CN109721040A - 一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能生物医学用α‑磷酸三钙的制备方法，其采用水玻璃、稀土物质、可溶性镁盐等为原料，合理调节各离子的配比和反应参数，通过高温水热反应制得改性硅酸镁铝助剂，并将其参与二水磷酸氢钙和碳酸钙的化学反应，从而制得纯净度高的α‑磷酸三钙纳米粉体材料。所制备的α‑磷酸三钙纳米粉体材料通过3D打印方式可制得力学机械性能优异、孔隙结构丰富的骨材料成品，其工业应用前景极为广阔。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种高性能生物医学α-磷酸三钙的制备方法，属于3D打印材料制备技术领域。
【背景技术】
随着全球人口老龄化日益严重和骨骼损伤不断涌现，研制具有优异力学性能和良好生物相容性的人工骨组织材料显得尤为重要。其中，磷酸钙生物骨水泥(CPC)是现代最常用的骨材料种类之一。当下通过3D打印技术将磷酸钙骨水泥制成任意形状的骨修复移植材料，是人工医用骨组织材料领域主流手段之一，已被众多发达国家广泛用于临床骨替换与修复。磷酸钙生物骨水泥种类众多，按最终水化产物的不同主要可分为磷酸氢钙类和羟基磷灰石类。在众多磷酸钙生物骨水泥中，α-磷酸三钙(α-TCP)由于其最终水化产物羟基磷灰石的结构形态及组成与骨组织极为相似，且其力学机械性能相对较高，因而业已得到广泛应用。α-TCP/3D打印材料能根据骨缺损的形状任意塑形，与骨缺损外形适应性强，适合临床操作的要求，是一种发展前景良好的骨修复移植材料，其不仅研究较为成熟，而且已广泛投入临床医学应用。
目前人们主要是通过高温固相烧结法制备α-TCP，通过控制反应原料与制备工艺(比如焙烧温度与时间、冷却速度等)来实现反应的进行和晶相的转变，从而制备纯净的α-TCP纳米粉体。TCP在1170℃左右存在α相与β相之间转变：在室温下稳定存在的为β相，而α相则稳定存在于1170℃以上。因此，现有技术手段很难获得纯净α-TCP晶型，这是当前最大的关键技术难题。另外，现有技术手段制备的α-TCP的孔隙率比较低，导致骨细胞生存的三维空间较少，不利于骨细胞的增殖，从而极大不利于骨缺损的修复。因此，如何能够制备高纯净度、高孔隙结构、高生物相容性α-磷酸三钙是当今国内行业迫切所要解决的技术难题。
【发明内容】
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种高纯净度、高孔隙结构和高生物相容性的高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，该α-磷酸三钙适用于生物医学用3D打印材料。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：
一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于采用改性硅酸镁铝助剂参与反应，所述改性硅酸镁铝助剂由下列质量份数的原料组分制备：
a、将1～5份稀土物质和10～50份水玻璃加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1～5份氟盐、1～5份稀土物质和30～60份可溶性镁盐加到500份纯水中并充分搅拌均匀，再加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、升温至150～200℃并保温反应2～4h；之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在60～90℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂。
本发明中的稀土物质为Ce(NO3)3、Ce2(SO4)3、CeCl3、Dy(NO3)3、Dy2(SO4)3、DyCl3、Sr(NO3)2、SrSO4、SrCl2中的一种或几种。
本发明中，水玻璃的模数不小于3.1。
本发明中的氟盐为氟化钠、氟化锂和氟硅酸钠中的一种或几种。
本发明中的可溶性镁盐为氯化镁、硫酸镁、硝酸镁中的一种或几种。
本发明α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照1：3～3：1摩尔比混合，再加入所述的改性硅酸镁铝助剂，研磨5～8h后，再于800～1000℃下焙烧2～3h，然后冷却至室温即得α-磷酸三钙。
其中的改性硅酸镁铝助剂用量为二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量的0.01～0.05％。
本发明中，首先稀土物质和水玻璃在水中逐渐通过水化和盐析的作用生成稀土离子/SiO2凝胶；随后加入的稀土物质和可溶性镁在F-的矿化催化及水化和盐析的作用下逐渐变成稀土离子/Mg(OH)2，并以稀土离子/SiO2凝胶为模板而逐渐堆垛形成层状；之后在水热高温条件下不断老化、结晶、熟化直至生成类似于硅酸镁铝(蒙脱石)的层状结构。但是，该层状结构具备不同于常规硅酸镁铝的全新层状化学结构：其由上下两层的稀土离子/Si-O四面体中间夹一层稀土离子/Mg-O三八面体；稀土离子/Si-O四面体呈现负电荷，而稀土离子/Mg-O三八面体呈现正电荷，正负电荷数量相等，因而其层状结构电荷为零。
本发明相对于现有技术而言，有益效果如下：
(1)在本发明技术方案中，通过高温水热反应制得改性硅酸镁铝助剂虽然电荷为零，但其在高温固相反应过程中会在热的作用下膨胀直至剥片，然后剥离状态的片晶充分包裹α-TCP晶体，从而完全阻止产物在降温阶段转变成β-TCP，因此能够在比较温和的条件下获得纯净的α-TCP(现有技术高温固相温度需要高达1300℃，且必须采取液氮急冷等严苛的冷却条件)。
(2)由于改性硅酸镁铝助剂高温固相反应阶段的包裹作用，从而使得α-TCP的孔隙结构更加发达丰富(提供骨细胞足够多的生存三维空间，使之不断地顺利增殖，显著达到修复骨缺损的目的)，其孔径和空隙率与人体原生骨更加接近(即骨诱导作用更加优良)，并且生物相容性好，植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎症和毒性反应。
(3)本发明技术所制备的α-TCP纳米粉体通过3D打印技术所制备的骨材料成品的力学机械性能优异，明显高于常规α-TCP。
(4)现有技术高温固相烧结法的前驱体必须是二水磷酸氢钙与碳酸钙按照化学计量比的2：1摩尔比混合，否则α-TCP的杂质很多，完全无法使用。而本技术由于改性硅酸镁铝助剂高温固相反应阶段的包裹作用，因此二水磷酸氢钙与碳酸钙无需严格按照2：1摩尔比混合(1：3～3：1即可)，即本发明技术可操作性极大地增强，极其利于实际生产操作。
【具体实施方式】
一种α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于采用改性硅酸镁铝助剂参与反应，所述改性硅酸镁铝助剂由下列质量份数的原料组分制备：
a、将1～5份稀土物质和10～50份水玻璃加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1～5份氟盐、1～5份稀土物质和30～60份可溶性镁盐加到500份纯水中并充分搅拌均匀，再加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、升温至150～200℃并保温反应2～4h；之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在60～90℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂；
d、将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照1：3～3：1摩尔比混合，再加入二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量0.01～0.05％的改性硅酸镁铝助剂，研磨5～8h后，再于800～1000℃下焙烧2～3h，然后冷却至室温即得α-磷酸三钙。
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细介绍，实施例中的份数均为质量份。
实施例1：
制备α-磷酸三钙3D，步骤如下：
a、将1份Ce(NO3)3和10份水玻璃(模数3.1)加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1份氟化钠、1份Dy2(SO4)3、30～60份氯化镁加到500份纯水中并充分搅拌均匀，然后加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、再升温至150℃并保温反应2h；之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在60℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂；
d、将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照1：3摩尔比混合，再加入步骤c制得的改性硅酸镁铝助剂(用量为二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量的0.01％)，先研磨5h，再于800℃下焙烧2h，然后冷却至室温即制得改性α-磷酸三钙A。
实施例2：
制备α-磷酸三钙3D，步骤如下：
a、将3份Ce2(SO4)3、2份Dy(NO3)3、50份水玻璃(模数3.4)加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将2份氟化锂、3份氟硅酸钠、2.5份CeCl3、2.5份Sr(NO3)2、30份硫酸镁、30份硝酸镁加到500份纯水中并充分搅拌均匀，然后加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、再升温至200℃并保温反应4h，之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在90℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂；
d、将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照3：1摩尔比混合，再加入步骤c所制备的改性硅酸镁铝助剂(用量为二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量的0.05％)，先研磨8h，再于1000℃下焙烧3h，然后冷却至室温即制得改性α-磷酸三钙B。
实施例3：
制备α-磷酸三钙3D，步骤如下：
a、将1份CeCl3、2份Dy(NO3)3、1份SrSO4、10份水玻璃(模数为3.2)、10份水玻璃(模数为3.3)、10份水玻璃(模数为3.4)加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1份氟化钠、0.5份氟化锂、1.5份氟硅酸钠、1份Ce2(SO4)3、0.5份DyCl3、1份SrCl2、20份氯化镁、15份硫酸镁、10份硝酸镁加到500份纯水中并充分搅拌均匀，然后加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、再升温至160℃并保温反应3h，之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在70℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂；
d、将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照1：1摩尔比混合，再加入步骤c所制备的改性硅酸镁铝助剂(用量为二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量的0.02％)，先研磨6h，再于900℃下焙烧2.5h，然后冷却至室温即得改性α-磷酸三钙C。
实施例4：
制备α-磷酸三钙3D，步骤如下：
a、将1份CeCl3、1份DyCl3、0.5份Sr(NO3)2、0.8份SrSO4、8份水玻璃(模数为3.1)、8份水玻璃(模数为3.2)、7份水玻璃(模数为3.3)、11份水玻璃(模数为3.4)加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1份氟化钠、0.2份氟化锂、1.3份氟硅酸钠、0.5份Ce2(SO4)3、0.9份Dy(NO3)3、0.7份DyCl3、0.8份Sr(NO3)2、20份氯化镁、10份硫酸镁、10份硝酸镁加到500份纯水中并充分搅拌均匀，然后加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、再升温至190℃并保温反应3.5h，之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在80℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂；
d、将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照2：1摩尔比混合，再加入步骤c所制备的改性硅酸镁铝助剂，先研磨7h，再于900℃下焙烧2.5h，然后冷却至室温即制得改性α-磷酸三钙D。
将改性α-磷酸三钙A～D、进口α-磷酸三钙(型号：Objet-C2，美国3D system公司生产)作为粉末材料分别与0.1moL·L-1柠檬酸稀溶液(粘结溶液)通过3D打印制备10mm×10mm×10mm的实体成品1#～5#，再进行相关测试，结果如表1所示。3D打印实验条件：Z 310型3D打印机(美国Z Corporation公司)、压电间歇式打印喷头共128个孔(直径约为0.05mm)、层厚设为0.175mm、饱和度设为0.7。
表1:3D打印实体成品的测试结果
由表1对比测试数据可知，采取本发明技术方案制备的改性α-磷酸三钙纯净度不低于96％(进口α-磷酸三钙低于90％)；由此为粉末材料所获得的3D打印成品的孔隙率高于10％(进口α-磷酸三钙仅为6.4％)，表明骨诱导作用和生物相容性好，利于骨细胞顺利扩散生长；而且比进口α-磷酸三钙具有更高的弯曲强度和抗压强度，力学机械性能优良，极其适用于实际临床医学应用，应用前景十分光明。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于采用改性硅酸镁铝助剂参与反应，所述改性硅酸镁铝助剂由下列质量份数的原料组分制备：
a、将1～5份稀土物质和10～50份水玻璃加到500份纯水中并充分搅拌均匀；
b、将1～5份氟盐、1～5份稀土物质和30～60份可溶性镁盐加到500份纯水中并充分搅拌均匀，再加到步骤a所制备的溶液中并充分搅拌均匀；
c、升温至150～200℃并保温反应2～4h，之后停止反应出料，将反应液过滤并充分洗涤，再将滤饼在60～90℃下充分干燥，即得改性硅酸镁铝助剂。
2.根据权利要求1所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于所述的稀土物质为Ce(NO3)3、Ce2(SO4)3、CeCl3、Dy(NO3)3、Dy2(SO4)3、DyCl3、Sr(NO3)2、SrSO4、SrCl2中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于所述水玻璃的模数不小于3.1。
4.根据权利要求1所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于所述的氟盐为氟化钠、氟化锂和氟硅酸钠中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于所述的可溶性镁盐为氯化镁、硫酸镁、硝酸镁中的一种或几种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将二水磷酸氢钙与碳酸钙按照1：3～3：1摩尔比混合，再加入所述的改性硅酸镁铝助剂，研磨5～8h后，再于800～1000℃下焙烧2～3h，然后冷却至室温即得α-磷酸三钙。
7.根据权利要求6所述的一种高性能生物医学用α-磷酸三钙的制备方法，其特征在于所述的改性硅酸镁铝助剂用量为二水磷酸氢钙与碳酸钙总质量的0.01～0.05％。
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