，在室温下充分搅拌5分钟，然后加入34.1毫升磷酸三乙酯，搅拌30分钟后，加入150克四水合硝酸钙搅拌2小时，密封，在60℃中陈化2天，并在120℃中干燥2天；（2）将干燥好的干凝胶球磨5小时候，在1500℃煅烧8小时，得到纯的磷酸二正硅酸钙粉体；（3）将合成的磷酸二正硅酸钙粉体球磨，过筛后使其粒度小于30微米，并加入6％的PVA造粒，先在10MPa干压磷酸二正硅酸钙粉体成型，并在200MPa下冷等静压；（4）将压成的陶瓷坯体在1450℃烧结8小时，制得磷酸二正硅酸钙陶瓷。

依据前一个实施例的方法，对本实施例制得的磷酸二正硅酸钙陶瓷的体外生物活性，降解性和牙周膜细胞以及骨髓基质干细胞相容性进行评价。

磷酸二正硅酸钙陶瓷的降解性：将制备的磷酸二正硅酸钙陶瓷片浸泡在Tris-HCl 不同时间，并用β-磷酸三钙陶瓷片作为对照。然后测试两种陶瓷的失重，比较其体外降解性。结果表明磷酸二正硅酸钙陶瓷具有比β-磷酸三钙陶瓷更快的降解性。

磷酸二正硅酸钙陶瓷与牙周膜细胞的相互作用：采用磷酸二正硅酸钙的浸提液，稀释成不同梯度的浸提液浓度，然后研究材料浸提液对牙周膜干细胞的增殖、碱性磷酸酶活性以及成骨/成牙相关的基因表达。结果表明磷酸二正硅酸钙的离子产物能够显著地促进牙周膜细胞的增殖和成骨分化。

磷酸二正硅酸钙陶瓷与基质干细胞的相互作用：将骨髓基质细胞种植在磷酸二正硅酸钙陶瓷片上， 7天后用扫描电镜观察细胞的形貌，并采用MTT法检测细胞的增殖能力，通过RT-PCR 测试骨髓基质干细胞在陶瓷片上的基因表达。结果表明骨髓基质干细胞能够在新陶瓷片上进行很好的黏附，其增殖能力和β-TCP相当，磷酸二正硅酸钙陶瓷相对于β-TCP瓷更能促进骨髓基质干细胞的成骨相关的基因表达，提高量约为50%。说明磷酸二正硅酸钙陶瓷具有很好的诱导骨髓基质干细胞的成骨分化能力。

产业应用性：本发明的磷酸二正硅酸钙生物活性陶瓷用作人体硬组织修复和植入材料具有良好的生物活性，在模拟体液中有良好诱导磷灰石矿化的能力，同时能够促进牙周膜细胞和骨髓基质干细胞的成骨分化。因此，本发明制备的磷酸二正硅酸钙陶瓷用作生物材料具有很强的实用意义。 

Claims (9)

1.一种具有降解性的生物活性陶瓷材料，其特征在于其中的生物活性陶瓷成份的化学组成为Ca₇Si₂P₂O₁₆。

2.一种权利要求1所述的生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，利用溶胶－凝胶法合成纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体的工序A；在Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体中加入聚乙烯醇造粒、干压成型得坯体、高温煅烧坯体得到Ca₇Si₂P₂O₁₆生物陶瓷材料的工序B。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述工序A包括采用正硅酸乙酯为Si源原材料使之充分水解的工序A1；依次加入化学计量比的磷酸三乙酯和硝酸钙制得干凝胶的工序A2；将干凝胶在一定温度下煅烧得纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆、球磨制得粉体的工序A3。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在工序A1中正硅酸乙酯与水的摩尔比为1：(5~8)。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于在工序A1中调节正硅酸乙酯水溶液的pH值为2~4。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于在工序A3中于1300~1550℃煅烧干凝胶3~5小时得纯的Ca₇Si₂P₂O₁₆。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中所述加入的聚乙烯醇的含量为6~10wt％。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中干压成型是先在10~20MPa干压Ca₇Si₂P₂O₁₆粉体与粘合相材料的混合物成坯体，并使所述坯体于200MPa下冷等静压处理。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中于1400~1550℃煅烧坯体3~8小时得到包含Ca₇Si₂P₂O₁₆的生物陶瓷材料。

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