CN106892609B - 一种甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料的制备方法和用途 - Google Patents

一种甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料的制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机‑无机自凝固复合材料，其由粉体和调和液制备而成，其中，调和液为去水、氯化钠溶液、葡萄糖溶体、碳酸氢钠溶液、磷酸溶液、磷酸二氢盐溶液以及磷酸氢盐溶液中的任意一种或者多种；所述粉体为硅酸钙盐和甘油磷酸盐的混合物，各组分的质量百分比为：硅酸钙盐20‑95％、甘油磷酸盐5‑80％。本发明还公开了前述复合材料的制备方法和用途。本发明复合材料的前期力学强度大，凝固时间适中，生物活性高，生物相容性好，降解性能良好，应用前景优良。

Description

一种甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料 的制备方法和用途
技术领域
本发明涉及生物医用材料以及环保材料技术领域，具体涉及一种新型的甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料的制备方法和用途。
背景技术
骨是人体的重要组成部分，对于人的正常活动起到至关重要的作用。但由于疾病、交通事故以及人口老龄化等原因所造成骨科疾病严重影响着人们的健康，这也造成了对于骨修复材料需求量的增加。骨修复材料由最初的金属材料向着多元化发展，像高分子材料，陶瓷和骨水泥等。随着技术的进步，人们对于理想的骨修复材料的要求也越来越高，所以加大对于骨修复材料的研究很有必要。
以生物活性陶瓷为代表的生物活性材料在骨修复材料中展现出了良好的性能，并广泛的应用到临床。但是生物活性陶瓷的可加工性能较差，很难根据实际情况对材料进行临时加工。以骨水泥为代表的自凝固材料可加工性很强，能根据需求加工成不同的形状，可以弥补陶瓷材料的某些不足。目前的骨水泥主要有三类：PMMA，磷酸钙骨水泥和玻璃基骨水泥。
玻璃基骨水泥的主要成分是硅酸三钙和硅酸二钙，它们是水泥的主要成分，对水泥固化起主要作用。很多的研究已经证明了硅酸二钙和硅酸三钙有着良好的生物活性和生物相容性。硅酸三钙和硅酸二钙的水化过程如下：
3CaO·SiO2+nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O+(3－x)Ca(OH)2
2CaO·SiO2+nH2O＝xCaO·SiO2·yH2O+(2－x)Ca(OH)2
硅酸三钙的水化速度比硅酸二钙的水化速度快很多，但是这两种材料的凝固时间过长，且前期的力学强度很低，很大程度上限制了其应用，需要对其进行改进。
发明内容
针对上述情况，本发明提供了一种新的甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料的制备方法和用途。
本发明甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料，其由粉体和调和液制备而成，其中，调和液为去水、氯化钠溶液、葡萄糖溶体、碳酸氢钠溶液、磷酸溶液、磷酸二氢盐溶液以及磷酸氢盐溶液中的任意一种或者多种；所述粉体为硅酸钙盐和甘油磷酸盐的混合物，各组分的质量百分比为：硅酸钙盐20-95％、甘油磷酸盐5-80％。
其中，所述调和液为水或者水与磷酸溶液的组合；优选为水与磷酸溶液的组合。
优选地，所述磷酸溶液的浓度为10％；所述水与磷酸溶液的组合中，二者的体积比为1.5:1。
优选地，所述硅酸钙盐为硅酸钙、硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸镁钙和硅铝酸钙等任意一种或者任意多种的混合物；所述甘油磷酸盐为甘油磷酸钠、甘油磷酸钙、甘油磷酸镁、甘油磷酸铁、甘油磷酸锌、甘油磷酸铜、甘油磷酸锰、甘油磷酸锶和甘油磷酸钇等任意一种或者任意多种的混合物。进一步优选地，所述硅酸钙盐为硅酸三钙和硅酸二钙的混合物；所述甘油磷酸盐为甘油磷酸镁和甘油磷酸钙的混合物。再进一步优选地，所述硅酸三钙和硅酸二钙的比例为4:3；所述甘油磷酸镁和甘油磷酸钙的比例为3:2。
优选地，所述粉体中，各组分的质量百分比为：硅酸盐50-80％、甘油磷酸盐10-50％；优选地，所述粉体中，硅酸盐与甘油磷酸盐的质量比为3.5：(0.5～2.5)；进一步优选所述硅酸盐与甘油磷酸盐的质量比为3.5：0.5。进一步优选地，所述粉体与调和液的比例为：(4～7)重量份：2.5体积份。重量份：体积份为g：ml。
本发明还提供了一种制备前述复合材料的方法，其特征在于：步骤如下：按照前述配比称取粉体和调和液，将粉体混合均匀，加入调和液，混匀，在室温下自发凝固即得到复合材料；优选地，所述调和液为水和磷酸溶液的组合时，先将粉体与水混匀，得到乳白色的悬浊液，再加入磷酸溶液，混匀。
具体地，所述复合材料是通过下述步骤来实现的：按照特定质量比分别称取一定质量的甘油磷酸盐和硅酸钙盐，并将两种粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸溶液与悬浊液充分混合，在室温下自发凝固即得到自凝固复合材料。
本发明还提供了前述复合材料在制备骨科、牙科修复材料以及环保材料中的用途。
本发明中的甘油磷酸为甘油磷脂的主链，这为本发明的材料载药提供了基础。同时甘油磷酸盐主要是镁盐和钙盐，镁和钙是人体内主要的阳离子，对于骨的矿化有一定的促进作用。硅酸盐主要包括硅酸三钙和硅酸二钙，是自凝固作用的主要物质。硅酸钙盐先与水反应，生成水化硅凝胶和氢氧化钙，再向其中加入磷酸溶液，磷酸可以中和氢氧化钙，加速凝固，产生羟基磷灰石，这进一步增加了材料的生物活性和生物相容性。
本发明的甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类组成的有机-无机自凝固复合材料凝固初凝时间为10分钟到80分钟，一天的抗压强度为：20.5-30MPa；自凝固后的有机-无机复合材料在模拟体液中4周的降解失重量为10-30％，12周的失重量为20-50％。同时生物活性高，生物相容性好，无复杂工艺，易于操作，而且材料能够切割成小于0.5mm的薄片。本发明作为生物医用材料使用有着较好的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为实施例1-7的凝固时间的柱形图。
图2为实施例1-7的压缩强度的柱形图。
图3为实施例1-7在模拟体液中不同时间段的失重曲线变化。
图4为实施例1-7在模拟体液中不同时间段的pH值的变化曲线。
具体实施方式
实施例1
按照质量比分别称取硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、0.3g和0.2g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.5ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入1ml质量分数为10％(v/v)磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸与悬浊液充分混合；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料，凝固时间为25分钟，七天的力学强度为20.5MPa；浸泡4周后的失重为5％，pH值为6.9。
实施例2
按照质量比分别称取的硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、0.6g和0.4g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.5ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入1ml质量分数为10％磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸与悬浊液充分混合；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料，凝固时间为22分钟，七天的力学强度为22.6MPa；浸泡4周后的失重为19％，pH值为7.3。
实施例3
按照质量比分别称取的硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、0.9g和0.6g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.5ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入1ml质量分数为10％磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸与悬浊液充分混合；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料，凝固时间为26分钟，七天的力学强度为30.0MPa；浸泡4周后的失重为22％，pH值为7.4。
实施例4
按照质量比分别称取的硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、1.2g和0.8g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.5ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入1ml质量分数为10％磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸与悬浊液充分混合；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料，凝固时间为27分钟，七天的力学强度为21.8MPa；浸泡4周后的失重为32％，pH值为7.2。
实施例5
按照质量比分别称取的硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、1.5g和1g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.5ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；再向得到的悬浊液加入1ml质量分数为10％磷酸溶液，充分搅拌，让磷酸与悬浊液充分混合；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料，凝固时间为25分钟，七天的力学强度为22.2MPa；浸泡4周后的失重为38％，pH值为7.3。
实施例6
按照质量比分别称取的硅酸三钙、硅酸二钙、甘油磷酸镁和甘油磷酸钙各2g、1.5g、0.9g和0.6g，并将两类粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.2ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该甘油磷酸盐与硅酸钙系列盐类的有机-无机自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
本发明复合材料作为实施例3的对比例，凝固时间为83分钟，七天的力学强度为23.2MPa，浸泡4周后的失重为35％，pH值为10.6。说明磷酸的加入对于凝固时间缩短有很大的促进作用，同时磷酸能够降低溶液pH值，使其利于骨组织生长。
实施例7(对比例)
按照质量比分别称取的硅酸三钙和硅酸二钙各2g和1.5g，并将两种粉体混合均匀，充分研磨，倒于烧杯中；向烧杯中得到的混合粉体注入1.6ml去离子水，充分搅拌，让粉体与水充分反应，得到乳白色的悬浊液；将得到的材料注入到聚四氟乙烯模具中，在室温下自发凝固。
将该硅酸钙系列盐类的自凝固复合材料进行凝固时间测试以及在模拟体液中降解、测量pH变化。
此对比例作为实施例6的对比例，凝固时间为98分钟，七天的力学强度为19.3MPa，浸泡4周后的失重为10.5％，pH值为11.2。说明甘油磷酸盐的加入能够加速凝固，提高力学性能。
实施例1～7制备得到的复合材料的性能如图1～图4所示。可以看出，与现有的材料(实施例7)相比，本发明复合材料(实施例1～6制备的材料)的凝固时间缩短，抗压强度强，自凝固后的有机-无机复合材料在模拟体液中4周的降解失重量为10-30％，12周的失重量为20-50％，同时生物活性高，生物相容性好，无复杂工艺，易于操作，可以作为骨修复材料使用，应用前景优良。

Claims (10)

1.一种甘油磷酸盐与硅酸钙盐类的有机-无机自凝固复合材料，其特征在于：其由粉体和调和液制备而成，其中，调和液为水或者水与磷酸溶液的组合；所述粉体为硅酸钙盐和甘油磷酸盐的混合物，各组分的质量百分比为：硅酸钙盐20-95％、甘油磷酸盐5-80％；
所述硅酸钙盐为硅酸三钙和硅酸二钙的混合物；所述甘油磷酸盐为甘油磷酸镁和甘油磷酸钙的混合物。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述调和液为水与磷酸溶液的组合。
3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于：所述磷酸溶液的浓度为10％；所述水与磷酸溶液的组合中，二者的体积比为1.5:1。
4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述硅酸三钙和硅酸二钙的比例为4:3；所述甘油磷酸镁和甘油磷酸钙的比例为3:2。
5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述粉体中，硅酸盐与甘油磷酸盐的质量比为3.5：(0.5～2.5)。
6.根据权利要求5所述的材料，其特征在于：所述硅酸盐与甘油磷酸盐的质量比为3.5：0.5。
7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述粉体与调和液的比例为：(4～7)重量份：2.5体积份。
8.一种制备权利要求1～7任意一项所述材料的方法，其特征在于：步骤如下：按照权利要求1～7任意一项所述配比称取粉体和调和液，将粉体混合均匀，加入调和液，混匀，在室温下自发凝固即得到复合材料。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述调和液为水和磷酸溶液的组合时，先将粉体与水混匀，得到乳白色的悬浊液，再加入磷酸溶液，混匀。
10.权利要求1～7任意一项所述材料在制备骨科、牙科修复材料以及环保材料中的用途。
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