CN109251024A - 多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法 - Google Patents

多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多孔硅酸钙/β‑磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法，具体地，本发明的方法包括CS粉和β‑TCP粉物理混合、固相造孔、干压成型等步骤。本发明制备得到的生物陶瓷材料具有高通孔特性、高孔隙率和血液高速浸润特性,可以用作硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料，以满足新一代生物材料发展的需要。此外，本发明的制备方法操作步骤少、简单易行、成本低、便于推广。

Description

多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有高通孔特性和高孔隙率的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法，属于生物材料领域。
背景技术
生物陶瓷是可作为特定的生物或生理功能应用于人体或与人体直接相关的生物材料，生物陶瓷具备优异的力学性和生物相容性、与机体亲和性强、耐侵蚀、抗血栓及很好的物理、化学稳定性等诸多优势。生物陶瓷作为临床上最常用的人工合成骨替代材料，已广泛应用于临床人工牙根、颌面重建和牙槽嵴增高等修复治疗，具有特定的生物或生理功能。
目前关于生物陶瓷的研究也较多。例如，黄翔等人(中国专利号ZL 02110847. 1)用化学方法制备出硅酸钙/磷酸三钙复合粉体，其采取的工艺路线是先制备出自一磷酸三钙粉体，然后将β-磷酸三钙粉体分散于含钙离子的水溶液中，形成悬浮液，之后在搅拌下将含硅的水溶液加入到上述悬浮液中，生成硅酸钙/β- 磷酸三钙复合粉体的前驱物，最后洗涤、烘干、般烧后得到硅酸钙/自磷酸三钙复合粉体。之后，将制备得到的复合粉体干压并等静压成型后于1300-1400℃下锻烧制得硅酸钙/磷酸三钙复合的生物活性陶瓷材料。这种制备粉体的方法同样如下的缺点:第一，在制备复合粉体之前，需要先制备分散性良好的β-磷酸三钙粉体，否则将导致制备得到的复合粉体混合不均匀，并影响陶瓷烧结体的力学强度；第二，制备自一磷酸三钙粉体也需要经过沉淀、陈化、多次充分洗涤和过滤、干燥等工艺，之后在β-磷酸三钙粉体的悬浮液中沉淀生成硅酸钙粉体后还要再次进行相同的沉淀、陈化、多次充分洗涤和过滤、干燥等工艺；第三，由于是在β-磷酸三钙粉体的悬浮液中沉淀生成硅酸钙粉体，同时与悬浮液中的自-磷酸三钙粉体形成复合，由于在常规的搅拌工艺条件下，也将进一步导致β -磷酸三钙和硅酸钙两种成分不能均匀复合的缺点，从而进一步影响陶瓷烧结体的力学强度；第四，在制备复合陶瓷时，在1300-1400℃下进行烧结，这种烧结温度远大于硅酸钙和β-磷酸三钙的烧结温度，并不可避免地导致其中的β-磷酸三钙成分的物相全部转化为α-磷酸三钙物相，正如上面已经描述的α-磷酸三钙过快的降解速度也限制了该类材料在临床中的应用；第五，由于粉体的复合程度不均匀、烧结活性不好、烧结过程中温度过高导致的相变等原因，导致制备得到的复合陶瓷的力学强度不好，影响了更广泛的临床应用，特别是在力学承载要求较高的场合下受到限制。因此，该发明工艺具有工艺流程长、费时、能耗高、制备得到的粉体的复合程度不够均匀、复合粉体的烧结活性低，以及物相转变和制备得到的陶瓷烧结体力学强度低等缺点。
因此，本领域尚需要开发一种更加简单易行且能够制备出性能优异的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备高通孔特性、高孔隙率的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的方法。
本发明的第一方面提供了一种多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供CS粉和β-TCP粉，将两者进行物理搅拌混合，从而得到第一复合物，其中，所述的CS粉和β-TCP粉的质量比为90︰10～10︰90；
(2)提供一经过预处理的PVA溶液，将其与步骤1)的第一复合物进行混合，从而得到第二复合物；
(3)提供一造孔剂，将其与步骤2)的第二复合物进行混合，从而得到第三复合物；
(4)使用压片机对第三复合物进行压制，得到素坯，将所得素坯置于常温下干燥12小时以上；和
(5)将干燥后的素坯置于1000～1200℃温度下煅烧1～4小时，从而得到多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料。
在另一优选例中，所述的经过预处理的PVA溶液通过以下处理方法得到：
在60～90℃水浴下，PVA粉末溶于水，将配置好的PVA溶液于0～10℃温度下保存1～7天。
在另一优选例中，所述的PVA溶液的质量浓度为5～15％。
在另一优选例中，所述的第一复合物与所述的PVA溶液质量比为5～15％。
在另一优选例中，所述的造孔剂与所述的第二复合物质量比为1～2。
在另一优选例中，所述的CS粉粒径为10～45μm，和/或所述的β-TCP粉粒径为10～38μm。
在另一优选例中，所述的造孔剂选自下组：PEG、PVA、碳粉、田菁粉、或其组合。
在另一优选例中，步骤4)中使用压片机对第三复合物进行压制，采用的压力范围为1～6MPa。
在另一优选例中，所述的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料具有选自以下一项或多项的特征：
(1)孔隙率为50～90％；
(2)孔径为350～500μm；和
(3)抗压强度范围为1-10MPa。
本发明的第二方面提供了一种多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料，所述的陶瓷材料通过如本发明第一方面所述的制备方法制备得到。
应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例) 中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1.本发明生物陶瓷制备工艺流程图。
图2.本发明实际制备出的样品；其中，(A)为颗粒形样品，(B)为条形样品。
图3.本发明样品与血液接触后情况以及微观形貌；其中，(A)为条形样品完全浸润血液的整体结构数码照片，(B)为条形样品完全浸润血液后的截面数码照片，(C)为条形样品完全浸润血液的表面光学显微镜照片。
图4.本发明样品在电子显微镜下显示的多孔结构以及晶体结构照片。
图5.本发明样品与市面销售的其他产品之间亲润性试验对比照片。
A是国内β-TCP与羟基磷灰石(HA)复合人工骨产品。
B是国内HA人工骨产品。
C是美国人工骨产品。
D是引用本发明相关造孔技术研发的HA人工骨样品。
E是本发明技术样品。
图6.本发明制备方法的高温烧结步骤中的烧结升温曲线。
具体实施方式
本发明人经过长期而深入的研究，开发了一种新的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷的制备方法，本发明的制备方法工艺简单、环保、可操作性强，且获得的陶瓷样品孔隙率大、在血液中完全浸润时间短、浸润速率高、并且还具有良好的力性能。基于上述发现，发明人完成了本发明。
本发明制备方法
图.1为产品生产的工艺流程图，具体实际操作步骤如下：
A.原料混合：首先将购买的CS(硅酸钙，calcium silicate)粉与β-TCP(β -磷酸三钙，β-Tricalcium phosphate)粉按一定比例于烧杯中进行物理搅拌混合，该过程需要约20min。
B.粘结剂配制：聚乙烯醇(PVA)的粘度起到关键的作用，将PVA粉末 90℃水浴下溶于水中，配好的PVA溶液于冰箱保存且期限为7天。
C.添加粘结剂：将混合好的复合粉料与PVA溶液粘结剂进行搅拌混合，使复合粉尽量均匀地接触粘结剂，该搅拌过程约为15min。混料搅拌过程中，搅拌速度不可过快，搅拌力度应均匀。
D.添加造孔剂：接着加入一定比例的造孔剂PEG，继续混匀，混匀后的粉料成球粒状，复合细粉少见，该过程搅拌时间约为10min。
E.压制成型：最后使用压片机将混合均匀后的粉料压制成特定形状的素坯。素坯压制成型中，压力不可过高也不可过低，否则造成脱模困难或外观结构不稳定。压制好的素坯会含有一定量的水分，该分水量可能会在烧结过程中造成结构收缩不稳定，因此素坯须在室温下放置12h以上。
F.高温烧结成孔：最后进行高温烧结成陶瓷样品，烧结升温曲线见图6。样品烧结完成后应密封保存，避免长时间暴露于空气中。稳定工艺参数后，进行工艺扩大试验，最终得到合格稳定的产品。图2至4展示了本发明制备出的样品的宏观形貌、微观结构以及与血液接触后的情况。
用途
本发明的生物陶瓷材料可用作硬组织材料(牙齿，骨骼等)和细胞支架材料，用于促进骨修复和/或生长的细胞，用作药物载体材料。
本发明的主要优点包括：
(1)与现有技术相比，本发明的制备方法，操作简单，条件温和，环境友好，是一条可用于工业化生产的路线；
(2)本发明制备所得的生物陶瓷样品孔隙率高达90％，通孔率高达83％，血液浸润速率更是达到34mm3/s，远远大于现有技术的生物陶瓷材料浸润速率；
(3)本发明制备所得的生物陶瓷材料还具有优良的力学性能。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则百分比和份数按重量计算。
实施例1
取CS(硅酸钙，calcium silicate)粉与β-TCP(β-磷酸三钙,β-Tricalciumphosphate)粉按3:7的比例于烧杯中进行物理搅拌混合，混合过程持续约20min，得到复合粉料。取PVA粉末，将PVA粉末90℃水浴下溶于水中，配制成质量浓度为6％的溶液，配好的PVA溶液于冰箱保存且期限为7天。将混合好的复合粉料与PVA溶液粘结剂进行搅拌混合，PVA溶液的添加量为复合粉料的3wt％，使复合粉尽量均匀地接触粘结剂，该搅拌过程约为15min。混料搅拌过程中，搅拌速度不可过快，搅拌力度应均匀。接着加入造孔剂PEG，PEG的添加量为复合粉料质量的2倍，继续混匀，混匀后的粉料成球粒状，复合细粉少见，该过程搅拌时间约为10min。最后使用压片机将混合均匀后的粉料压制成特定形状的素坯。素坯压制成型中，压力采用3MPa。压制好的素坯在室温下放置12h以上进行干燥。
最后将干燥后的素坯高温烧结成陶瓷样品I，烧结升温曲线见图6。样品烧结完成后应密封保存，避免长时间暴露于空气中。陶瓷样品I的性能评价见表2。
实施例2
取CS(硅酸钙，calcium silicate)粉与β-TCP(β-磷酸三钙,β-Tricalciumphosphate)粉按5:5的比例于烧杯中进行物理搅拌混合，混合过程持续约20min，得到复合粉料。取PVA粉末，将PVA粉末90℃水浴下溶于水中，配制成质量浓度为8％的溶液，配好的PVA溶液于冰箱保存且期限为7天。将混合好的复合粉料与PVA溶液粘结剂进行搅拌混合，PVA溶液的添加量为复合粉料的5wt％，使复合粉尽量均匀地接触粘结剂，该搅拌过程约为15min。混料搅拌过程中，搅拌速度不可过快，搅拌力度应均匀。接着加入造孔剂PEG，PEG的添加量为复合粉料质量的2倍，继续混匀，混匀后的粉料成球粒状，复合细粉少见，该过程搅拌时间约为10min。最后使用压片机将混合均匀后的粉料压制成特定形状的素坯。素坯压制成型中，压力采用4MPa。压制好的素坯在室温下放置12h以上进行干燥。最后将干燥后的素坯高温烧结成陶瓷样品II。陶瓷样品II的性能评价见表2。
实施例3
取CS(硅酸钙，calcium silicate)粉与β-TCP(β-磷酸三钙,β-Tricalciumphosphate)粉按7:3的比例于烧杯中进行物理搅拌混合，混合过程持续约20min，得到复合粉料。取PVA粉末，将PVA粉末90℃水浴下溶于水中，配制成质量浓度为10％的溶液，配好的PVA溶液于冰箱保存且期限为7天。将混合好的复合粉料与PVA溶液粘结剂进行搅拌混合，PVA溶液的添加量为复合粉料的7.5wt％，使复合粉尽量均匀地接触粘结剂，该搅拌过程约为15min。混料搅拌过程中，搅拌速度不可过快，搅拌力度应均匀。接着加入造孔剂PEG，PEG的添加量为复合粉料质量的1.5倍，继续混匀，混匀后的粉料成球粒状，复合细粉少见，该过程搅拌时间约为10min。最后使用压片机将混合均匀后的粉料压制成特定形状的素坯。素坯压制成型中，压力采用6MPa。压制好的素坯在室温下放置12h 以上进行干燥。最后将干燥后的素坯高温烧结成陶瓷样品III。陶瓷样品III的性能评价见表2。
表1.实施例1-3中各物料占比以及采用的压制压力
表2为实施例1-3制备所得陶瓷材料的性能参数，孔径为SEM所测，抗压强度为万能力学仪所测，孔隙率、通用率为阿基米德法所测。
表2.实施例1-3的性能参数
对比例1
E与D的制备方法相同，而原料不同，D的原料为HA粉，E的原料为TCP粉和CS粉。
产品D的制备方法如下：称取适量的HA(羟基磷灰石，hydroxyapatite)粉。取PVA粉末，将PVA粉末90℃水浴下溶于水中，配制成质量浓度为6％的溶液，配好的PVA溶液于冰箱保存且期限为7天。将称好的HA粉与PVA溶液粘结剂进行搅拌混合，PVA溶液的添加量为HA粉的3wt％，使HA粉尽量均匀地接触粘结剂，该搅拌过程约为15min。混料搅拌过程中，搅拌速度不可过快，搅拌力度应均匀。接着加入造孔剂PEG，PEG的添加量为HA粉质量的2倍，继续混匀，混匀后的粉成球粒状，HA细粉少见，该过程搅拌时间约为10min。最后使用压片机将混合均匀后的粉料压制成特定形状的素坯。素坯压制成型中，压力采用 3MPa。压制好的素坯在室温下放置12h以上进行干燥。最后将干燥后的素坯高温烧结成陶瓷样品D。样品烧结完成后应密封保存，避免长时间暴露于空气中。
样品血液浸润性对比
样品E为根据本发明制备方法制备得到的生物陶瓷样品，完全浸润所需时间越短说明样品通孔性越好，血液浸润性越好，对于未来临床实际使用具有重要意义。
实验中所表述A、B、C、D对照样品分别为：
A:国内市场购买β-TCP与HA复合人工骨产品；
B:国内市场购买HA人工骨产品；
C:美国Biomatlante人工骨产品资料；
D:引用本发明相关造孔技术研发的HA人工骨样品。
浸润性测试方法
如图中所示，将规则条形样品(5*5*20mm)一端立于等量血液中，从接触的那一刻开始计时指导全部样品被浸润为止。其中样品A、B、D样品浸润性试验是由发明人设计并测试，样品C为官方公开数据。具体测试结果见表3和图 5。
测试样品之间的技术区别：
(1)成分上：如表3所示
(2)制备方法：A为商业购买所得，制备方法未知
B为商业购买所得，制备方法未知
C未查的相关制备方法
D根据本发明技术方法制得
表3
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种多孔硅酸钙(CS)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合相生物陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供CS粉和β-TCP粉，将两者进行物理搅拌混合，从而得到第一复合物，其中，所述的CS粉和β-TCP粉的质量比为90︰10～10︰90；
(2)提供一经过预处理的PVA溶液，将其与步骤1)的第一复合物进行混合，从而得到第二复合物；
(3)提供一造孔剂，将其与步骤2)的第二复合物进行混合，从而得到第三复合物；
(4)使用压片机对第三复合物进行压制，得到素坯，将所得素坯置于常温下干燥12小时以上；和
(5)将干燥后的素坯置于1000～1200℃温度下煅烧1～4小时，从而得到多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料。
2.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的经过预处理的PVA溶液通过以下处理方法得到：
在60～90℃水浴下，PVA粉末溶于水，将配置好的PVA溶液于0～10℃温度下保存1～7天。
3.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的PVA溶液的质量浓度为5～15％。
4.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的第一复合物与所述的PVA溶液质量比为5～15％。
5.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的造孔剂与所述的第二复合物质量比为1～2。
6.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的CS粉粒径为10～45μm，和/或所述的β-TCP粉粒径为10～38μm。
7.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的造孔剂选自下组：PEG、PVA、碳粉、田菁粉、或其组合。
8.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中使用压片机对第三复合物进行压制，采用的压力范围为1～6MPa。
9.如权利要求1中所述的制备方法，其特征在于，所述的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料具有选自以下一项或多项的特征：
(1)孔隙率为50～90％；
(2)孔径为350～500μm；和
(3)抗压强度范围为1-10MPa。
10.一种多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复合相生物陶瓷材料，其特征在于，所述的陶瓷材料通过如权利要求1中所述的制备方法制备得到。
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US20080069852A1 (en) * 2006-01-19 2008-03-20 Shimp Lawrence A Porous osteoimplant
CN105999400A (zh) * 2016-07-14 2016-10-12 上海交通大学 用于促成骨成血管的CS/β-TCP多孔复合材料及其制备方法

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