CN1364743A - 生物活性硅灰石陶瓷的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硅灰石生物活性陶瓷的制备方法,属于生物材料领域。其特征在于以Na₂SiO₃或硅溶胶为硅源、Ca(NO₃)₂或CaCl₂、Ca(OH)₂为钙源,分别配制成一定浓度的溶液,用强碱调节溶液pH值;然后,利用化学共沉淀方法制备成硅酸钙水合物;冲洗后,置于烘箱内烘干;800－900℃煅烧2小时,得到硅灰石粉体;球磨烘干后,过筛造粒;在10－20MPa下预成型,再经200MPa等静压;1350－1400℃空气气氛、2－4小时烧结,得到硅灰石陶瓷。本发明提供的方法制备成生物活性硅灰石陶瓷,生物活性高,在体外生物活性评价中,能较快地在其表面形成碳酸化羟基磷灰石层。

Description

生物活性硅灰石陶瓷的制备方法

技术领域

本发明涉及生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，更确切地说是先用化学共沉淀法制备硅酸钙水合物，并进而以陶瓷工艺技术制备生物活性硅酸钙陶瓷的方法，属于生物材料领域。主要应用于人体硬组织(骨和牙齿)的修复、填补与重建。

背景技术

硅灰石(CaSiO₃)是一种新型的非金属矿物资源，由于其具有独特的矿物学特性和物化性能，所以其应用领域不断扩大。目前，硅灰石主要用于陶瓷工业，从而降低烧成温度、缩短烧成时间、防止陶瓷制品破裂、减低挠曲程度、增加陶瓷釉光泽。此外，由于其高白度、高亮度、针状结晶形态及低吸油率，硅灰石可替代钛白粉、立德粉和玻璃纤维、碳纤维、石棉等用作塑料、橡胶等聚合物的填料，以降低生产成本，提高制品性能，因而硅灰石在橡胶、油漆、涂料、造纸等工业领域也得到广泛应用。

硅灰石用作生物材料的研究近年来也引起了人们的关注。由T.Kokubo等人发明的A-W玻璃陶瓷是目前已知的力学性能最好的生物活性陶瓷材料。硅灰石作为A-W玻璃陶瓷中两种微晶相之一(另一种为磷灰石)，不仅对A-W玻璃陶瓷的力学性能具有重要贡献，而且同时还有着高的生物活性。T.Kokubo在研究了CaO-SiO₂-P₂O₅体系生物活性玻璃后指出：具不同功能的各种生物活性材料可在CaO-SiO₂基生物玻璃的基础上开发出来。有鉴于此，生物材料领域学者开始摈弃“磷是生物材料中必不可少组分”这一传统观点，转而对硅灰石及CaO-SiO₂体系生物材料进行研究。

在自然界中纯的硅灰石较少，多成类质同象固溶体或与其它矿物共生或伴生。常见的伴生矿物有钙铁榴石、透辉石、方解石、石英、长石等，有时还见有黄铁矿、黄铜矿、磁铁矿等金属矿物与硅灰石伴生。

现代工业生产中，人工合成硅灰石的方法主要有：(1)板状硅藻土和白混合煅烧；(2)板状硅藻土和硅石灰石混合煅烧；(3)硅石灰石煅烧；(4)磷石膏、石英粉、煤粉混合煅烧。上述工艺制备的硅灰石中，多含有石英、长石、玻璃等其它物相，产物的化学成分除CaO、SiO₂外，还含有Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、TiO₂、K₂O、Na₂O、SO₃等。

由此可见，自然界中和现代工业生产合成的硅灰石一方面虽然具有成本低廉的优点，但同时却都含有其它杂质，且其中的某一些杂质对生物材料来说，是不利甚至有害的。所以涉及生物材料领域时，必须寻求新的方法来制备纯的高品质硅灰石，以符合生物材料的使用要求。

P.N.De Aza等人以CaCO₃、SiO₂为原料，加热到1650℃将之熔化，然后缓慢冷却，得到由细长硅灰石晶体及穿插其间的富硅玻璃相组成的硅灰石陶瓷。虽然，这种硅灰石陶瓷在模拟体液浸泡试验中也表现出生物活性，但其制备温度过高，得到的也并非纯的硅灰石陶瓷，其中的富硅玻璃相比硅灰石相更稳定，它对整个生物材料生物活性的影响未能作系统深入的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物活性硅灰石陶瓷的制备方法。在陶瓷的烧结过程中，烧结温度相对较低，时间较短；制备的硅灰石陶瓷纯度高，不含有对人体有害的杂质；而且，硅灰石陶瓷生物活性高，在体外生物活性评价中，能较快地在其表面形成碳酸化羟基磷灰石层。

本发明提供的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法包括两个步骤：一是用化学共沉淀方法制备硅酸钙水合物粉体；空气气氛下煅烧硅酸钙水合物使之脱水而获得Ca/Si之比接近1.0的硅灰石粉体，二是将硅灰石粉体在一定工艺条件下烧结成生物活性硅灰石陶瓷。具体方案如下：以Na₂SiO₃或硅溶胶为硅源、Ca(NO₃)₂或CaCl₂、Ca(OH)₂为钙源，分别配制成一定浓度的溶液；其中，含硅溶液、含钙溶液分别用强碱调节pH值至13.0以上和12.0-13.0，所述的强碱为浓氨水或NaOH、KOH溶液。而溶液中Ca²⁺、Si⁴⁺浓度在0.1-0.5摩尔/升之间，Ca²⁺/Si⁴⁺＝1.0；然后，将含硅溶液滴加入强烈搅拌的含钙溶液中，生成白色的硅酸钙水合物沉淀，滴加完成后，继续搅拌，成化反应产物，成化时间12-24小时；抽滤去除反应产物中的溶液，用经氨水调节pH值为11-12的去离子水清洗白色沉淀物，再用无水乙醇多次冲洗白色沉淀物后，将其置于烘箱内，于80-120℃经24小时烘干；800-900℃煅烧2小时，得到硅灰石粉体；以无水乙醇为球磨介质，将粉体球磨12-24小时，80-120℃经24小时烘干；加入1wt％重量的PVA配制的溶液，与粉体混合均匀，过40-100目网筛造粒；在10-20MPa下预成型，再经200MPa等静压；1350-1400℃空气气氛、2-4小时烧结，得到硅灰石陶瓷。

本发明提供的方法制备的硅灰石陶瓷纯度高，Ca/Si比值0.97，接近硅灰石理论化学配比1.0，粉体中除CaO、SiO₂外，只含重量百分比1％左右的Na₂O(表1-例1)，而这对硅灰石陶瓷的生物活性是有利的，因为在Bioglass等生物活性玻璃的设计与制备中，往往加入10-30mol％的Na₂O。

表1  本发明两实施例制备的硅酸钙粉体之化学成分。

组分	含量
			例1	例2
	CaO	46.88			45.60
SiO2			51.81	53.12
	Na2O	1.31			1.28
Ca/Si			0.97	0.92

由图1(A)之SEM分析可知，本发明提供的方法制备的硅灰石陶瓷中含有一定量的孔隙，孔隙大小10-100μm；以水银为介质，依据阿基米德定律，测得孔隙率为16.37％。为了便于植入后组织和血管的长入，从而加强植入体和周边组织界面间的结合强度，加速组织的重建及创伤的愈合，生物陶瓷中往往需要引入一定量的孔隙。本发明提供的方法制备的硅灰石陶瓷中的孔隙在此方面是有利的。

图1(B-D)是硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后表面形貌发生变化的SEM图像。当硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡一天后，其表面发生了显著的溶蚀现象(图1-(B))；浸泡三天后，陶瓷表面已经完全为丘状沉积层所覆盖(图1-(C))，图2之EDS分析表明，此沉积层化学成份为Ca和P(图2-(B))；七天时，丘状Ca、P沉积层中的球状结构进一步长大(图1-(D))。在对生物材料进行体外生物活性评价时，其依据是在模拟体液浸泡中，生物材料表面羟基磷灰石沉积层形成、生长的速度及沉积层对生物材料表面覆盖的情况。图1之SEM分析结果说明本发明提供的方法制备的硅灰石陶瓷具有良好的生物活性。

图3、图4为硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中Ca、Si、P浓度及相应pH值发生变化的情况。Ca离子浓度在浸泡的28天中一直在上升，只是浸泡14天后上升趋势有所缓和；Si离子浓度在浸泡的最初3天上升较快，此后趋于平稳；P离子浓度在浸泡一开始便急剧下降，到3天时几乎为零。在硅灰石浸泡于模拟体液的28天时间里，模拟体液的pH值从最初的7.25上升到8.23，这是因为在静态环境中的缘故。在人或者动物体内，体液是不停流动的，植入体周围的pH值应该可以维持在正常的水平之内。

图5、图6为硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，对其表面进行薄膜X射线衍射(TF-XRD)及傅立叶红外转换光谱(FTIR)分析的结果。由以上测试可知，硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡3天后，其表面形成了结晶度较低的含碳酸根的羟基磷灰石层，因为在TF-XRD图谱中出现了羟基磷灰石的特征衍射峰(2θ＝32°和26°)，而FTIR图谱上也分别有PO₄ ^3-(1100cm^-1)、CO₃ ^2-(1400-1550cm^-1)、OH^-(2500-3700cm^-1)的吸收峰；随着浸泡时间的延长，上述沉积层的衍射强度逐渐增加，而硅灰石陶瓷基底的信息逐渐减弱，这表明羟基磷灰石沉积层的厚度在不断增加。

本发明提供的方法制备的硅灰石陶瓷纯度高，无对人体有害的杂质。因此，本发明提供的方法制备成生物活性硅灰石陶瓷可应用于人体硬组织(骨和牙齿)的修复、填补与重建。

附图说明

图1硅灰石陶瓷在浸泡前及在模拟体液中浸泡不同时间后的表面扫描电子显微镜(SEM)形貌分析。(A)、(B)(C)、(D)分别表示：浸泡前及浸泡1、3、7天表面SEM图像。

图2硅灰石陶瓷在浸泡前((A))及在模拟体液中浸泡14后((B))的表面能谱仪(EDS)成分分析。

图3硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中Ca、Si、P浓度变化之感应耦合等离子体-，原子发射光谱(ICP-AES)成分分析。横座标为浸泡时间，单位为天数；纵座标为元素浓度(PPM)。

图4硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中pH值发生变化的情况。横座标为浸泡时间，单位为天数；纵座标为pH值。

图5硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，其表面薄膜X射线衍射(TF-XRD)分析图谱。图中○为磷灰石。

图6硅灰石陶瓷在模拟体液中浸泡不同时间后，其表面傅立叶红外转换光谱(FTIR)分析图谱。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但决非仅局限于实施例。

实施例1  操作步骤如下

(1)将124.85克分析纯Ca(NO₃)₂.4H₂O加入到适量去离子水中，搅拌至溶解澄清，加入适量氨水，调节溶液pH值至12.0，此时溶液的体积为1.25升；

(2)将145.55克分析纯Na₂SiO₃.9H₂O加入到适量去离子水中，搅拌至溶解澄清，配备溶液1.25升，测得其pH值为13.40；

(3)强力搅拌配备好的Ca(NO₃)₂溶液，同时将上述Na₂SiO₃溶液滴加到其中，生成白色的硅酸钙水合物沉淀。待滴加完成，继续搅拌12小时，以使反应进行完全；

(4)抽滤去溶液，用经氨水调节pH值至12.0的去离子水、无水乙醇反复多次清洗反应所得沉淀，然后在烘箱中于80℃，经24小时烘干；

(5)在煅烧炉中、空气气氛下，900℃经2小时煅烧得到硅酸钙粉体，以无水乙醇为球磨介质，球磨硅酸钙粉体24小时，而后在烘箱中于80℃，经24小时烘干；

(6)加入1wt％PVA溶液(以PVA质量计)，与硅酸钙粉体混合均匀后过100目网筛造粒。在10MPa下，将上述粉体预压成型，再于200MPa下等静压；

(7)空气气氛下、1400℃、2小时烧结上述样品，得到硅酸钙陶瓷。

(8)在模拟体液中分别浸泡1、3、7、14、21、28天，依据试样表面形貌、成分、结构变化，对其生物活性进行评价，表明硅酸钙陶瓷具有良好的生物活性(具体请见图1-6)。

由本实施例制备的硅酸钙粉体其Ca/Si比值0.97，接近硅酸钙的理论化学配比(表1-例1)。这主要是由于反应是在强碱性(pH＞12.0)条件下进行，溶液滴加完后继续成化，且清洗硅酸钙水合物时去离子水经氨水调节pH值，这都有效地防止了Ca²⁺的流失。

实施例2  操作步骤如下

(1)将124.85克分析纯Ca(NO₃)₂.4H₂O加入到适量去离子水中，搅拌至溶解澄清，加入适量浓氨水，调节溶液pH值至12.0，此时溶液的体积为1.25升；

(2)将98.70毫升硅溶胶(密度：1.17克/毫升，SiO2含量：26.02wt％)加入到适量去离子水中，用NaOH调节pH值至13.0以上，配备溶液1.25升；

(3)强力搅拌配备好的Ca(NO₃)₂溶液，同时将上述含硅溶液滴加到其中，生成白色的硅酸钙水合物沉淀。待滴加完成，继续搅拌24小时，以使反应进行完全；

(4)抽滤去溶液，用未经氨水调节pH值的去离子水、无水乙醇反复多次清洗反应所得沉淀，然后在烘箱中于80℃，经24小时烘干；

(5)在煅烧炉中、空气气氛下，900℃经2小时煅烧得到硅酸钙粉体；

(6)经与实施例1相同的成型工艺后于1350℃4小时烧结制得硅灰石陶瓷。

本实施例在清洗硅酸钙水合物时，所用去离子水未经氨水调节其pH值，尽管滴加完毕后成化时间延长1倍，但制备的硅酸钙粉体Ca/Si比值等于0.92(表2-例2)。所以用氨水调节的pH值为10-11的去离子水是十分必要的。

以上两实施例结果说明：制备硅酸钙粉体反应在强碱性(pH＞12.0)条件下进行，溶液滴加完后继续成化，且清洗硅酸钙水合物时去离子水经氨水调节pH值到12.0以上，这对防止Ca²⁺的流失都是有效而必须的。

Claims (6)

1.一种生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，包括用化学共沉淀方法制备硅灰石粉体和硅灰石粉体的烧结二个步骤，其特征在于：

(1)制备硅灰石粉体的步骤包括

①先配制成Ca²⁺、Si⁴⁺浓度在0.1-0.5摩尔/升之间，Ca²⁺/Si⁴⁺＝1.0的强碱性含钙的溶液和含硅的溶液；

②将含硅的溶液滴加入强烈搅拌的含钙溶液中，生成白色的硅酸钙水合物沉淀，滴加完成后，继续搅拌，成化反应产物；

③抽滤去除反应产物中溶液，用pH＝11-12的去离子水清洗沉淀物，再用无水乙醇清洗，烘干；经800-900℃，1-2小时空气煅烧而制成硅灰石粉体，经球磨、烘干；

(2)硅灰石粉体的烧结步骤包括

①粉料中，加入1wt％重量的PVA配制的溶液均匀混合，过40-100目网筛造粒；

②经预成型后于200MPa等静压成型，然后在1350-1400℃高温2小时制成硅灰石陶瓷。

2.按权利要求1所述的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的强碱性含钙溶液pH值大于13.0，含硅溶液pH值12.0-13.0。

3.按权利要求1所述的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的含钙溶液钙源为Ca(NO₃)₂或CaCl₂、Ca(OH)₂；含硅溶液硅源为Na₂SiO₃或硅溶胶。

4.按权利要求1或2所述的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的强碱性含钙的溶液或含硅的溶液是用浓氨水或NaOH或KOH溶液调节。

5.按权利要求1所述的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的煅烧后硅灰石粉体的无水乙醇为球磨介质，经12-24小时球磨后于80-120℃24小时烘干。

6.按权利要求1所述的生物活性硅灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的硅灰石粉体预成型压力10-20MPa。

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