CN1187101C - 可降解多孔硅酸钙陶瓷生物活性材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及可降解多孔硅酸钙陶瓷生物活性材料的制备方法，属生物材料领域。本发明以湿化学方法制备得到的硅酸钙微粉为原料，添加不同颗粒度的有机或高分子造孔剂(pore-forming agent)，经混合后干压成型或凝胶注模成型得多孔材料素坯，将素坯在一定的升温制度下煅烧，可以得到力学强度、孔隙率和孔大小可控的且具通孔的和生物活性良好的可降解多孔生物材料，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。本发明工艺简单易行且便于推广。

Description

可降解多孔硅酸钙陶瓷生物活性材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种可降解多孔硅酸钙陶瓷生物活性材料的制备，属生物材料领域。

背景技术

现有的人体硬组织修复和替换材料有金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等几种，各有优缺点。从仿生的角度讲，如果能得到成分与人体骨组织相近的材料则是最好的。一种良好的生物材料，必须具备有良好的生物相容性和生物活性，同时具有适宜的力学性能。

无机生物医用硬组织修复和替换材料方面主要有钙-磷基生物材料和钙-硅基生物材料。其中钙-磷基生物材料研究已经有很长的历史，过去的研究发现在钙-磷基材料中羟基磷灰石类生物材料具有较好的生物活性，但降解性差，而磷酸三钙类生物材料降解性较好但生物活性低。近年来钙-硅基生物材料如生物活性玻璃和硅酸钙类材料则由于既具有优良的生物活性又具有良好的降解性而越来越受到重视。

20世纪80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21：536)研究出的A-W玻璃是一种在玻璃相中析出磷灰石和硅酸钙两种晶相的玻璃陶瓷。该材料具有较好的机械力学性能和生物活性但不能降解。西班牙圣地亚哥大学的P.N.de Aza(Biomaterials，1997，18：1285)以磷酸三钙和硅酸钙共熔制备出致密的生物陶瓷并研究了该材料的生物活性，研究表明在模拟体液中，骨磷灰石能在硅灰石陶瓷的表面形成，Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO₂基玻璃表面能形成骨磷灰石层，而CaO-P₂O₅基玻璃表面没有骨磷灰石形成。Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，52：30)发现，在模拟体液中硅酸钙陶瓷表面骨磷灰石的形成速度比其他生物玻璃和玻璃陶瓷更快。我们的研究也表明硅酸钙陶瓷生物材料具有良好的生物活性、良好的生物降解性和良好的力学性能。除了材料的组成之外，材料的结构在很大程度上会直接影响到材料的临床应用。以前的研究表明，孔径在50-500微米的多孔块体生物材料最适合作为硬组织修复材料和细胞支架材料。孔径在这个范围的多孔生物材料的优点是有利于细胞迁移、组织长入及材料与活体组织的融合从而更有效地达到修复人体组织缺损和组织重建的目的。组织长入多孔结构中还能增强种植材料的驻扎和稳定性。此外，在近几年迅速发展的组织工程学研究中，可生物降解的多孔生物材料是一个必不可少的部分。以多孔支架作为细胞载体，让细胞在基质材料中生长并构建含有本体细胞基因信息的活体组织，再植入人体中以修复缺损组织和器官。因此，可降解多孔硅酸钙生物陶瓷材料作为硬组织缺损修复材料和用于体外骨组织培养的细胞支架有着广泛的应用前景。

然而，可降解多孔硅酸钙生物陶瓷材料的制备还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于通过优化工艺开发出一种新的具有优良力学性能、生物活性和生物可降解性，同时孔径和孔隙率可控且具通孔的多孔生物材料，作为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。

Hench的研究表明生物活性玻璃是可以引起特异的生理反应的组合物。当生物活性玻璃暴露在周围体液中时，离子交换和不规则的表面溶解作用可产生一个水合硅胶层，从而增加了比表面积并促进了在粗糙的玻璃上形成一层微晶骨磷灰石层。该层不仅与骨形成骨性结合，还与胶原纤维结合，从而使得该类材料同组织形成生物学固定。

用本发明制备方法提供的多孔硅酸钙陶瓷生物材料在人体模拟体液中具有良好的生物活性，与生物活性玻璃相似，在数小时内即可释放出硅离子，并在表面沉积上微晶骨磷灰石。此外，本发明的硅酸钙生物陶瓷还具有优良的可降解性，体外溶解性实验显示在模拟体液环境下5天的降解率约31％。因此，本发明的多孔硅酸钙生物陶瓷材料既具有良好的生物界面和化学特性，又具有良好的生物可降解性。

本发明的另一特点是通过控制工艺条件使材料既具有较高的气孔率(40-80％)和合适的孔径(50-500微米)，又具有适当的力学强度(抗压强度为3-80MPa)。

综上所述，本发明的多孔硅酸钙生物陶瓷材料作为硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料具有独特优势。

本发明的实施方案如下：

1、材料制备

本发明的硅酸钙微粉是通过化学方法制备得到的。所用的无机原材料均为分析纯的Ca(NO₃)₂·4H₂O、Na₂SiO₃·9H₂O、氨水，水为去离子水。配制0.1-1.0mol/L的Ca(NO₃)₂·4H₂O和Na₂SiO₃·9H₂O溶液，以等摩尔比的物料反应，按1-3ml/min的速度将Na₂SiO₃溶液加入Ca(NO₃)₂溶液中，物料加毕后继续搅拌8-24小时，过滤并用去离子水和无水乙醇充分洗涤去除残留的Na⁺离子，烘干得到的粉体经球磨过筛后于800-1000℃煅烧1-3小时，球磨后颗粒度可控在100nm-250μm的β-CaSiO₄微粉。本发明的优选颗粒度为100nm-150μm。本发明的造孔剂的优选种类是PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)、石蜡、聚苯乙烯-二乙烯苯等有机或高分子材料，其颗粒度优选范围是100-700微米。采用一定颗粒度范围的30-60％(质量百分比)的造孔剂同硅酸钙微粉混合，之后可以采取两种成型方法，第一种是干压法，即在上述的混合料中加入1-5％(质量百分比)浓度为1-10％的PVA(聚乙烯醇)作黏结剂，混合均匀后，在钢模中以2-20MPa的压力干压成型得本发明的多孔材料素坯；第二种方法是凝胶注模成型方法，即先配制如下质量百分比浓度的水溶液，20％的AM、2％的MBAM和5-10％的PMAA-NH₄，按体积百分比30-60％的比例将上述混合料同上述水溶液混合均匀，加入质量百分比1-5％的过硫酸铵数滴、质量百分比1-5％的TEMED数滴，搅拌均匀得流动性和均匀性均较好的浆料，将浆料倒入塑料或石膏模具内凝胶注模成型，并在30-80℃引发单体的交联反应1-10小时，之后在100℃干燥数小时得本发明的多孔材料素坯。最后将二种工艺所得的素坯在900-1400℃煅烧1-5小时得到本发明的多孔材料。

2、性能评价

2.1多孔材料的力学强度

对本发明得到的系列样品在日本岛津公司的AG-I精密万能实验机上测试抗压强度。样品的测试速度为5.0mm/min，测试表明本发明得到的多孔材料的抗压强度的可控制在3-80MPa范围内。

2.2多孔材料的孔隙率

我们对本发明得到的部分样品应用阿基米德法测试孔隙率，应用扫描电镜(SEM)观察孔形态和孔分布。测试表明本发明得到的多孔材料的孔隙率可控制在40-80％范围内。

2.3生物活性评价

将本发明得到的多孔材料先后经去离子水和丙酮洗涤、晾干后进行体外溶液生物活性测试。所用的溶液为人体模拟体液(SBF；Simulated BodyFluid)。SBF含有与人体血浆相同的离子和离子团浓度。SBF组成为：

NaCl：             7.996g/L

NaHCO₃：           0.350g/L

KCl：              0.224g/L

K₂HPO₄.3H₂O：  0.228g/L

MgCl₂.6H₂O：    0.305g/L

HCl：              1mol/L

CaCl₂：            0.278g/L

Na₂SO₄：          0.071g/L

NH₂C(CH₂OH)₃：   6.057g/L

多孔材料在SBF中，反应条件为0.15g多孔材料加30.0mL SBF溶液于37℃恒温箱内振荡。分别将多孔材料浸泡1、3和7天后，取出样品并经过去离子水洗涤后做SEM、傅立叶红外变换光谱(FTIR)和XRD测试，结果分别见图3、图4、图5。生物活性实验表明本发明得到的硅酸钙多孔材料能在表面诱导生成骨羟基磷灰石，从而表明这些材料具有良好的生物活性。

2.4生物可降解性评价

将本发明得到的多孔材料先后经去离子水和丙酮洗涤、烘干后进行生物可降解性实验测试。我们通过该类多孔材料在SBF中浸泡不同的系列时间后释放的硅的百分含量来评价材料的降解速度及生物可降解性。  如质量百分比60∶40的硅酸钙微粉与315-630微米的PEG粉混合，经干压成型和1100℃/3h煅烧后在SBF中5days的降解率就达31.04％，可见本发明的多孔材料具有很好的生物可降解性。

附图说明

通过下面的结合附图对本发明所做的详细说明，可以更好地理解上文所述内容，其中：

图1为化学法制备的硅酸钙微粉的TEM图。

图2为化学法制备得到的硅酸钙粉体在800℃/2h和1100℃/2h煅烧后的XRD图，表明材料在800℃/2h和1100℃/2h煅烧得到的物相分别是β-CaSiO₃和α-CaSiO₃物相。

图3为本发明的硅酸钙多孔材料在SBF(人体模拟体液)中浸泡前(A)和浸泡1天(B)和3天(C)后的SEM图。

图4为本发明的硅酸钙多孔材料在SBF中浸泡前、浸泡1、3和7天后的傅立叶变换红外光谱(FTIR)图。

图5为本发明的硅酸钙多孔材料在SBF中浸泡0、1、3和7天后的XRD图。

图3、4、5的结果显示本发明的多孔硅酸钙材料经SBF中浸泡后，很快就在材料的表面上形成骨磷灰石层，具有很强的生物活性。

具体实施方式

下面通过本发明的实施例，进一步说明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明决非仅局限于实施例。

实施例1：

所用的原材料如上文所述。

取0.4mol的Ca(NO₃)₂·4H₂O溶于1000mL去离子水中，并用120mL的1∶1的氨水调节到pH＝13左右，将0.4mol的Na₂SiO₃·9H₂O溶于1000mL去离子水中。按2mL/min的速度将上述的Na₂SiO₃溶液加入到Ca(NO₃)₂溶液中，加毕继续搅拌12小时，抽滤并分别用去离子水和无水乙醇充分洗涤去除残留的Na⁺离子，得湿粉体，将湿粉体在80℃烘干12小时得到干粉体，球磨并过100目尼龙网筛后在800℃煅烧2小时，得到β-CaSiO₃微粉。

将800℃/2h煅烧的粉体过300目筛。按质量比60∶40，将硅酸钙与315-630微米的PEG粉混合，加入浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa压力下干压成型，脱模得多孔材料的素坯。素坯的煅烧制度如下：

2℃/min的升温速率升至400℃，保温2小时，之后仍以2℃/min的升温速率升至1100℃，并保温3小时，随炉冷却。制得本发明的多孔材料的抗压强度约48MPa，孔隙率约54％，物相为α-CaSiO₃(图2)。

将所得的多孔材料在SBF模拟体液中浸泡1、3、5和7天，并将浸泡后的样品进行生物活性和生物降解性性能评价。图3、图4和图5表明本发明制备得到的多孔生物材料具有优良的生物活性。在SBF中浸泡5天的生物降解率达31％，表明本发明得到的生物活性陶瓷具有良好的生物可降解性。

实施例2：

使用的原料和硅灰石微粉的制备方法与实施例1同。将800℃/2h煅烧的粉体过300目筛。

按硅灰石与300-600微米的PVA粉质量比50∶50取料混合，得固体混合料。配制含20％的AM、2％的MBAM和8％的PMAA-NH₄的水溶液，按体积百分比50∶50的比例将10克上述固体混合料同上述水溶液混合均匀，加入质量百分比3％的过硫酸铵3滴、质量百分比3％的TEMED2滴，搅拌均匀得流动性较好的浆料，将浆料倒入塑料或石膏模具内凝胶注模成型，并在60℃引发单体的交联反应3小时，之后在100℃干燥12小时后脱模得本发明的多孔材料素坯。素坯的煅烧制度如下：

2℃/min的升温速率升至400℃，保温2小时，之后仍以2℃/min的升温速率升至1150℃，并保温5小时，随炉冷却。制得本发明的多孔材料的抗压强度约为20MPa，孔隙率约65％。

多孔材料的性能评价如实施例1。

实施例3：

使用的原料和硅灰石微粉的制备方法与实施例1同，将800℃/2h煅烧的粉体过300目筛。

按质量比40∶60，将硅酸钙粉体与315-630微米的PEG粉混合，加入浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa压力下干压成型，脱模得多孔材料的素坯。素坯的煅烧制度如实施例1，制得本发明的多孔材料的抗压强度约5MPa，孔隙率达75％。

多孔材料的性能评价如实施例1。

Claims (3)

1、一种可降解多孔硅酸钙生物陶瓷材料的制备方法，包括先采用化学方法制备β-硅酸钙微粉，其特征在于：

(1)在β-硅酸钙微粉中加入质量为30-60％的造孔剂均匀混合；

(2)加入质量为1-5％浓度为1-10％的聚乙烯醇作粘结剂，混匀在钢模中以2-20MPa的压力干压成型，制成多孔素坯，最终在900-1400℃煅烧1-5小时；

(3)所述的造孔剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、石蜡、聚苯乙烯一二乙烯苯；

(4)所述的β-硅酸钙微粉化学方法制备的工艺过程是以分析纯Ca(No₃)₂·4H₂O、Na₂SiO₃·9H₂O、氨水和去离子水为原料；配制成1.0mol/l的Ca(No₃)₂和Na₂SiO₃水溶液，将Na₂SiO₃溶液加入到Ca(No₃)₂溶液中以等摩尔比物料反应，加毕后继续搅拌8-24小时，过滤并用去离子水和无水乙醇充分洗涤除去残留的Na⁺，烘干过筛后于800-1000℃煅烧1-3小时制备得β-硅酸钙微粉。

2、按权利要求1所述的一种可降解多孔硅酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于所制得的硅酸钙微粉颗粒度为100nm-250μm。

3、按权利要求1所述的一种可降解多孔硅酸钙生物陶瓷材料的制备方法制得的多孔硅酸钙生物材料，其特征在于气孔率为40％-80％，孔径为50-500微米。

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