CN108273128A - 自固化磷酸钙骨修复材料 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种自固化磷酸钙骨修复材料，由如下原料制成：磷酸钙粉末、固化液；其中，磷酸钙粉末中添加有TTCP。本发明主要目的是在不引入其他元素的情况下，通过在CPC中添加一定量高结晶磷酸四钙(high‑crystallized tetracalcium phosphate，HCTTCP)和低结晶磷酸四钙(low‑crystallized tetracalcium phosphate，LCTTCP)来提高CPC的机械性能和生物活性。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

自固化磷酸钙骨修复材料

技术领域

本发明属于生物医用材料领域，特别涉及自固化磷酸钙骨修复材料。

背景技术

自固化磷酸钙(CPC)是数年前在美国研制成功的一种非陶瓷型羟基磷灰石类(HAP)人工骨材料。它克服了陶瓷型HAP烧结形成、修整困难等缺点，具有制备容易、使用方便等优点。1991年以来，CPC开始在临床试用，修复颅骨，获得满意效果。

目前，可自固化磷酸钙骨修复材料(Calcium Phosphate Cement，CPC)已得到国内外学者的广泛研究，具有良好生物相容性和生物活性，且骨诱导再生的能力强，但是其固化时间长，脆性大，粘结性能差，机械性能不足。

论文《自固化磷酸钙人工骨的最新研究进展》报告了CPC的最新研究结果，包括固化过程及固化工艺的研究，快速凝固型、抗水型CPC的研究，有机复合CPC水门汀的研究和作为载体缓释多种药物的体外试验结果等。随着研究范围的不断深入和扩大，CPC有可能会成为未来非负重或低负重部位骨缺损修复的标准材料。

中国专利CN101053673公开了一种适合人体承力骨缺损的修复或强化固定的高强韧可降解磷酸锶钙复合骨水泥及其制备方法。采取的骨水泥固相原料为高结晶性Ca₄(PO₄)₂O陶瓷、SrHPO₄、CaHPO₄混合粉末，固化液为稀磷酸水溶液，添加的增韧单元为高抗拉强度的生物相容性可降解高分子纤维，选自乳酸-羟基乙酸共聚物纤维、聚乳酸纤维或聚乙醇酸纤维或者其他可吸收手术缝合线，增强单元为固化反应后Ca₄(PO₄)₂O剩余陶瓷颗粒。该制备方法融合了陶瓷颗粒原位增强、可降解纤维初期增韧与后期降解、锶改性等多种技术，在类生理环境下获得一种新型的高强韧可降解磷酸锶钙复合骨水泥。该材料具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性与降解性能。

《磷酸四钙合成机理及其稳定性研究》一文指出：长期以来，制备高纯度的磷酸四钙粉末，是能否制得高性能磷酸钙骨水泥的关键。以往对TTCP的研究主要集中在提高产品的纯度，对其制备反应中间的物质变化情况少有涉及，对影响产品质量的关键因素和煅烧温度的选择等也欠诠释。

发明内容

为了克服上述不足，本发明提供自固化磷酸钙骨修复材料及其制备方法。本发明主要目的是在不引入其他元素的情况下，通过在CPC中添加一定量高结晶磷酸四钙(high-crystallized tetracalcium phosphate，HCTTCP)和低结晶磷酸四钙(low-crystallizedtetracalcium phosphate，LCTTCP)来提高CPC的机械性能和生物活性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自固化磷酸钙骨修复材料，由如下原料制成：磷酸钙粉末、固化液；其中，磷酸钙粉末中添加有TTCP。

现有研究一般以CaHPO₄.2H₂O(或CaHPO₄)和CaCO₃为原料固相合成TTCP，但生成的TTCP中往往混有HAP和CaO杂质，影响CPC材料的力学性能和组织性能，因此，对TTCP的研究主要集中在提高产品的纯度和调整合成工艺来获得特定物相组成和结构的TTCP，但上述物相组成和结构控制方法复杂且缺乏通用性。为此，本申请系统研究了不同物相组成和结构的磷酸四钙对其制备的CPC材料力学性能和组织性能的影响，发现：磷酸四钙的结晶度对其制备的CPC材料性能有较大影响，在CPC中添加一定量高结晶磷酸四钙(high-crystallizedtetracalcium phosphate，HCTTCP)可大幅提高CPC的机械性能和生物活性。

与现有技术通过结晶度来控制聚合物性能不同，在无机材料中，结晶度对材料性能的影响更加复杂而多变，为了保证添加TTCP后制备的CPC具有较优的抗张强度提升效果。本申请优选的TTCP结晶度eee>90％，且所述TTCP的添加量为2wt.％～8wt.％。

优选的，所述TTCP为HCTTCP(结晶度eee>90％)和/或LCTTCP(结晶度eee<40％)。

现有的CPC的固相一般是几种磷酸钙盐的混合物，包括磷酸四钙(TECP)、无水磷酸氢钙(DCPA)或含2个结晶水的磷酸氢钙(DCPD)、羟基磷灰石(HAP)，本申请研究还发现：若要获得结晶磷酸四钙HCTTCP对CPC材料较好的添加效果，优选地在摩尔比2:1的α-TCP与DCPD的混合粉末中添加不同含量HCTTCP。

优选的，所述固化液为含有柠檬酸与Na₂HPO₄的水溶液。

优选的，所述水溶液中，柠檬酸的含量为4-8wt.％。

优选的，所述水溶液中，Na₂HPO₄的浓度为0.5mol/L

本发明还提供了一种自固化磷酸钙骨修复材料的制备方法，包括：

向α-TCP与DCPD的混合粉末中添加一定量的HCTTCP(结晶度eee>90％)和/或LCTTCP(结晶度eee<40％)，制得磷酸钙粉末；

将柠檬酸与Na₂HPO₄溶解于水溶液中，制得固化液；

将上述磷酸钙粉末与固化液混合均匀，固化成型，即得CPC固化产物。

优选的，所述磷酸钙粉末与固化液的液固比为0.4ml/g。

本发明还提供了TTCP在改性CPC的力学性能中的应用。

本发明的有益效果

(1)无论HCTTCP/CPC还是LCTTCP/CPC，均有新相HA生成，且呈现纳米尺度的板片状，具有c轴取向，板片状HA晶体有相对较高结晶度；

(2)新生成的HA相主要来自TTCP与α-TCP的水解，水解产物的多少与TTCP的添加量有关。

(3)当添加LCTTCP时，骨水泥最终产物的孔隙率增大，凝固时间有一定程度缩短，生成的片状HA晶体的减少，抗压强度下降；

(4)当添加HCTTCP到8wt.％时，骨水泥最终产物的孔隙率均小于纯CPC的孔隙率，当添加量为5wt.％时，孔隙率最小，其抗压强度是最高的，表面形成的片状HA最多，

(5)无论是添加HCTTCP还是LCTTCP，骨水泥最终产物的孔隙率的变化规律与抗压强度变化规律成反比，但是添加HCTTCP的骨水泥性能更加优良。

(6)本发明制备方法简单、修复效率高、实用性强，易于推广。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是HCTTCP/CPC水化产物的XRD图谱；

图2是LCTTCP/CPC水化产物的XRD图谱；

图3是不同结晶TTCP粉末以及不同结晶不同含量TTCP/CPC水化产物形貌图；

图4是5wt.％HCTTCP/CPC水化产物的能谱图；

图5是HCTTCP/CPC水化产物的红外图谱；

图6是LCTTCP/CPC水化产物的红外图谱；

图7是不同结晶TTCP/CPC水化产物的抗压强度；

图8是不同结晶TTCP/CPC水化产物的孔隙率。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。

实施例1

一、实验部分

1、实验方案

本文采用以α-TCP(自制)与DCPD(国药)摩尔比为2:1的混合粉末为CPC原料，以含有6wt.％柠檬酸与0.5mol/L Na₂HPO₄的水溶液为液相，其pH为4.42，分别以HCTTCP(自制，结晶度eee>90％)和LCTTCP(自制，结晶度eee<40％)为添加剂按着2wt.％，4wt.％，5wt.％，6wt.％，8wt.％，10wt.％均匀添加到CPC原料中，采用液固比为0.4ml/g快速调和成均匀膏状物，将膏状物快速填充到Φ6mm*12mm的模具中塑型，一定时间后脱模将试样放入温度为37℃，相对湿度为100％的环境下固化，待其固化完全即得到CPC固化产物，装袋保存。

α-TCP制备方法：首先将摩尔比为2:1的DCPD(磷酸氢钙)与CC(CaCO₃)粉末，通过乙醇湿法球磨混合均匀，其中球磨时间1h，球磨速度270r/min。将混合粉末放置在气氛炉中烧结，升温速度为250℃/h，经过1250℃高温烧结3h后迅速取出，放置在通风处急冷制得。将获得的α-TCP用研钵研磨，过200目筛，得到颗粒尺寸约为75μm的粉末，装袋保存。

TTCP制备方法：首先将一定量的DCPD放入管式炉中，在900°煅烧3h，得到Ca₂P₂O₇，研磨后过200目筛，然后将Ca₂P₂O₇与CC按Ca/P比1:1混合均匀，再次在管式炉煅烧，升温速度250℃/h，煅烧温度1500℃，保温时间5h与8h，制得TTCP。其中保温5h的TTCP是低结晶，其结晶度eee<40％，记为LCTTCP；保温8h的TTCP是高结晶，结晶度eee>90％，记为HCTTCP。将TTCP分别磨碎，过200目筛，得到尺寸约为75μm的细粉末，装袋保存。

2、性能测试方法

(1)扫描电子显微镜与成分分析

采用日本日立公司(HITACHI)生产的S-3400N型扫描电镜(Scanning electronmicroscope,SEM)观察试样表面微观组织形貌，扫描电镜附加的能谱仪(Energydispersive spectrometer,EDS)附件由HORIBA公司生产，型号为EMAX，主要用于试样表面成分分析。由于试样不导电，所以测试之前需要对试样喷金处理，喷金时间120s，喷金设备采用北京中科科仪技术发展有限责任公司研制的KYKYSBC-12型离子溅射仪。

(2)X射线衍射分析

采用日本理学公司(Rigaku)生产的D/max 2500PC型X射线衍射仪(Cu K_α)分析试样物相组成，管电压40kV，管电流40mA，扫描范围10°～80°，扫描速度4°/min。将试样表面打磨平整用于X射线衍射分析。

(3)傅里叶红外光谱分析兙俥

采用德国BROOK公司TENSOR37型号傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transforminfrared spectroscopy,FTIR)分析试样的分子结构及官能团，红外透射光谱波数范围为4000cm^-1-400cm^-1，分辨率为4cm^-1，扫描时间为16s。

(4)抗压强度的测定

采用深圳三思纵横科技股份有限公司UTM4203型号的万能材料试验机进行骨水泥试样抗压强度测试，加载速度为0.5mm/min。抗压强度计算公式如下

σ＝4P/πD²

式中，σ—压缩强度，mPa；P—最大压力，N；D—试样直径，mm。同一条件下测定三个平行样品，求取平均值。

(5)孔隙率测试

孔隙率P的测定是基于阿基米德原理，试验中采用煮水法测定孔隙率。首先将试样放入干净的烧杯中，往杯中注入蒸馏水，直至淹没试样。接着将烧杯置于电炉上加热至沸腾，并保持沸腾状态2h，使蒸馏水完全渗透至试样空隙内。然后停止加热使其降至室温，用湿抹布小心地拭去饱和试样表面的水，快速称量饱和试样的质量记为m₁；然后试样快速取出放入事先准备好称重用的小吊蓝内，将其挂在天平的吊钩上，使试样继续浸没水中，称取饱和试样在水中的悬浮重量，记为m₂；最后将试样烘干称其重量，记为m₃。

通过公式计算孔隙率P。

P＝(m₁-m₃)/(m₁-m₂)

二、结果分析与讨论

1、物相组成

不同含量的HCTTCP均匀添加到CPC粉末中得到的水化产物如图1。由图1可知，无论是否添加TTCP，固化产物中均出现了一些HA的衍射峰，且整个衍射峰明显变宽，说明生成了新相。图1中固化产物衍射峰较宽说明新相HA的晶粒非常细小且结晶度较低。固化产物中除了新相外，还保留了部分未发生相：α-TCP，β-TCP，TTCP与DCPD。由于磷酸盐在水溶液中溶解性不同：TTCP＞α-TCP＞DCPD＞β-TCP＞HA，固TTCP转化成HA的速率要比α-TCP的快，即HCTTCP的加入，使得HA含量增加，并且结晶度也有了相应的提高，所以HA的衍射峰出现增强。而原粉末中α-TCP含量高，而固化时间较短，固α-TCP衍射峰强。当HCTTCP添加量不同，其对固化产物的影响也不相同。当HCTTCP的加入5wt.％时，该固化产物整体衍射强度最强，HA的衍射峰也是最高的。

不同含量的LCTTCP均匀添加到CPC粉末中得到的水化产物如图2。新相HA均出现在固化产物中，且结晶度低，而未反应的α-TCP，β-TCP，TTCP与DCPD物相同时也存在着。由图1对比可知，LCTTCP的加入使得α-TCP衍射强度变弱，即α-TCP水解相应的增多，LCTTCP也能水解成HA，最后同样使水化产物衍射峰增强，且HA衍射峰也相应的增强。当LCTTCP的加入2wt.％时，该固化产物整体衍射强度也是最强的。

2、微观组织特征

图3为HCTTCP与LCTTCP粉末以及添加不同含量的HCTTCP/CPC与LCTTCP/CPC固化后的微观形貌。CPC固化产物主要有两种类型，当体系pH<4.2时，有利于透钙磷石(Brushite,DCPD)；当体系pH>4.2时，有利于羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)。从图3中可以看出，HCTTCP与LCTTCP粉末颗粒存在较小差异。在未添加TTCP时，CPC固化产物出现少量板片状晶体，且呈现纳米尺度，主要来源于α-TCP水解。随着HCTTCP的添加，水化产物板片状晶体逐渐增多，当其含量为5wt.％时，纳米板片状晶体最多，当添加量超过5wt.％时，伴随着大量碎屑颗粒的出现，同时板片状晶体有减少的趋势。当LCTTCP加入时，固化产物也逐渐出现板片状晶体，并能清楚看到板片状晶体是从原材料中生长出来的。从HA的显微组织结构可以看出该板片状固化产物是HA晶体，虽含量较少却具有c轴取向。综合CPC显微组织形貌，当HCTTCP含量5wt.％时，板片状HA晶体含量最高，且分布均匀。

图4为5wt.％HCTTCP/CPC水化产物的能谱图。根据元素分析可知，CPC固化产物中Ca、P、C、O是主要元素。由物相分析可知，DCPD、TTCP、α-TCP、β-TCP均存在固化产物中，且已知TCP的Ca/P为1.5，DCPD的Ca/P为1.0，HA的Ca/P为1.67，TTCP的Ca/P为2.0，经过计算point1的Ca/P比为1.45；point2的Ca/P比为1.54；point3的Ca/P比为1.78，结合形貌与XRD可推测出片状新相应为HA，其主要来自α-TCP与TTCP的水解。

3、功能基团分析

HCTTCP/CPC水化产物的红外图谱如图5。图5中主要显示了PO₄ ^3-与OH^-1典型伸缩振动(stretching vibration)和弯曲振动化(bending vibration)形式。这七种CPC固化产物的FTIR图谱均在吸收频率3600-3000cm^-1处表现出了较强的水分子O-H伸缩振动峰，并且在1652cm^-1与1608cm^-1出现水分子O-H的弯曲振动峰，且峰形较尖锐，这反映了H₂O是以结晶水状态存在。由图5可知，随着HCTTCP加入，结晶水振动峰相对增强，HA的结晶度相对较高些，而在10wt.％HCTTCP/CPC的固化产物中，此处的吸收峰重叠，峰形宽化，固而结晶水结合状态较弱，HA的结晶度相对较低。指纹区中强吸收带1200-1000cm^-1的吸收峰为PO₄ ^3-四面体的非对称伸缩振动峰；991cm-1为PO₄ ^3-的对称伸缩振动峰；而吸收带650-500cm^-1的吸收峰为PO₄ ^3-的弯曲振动峰，这表明PO₄ ^3-的存在。2382cm^-1是HPO₄ ^-2的较宽吸收峰，而877cm^-1和799cm^-1这两处的吸收振动峰分别又是P-O-H伸缩振动峰和P-O-H面外弯曲振动峰，这表明HPO₄ ^2-的存在，这与XRD分析结果一致。在1542cm^-1与1427cm^-1处中等强度的吸收峰为CO₃ ^2-伸缩振动峰，与能谱元素分析保持一致，但是随着HCTTCP的添加该处吸收峰减弱宽化。当加入HCTTCP添加2wt.％时，固化产物结晶度最好。

图6为LCTTCP/CPC水化产物的红外图谱。图6中也是主要显示了PO₄ ^3-与OH^-1典型伸缩振动(stretching vibration)和弯曲振动化(bending vibration)形式。具体分析与前面类似，但从图6中可见添加LCTTCP之后，1652cm^-1与1608cm^-1水分子O-H的弯曲振动峰强度下降，峰形变宽，水合状态较弱，且877cm^-1和799cm^-1这两处的吸收峰也相对变弱。1426cm^-1处的吸收峰也随着LCTTCP的添加，而出现峰形减弱宽化。

4、抗压强度分析

HCTTCP/CPC与LCTTCP/CPC骨修复材料固化后的抗压强度如图7。由图7可知，CPC添加相等含量的HCTTCP与LCTTCP固化，HCTTCP/CPC骨水泥抗压强度均比LCTTCP/CPC强。随着HCTTCP的添加，HCTTCP/CPC强度先增加后减少在增加再减少的变化趋势。当HCTTCP添加超过8wt.％时，其骨水泥抗压强度下降并开始低于未添加HCTTCP的强度；而当HCTTCP添加5wt.％时，骨水泥抗压强度最大。随着LCTTCP的添加，LCTTCP/CPC的抗压强度呈现先减小再增加后减少变化趋势。在其添加量为5wt.％时，骨水泥抗压强度最大，但是也是小于纯CPC的强度。这表明添加5wt.％HCTTCP能有效增强CPC的力学性能，而LCTTCP的添加使得CPC的力学性能呈现不同程度的下降。

5、孔隙率分析

图7为HCTTCP/CPC与LCTTCP/CPC固化产物的孔隙率。由图7可知，当添加HCTTCP至8wt.％时，HCTTCP/CPC骨水泥的孔隙率是一直低于CPC的孔隙率，其孔隙率的变化趋势与抗压强度成反比一一对应。当添加5wt.％HCTTCP时，固化产物孔隙率最低，而其对应的抗压强度也最大，因为新生成的片状晶体相互缠结在一起，并且在接触部位产生结晶连接，使得CPC中孔隙减少，进而增大骨水泥的抗压强度。当添加LCTTCP时，LCTTCP/CPC的孔隙率整体要比纯CPC的孔隙率要大，虽然在其添加量为5wt.％时，其固化物的孔隙率最小，然而仍大于纯CPC的，这也证明了添加LCTTCP后，固化产物尽管生成了一些板片状的HA晶体，但是含量相对较少，不足以使得孔隙较少，故而骨水泥的强度降低的原因。

三、结论

通过研究在摩尔比2:1的α-TCP与DCPD的混合粉末中添加不同含量不同晶种TTCP对骨水泥最终产物的理化性能的影响规律，得出以下结论：

1、无论HCTTCP/CPC还是LCTTCP/CPC，均有新相HA生成，且呈现纳米尺度的板片状，具有c轴取向，板片状HA晶体有相对较高结晶度；

2、新生成的HA相主要来自TTCP与α-TCP的水解，水解产物的多少与TTCP的添加量有关。

3、当添加LCTTCP时，骨水泥最终产物的孔隙率增大，凝固时间有一定程度缩短，生成的片状HA晶体的减少，抗压强度下降；

4、当添加HCTTCP到8wt.％时，骨水泥最终产物的孔隙率均小于纯CPC的孔隙率，当添加量为5wt.％时，孔隙率最小，其抗压强度是最高的，表面形成的片状HA最多，

5、无论是添加HCTTCP还是LCTTCP，骨水泥最终产物的孔隙率的变化规律与抗压强度变化规律成反比，但是添加HCTTCP的骨水泥性能更加优良。

实施例2

α-TCP、HCTTCP、LCTTCP的制备方法同实施例1。采用以α-TCP与DCPD(国药)摩尔比为2:1的混合粉末为CPC原料，以含有6wt.％柠檬酸与0.5mol/LNa₂HPO₄的水溶液为液相，其pH为4.42，按4.81wt.％的HCTTCP(自制，结晶度eee>90％)和0.19wt.％的LCTTCP(自制，结晶度eee<40％)的比例均匀添加到CPC原料中，采用液固比为0.4ml/g快速调和成均匀膏状物，将膏状物快速填充到φ6mm*12mm的模具中塑型，一定时间后脱模将试样放入温度为37℃，相对湿度为100％的环境下固化，待其固化完全即得到CPC固化产物，装袋保存。抗压强度检测结果表明TTCP/CPC固化产物的抗压强度为10.1MPa。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种自固化磷酸钙骨修复材料，其特征在于，由如下原料制成：磷酸钙粉末、固化液；其中，磷酸钙粉末中添加有TTCP。

2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述TTCP的添加量为2wt.％～8wt.％。

3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述TTCP为HCTTCP(结晶度eee>90％)和/或LCTTCP(结晶度eee<40％)。

4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述磷酸钙粉末还包括：α-TCP、DCPD。

5.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述固化液为含有柠檬酸与Na₂HPO₄的水溶液。

6.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述水溶液中，柠檬酸的含量为4-8wt.％。

7.如权利要求1所述的材料，其特征在于，所述水溶液中，Na₂HPO₄的浓度为0.5mol/L。

8.一种自固化磷酸钙骨修复材料的制备方法，其特征在于，包括：

向α-TCP与DCPD的混合粉末中添加一定量的HCTTCP(结晶度eee>90％)和/或LCTTCP(结晶度eee<40％)，制得磷酸钙粉末；

将柠檬酸与Na₂HPO₄溶解于水溶液中，制得固化液；

将上述磷酸钙粉末与固化液混合均匀，固化成型，即得CPC固化产物。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷酸钙粉末与固化液的液固比为0.4ml/g。

10.TTCP在改性CPC的力学性能中的应用。