CN113582680A - 一种羟基磷灰石陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

一种羟基磷灰石陶瓷及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种羟基磷灰石陶瓷及其制备方法和应用，其制备方法包括：干压：将粉料装入模具，并在不小于10MPa的静压力下压制成干坯；该粉料至少包括丝素蛋白‑羟基磷灰石复合材料粉末，丝素蛋白‑羟基磷灰石复合材料由羟基磷灰石通过原位矿化法组装在丝素蛋白上制备而成，其中，丝素蛋白和羟基磷灰石的重量比为3:6～8；烧结：以去除干坯中的丝素蛋白，并使羟基磷灰石转变成陶瓷，得到羟基磷灰石陶瓷。本发明制备方法简单，用时短；所得材料具有孔径≤7μm的规整微米孔、孔隙率高且孔间相互连通；具有较高的抗压强度，具有良好的液体渗透性，适用于引导骨组织再生对抗压强度、高孔隙率和高渗透率的要求。

Description

一种羟基磷灰石陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医用材料技术领域骨修复材料领域，特别涉及一种羟基磷灰石陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
人造骨骼移植物的研究在近几年是骨组织工程的研究热点。生物活性陶瓷作为其中一种骨组织工程材料具有与天然骨相似的成分，并具有出色的生物相容性和生物活性。然而它力学强度较低，具有典型的脆性，无法适用骨替换和修复。
市面上的磷灰石材料主要有由该材料制备而成的粉末状或颗粒状骨粉材料，或添加天然(人工合成)高分子材料的骨替代或骨修复材料等。粉末状或颗粒状人工合成磷灰石材料的主要特点是含与人骨相同的化学成分，降解周期长，质地较脆，力学性能欠佳，无孔结构。添加天然高分子材料的磷灰石材料，例如添加胶原的磷灰石材料，具有一定的免疫原性危害。聚乳酸复合的羟基磷灰石材料降解产物会造成炎症反应。
目前，国内外的研究学者在致力于寻找一种能够解决磷灰石材料同时满足多孔和高抗压强度的方案。目前改善这一方案的方法，往往涉及与天然或人工高分子材料的复合。
如超高分子量聚乙烯-羟基磷灰石复合材料。其中羟基磷灰石的体积分数为40％，其具有接近于密质骨的弹性模量，但是该产品几乎无孔隙，组织液无渗透，影响血管的生长和骨组织的再生过程中相关细胞生长因子的吸附和细胞的粘附，而且刚性的羟基磷灰石颗粒和聚乙烯间缺乏界面相容性。而且聚乙烯无法在体内实现降解。如聚乳酸-羟基磷灰石复合材料。其中羟基磷灰石的质量分数为50wt％时，材料的弹性模量达到12.3GPa，该值接近密质骨值。该材料属于可吸收降解型骨修复材料，已经成功应用于口腔-颌面、颅面、整形以及矫形外科的固定修复，但是聚乳酸在体内的降解产物往往造成炎症反应，从而延长组织愈合和生长的时间，严重的可能导致植入体坏死。如Liao等人制备了含有纳米-羟基磷灰石、胶原蛋白和聚乳酸的复合型骨修复材料支架，当聚乳酸的浓度为10％时，该多孔支架材料的弹性模量最高为47.3MPa。
作为骨修复材料，其内部互相连通的孔结构也是有利的，Zhang,J等人通过制备利用氯化钠造孔烧结磷酸钙/硅酸钙水泥，制备了一种具有百微米和微米孔共存的骨修复材料，并负载了骨形态发生蛋白，利用2-5μm孔增强了材料的骨形态发生蛋白的粘附、增殖和分化，利用百微米孔为血管生长、新骨形成和骨组织支架内生长提供空间。但是材料本身由于不规整的微米孔及百微米孔的存在具有抗压强度低的特点，且制作工艺较复杂。
发明内容
针对现有骨修复材料中含有的微米孔及百微米孔结构不规整导致材料抗压强度低的问题，本发明提供一种能够制备出具有孔径＜10μm规则微米孔的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其制备出的羟基磷灰石陶瓷孔隙率高且孔间相互连通，具有一定的抗压强度及良好的液体渗透性。
本发明提供的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：
干压：将粉料装入模具，并在不小于10MPa的静压力下压制成干坯；该粉料至少包括丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料粉末，丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料由羟基磷灰石通过原位矿化法组装在丝素蛋白上制备而成，其中，丝素蛋白和羟基磷灰石的重量比为3:6～8；
烧结：以去除干坯中的丝素蛋白，并使羟基磷灰石转变成陶瓷，得到羟基磷灰石陶瓷。
作为上述技术方案的进一步优选，羟基磷灰石通过原位矿化法组装在丝素蛋白上制备丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料的方法为：按Ca/P投料比为1～2，将溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液添加到含钙离子的水溶液中，调整体系pH值至10～11，在60～80℃下搅拌反应后静置，得到丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料。进一步地，Ca/P投料比优选为1.5～1.7。
作为上述技术方案的进一步优选，溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液分多次添加到钙离子的水溶液中，每次添加后调整溶液pH为10～11，并于65～75℃反应20～60min。
作为上述技术方案的进一步优选，溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液为丝素蛋白的磷酸水溶液，含钙离子的水溶液为氢氧化钙水溶液。
作为上述技术方案的进一步优选，粉料的粒径为10μm～1mm。
作为上述技术方案的进一步优选，烧结温度为1000℃～1500℃，静压力≥2MPa。
进一步地，上述羟基磷灰石陶瓷的制备方法，还包括如下步骤：破碎成型的羟基磷灰石陶瓷，形成羟基磷灰石陶瓷颗粒。
本发明还提供一种由上述制备方法制备而成的羟基磷灰石陶瓷，该羟基磷灰石陶瓷具有大量细微的孔，孔径小于等于7μm而且分布均匀且相互连通，抗压强度可达17.7MPa，弹性模量可达252.86MPa。
本发明还提供羟基磷灰石陶瓷作为骨修复、骨替代材料的应用。
本发明的有益之处在于：
1.本发明提供的制备方法解决了现有技术无法制备出含规整微米孔骨修复材料的问题，该工艺简单易行，低能耗，能够大规模工业化生产，未使用有机溶剂，减少了材料毒性的风险。
2.本发明制备的羟基磷灰石陶瓷具有规整的多孔结构，且孔与孔之间相互连通，具有较高的孔隙率和液体吸收性，能够有助于骨修复初期的组织液浸润、骨生长因子的粘附、细胞的粘附和血管的生长。
3.本发明制备的羟基磷灰石陶瓷具有一定的抗压强度，具有适用于某些应力性骨结构修复的潜力。
附图说明
图1为实施例1制备的丝素蛋白-羟基磷灰石颗粒的XRD图。
图2为实施例1制备的丝素蛋白-羟基磷灰石颗粒的红外图谱。
图3为实施例1制备的最终产物的SEM图(2000倍)。
图4为实施例1制备的最终产物的SEM图(200倍)。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的实施方案以及技术优势进行清晰、准确、完整的描述，因此以下实施例仅为本发明技术方案的一部分，为示例性的说明，目的在于便于阐述和理解，但并不是全部。除有特殊说明，本发明所使用的技术和科学术语均为本领域普通技术人员通常所理解的含义。
特别需要指出的是，本发明所涉及的专业术语目的是为了清晰地描述本发明具体的实施方式，而非对其进行限制。应明确的是，根据本发明中所述的实施例，相关领域的普通专业技术人员在没有做出有关创造性工作的前提下做出的其他可以实施的方式，均属于本发明专利的保护的范围。
本发明的丝素蛋白如下所述：
丝素蛋白为蚕茧脱胶后的产物，可通过如下方法制备：蚕茧经0.005wt％的碳酸钠水溶液蒸煮0.5h，进行脱胶处理，脱胶后的蚕丝即为丝素蛋白。
本发明的羟基磷灰石陶瓷如下所述：
羟基磷灰石陶瓷成分为β-磷酸三钙和羟基磷灰石的复合物，具有孔径≤7μm且分布均匀、相互连通的微米孔，该级别的孔能够增强骨诱导蛋白的吸附，离子交换，骨样磷灰石的交换和作为骨形成蛋白粘附、增殖、分化的固定锚点，能够增强材料的骨诱导性。
实施例1
本实施例Ca/P投料比为1.67。
(1)将27.84mL浓磷酸溶解在1L纯水中，将30g丝素蛋白溶解在330mL水中，两者边混合边剧烈搅拌，得到丝素蛋白-磷酸溶液；将49.95g氢氧化钙溶解在4L水中，得到氢氧化钙悬浊液。
(2)将丝素蛋白-磷酸溶液分为8等体积份，分8次添加到氢氧化钙悬浊液中，且每次添加后调整pH为10-11，并于70℃反应30min；最后一次添加丝素蛋白-磷酸溶液反应1h。
(3)将反应后的溶液孵化过夜后去除上清液，并以5000r/min的转速离心，得到固体物质；固体物质用纯水清洗3次，去除上清液；最后在烘箱中40℃烘干固体物质至其完全呈不规则块状。
(4)将不规则的块状物质研磨至粉末状，粒径10μm～1mm，装入模具，在20MPa的静压力下干压得到圆柱状干坯；然后将圆柱状干坯从模具中取出，放置于马弗炉中以8℃/min的升温速度急速升温至1000℃，并保温2h，随后空冷，得到圆柱状的最终产物。
经测试，最终产物抗压强度为17.7MPa，弹性模量为252.86MPa，液体吸收性为65.11％。
如图1所示，利用氢氧化钙-磷酸-氢氧化钠体系合成的丝素蛋白-羟基磷灰石颗粒(SF-HAp)中的26.1°及31.9°处的峰为羟基磷灰石的特征峰。两次合成的SF-HAp无明显差异。相较于纯羟基磷灰石合成的SF-HAp峰相对较宽，表明其结晶能力相对较差，与人骨中碳酸羟基磷灰石具有较高的相似性。
如图2所示，对于SF-HAp及HA，在1035cm-1及603cm-1处有明显的PO4 3-吸收峰，1419cm-1处为CO3 2-的吸收峰。SF-HAp在1650cm-1处有吸收峰，来源于丝素蛋白酰胺I。确定了SF-HA是由丝素蛋白及羟基磷灰石组成的。所合成的原料中含有的碳酸根也与人骨具有很高的相似性。
如图3所示，本实施例所得的羟基磷灰石陶瓷具有大量的微米孔，孔径约小于等于7μm而且分布均匀且相互连通。将本实施例所得的羟基磷灰石陶瓷接触水面，由于毛细作用，水在1秒左右时间可以浸润整个羟基磷灰石陶瓷，且浸水后羟基磷灰石陶瓷的抗压强度不变。
实施例2
按实施例1的制备方法，在实施例1其他参数不变的情况下，改变静压力，研究静压力对最终产物抗压强度、弹性模量、液体吸收性的影响。结果如表1所示：
表1不同静压力条件下得到的最终产物性能
Ca/P投料比 静压力 抗压强度 弹性模量 液体吸收性
1.67 1MPa 0.8MPa 11.43MPa 81.20％
1.67 3MPa 1.2MPa 17.14MPa 75.32％
1.67 5MPa 2.0MPa 25.1MPa 75.13％
1.67 10MPa 2.5MPa 35.71MPa 70.11％
1.67 20MPa 17.7MPa 252.86MPa 65.11％
结果表明，随着静压力的提升，最终产物的抗压强度、弹性模量提高，液体吸收性降低，静压力为10MPa及以上时，能够满足要求，本发明中优选的静压力为20MPa。
实施例3
本实施例控制Ca/P投料比为1.50，即控制步骤(1)为：将6.96mL浓磷酸溶解在0.25L纯水中，将7.5g丝素蛋白溶解在82.5mL水中，两者边混合边剧烈搅拌，得到丝素蛋白-磷酸溶液；将11.318g氢氧化钙溶解在1L水中，得到氢氧化钙悬浊液。其余步骤及参数与实施例1相同。改变静压力，研究静压力对最终产物抗压强度、弹性模量、液体吸收性的影响。结果如表2所示：
表2不同静压力条件下得到的最终产物性能
Ca/P投料比 静压力 抗压强度 弹性模量 液体吸收性
1.50 5MPa 2.6MPa 37.14MPa 60.32％
1.50 10MPa 7.2MPa 102.86MPa 65.22％
1.50 20MPa 11.5MPa 164.29MPa 65.22％
对比例1
本实施例控制Ca/P投料比为1.67或1.50，采用湿态块状物质压模制备圆柱状骨块。
(1)控制Ca/P投料比为1.67：将27.84mL浓磷酸溶解在1L纯水中，将30g丝素蛋白溶解在330mL水中，两者边混合边剧烈搅拌，得到丝素蛋白-磷酸溶液；将49.95g氢氧化钙溶解在4L水中，得到氢氧化钙悬浊液。
控制Ca/P投料比为1.50：将6.96mL浓磷酸溶解在0.25L纯水中，将7.5g丝素蛋白溶解在82.5mL水中，两者边混合边剧烈搅拌，得到丝素蛋白-磷酸溶液；将11.318g氢氧化钙溶解在1L水中，得到氢氧化钙悬浊液。
(2)将丝素蛋白-磷酸溶液分为8等体积份，分8次添加到氢氧化钙悬浊液中，且每次添加后调整pH为10-11，并于70℃反应30min；最后一次添加丝素蛋白-磷酸溶液反应1h。
(3)将反应后的溶液孵化过夜后去除上清液，并以5000r/min的转速离心，得到固体物质；固体物质用纯水清洗3次，去除上清液；最后在烘箱中40℃烘干固体物质至其完全呈不规则块状。
(4)将不规则块状物质分别以0.1g/mL、0.5g/mL、0.8g/mL的固液比例加入纯水中，并超声分散，加入模具中，干燥得到圆柱状干坯；然后将圆柱状干坯从模具中取出，放入马弗炉中以8℃/min的升温速度急速升温至1000℃。并保温2h，随后空冷，得到最终产物。
经测试，最终产物的抗压强度、弹性模量、液体吸收性如表3所示。
表3最终产物的抗压强度、弹性模量、液体吸收性
Ca/P投料比 固液比例 抗压强度 弹性模量 液体吸收性
1.67 0.1g/mL 1.2MPa 17.14MPa 112.5％
1.67 0.5g/mL 2.0MPa 28.57MPa 77.23％
1.67 0.8g/mL 2.2MPa 31.4MPa 74.28％
1.50 0.8g/mL 2.0MPa 26.2MPa 75.00％
本对比例固液比例高时，模具中的物质呈浆液状；当固液比低时，模具中的物质易分层，导致羟基磷灰石分散性不佳，进而导致最终产品强度不高。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：
干压：将粉料装入模具，并在不小于10MPa的静压力下压制成干坯；所述粉料至少包括丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料粉末，所述丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料由羟基磷灰石通过原位矿化法组装在丝素蛋白上制备而成，其中，丝素蛋白和羟基磷灰石的重量比为3:6～8；
烧结：以去除干坯中的丝素蛋白，并使羟基磷灰石转变成陶瓷，得到羟基磷灰石陶瓷。
2.根据权利要求1所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：羟基磷灰石通过原位矿化法组装在丝素蛋白上制备丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料的方法为：按Ca/P投料比为1～2，将溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液添加到含钙离子的水溶液中，调整体系pH值至10～11，在60～80℃下搅拌反应后静置，得到丝素蛋白-羟基磷灰石复合材料。
3.根据权利要求2所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液分多次添加到含钙离子的水溶液中，每次添加后调整溶液pH为10～11，并于65～75℃反应20～60min。
4.根据权利要求2或3所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：溶有丝素蛋白和磷酸根离子的水溶液为丝素蛋白的磷酸水溶液，含钙离子的水溶液为氢氧化钙水溶液或氢氧化钙悬浊液。
5.根据权利要求1所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：所述粉料的粒径为10μm～1mm。
6.根据权利要求1所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：烧结温度为1000℃～1500℃。
7.根据权利要求1所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：所述静压力≥2MPa。
8.根据权利要求1～7任一项所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于：还包括如下步骤：破碎成型的羟基磷灰石陶瓷，形成羟基磷灰石陶瓷颗粒。
9.一种羟基磷灰石陶瓷，其特征在于：由权利要求1～8任一项所述的羟基磷灰石陶瓷的制备方法制备而成。
10.权利要求9所述的羟基磷灰石陶瓷作为骨修复、骨替代材料的应用。
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