CN107226717B - 由纳米孔活性玻璃包覆的多孔生物陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由纳米孔活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷及其制备方法，属于多孔生物陶瓷制备技术领域。该多孔磷酸钙陶瓷是由多孔磷酸钙陶瓷和纳米孔活性玻璃构成，其中，纳米孔活性玻璃包覆在多孔磷酸钙陶瓷的孔隙表面，多孔磷酸钙陶瓷的孔隙至少一个孔隙未被纳米孔活性玻璃堵塞。本发明涉及的多孔陶瓷制备方法是把多孔磷酸钙陶瓷浸泡到活性玻璃溶胶中并随后干燥和除去有机成分。由于该多孔磷酸钙陶瓷具有不同级的孔隙，所以具有高的力学强度和生物活性。另外，因为该多孔磷酸钙陶瓷孔隙表面层的活性玻璃具有丰富的纳米孔隙，从而该陶瓷可以装载和释放药物，因此可以成为药械组合产品应用于临床硬组织修复。

Description

由纳米孔活性玻璃包覆的多孔生物陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种多孔生物陶瓷及其制备方法，更具体涉及一种表面由具有纳米孔的生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，以及该陶瓷的构成方法，属于多孔生物陶瓷领域。
背景技术
把磷酸钙陶瓷加工成多孔结构以赋予和提高磷酸钙陶瓷生物学功能一直成为硬组织缺损修复用材料的研究课题。为此，到目前为止已有不同孔径和孔隙结构的多孔磷酸钙陶瓷以及对应的制备方法被公开。尽管如此，基于当前方法制备的多孔磷酸钙陶瓷还存在诸多问题。例如，当前制备的多孔磷酸钙陶瓷，因为是由磷酸钙颗粒构成，在植入宿主后，表面层的磷酸钙颗粒容易脱落，从而容易引发炎症，甚至导致其它副作用。另外，由当前研制的多孔磷酸钙陶瓷的生物学性能还有待提高。例如当前的多孔磷酸钙陶瓷的孔径在100纳米以上，缺乏100纳米以下的纳米孔。而直径在100纳米以下的纳米孔具有多重功能，例如可以装载和释放药物，提高磷酸钙陶瓷的生物活性等。
纳米孔生物活性玻璃，由于具有丰富的、直径小于100纳米的纳米孔，其不但具有高的生物活性，而且其孔隙可以很好的用于药物控释，因此纳米孔生物活性玻璃可以成为药械组合产品用于硬组织修复。因为具有该性能，目前已经有不同的制备纳米孔活性玻璃的方法被公开，例如专利号为CN201210501511.2的专利公开了具有磷灰石纳米晶的介孔生物活性玻璃材料及其制备方法，专利号为CN201210382838.2的专利公开了一种新型的多功能介孔生物活性玻璃支架及其制备方法和用途。尽管如此，纳米孔活性玻璃一个最大的缺陷是其的力学性能低，很难用于要求具有一定力学强度的硬组织缺陷修复。
发明内容
针对当前磷酸钙多孔陶瓷和生物活性玻璃存在的缺陷和不足，本发明提出把纳米孔生物活性玻璃与多孔磷酸钙相结合，构建一种表面由纳米孔生物活性玻璃包覆的磷酸钙多孔陶瓷及其制备方法。
本发明所述的技术方案为：一种由纳米孔生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，其包含: 多孔磷酸钙陶瓷和纳米孔活性玻璃，其中，所述纳米孔活性玻璃包覆在多孔磷酸钙陶瓷的孔隙表面，所述的多孔磷酸钙陶瓷的孔隙至少一个孔隙未被纳米孔活性玻璃堵塞。
进一步地，所述的纳米孔生物活性玻璃，其孔隙直径为1-100纳米。
进一步地，所述的生物活性玻璃的组分包括SiO2，CaO和P2O5。
进一步地，所述的纳米孔生物活性玻璃在多孔磷酸钙陶瓷孔表面的包覆厚度为0.001-500微米。
进一步地，所述的多孔磷酸钙陶瓷的组分是羟基磷灰石、磷酸三钙或者它们的组合物。
进一步地，所述的多孔磷酸钙陶瓷的孔隙直径为0.1-800微米。
为实现上述目的，本发明是采用以下措施构成的技术方案来实现的。
本发明所述的由纳米孔活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，按照如下步骤制备：
A) 活性玻璃溶胶H制备：把无水乙醇、水、酸、含硅化合物、含磷化合物、含钙化合物和表面活性剂按照重量比为(5-30): (1-4): (0.1-1): (2-20): (0.1-2): (0.5-3):(0.1-3)混合并搅拌不低于1小时形成活性玻璃溶胶H；
B) 纳米孔活性玻璃对多孔磷酸钙陶瓷孔隙的包覆：把多孔磷酸钙陶瓷浸泡到含有活性玻璃溶胶H的可抽真空容器中，然后对可抽真空容器抽真空减压以便排出多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气。待多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气完全排除后，把多孔磷酸钙陶瓷从可抽真空容器中取出并干燥，获得孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y；
C) 有机成分除去工艺：把孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y置于温度为20-100度水溶液浸泡，或者置于高温烧结炉加热至400-1200℃除去有机组分，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷。
上述方案中，所述的含硅化合物为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯，或者它们的混合物。
上述方案中，所述的含磷化合物是磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯，或者它们的混合物。
上述方案中，所述的含钙化合物为硝酸钙、氯化钙、乙酸钙、或者它们的混合物。
上述方案中，所述的表面活性剂，其化学式为CnH2n+1X，n=10-20, R为-CH3或-C2H5，X为Cl-或Br-，或者是聚环氧乙烯作为亲水嵌段、长链烷烃作为疏水基的非离子型表面活性剂，或者是PEO作为亲水嵌段，聚环氧丙烯或聚环氧丁烯作为疏水嵌段，其分子式为EOnPOmEOn, n=10-140, m=5-100; 或EOnBOmEOn, n=10-200, m=10-100; 或EOnBOm, n=10-100，m=5-60，或者是这些表面活性剂的组合物。
本发明具有以下特点及有益的技术效果：
本发明的纳米孔生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，由于孔隙表面被纳米孔活性玻璃包覆，多孔磷酸钙陶瓷孔隙表面的磷酸钙颗粒很难从陶瓷表面脱落，从而可以避免因多孔陶瓷植入宿主后表面磷酸钙颗粒脱落导致的局部炎症及可能产生的其他副作用。
由于多孔磷酸钙陶瓷孔隙表面包覆了纳米孔活性玻璃层，包覆的纳米孔活性玻璃可以很好的弥补磷酸钙颗粒间不紧密连点，所以极大的提高了多孔磷酸钙陶瓷的力学强度，如图4所示，表面包覆了100纳米厚度的纳米孔活性玻璃的多孔磷酸钙陶瓷较未纳米孔活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷的力学强度提高了21.7%。
另外，因为多孔磷酸钙陶瓷孔隙表面包覆的活性玻璃具有丰富的纳米孔隙，从而多孔磷酸钙陶瓷表面的活性玻璃的纳米孔隙可以装载和释放药物，从而可以成为药械组合产品应用于临床硬组织修复。
附图说明：
图1是本发明实施例1所使用的多孔磷酸钙陶瓷的SEM照片；
图2是本发明实施例2所使用的多孔磷酸钙陶瓷的SEM照片；
图3是本发明实施例1构成的包覆在多孔磷酸钙陶瓷孔隙中的纳米孔活性玻璃的局部SEM照片；
图4是本发明实施例1所使用的多孔磷酸钙陶瓷在纳米孔活性玻璃包覆前后的力学强度的比较。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但不应理解为是对本发明保护内容的任何限定。
实施例 1
A) 活性玻璃溶胶H制备
把20克无水乙醇、2克水、0.5克盐酸、4克正硅酸乙酯、0.5克磷酸三乙酯、1.7克四水合硝酸钙和1克表面活性剂P123（EO20PO70EO20，Ma=5800）按照重量比为20: 2: 0.5: 4:0.5: 1.7: 1混合并搅拌24小时形成活性玻璃溶胶；
B) 纳米孔活性玻璃对多孔磷酸钙陶瓷孔隙的包覆
如图1和图4，把力学强度为1.52±0.22mPa, 孔径为300微米的多孔三磷酸钙陶瓷浸泡到含有活性玻璃溶胶的可抽真空容器中，然后对可抽真空容器抽真空减压以便排出多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气。待多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气完全排除后，把多孔三磷酸钙陶瓷从可抽真空容器中取出并置于120℃干燥箱中干燥，获得孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体；
C) 有机成分除去工艺
把孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y置于高温烧结炉加热至700℃，并保温8小时除去有机组分，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，如图3所示，活性玻璃的孔隙为6.1纳米，纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米；纳米孔活性玻璃包覆后的多孔三磷酸钙陶瓷的力学强度，如图4所示为1.85±0.25mPa。
实施例 2
使用如图2所示的孔径为1.3微米的多孔磷酸三钙陶瓷，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中孔隙表面活性玻璃包覆层的孔隙为5.2纳米。
实施例 3
使用孔径为300微米的多孔羟基磷灰石陶瓷，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔羟基磷灰石陶瓷，其中孔隙表面活性玻璃包覆层的孔隙为5.2纳米。
实施例 4
使用10克正硅酸乙酯，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中纳米孔活性玻璃包覆层厚度为130纳米。
实施例 5
使用10克正硅酸甲酯，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中纳米孔活性玻璃包覆层厚度为135纳米。
实施例 6
使用10克正硅酸丙酯，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中纳米孔活性玻璃包覆层厚度为120纳米。
实施例 7
使用0.5克磷酸三甲酯作为含磷化合物，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为6.2纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米。
实施例 8
使用1克的十六烷基三甲基溴化铵作为表面活性剂，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为2.5纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米。
实施例 9
使用1克表面活性剂F127（EO106PO70EO106，聚合度11-18）作为表面活性剂，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为4.5纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米。
实施例 10
使用1.7克的乙酸钙作为含钙化合物，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为6.1纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米。
实施例 11
使用1.7克的乙酸钙作为含钙化合物，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为6.1纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为50纳米。
实施例 12
在步骤C) 有机成分除去工艺中，把孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y置于温度为20-100度水溶液浸泡24小时，其他制备条件和实施例1相同，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔三磷酸钙陶瓷，其中，活性玻璃的孔隙为6.8纳米；纳米孔活性玻璃的包覆厚度为54纳米。

Claims (8)

1.一种由纳米孔生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，其包含：多孔磷酸钙陶瓷和纳米孔活性玻璃，其中，所述纳米孔活性玻璃包覆在多孔磷酸钙陶瓷的孔隙表面，所述的多孔磷酸钙陶瓷的孔隙至少一个孔隙未被纳米孔活性玻璃堵塞；所述的纳米孔生物活性玻璃的孔隙直径为1-100纳米；所述的纳米孔生物活性玻璃在多孔磷酸钙陶瓷孔表面的包覆厚度为0.001-500微米；所述的多孔磷酸钙陶瓷的孔隙直径为0.1-800微米。
2.根据权利要求1所述的由纳米孔生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，其特征在于，所述的生物活性玻璃的组分包括SiO2，CaO和P2O5。
3.根据权利要求1所述的由纳米孔生物活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷，其特征在于，所述的多孔磷酸钙陶瓷的组分是羟基磷灰石、磷酸三钙或者它们的组合物。
4.一种权利要求1-3任一项所述的多孔磷酸钙陶瓷的制备方法，按照如下步骤来制备：
A) 活性玻璃溶胶H制备：把乙醇、水、酸、含硅化合物、含磷化合物、含钙化合物和表面活性剂按照重量比为（5-30）∶（1-4）∶（0.1-1）∶（2-20）∶（0.1-2）∶（0.5-3）∶（0.1-3）混合，并搅拌不低于1小时形成活性玻璃溶胶H；
B) 纳米孔活性玻璃对多孔磷酸钙陶瓷孔隙的包覆：把多孔磷酸钙陶瓷浸泡到含有活性玻璃溶胶H的可抽真空容器中，然后对可抽真空容器抽真空减压以便排出多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气；待多孔磷酸钙陶瓷孔隙内的空气完全排除后，把多孔磷酸钙陶瓷从可抽真空容器中取出并干燥，获得孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y；
C) 有机成分除去工艺：把孔隙表面由活性玻璃前驱体包覆的多孔磷酸钙陶瓷预制体Y置于温度为20-100度水溶液浸泡，或者置于高温烧结炉加热至400-1200℃除去有机组分，获得由纳米孔活性玻璃包覆的多孔磷酸钙陶瓷。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的含硅化合物为正硅酸甲酯、正硅酸乙酯、正硅酸丙酯，或者它们的混合物。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的含磷化合物为磷酸三甲酯、磷酸三乙酯、磷酸三丙酯，或者它们的混合物。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的含钙化合物是硝酸钙、氯化钙、乙酸钙、或者它们的混合物。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述的表面活性剂，其化学式为CnH2n+ 1X，n=10-20，R为-CH3或-C2H5，X为Cl-或Br-，或者是聚环氧乙烯作为亲水嵌段、长链烷烃作为疏水基的非离子型表面活性剂，或者是PEO作为亲水嵌段，聚环氧丙烯或聚环氧丁烯作为疏水嵌段，其分子式为EOnPOmEOn，n=10-140，m=5-100；或EOnBOmEOn，n=10-200，m=10-100；或EOnBOm，n=10-100，m=5-60；或者是这些表面活性剂的组合物。
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Applicant before: Sichuan University

GR01 Patent grant
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CP02 Change in the address of a patent holder
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Address after: Room 2216, 2 / F, building 3, No.8, Keling Road, hi tech Zone, Suzhou City, Jiangsu Province

Patentee after: Taohe Science and Technology (Suzhou) Co.,Ltd.

Address before: Room 411-3, Building No. 8, Jinfeng Road, Suzhou High-tech Zone, Jiangsu Province

Patentee before: Taohe Science and Technology (Suzhou) Co.,Ltd.