CN108975737B - 一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥及其制备方法，其基于天然仿生调控的原理，以鲍鱼壳粉和CaSO₄·2H₂O为主要原料，在添加少量结晶剂的情况下，采用高温反应釜水热法和震动共混法，制得鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体，其中，鲍鱼壳粉的使用为系统引入生物活性分子，并为骨生长因子提供层层自组装矿化结构；CaSO₄·2H₂O的加入，可利用CaSO₄·2H₂O和CaSO₄·1/2H₂O晶体之间的相互转化，形成可控形状、结构致密且具有承重性的硫酸钙承重骨架，且其制备方法简单，条件温和，操作便捷，无毒无害，原料易得，成本较低，易于推广。

Description

一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥及其制备方法

技术领域

本发明属于生物材料制备技术领域，具体涉及一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥及其制备方法。

背景技术

福建省连江县属亚热带海洋性季风气候，四季温和，物产丰饶，具有优越的海域环境条件。鲍鱼产业一直是连江县最大的渔业支柱产业和特色产业。2010年，连江县就被授予“中国鲍鱼之乡”的称号。鲍鱼味道鲜美，营养丰富，是中国传统的名贵食材，位居四大海味之首，是中国经典国宴菜之一。因此，古今中外有越来越多的人喜爱食用鲍鱼制品。然而，人们在取食其肉的同时，却将鲍鱼壳随意丢弃，这给环境造成了很大的压力。

鲍鱼壳是由无机碳酸钙和有机活性因子组成的结合体，虽然有机活性因子含量小于5%，但它是控制和指导软体动物壳矿化过程中的重要因素。在有机因子指导下碳酸钙层层堆砌，形成了高度有序的精密复合体，这与人类骨骼形成过程中，生长因子指导羟基磷灰石堆积矿化形成复杂的结合体有着相似的作用。因此，从天然仿生角度出发，鲍鱼壳可作为骨骼修复和填充的天然原材料。同时，鲍鱼壳在生物医药方面的再利用，也可以缓解环境压力，达到天然资源再利用的目的，将鲍鱼壳推向高值化利用的发展方向。

CaSO₄·2H₂O俗称生石膏，为天然矿物，在100℃左右的高温下可脱水成熟石膏（CaSO₄·1/2H₂O），CaSO₄·1/2H₂O加水调和后具有流动性和可塑性，可以根据创伤需要制备成不同的形状，并且在一定的时间内就会凝固成结构致密且有一定承重性的二水硫酸钙，硫酸钙具有良好的生物相容性、可降解吸收性和骨传导性，可作为骨移植和骨填充替代材料，有效地治疗骨缺损和骨不连。

发明内容

本发明的目的在于提供一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥及其制备方法，其是从资源再利用和天然仿生角度出发，利用鲍鱼壳粉与硫酸钙结合制备出鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥，其方法简单，条件温和，操作便捷，无毒无害，原料易得，成本较低，易于推广。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥，其是以鲍鱼壳粉和CaSO₄·2H₂O为主要原料，在添加少量结晶剂的情况下，采用水热法和震动共混法制得。

所述鲍鱼壳粉是用电锉刀将鲍鱼壳外层去除后，将内层粉碎研磨至过100目筛制得；所用鲍鱼壳来源于澳洲鲍、杂色鲍、褶鲍、羊鲍、耳鲍、皱纹盘鲍、白鲍中的一种或几种。

所述鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥的制备方法具体包括以下步骤：

（1）将CaSO₄·2H₂O加入到超纯水中，磁力搅拌1~2h，得浓度为0.25g/mL的悬浮液；

（2）将结晶剂溶于步骤（1）制得的悬浮液中，磁力搅拌1~2h使其充分溶解，得混合液；

（3）将步骤（2）所得混合液转移到高压反应釜中，放入烘箱进行水热反应，其反应温度为90~150℃，时间为6~24h；反应结束后立即取出反应釜，沸水抽滤后立即转移进已事先升温的烘箱中，90~130℃进行干燥，至完全干燥后得CaSO₄·1/2H₂O粉末；

（4）用触发式震动仪将制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末与鲍鱼壳粉震动混合均匀，即得活性骨水泥粉末，其中鲍鱼壳粉的含量为7wt%~35wt%。

步骤（2）中所述结晶剂为马来酸、草酸钾、柠檬酸钠、丁二酸等有机结晶剂，或硫酸铜、硫酸镁、氯化钙、硫酸铝等无机结晶剂中的任意一种或几种；其加入量为所用CaSO₄·2H₂O的2wt%~3wt%。

使用时，在所得骨水泥粉末中加入浓度为0.9wt%的盐水调和，于37℃、80~90%的恒温恒湿箱中放置10~30min至终凝后，即得到具有一定承重性的活性骨水泥块体。所用盐水的体积与水泥粉末的重量之比为0.6~1.2 ml/g。

本发明从天然仿生角度出发，添加天然原料鲍鱼壳，为体系引入天然有机活性因子，以调控骨骼中无机质的结晶生长和排列，同时，鲍鱼壳无机质碳酸钙层层堆砌的精密结构，为人体中骨形成活性因子提供了良好的天然结构，为骨再生提供了良好的天然条件；利用CaSO₄·2H₂O和CaSO₄·1/2H₂O之间的晶体转化，形成可控形状、结构致密且具有承重性的硫酸钙承重骨架。

本发明以CaSO₄·2H₂O为原料，添加少量结晶剂，制备的CaSO₄·1/2H₂O粉体结晶性好，晶型稳定，在添加鲍鱼壳粉共混的条件下，加水调和具有良好的流动性和适中的终凝时间，凝固后形成致密的网络浆砂结构，具有良好的机械强度和稳定性。

本发明利用高压反应釜水热法和共混法制备鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥，其原料易得，条件温和，操作简单，所得鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥生物相容性、可降解吸收性和骨传导性良好，有望在不同的骨齿修复等医疗场合得到应用。

本发明鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥相对于其他骨修复材料方法有以下优点：

（1）以鲍鱼壳粉为主要原料，实现天然原料再利用，节约成本，缓解环境压力，实现资源高值化利用；以CaSO₄·2H₂O为主要原料，利用CaSO₄·2H₂O和CaSO₄·1/2H₂O晶体转化的便利性，可制备出宏观可控形状的骨水泥凝结物，原料易得，成本低廉；

（2）使用水热合成法制备可固化的CaSO₄·1/2H₂O，其结晶性好，晶型稳定，方法简单，条件易于控制；

（3）本发明骨水泥的制备中仅添加少量的结晶剂，无其它交联物质添加，产物较纯，无毒副作用，且生物相容性良好；

（4）本发明制备出的骨水泥粉体具有流动性，凝固时间适中，操作简便，用途广泛。

附图说明

图1为实施例3制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末的扫描电子显微图。

图2为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体的XRD图像。

图3为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体的红外谱图。

图4为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体加盐水固化后的扫描电子显微图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1

1）将10g CaSO₄·2H₂O加入到50ml烧杯中，加入40ml超纯水，磁力搅拌1h，制备混合均匀的悬浮液；

2）称取0.2g无机结晶剂CaCl₂和0.08g有机结晶剂丁二酸，将其加入步骤（1）制得的悬浮液中，磁力搅拌1h使其充分溶解，制得混合液；

3）将步骤（2）所得混合液转移到高压反应釜中，放入烘箱中90℃水热反应10h，反应结束后，立即取出反应釜，沸水抽滤后立即转移进事先升温至90℃的烘箱中干燥完全，即得CaSO₄·1/2H₂O粉末；

4）用电锉刀将鲍鱼壳外层去除，将内层粉碎研磨至过100目滤网，获得鲍鱼壳粉；

5）用触发式震动仪将10g制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末与0.7g鲍鱼壳粉震动混合30min，至混合均匀，即得活性骨水泥粉末。

使用时，称取一定量的骨水泥粉末，按盐水体积与骨水泥粉末质量之比为0.7 ml/g进行调和，然后于37℃、80%恒温恒湿箱中放置10min至终凝后，即得到具有一定承重性的活性骨水泥块体。经检测，其抗压强度为12MPa。

实施例2

1）将10g CaSO₄·2H₂O加入到50ml烧杯中，加入40ml超纯水，磁力搅拌2h，制备混合均匀的悬浮液；

2）称取0.2g无机结晶剂CaCl₂和0.08g有机结晶剂丁二酸，将其加入步骤（1）制得的悬浮液中，磁力搅拌2h使其充分溶解，制得混合液；

3）将步骤（2）所得混合液转移到高压反应釜中，放入烘箱中150℃水热反应8h，反应结束后，立即取出反应釜，沸水抽滤后立即转移进事先升温至100℃的烘箱中干燥完全，即得CaSO₄·1/2H₂O粉末；

4）用电锉刀将鲍鱼壳外层去除，将内层粉碎研磨至过100目滤网，获得鲍鱼壳粉；

5）用触发式震动仪将10g制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末与1.2g鲍鱼壳粉震动混合30min，至混合均匀，即得活性骨水泥粉末。

使用时，称取一定量的骨水泥粉末，按盐水体积与骨水泥粉末质量之比为0.7 ml/g进行调和，然后于37℃、80%恒温恒湿箱中放置10min至终凝后，即得到具有一定承重性的活性骨水泥块体。经检测，其抗压强度为14MPa。

实施例3

1）将10g CaSO₄·2H₂O加入到50ml烧杯中，加入40ml超纯水，磁力搅拌1h，制备混合均匀的悬浮液；

2）称取0.2g无机结晶剂CaCl₂和0.08g有机结晶剂丁二酸，将其加入步骤（1）制得的悬浮液中，磁力搅拌1h使其充分溶解，制得混合液；

3）将步骤（2）所得混合液转移到高压反应釜中，放入烘箱中130℃水热反应6h，反应结束后，立即取出反应釜，沸水抽滤后立即转移进事先升温至130℃的烘箱中干燥完全，即得CaSO₄·1/2H₂O粉末；

4）用电锉刀将鲍鱼壳外层去除，将内层粉碎研磨至过100目滤网，获得鲍鱼壳粉；

5）用触发式震动仪将10g制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末与2g鲍鱼壳粉震动混合30min，至混合均匀，即得活性骨水泥粉末。

使用时，称取一定量的骨水泥粉末，按盐水体积与骨水泥粉末质量之比为0.7 ml/g进行调和，然后于37℃、80%恒温恒湿箱中放置10min至终凝后，即得到具有一定承重性的活性骨水泥块体。经检测，其抗压强度为20MPa。

图1为实施例3制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末的扫描电子显微图。从图中可以看出，所制备的CaSO₄·1/2H₂O为结晶性良好的六方柱状晶体，其晶粒尺寸为5~10微米。

图2为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体的XRD图像。从图中可以看出敏锐的半水硫酸钙的特征峰，与鲍鱼壳粉引入的文石和方解石的特征峰。

图3为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体的红外谱图。从图中可以看出，在2500~3000cm^-1处存在甲基/亚甲基基团，说明鲍鱼壳的添加引进了有机物质。

图4为实施例3制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥粉体加盐水固化后的扫描电子显微图。从图中可以看出，固化后形成了互相连接交错的结晶网络结构。

表1为常见骨修复材料与本发明所得鲍鱼壳/硫酸钙骨水泥的抗压强度对比。

表1 不同骨修复材料的抗压强度对比

由表1可见，由于无机刚性粒子鲍鱼壳粉的加入，使本发明所得鲍鱼壳/硫酸钙骨水泥的抗压强度比传统有机物基骨修复支架高出3~4级，也明显高于单纯的硫酸钙支架。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥的制备方法，其特征在于：以鲍鱼壳粉和CaSO₄·2H₂O为主要原料，在添加结晶剂的条件下，采用水热法和震动共混法，制备具有生物活性的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥；其包括以下步骤：

（1）将CaSO₄·2H₂O加入到超纯水中，磁力搅拌1~2h，得悬浮液；

（2）将结晶剂溶于步骤（1）制得的悬浮液中，磁力搅拌1~2h使其充分溶解，得混合液；

（3）将步骤（2）所得混合液转移到高压反应釜中进行水热反应，反应结束后立即取出反应釜，沸水抽滤后立即转移进已事先升温的烘箱中进行干燥，至完全干燥后得CaSO₄·1/2H₂O粉末；

（4）将制得的CaSO₄·1/2H₂O粉末与鲍鱼壳粉震动混合30~120min，至混合均匀，即得活性骨水泥粉末；

步骤（1）中所得悬浮液中CaSO₄·2H₂O的浓度为0.25g/mL；

步骤（2）中所述结晶剂为有机结晶剂马来酸、草酸钾、柠檬酸钠、丁二酸，或无机结晶剂硫酸铜、硫酸镁、氯化钙、硫酸铝中的任意一种或几种；其加入量为所用CaSO₄·2H₂O的2wt%~3wt%；

步骤（3）中水热反应的温度为90~150℃，时间为6~24h；所述干燥的温度为90~130℃；

步骤（4）所得活性骨水泥中鲍鱼壳粉的含量为7wt%~35wt%。

2.根据权利要求1所述的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥的制备方法，其特征在于：所述鲍鱼壳粉是用电锉刀将鲍鱼壳外层去除后，将内层粉碎研磨至过100目筛制得；

所用鲍鱼壳来源于澳洲鲍、杂色鲍、褶鲍、羊鲍、耳鲍、皱纹盘鲍、白鲍中的一种或几种。

3.一种如权利要求1所述方法制得的鲍鱼壳/硫酸钙活性骨水泥。

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