CN116585939A - 一种人工骨粉制备装置及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种人工骨粉材料制备装置以及使用该装置制备人工骨粉的方法。该骨粉材料制备装置是一种旋转式混合装置，包括混合腔，转轴和电机，其中转轴的一端连接在混合腔上，另一端连接在电机上。混合腔内部安装了助混棒，其长度方向平行于转轴。本发明的混合腔是多面体，骨粉在旋转过程中，重复随着混合腔壁旋转上升以及在重力作用下落在助混棒上增强混匀的过程，进行360度无死角混合。通过使用本发明的混合装置制备的骨粉具有更好的混合均匀性，有利于提高骨水泥的抗压强度和抗溃散性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物材料领域，尤其是涉及一种磷酸钙人工骨粉末混合器，用于制备由磷酸三钙、磷酸四钙、羟基磷灰石、磷酸氢钙等多种比重不同的骨粉混合在一起的骨粉材料。
背景技术
磷酸钙生物材料与人体骨骼等组织的主要无机成分在组成与结构上相似，生物相容性良好，无毒副作用，植入人体后不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨性键和，界面活性优于其他骨修复材料，是理想的骨修复和填充材料，是新型生物材料研究和高端骨植入器械发展应用的一个重要方向。
磷酸钙生物材料是包含羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙等钙磷化合物的一类总称,在使用前需要将这些预先制备的粉末混合均匀。磷酸钙生物材料混合越均匀，制备的人工骨头或骨科材料的性能才越稳定，而且才能具有更高的强度，更好的韧性，和更大的生物活性。
目前磷酸钙生物材料的混合主要采用手动或常规顶置搅拌混合方式，时间长，混合效果欠佳。市面上其他混合装置，大都是粉料跟随搅拌器单方向旋转，残余在角落的粉末得不到充分混合。
因此，为了更有效更省人力地将粒径大小不一、比重不一的骨粉粉末混合更均匀，急需发明一种骨粉混合装置。
发明内容
针对上述问题，本申请的发明人进行了深入的研究，成功地开发出一种旋转式混合装置，可以自动、高效地混合粒径大小不一、比重不一的骨粉粉末。
根据本申请的第一个方面，提供了一种制造人工骨粉材料的旋转式混合装置，包括混合腔，转轴和电机，其中转轴的一端连接在混合腔上，另一端连接在电机上。所述混合腔壁上具有活动盖板，所述混合腔内部至少有2根助混棒，所述助混棒的一端连接在混合腔壁上，长度方向平行于转轴。
进一步的技术方案包括：
混合腔与转轴通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分，和固定在转轴上的卡扣部分。
进一步的技术方案还包括
助混棒与混合腔壁通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分，和固定在助混棒上的卡扣部分。
进一步的技术方案还包括
混合腔设置有至少一处透明可视腔壁。
进一步的技术方案还包括
旋转式混合装置的转轴旋转速度为10-300r/min
进一步的技术方案还包括
转轴的旋转速度可以按预先设定的调节程序自动调节。
优选地，转轴的旋转速度可以设定为：
20r/min持续10分钟
40r/min持续10分钟
80r/min持续5分钟
160r/min持续5分钟
200r/min持续5分钟
160r/min持续2分钟
80r/min持续2分钟
20r/min持续2分钟
根据本发明的一个实施例，旋转式混合装置的混合腔是柱状多面体，具有两个端面和连接两个端面的多个柱面。所述两个端面是相同的正多边形，连接两个端面正多边形的相同位置的顶点、相同长度的柱子形成了所述柱面的角柱。所述两个端面以及连接相邻角柱形成的多个柱面，形成了柱状多面体混合腔。所述角柱的长度为端面多边形的最长的两端点距离。
进一步的技术方案还包括
所述转轴位于一个端面正多边形的一个顶点处，所述电机的底面固定在水平面上，所述转轴与该水平面的角度为20-60度。所述助混棒连接在转轴相邻的端面和/或柱面上，长度为角柱长度的0.2-0.9倍，任意两根助混棒之间的距离为角柱长度的0.1-0.3倍。
根据本发明的一个实施例，所述端面多边形为正五边形，所述助混棒有3～5根，任意两根助混棒之间相隔的距离为角柱长度的0.1-0.3倍，长度为角柱长度的0.5-0.8倍。
根据本发明另一个实施例，所述端面多边形为正四边形，所述助混棒有2～4根，任意两根助混棒之间相隔的距离为角柱长度的0.1-0.3倍，长度为角柱长度的0.5-0.8倍。
根据本申请的第二个方面，提供了一种人工骨粉材料的制备方法，其特征在于采用了本发明提供的旋转式混合装置，具体制备步骤如下：
打开混合腔的活动盖板，将人工骨粉各成分按比例加入到混合腔中，关闭活动盖板。
连接混合腔上的卡扣与转轴上的卡扣。
启动电机，混合腔按预先设定的旋转速度调节程序旋转。
旋转停止后，关闭电机，断开混合腔上的卡扣与转轴上的卡扣
打开活动盖板，将混合均匀的骨粉材料倒出。
可选择性地，将骨粉进行研磨，
可选择性地，将骨粉进行过滤。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明提供的旋转式混合装置，通过混合腔的自身旋转，使粉末摆脱了在传统混合器随着搅拌器单方向旋转的方式，混合实现无死角盲区。
2.本发明提供的旋转式混合装置具有多面体混合腔，在旋转过程中实现立体旋转，粉末能重复上升、旋转、下落，混匀的过程。
3.本发明提供的旋转式混合装置具有内部助混棒，在粉末下落到助混棒上时，得到进一步增强混匀。
4.本发明提供的旋转式混合装置可以灵活分离混合腔，方便进行混合前和混合后的操作。
5.本发明提供的旋转式混合装置可以根据混合的骨粉负荷量、空间大小或电机功率选择不同的混合腔尺寸，包括正多边形边数和边长的调节。
6.本发明提供的旋转式混合装置可以灵活设置助混棒，使得助混棒的数目、间隔距离和长度满足骨粉混合的负载量和混合均匀度。
7.本发明提供的旋转式混合装置可以预先设置旋转速度，实现全自动混合。节省人力。
8.本发明提供的旋转式混合装置可以预先设置旋转速度，混合刚开始的时候，旋转速度较慢，时间较长，粉末能大面积混合，特别是不同粒径间的混合。然后，旋转速度加快，粉末在快速旋转、碰撞和搅动中实现精细混合，最后，用比较快的节奏将速度降下来，保证了粉末保持混匀度，而不会随比重大小而分离。
9.本发明提供的旋转式混合装置的生产可根据负载量、混合速度要求采用常用的材质和备件，有利于商业化，实现经济效益，包括但不限于混合腔底面和腔壁使用不锈钢、陶瓷、木材或复合材料等不透明材料，或者使用ABS，聚乙烯、聚丙烯等透明材料。
10.本发明提供的旋转式混合装置特别适合于磷酸钙生物材料各成分的混合，包含磷酸三钙、磷酸四钙、羟基磷灰石、磷酸氢钙等成分，本发明所制备的骨粉材料，经过测试，具有高度混合均匀性，能提高骨水泥的抗压强度和抗溃散性能等。
附图说明
图1旋转式混合装置
图2人工骨粉制备流程
10 混合腔
20 转轴
30 电机
11混合腔的腔壁(上端面)
12混合腔的腔壁(下端面)
13混合腔的角柱
14混合腔的腔壁(柱面)
15 助混棒
15a 固定在助混棒上的卡扣
15b固定在混合腔壁上的卡扣
16 活动盖板
17 透明可视窗
20a固定在混合腔腔壁上的卡扣
20b固定在转轴上的卡扣
β电机转轴与水平面的夹角
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将结合附图对本发明所述的一种旋转式混合装置进行详细描述。应当理解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其不应理解为对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，并且在不相矛盾的前提下，以下所描述的不同实施例中的技术特征可以互相任意地组合，而这些都落在本发明的范围之内。
本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。
在本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。
在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的“包括”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”可以表示还可以包含没有列出的其他组分，也可以仅包括列出的组分。
旋转式混合装置实施例
图1是本发明所述的旋转式混合装置的示意图，包括混合腔10，转轴20和电机30，其中转轴的一端连接在混合腔上，另一端连接在电机上。混合腔壁上具有活动盖板16，所述混合腔内部有3根助混棒15，所述助混棒的一端连接在混合腔壁上，长度方向平行于转轴。
混合腔与转轴通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分20a，和固定在转轴上的卡扣部分20b。
助混棒与混合腔壁12通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分15a，和固定在助混棒上的卡扣部分15b。
混合腔上设置有透明可视窗17。
作为一个实施例，图1展示了混合腔是柱状多面体，具有两个端面和连接两个端面的多个柱面。所述上端面11和下端面12是相同的正五边形，连接两个端面正五边形的相同位置的顶点、相同长度的柱子形成了所述柱面的角柱13。所述两个端面以及连接相邻角柱形成的多个柱面14，形成了柱状多面体混合腔。所述角柱的长度为端面正五边形的最长的两端点距离。
转轴位于一个端面多边形的一个顶点处，所述电机的底面固定在水平面上，所述转轴与该水平面的角度β为45度,
助混棒连接在混合腔与转轴相邻的下端面上，长度为角柱长度的0.7倍，任意两根助混棒之间的距离为角柱长度的0.2倍。
作为另一个实施例，混合腔是柱状多面体，上端面和下端面是相同的正五边形，混合腔内有4根助混棒。
作为另一个实施例，混合腔是柱状多面体，上端面和下端面是相同的正四边形，混合腔内有3根助混棒。
人工骨粉制备流程实施例
图2展示了采用本发明提供的旋转式混合装置来制备人工骨骨粉磷酸钙生物材料的制备流程。
具体制备步骤如下：
准备人工骨粉各成分
具体操作为准备人工骨粉各成分，一般包括磷酸三钙、磷酸四钙、羟基磷灰石、磷酸氢钙，混合助剂等。
将人工骨粉各成分装入混合腔
具体操作为打开混合腔的活动盖板，将人工骨粉各成分按比例加入到混合腔中，关闭活动盖板。
将混合腔扣在转轴上
具体操作为连接混合腔上的卡扣与转轴上的卡扣，将混合腔固定在转轴上。
设置转轴的速度调节程序
具体操作为在电机设置程序里，设定转轴旋转速度。
在一个实施例中，转轴旋转速度调整为120r/min。
较佳地，设置转轴的旋转速度调节程序。
在另一个实施例中，转轴旋转速度调节程序设置为：
20r/min持续10分钟
40r/min持续10分钟
80r/min持续5分钟
160r/min持续5分钟
200r/min持续5分钟
160r/min持续2分钟
80r/min持续2分钟
20r/min持续2分钟。
启动电机
具体操作为给电机通电，启动开关。人工骨粉开始混合，可以通过透明可视窗观察骨粉混匀情况
混合程序完成后，关闭电机，取下混合腔
具体操作为，旋转式混合装置停止运行后，关闭电机，断开混合腔上与转轴之间的卡扣连接。
打开混合腔，倒出骨粉，如有必要再进行研磨，过滤
具体操作为打开活动盖板，将混合均匀的骨粉材料倒出。
可选择性地，将骨粉进行研磨，
可选择性地，将骨粉进行过滤。
通过本发明的制备方法制备的骨粉材料，大量粒径小的羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸四钙等钙磷化合物骨粉粉末得到自动混合均匀。经过测试，本发明制备的骨粉材料具有高度混合均匀性，能提高骨水泥的抗压强度和抗溃散性能。下面是实施例具体数据
以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验，均设置三次重复实验，结果取平均值。
经过高效混合的人工骨粉，粒径分布肉眼观察打分，均匀性最高为10，均匀性最低为1。
混合好的骨粉制备成骨水泥测试其抗压强度和抗溃散性能。骨水泥的制备方法为，按照相同的液固比添加曲子水调和成浆体后，填充到内腔尺寸为￥6*18mm的模具中，填实后立即脱模，制成圆柱状的磷酸钙骨水泥样品，放入37oC,97％湿度的恒温恒湿箱中养护备测。为了检验混合装置对骨水泥的性能影响，本发明的实施例省去了人工骨粉的进一步加工，如研磨和过滤。这样的步骤通常能进一步提高抗压性能和抗溃散性能。对比例的混合采用常规搅拌混合。
骨水泥抗压强度的测试：将在恒温恒湿箱中养护了24小时候的样品去除，研磨两端制成长度为12mm,直径为6mm的圆柱性试样，用Instron 5567型万能材料试验机(美国Instron公司)测定，加载速度为1mm/min.每组数据测5个试样。
骨水泥的抗溃散测试：将成型好的圆柱体立即脱模，浸泡在去离子水中，置于恒温摇床中在37oC下以180r/min的速率摇动，10分钟后将固体去除，观察浑浊度，烘干后分别称量全部样品质量和溃散的样品质量，计算溃散率。
溃散率＝溃散的样品质量/全部样品质量*100％
人工骨粉的混合物总重200克，比例为
磷酸钙(3～100um,中位粒径36.5um),80克
磷酸四钙(粒径分布0.5～80um，中位粒径6.3um),60克
磷酸氢钙(粒径分布为0.2～30um,中位粒径2.7um),60克
共测试了三种搅拌装置，A,B，C
A四面体混合腔：端面为正四边形，边长为30厘米。3根助混棒，长度为20厘米
B五面体混合腔：端面为正五边形，边长为30厘米，3根助混棒，长度为20厘米
C五面体混合腔：端面为正五边形，边长为30厘米，4根助混棒，长度为20厘米
助混棒之间各相距6厘米。电机转轴与地面的夹角为45度。
对比例为常规实验搅拌，使用OA2000实验室顶置式搅拌器。
共测试了两种速度，V1,V2
V1:匀速120r/min,持续40分钟
V2自动调节速度如下:
20r/min持续10分钟
40r/min持续10分钟
80r/min持续5分钟
160r/min持续5分钟
200r/min持续5分钟
160r/min持续2分钟
80r/min持续2分钟
20r/min持续2分钟
从实施例的测试结果可以看出，本发明的所有实施例相对于对比例，混合均匀度都更好，混合骨粉制备的骨水泥抗压强度和抗溃散性能也更好。对比实施例1和3，带有正五边形端面的混合腔的旋转式混合装置能更好地混合均匀，并且具有更好的性能。对比实施例1和2，转轴的旋转速度调节程序能更好地促进混合。对比实施例4和5，带有正五边形端面的混合腔内4根助混棒的效果比3根助混棒的效果更好。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (12)
1.一种制造人工骨粉材料的旋转式混合装置，其特征在于所述旋转式混合装置包括混合腔，转轴和电机，其中转轴的一端连接在混合腔上，另一端连接在电机上。所述混合腔壁上具有活动盖板，所述混合腔内部至少有2根助混棒，所述助混棒的一端连接在混合腔壁上，长度方向平行于转轴。
2.如权利要求1所述的旋转式混合装置，其特征在于混合腔与转轴通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分，和固定在转轴上的卡扣部分。
3.如权利要求1所述的旋转式混合装置，其特征在于助混棒与混合腔壁通过活动卡扣连接，所述活动卡扣具有固定在混合腔外壁上的卡扣部分，和固定在助混棒上的卡扣部分。
4.如权利要求1所述的旋转式混合装置，混合腔设置有至少一处透明可视腔壁。
5.如权利要求1所述的旋转式混合装置，其特征在于转轴的旋转速度为10-300r/min。
6.如权利要求1所述的旋转式混合装置，其特征在于转轴的旋转速度可以按预先设定的调节程序自动调节。
7.如权利要求6所述的旋转式混合装置，其特征在于转轴的旋转速度可以预先设定一种调节程序：
20r/min持续10分钟
40r/min持续10分钟
80r/min持续5分钟
160r/min持续5分钟
200r/min持续5分钟
160r/min持续2分钟
80r/min持续2分钟
20r/min持续2分钟。
8.如权利要求1所述的旋转式混合装置，其特征在于所述混合腔是柱状多面体，具有两个端面和连接两个端面的多个柱面。所述两个端面是相同的正多边形，连接两个端面正多边形的相同位置的顶点、相同长度的柱子形成了所述柱面的角柱。所述两个端面以及连接相邻角柱形成的多个柱面，形成了柱状多面体混合腔。所述角柱的长度为端面多边形的最长的两端点距离。
9.如权利要求8所述的旋转式混合装置，其特征在于所述转轴位于一个端面正多边形的一个顶点处，所述电机的底面固定在水平面上，所述转轴与该水平面的角度为20-60度。所述助混棒连接在转轴相邻的端面和/或柱面上，长度为角柱长度的0.2-0.9倍，任意两根助混棒之间的距离为角柱长度的0.1-0.3倍。
10.如权利要求9所述的旋转式混合装置，其特征在于所述端面多边形为正五边形，所述助混棒有3～5根，任意两根助混棒之间相隔的距离为角柱长度的0.1-0.3倍，长度为角柱长度的0.5-0.8倍。
11.如权利要求9所述的旋转式混合装置，其特征在于所述端面多边形为正四边形，所述助混棒有2～4根，任意两根助混棒之间相隔的距离为角柱长度的0.1-0.3倍，长度为角柱长度的0.5-0.8倍。
12.一种人工骨粉材料的制备方法，其特征在于采用权利要求1所述的旋转式混合装置，具体制备步骤如下：
(1)打开混合腔的活动盖板，将人工骨粉各成分按比例加入到混合腔中，关闭活动盖板。
(2)连接混合腔上的卡扣与转轴上的卡扣。
(3)启动电机，混合腔按预先设定的旋转速度调节程序旋转。
(4)旋转停止后，关闭电机，断开混合腔上的卡扣与转轴上的卡扣
(5)打开活动盖板，将混合均匀的骨粉材料倒出。
(6)可选择性地，将骨粉进行研磨，
(7)可选择性地，将骨粉进行过滤。
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