CN105079872A - 用于微细修补的人造材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于细微修补的人造材料，制备方法包括：取一多巴胺溶液对一硅酸钙基材进行修饰改质得一多巴胺-硅酸钙复合物；及将改质完成的该多巴胺-硅酸钙复合物添加水或一磷酸溶液混合得该可用于细微修补的人造材料；本发明依然保有可注射性及可塑性，临床操作特性不受影响，并大幅缩短原有材料硬化所需时间，节省以往冗长硬化过程容易影响材料的机械、物理性质，使用上更为快速，提高既有的硅酸钙骨水泥本身具有刺激骨组织生长的生物活性以及吸水性，应用更加广泛，本发明不仅无细胞毒性，更可刺激细胞的贴附及生长，促进细胞分化。
Description
技术领域
本发明为一种用于细微修补的人造材料。
背景技术
以硅酸钙(Calciumsilicate)为基材的骨水泥(Bonecement)在临床上被广泛应用，因硅元素于人体的骨胳形成中扮演重要角色，具有刺激骨组织再生修补、生物活性与加速细胞增殖分化的特性，使得硅酸钙骨水泥主要为用于骨缺损时重建修补的生医材料，目前的硅酸钙骨水泥以三氧矿化合物(MineralTrioxideAggregate,MTA)以及生物活性玻璃(Bioglass)为主。然而三氧矿化合物(MineralTrioxideAggregate,MTA)于临床操作上硬化时间长达162分钟，此冗长的硬化过程容易使得材料本身许多特性受到影响，例如注射性、可塑性等等；生物玻璃(Bioglass)由于材料本身的机械强度低，仅适用于骨承受力量较不强的身体区域，如耳小骨、指骨等的修复，应用上有其限制。
许多先前技术针对原有的硅酸钙骨水泥硬化时间过长进行改善，但具有可快速硬化性质的硅酸钙骨水泥往往容易丧失其可塑性与可注射性，使得临床操作特性下降。为了改善临床使用上的不便，许多高分子材料如明胶(Gelatin)、几丁聚糖(Chitosan)或胶原蛋白(Collagen)等等亦添加于硅酸钙骨水泥中，虽然此复合材料可达到可塑型以及可注射的优点，但添加的高分子材料却使其硬化时间大幅增加，大大降低了材料本身的机械强度与生物活性，因此，基于既有的硅酸钙骨水泥材料不易达到种种诉求基于该些前述理由，有必要发明一种可用于细微修补的人造材料以改善现有的硅酸钙骨水泥造成的问题，也不影响其临床使用特性、机械性质、生物活性及吸水性。
发明内容
为了解决现有的硅酸钙骨水泥造成的问题，本发明提出一种用于微细修补的人造材料及其制备方法，其步骤包括：
多巴胺修饰改质：取一多巴胺溶液对一硅酸钙基材进行修饰改质得一多巴胺-硅酸钙复合物；及
混合：将改质完成的该多巴胺-硅酸钙复合物添加水或一磷酸溶液混合得该可用于细微修补的人造材料。
其中，该多巴胺修饰改质为将该硅酸钙基材添加于一多巴胺溶液中进行搅拌，并过滤得一粉末，使用二次水清洗该粉末，过滤后干燥形成改质的该多巴胺-硅酸钙复合物。
其中，该硅酸钙基材优选为一第一型硅酸钙基材，其中，该硅酸钙基材的制备为均匀混合氧化钙、二氧化硅、氢氧化钙及三氧化二铝形成混和氧化物，并以高温进行烧结，冷却得第一型硅酸钙粉体，将该第一型硅酸钙粉体与酒精溶液共同湿式研磨，成粉末状第一型硅酸钙基材。
其中，该硅酸钙基材优选为一第二型硅酸钙基材，其中，该第二型硅酸钙基材制备方法：将一硅酸乙酯用一硝酸进行水解，并加入一硝酸钙反应生成一第二型硅酸钙溶液，通过干燥该第二型硅酸钙溶液形成一粉末态第二型硅酸钙，将所得的该粉末态第二型硅酸钙利用高温烧结，并研磨而成该第二型硅酸钙基材。
其中，制备该第一型硅酸钙基材的该混合方法是以一混合机将该混合氧化物混合0.5～2小时；
该高温烧结方法是将干燥完成的该粉末态硅酸钙置入一烧结炉以每分钟0.5～40℃的速率加热至900℃～1500℃，并于900℃～1500℃保温约2小时进行高温烧结；
该冷却方法为以气冷、水冷或快速冷却的方法将高温烧结完成的该混合氧化物冷却至室温；及
该研磨方法是将所得的该产物置入一球磨机进行研磨，持续12小时～3天，制成该第一型硅酸钙基材。
其中，该干燥方法是将反应完成的该第二型硅酸钙溶液置入一烘箱进行干燥，其制备参数为以60℃持温24小时，再以120℃持续干燥形成该粉末态第二型硅酸钙。
一种可用于微细修补的人造材料，其包括将一硅酸钙以一多巴胺进行改质而得粉末态的一多巴胺-硅酸钙复合物。
其中，该多巴胺-硅酸钙复合物中，成分主要为β-硅酸钙。
其中，该多巴胺-硅酸钙复合物以烧结法制得，其包括均匀混合一氧化钙、一二氧化硅、一氢氧化钙及一三氧化二铝形成一混合氧化物，并利用高温烧结该混合氧化物，并将该混合氧化物添加一多巴胺溶液进行改质得一多巴胺-硅酸钙复合物。
其中，该混合氧化物的钙硅摩尔比介于10～1之间，优选为介于6～2之间；
该二次水或该磷酸溶液比该多巴胺-硅酸钙复合物的混合比例为0.3毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至1.5毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物；及
该多巴胺溶液为取一粉末态的多巴胺溶解于水中形成一液态多巴胺，并将该液态多巴胺搅拌溶解于80℃、pH＝8.5的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，其中该多巴胺溶液的浓度为0.5～20毫克/毫升(mg/ml)，优选为0.5～5.0毫克/毫升(mg/ml)；及该二次水或磷酸溶液与该多巴胺-硅酸钙复合物的混合比例为0.2毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至4毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物，优选为0.8毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至1.5毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物。
由上述说明可知，本发明具有下列优点：
1、改质完成的材料依然保有其可注射性及可塑性，临床操作特性不受影响。
2、大幅缩短原有材料硬化所需时间，节省以往冗长硬化过程容易影响材料的机械、物理性质，使用上更为快速。
3、本发明提高既有的硅酸钙骨水泥本身具有刺激骨组织生长的生物活性以及吸水性，使应用更加广泛。
4、本发明不仅无细胞毒性，更可刺激细胞的贴附及生长。
5、培养于本发明上的该初代人类牙髓细胞其碱性磷酸酶活性以及骨钙蛋白分泌量上升，显示本发明有促进细胞分化的特性。
附图说明
图1为本发明优选实施例的注射性量测图。
图2为本发明优选实施例的硬化时间值量测图。
图3为本发明优选实施例的以X光衍射仪(XRD)测量的X光衍射图谱。
图4为本发明优选实施例的表面结构电子显微镜图。
图5为本发明优选实施例浸泡于模拟体液1天后的表面结构电子显微镜图。
图6为本发明优选实施例的细胞贴附及生长示意图。
图7为本发明优选实施例的将初代人类牙髓细胞培养于其上的碱性磷酸酶分泌差异图。
具体实施方式
本发明可用于微细修补的人造材料的制备方法，其步骤包括：
Step1多巴胺修饰改质：
取一多巴胺溶液对一硅酸钙基材进行修饰改质，其中该多巴胺溶液为取一粉末态的多巴胺(Dopamine)溶解于水中形成浓度为0.5～20毫克/毫升(mg/ml)，优选为0.5～5.0毫克/毫升(mg/ml)的一液态多巴胺，并将该液态多巴胺搅拌溶解于80℃、pH为8.55的一三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Trisbuffersolution,150mL)中而得该多巴胺溶液。添加7.5克该硅酸钙基材进入该多巴胺溶液中进行搅拌并过滤得一粉末，并利用一水将该粉末清洗，优选为将一蒸馏水进行去离子形成二次水，使用该二次水将该粉末清洗，再加以过滤并干燥形成改质的粉末态的一多巴胺-硅酸钙复合物。其中，将该液态多巴胺溶解于该三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Trisbuffersolution)中可使反应的pH值较稳定，该多巴胺溶液更容易与该硅酸钙基材进行聚合反应，其中上述该搅拌方法可以是用一搅拌匙以手动方式进行搅拌；该过滤方法可以是使用一滤纸进行过滤；该烘干方法可以是使用一烘箱进行干燥。
Step2混合：
取上述改质完成的该二次水或一磷酸溶液与该多巴胺-硅酸钙复合物以适当比例混合均匀，其中该混合比例为0.2毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至～4毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物，优选为0.8毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至～1.5毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至，形成该可用于微细修补的人造材料，其中，选择使用该磷酸溶液可加快混合完成的该可用于细微修补的人造材料的硬化时间及水合时间。
其中，上述的该硅酸钙基材优选的可选自一第一型硅酸钙基材或一第二型硅酸钙基材，该第一型硅酸钙基材与该第二型硅酸钙基材的制备如下。
该第一型硅酸钙基材的制备：该第一型硅酸钙基材是以高温烧结法(sinter)制成，其制备方法为取一氧化钙(CaO)、一二氧化硅(SiO2)、一氢氧化钙(CaOH2)及一三氧化二铝(Al2O3)均匀混和形成一混合氧化物，利用高温烧结该混合氧化物，使该混合氧化物的硅钙摩尔比率介于10～1之间，优选介于6～2之间，并将烧结完成的该混合氧化物冷却并干燥至50℃后获得该第一型硅酸钙粉体，其中该干燥手段的制备参数可以是将该混合氧化物置于-40℃～150℃的温度范围，且为避免该第一型硅酸钙粉体于研磨时产生水合作用，故选取99.5％的酒精与该第一型硅酸钙粉体进行湿式研磨并干燥成一粉末状的第一型硅酸钙基材，其中该干燥手段的制备参数可为将该第一型硅酸钙粉体置于-40℃～100℃的温度范围。上述的混合，可为取一混合机将该混合氧化物混合0.5～2小时。该高温烧结方法可以是将混合均匀的该混合氧化物置入一烧结炉，以每分钟0.5～40℃的速率加热至900℃～1500℃，并持温于900℃～1500℃约2小时进行高温烧结；该冷却方法不限定，可以是以气冷、水冷或快速冷却的方法，将高温烧结后的该混合氧化物冷却至约50℃的室温；而该研磨方法可以是将所得的该产物置入一球磨机进行研磨，持续12小时～3天，制成该第一型硅酸钙基材。
该第二型硅酸钙基材的制备：该第二型硅酸钙基材是以溶液-凝胶法(Sol-Gel)制成，将一硅酸乙酯(TEOS,Tetraethylorthosilicate)用一硝酸进行水解，并加入一硝酸钙(Ca(NO3)2)反应生成一第二型硅酸钙溶液，其中，该硝酸会使该硅酸乙酯(TEOS,Tetraethylorthosilicate)结构中的键结打断，并与该硝酸钙(Ca(NO3)2)键结形成具有网状结构的该第二型硅酸钙溶液。通过干燥该第二型硅酸钙溶液形成一粉末态第二型硅酸钙，将所得的该粉末态第二型硅酸钙利用高温烧结，并研磨而成该第二型硅酸钙基材。其中，该干燥手段可以是将反应完成的该第二型硅酸钙溶液置入一烘箱进行干燥，其制备参数可如保温60℃约一天，再以120℃持续干燥形成该粉末态第二型硅酸钙。所谓的该高温烧结方法可以是将干燥完成的该粉末态第二型硅酸钙置入一烧结炉以500℃持续两小时进行高温烧结；而该研磨方法可以是将该粉末态第二型硅酸钙置入一球磨机进行研磨12小时制成该第二型硅酸钙基材。
以下为以该多巴胺溶液进行改质完成的该多巴胺-硅酸钙复合物分别以不同比例与该二次水或该磷酸溶液均匀混合而得的该可用于细微修补的人造材料的物理性质分析。
测试与该二次水或该磷酸溶液以不同比例混合的该多巴胺-硅酸钙复合物的注射性，结果如图1所示，其中，测试方法为将该多巴胺-硅酸钙复合物使用该二次水或该磷酸溶液以适当比例混合后，分别注入一容量为5毫升的一注射针筒，该注射针筒的开口端针头直径为2.0毫米，并将填充完成的该注射针筒置于一水合环境，该水合环境优选为温度37℃、水汽含量100％的环境下，于不同时间自该注射针筒中挤出，直至完全硬化于该注射针筒中而无法挤出。一般临床上定义可使用的标准为将该多巴胺-硅酸钙复合物以适当比例与该二次水或磷酸溶液混合后注入该针筒中开始，计算于20分钟内还可自该针筒注射出为临床可使用的范围。本实施例测试结果，其中0mg/ml为该硅酸钙-复合物无与该二次水或该磷酸溶液混合，并且于5分钟内即硬化，丧失其注射性。而浓度为1～4mg/ml的实施例显示于20分钟内均具有50％以上的注射性，且随着浓度上升，注射率上升，表示本发明可使用针筒注射的特性，可针对人体较细微的部分进行精细的修补，且不会一注入针筒即硬化的特性，大幅提升其临床使用的可能性。
该多巴胺-硅酸钙复合物的硬化时间值如图2所示，将不同比例进行混合的该多巴胺-硅酸钙复合物分别填充入一模具中，该模具的直径为6毫米(mm)、高度为3毫米(mm)，并将填充完成的该模具置于37℃含百分之百水气的环境中进行水合反应，于水合反应完成后将该模具取出得一多巴胺-硅酸钙复合物试片，并使用一吉摩尔针进行硬化时间的测量，其测量的标准为AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTMC187-98，临床上建议的硬化时间为小于40分钟，本测试结果显示，本发明的硬化时间均小于30分钟，符合临床上建议的硬化时间，避免冗长的硬化过程，影响其操作性质。
将上述该多巴胺-硅酸钙复合物试片再进行水合反应一天，以X光绕射仪(XRD)测量的其X光绕射图谱如图3，显示出以本发明的制备方法所制得的该多巴胺-硅酸钙复合物中，其成分主要为β-硅酸钙(β-Ca2SiO4)，显示该β-硅酸钙具有最佳用于细微修补的人造材料的特性。
将上述该多巴胺-硅酸钙复合物试片浸泡于一仿生溶液(SimulatedBodyFluid,SBF)10毫升(ml)一段时间，并将该试片取出后置入一烘箱进行干燥，利用一电子显微镜观察其量测其浸泡后的材料损失与表面结构强度如图4示，其中，A为该多巴胺-硅酸钙复合物该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为0mg/mL时所得的试片其表面结构图；B为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为1mg/mL时所得的试片其表面结构图；C为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为2mg/mL时所得的试片其表面结构图；D为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为4mg/mL时所得的试片其表面结构图，由A～D可知本发明的表面结构强度并无丧失。
将上述浸泡于该仿生溶液中的该试片，利用一电子显微镜观察其表面磷灰石(Apatite)的生成状态，如图5，其中，A为该多巴胺-硅酸钙复合物该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为0mg/mL时所得的试片其表面磷灰石(Apatite)的生成状态；B为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为1mg/mL时所得的试片其表面磷灰石(Apatite)的生成状态；C为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为2mg/mL时所得的试片其表面磷灰石(Apatite)的生成状态；D为该多巴胺-硅酸钙复合物与该二次水或该磷酸溶液的混合比例浓度为4mg/mL时所得的试片其表面磷灰石(Apatite)的生成状态，A～D图均显示该试片上生长许多磷灰石球状物，表示本发明仍保有良好的生物活性。
用浓度为75％的一酒精溶液对该多巴胺-硅酸钙复合物进行灭菌，并置放于一紫外光下照射一小时，将一初代人类牙髓细胞直接培养于该灭菌完成的该多巴胺-硅酸钙复合物的材料表面，于不同时间点测量该细胞的生长率，其测量结果如图6显示，随着该多巴胺-硅酸钙复合物中所含的多巴胺浓度越高，培养于其上的该初代人类牙髓细胞生长率上升，本发明不仅没有细胞毒性，更可刺激细胞的贴附及生长。
磷酸酶活性以及骨钙蛋白分泌量为骨细胞是否分化的一重要指标，由该初代人类牙髓细胞培养于不同浓度的该多巴胺-硅酸钙复合物，不同时间点测量其碱性磷酸酶活性以及骨钙蛋白分泌量，结果显示于图7，随着该多巴胺-硅酸钙复合物浓度越高，培养于其上的该初代人类牙髓细胞其碱性磷酸酶活性以及骨钙蛋白分泌量上升，且皆明显高于未添加多巴胺进行改质的组别，显示本发明可以促进细胞的分化。
综合上述结果可知混合比例优选为该二次水或该磷酸溶液比粉末态的该多巴胺-硅酸钙复合物为为0.3毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至1.5毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物，具有优选的临床特性。
由上述说明可知，本发明具有下列优点：
1.由图1的结果所示改质完成的材料依然保有其可注射性及可塑性，临床操作特性不受影响。
2.由图2的结果所示大幅缩短原有材料硬化所需时间，节省以往冗长硬化过程容易影响材料的机械、物理性质，使用上更为快速。
3.由图5的结果所示本发明提高既有的硅酸钙骨水泥本身具有刺激骨组织生长的生物活性以及吸水性，使应用更加广泛。
4.由图6的结果可知本发明不仅无细胞毒性，更可刺激细胞的贴附及生长。
5.由图7可知，培养于本发明上的该初代人类牙髓细胞其碱性磷酸酶活性以及骨钙蛋白分泌量上升，显示本发明有促进细胞分化的特性。
Claims (10)
1.一种用于微细修补的人造材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
多巴胺修饰改质：取一多巴胺溶液对一硅酸钙基材进行修饰改质得一多巴胺-硅酸钙复合物；及
混合：将改质完成的该多巴胺-硅酸钙复合物添加水或一磷酸溶液混合得该用于细微修补的人造材料。
2.如权利要求1所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该多巴胺修饰改质为将该硅酸钙基材添加于一多巴胺溶液中进行搅拌，并过滤得一粉末，使用二次水清洗该粉末，过滤后干燥形成改质的该多巴胺-硅酸钙复合物。
3.如权利要求1或2所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该硅酸钙基材为一第一型硅酸钙基材，该第一型硅酸钙基材是以高温烧结法制得，其中，该硅酸钙基材的制备为均匀混合氧化钙、二氧化硅、氢氧化钙及三氧化二铝形成混和氧化物，并以高温进行烧结，冷却得第一型硅酸钙粉体，将该第一型硅酸钙粉体与酒精溶液共同湿式研磨，成粉末状第一型硅酸钙基材。
4.如权利要求1或2所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该硅酸钙基材为一第二型硅酸钙基材，该第二型硅酸钙基材是以溶液-凝胶法制得，其中，该第二型硅酸钙基材制备为将一硅酸乙酯用一硝酸进行水解，并加入一硝酸钙反应生成一第二型硅酸钙溶液，通过干燥该第二型硅酸钙溶液形成一粉末态第二型硅酸钙，将所得的该粉末态第二型硅酸钙利用高温烧结，并研磨而成该第二型硅酸钙基材。
5.如权利要求3所述的人造材料的制备方法，其特征在于，制备该第一型硅酸钙基材的该混合方法是以一混合机将该混合氧化物混合0.5～2小时；
该高温烧结方法是将干燥完成的该粉末态硅酸钙置入一烧结炉以每分钟0.5～40℃的速率加热至900℃～1500℃，并于900O℃～1500℃保温约2小时进行高温烧结；
该冷却方法为以气冷、水冷或快速冷却的方法将高温烧结完成的该混合氧化物冷却至室温；
该研磨方法是将所得的该产物置入一球磨机进行研磨，持续12小时～3天，制成该第一型硅酸钙基材；
制备该第二型硅酸钙基材的该干燥方法是将反应完成的该第二型硅酸钙溶液置入一烘箱进行干燥，其制备参数为以60℃保温24小时，再以120℃持续干燥形成该粉末态第二型硅酸钙；及
其中，该多巴胺-硅酸钙复合物中，成分主要为β-硅酸钙。
6.一种用于微细修补的人造材料，其特征在于，其包括将一硅酸钙基材以一多巴胺溶液进行改质，该硅酸钙基材与该多巴胺溶液产生聚合反应而得粉末态的一多巴胺-硅酸钙复合物；
将改质完成的该多巴胺-硅酸钙复合物添加水或一磷酸溶液混合得该用于细微修补的人造材料；以及
该多巴胺-硅酸钙复合物中，成分主要为β-硅酸钙。
7.如权利要求6所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该多巴胺-硅酸钙复合物以高温烧结法制得，其包括均匀混合氧化钙、二氧化硅、氢氧化钙及三氧化二铝形成混合氧化物，并利用高温烧结该混合氧化物，并将该混合氧化物添加一多巴胺溶液进行改质得一多巴胺-硅酸钙复合物。
8.如权利要求7所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该混合氧化物的钙硅摩尔比介于10～1之间；以及
该二次水或该磷酸溶液比该多巴胺-硅酸钙复合物的混合比例为0.2毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至4毫升该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物。
9.如权利要求7所述的人造材料的制备方法，其中，该混合氧化物的钙硅摩尔比介于6～2的间；
该二次水或该磷酸溶液比该多巴胺-硅酸钙复合物的混合比例为0.3毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至1.5该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物；以及
该多巴胺溶液为取一粉末态的多巴胺溶解于水中形成一液态多巴胺，并将该液态多巴胺搅拌溶解于80℃、pH为8.5的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液中，其中该多巴胺溶液的浓度为0.5～20毫克/毫升。
10.如权利要求9所述的人造材料的制备方法，其特征在于，该多巴胺溶液的浓度为0.5～5.0毫克/毫升；以及
该二次水或该磷酸溶液比该多巴胺-硅酸钙复合物的混合比例系为0.8毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物至1.5毫升的该二次水或该磷酸溶液比1克该多巴胺-硅酸钙复合物。
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