CN1439618A - 多孔硅酸钙/β－磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法 - Google Patents

多孔硅酸钙/β－磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有生物活性和可降解性多孔硅酸钙/β－磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，属生物材料领域。本发明以化学方法制备得到的硅酸钙微粉和β－磷酸三钙微粉为原料，按质量比10∶90～99∶1的比例混合均匀，并添加与复合微粉质量比为3∶7－6∶4的有机或高分子造孔剂，经混合均匀后干压成型或凝胶铸模成型得多孔材料素坯，最后将素坯于900－1200℃煅烧1－5小时而制成。本发明的制得的多孔生物陶瓷具有良好的生物活性、降解性、力学强度，适合的孔隙率和孔径，完全满足硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养用细胞支架材料的需要。本发明工艺简单易行且便于推广。

Description

多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有良好的生物活性、降解性和力学强度的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷的制备方法，属于生物材料领域。
背景技术
近年来，随着组织工程学的不断发展，生物材料尤其是无机生物医用硬组织修复和替换材料作为该学科发展的基础材料已日益受到人们的关注和重视。人们研究发现，在这类材料中β-磷酸三钙类生物材料降解性较好但生物活性低，而硅酸三钙类生物材料却与之相反，生物活性表现非常好而降解性一般。因此如何获得一种同时具有较好的生物活性和降解性的生物材料成为摆在人们面前的一个问题。
此外，除了生物材料的组成之外，生物材料的结构在很大程度上会直接影响到该材料的临床应用。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，同时这样还能增强种植材料的驻扎和稳定性。因此，在近几年迅速发展的组织工程学研究中，往往利用以多孔支架作为细胞载体，利用材料的可降解性，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。
西班牙圣地亚哥大学的P.N.de Aza(Biomaterials，1997，18：1285)将硅酸钙和磷酸三钙按体积比60∶40的比例混合并置于白金坩埚中2h加热到1500℃，得到均匀的液相，然后以3℃/min的速度降至1410℃，再以0.5℃/h的速度降至1390℃。由此制备出含有硅酸钙和磷酸三钙共熔体结构的复合生物陶瓷材料。该材料在模拟体液和人体唾液浸泡实验中具有很好的类骨羟基磷灰石形成能力。但是，这种方法有如下缺点：陶瓷的烧结过程中温度较高(1390-1500℃)，时间较长(大于40小时)，所以制备过程能耗大，成本高。同时应用该方法制备得到的是致密的陶瓷材料，不适合作为组织工程中的支架材料。
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。Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO2基玻璃表面能形成类骨羟基磷灰石层，而CaO-P2O5基玻璃表面没有类骨羟基磷灰石形成。
黄翔等人用化学方法制备出硅酸钙/磷酸三钙复合粉体，干压并等静压成型后于1300-1400℃下煅烧制得硅酸钙/磷酸三钙以60∶40体积比复合的生物活性陶瓷材料(中国专利申请号：02110847.1)。由于烧结温度远大于硅酸钙和磷酸钙的烧结温度，这种方法无法制备具有大孔的多孔陶瓷，得到的材料仅含少量的微孔，其孔径也仅为1-2微米。如此小的微孔难以使得组织和血管等长入材料内部，不适合作为组织工程中的细胞支架材料。此外，该发明也没有对制得的材料的降解性能作出明确的评价。
发明内容
本发明的目的在于通过优化工艺开发出一种既具有良好的生物活性、可降解性的又具有适合的力学强度、孔径和孔隙率的通孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料。该材料可以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，以满足新一代生物材料发展的需要。
本发明是通过下述方案加以实现的：
本发明所使用的硅酸钙微粉是通过化学方法以Ca(NO3)2·4H2O和Na2SiO3·9H2O为原料制备得到的。中国专利02137248.9已经记载了该粉料的制备方法。即配制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，将Na2SiO3溶液加入Ca(NO3)2溶液中，物料加毕继续搅拌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，并由烘干得到的粉体在球磨后于800℃-1000℃煅烧1-3小时，得到β-CaSiO4微粉。本发明所使用的β-磷酸三钙微粉也是通过化学方法制备得到的，具体方法可参见文献(Jarcho M，Bolen C H.J.Materials Sci，1976，11：2027-2035)。上述硅酸钙和β-磷酸三钙的颗粒度要求为100nm-150μm。
按质量百分比为10∶90-99∶1将硅酸钙微粉与β-磷酸三钙微粉混合成为复合微粉。选用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中的一种或几种作为造孔剂，其颗粒度要求为50-700微米。按质量比为3∶7-6∶4的比例将造孔剂同复合微粉混合得混合料。
之后可以采取如下两种成型方法，
第一种是干压法，即在上述混合料中加入质量百分比1-5％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2-10MPa的压力干压成型得本发明的多孔材料素坯。
第二种方法是凝胶铸模成型方法，即先配制具有如下质量百分比浓度的混合水溶液，10-30％的丙烯酰胺(AM)单体、0.5-10％的N、N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)交联剂和5-10％的聚丙烯酸胺(PMAA-NH4)分散剂，按体积比为30∶70-60∶40的比例将上述混合料同混合水溶液混合均匀，加入质量百分比1-5％的过硫酸铵，加入量为体积百分比1-15％，再加入质量百分比1-5％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺(TEMED)，加入量为体积百分比1-15％，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铸模成型，并在30-80℃引发单体的交联反应1-10小时，之后干燥脱模得本发明的多孔材料素坯。
最后将两种工艺所得的素坯在900-1200℃煅烧1-5小时得到本发明的多孔材料。
本方法制得多孔材料的性能评价如下：
一、多孔材料的力学强度
对本发明得到的多孔材料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在2-80MPa范围内。
二、多孔材料的孔隙率和孔结构
我们对本发明得到的部分样品用阿基米德法测试孔隙率，应用光学显微镜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在40-85％范围内；孔的大小分布在50-600微米且孔的分布均匀、连通。
三、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；SimulatedBody Fluid)。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：             1.0mol/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、30.0mL/day SBF、37℃恒温箱内。分别将多孔材料浸泡1、3、5和7天后，取出样品并经过去离子水洗涤后进行SEM、傅立叶红外变换光谱(FTIR)和XRD测试，结果分别见图2、图3和图4。生物活性实验表明本发明得到的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙双相复合生物陶瓷材料能在表面诱导生成类骨羟基磷灰石，从而表明这些材料具有生物活性。
四、降解性评价
将本发明得到的多孔复合材料先后经去离子水和丙酮洗涤、烘干后进行体外降解性实验评价。我们通过该类多孔材料在PH值为7.25的三(羟甲基)胺基甲烷(Tris)缓冲溶液中浸泡不同时间后释放的Ca2+的百分含量或材料的失重来评价材料的降解性。结果表明3-磷酸三钙质量范围在5％-80％的多孔复合材料在Tris缓冲液中浸泡7天的降解率在10％-70％。
附图说明
通过下面附图并结合对本发明所做的详细说明，可以更好地理解上文所述内容。若样品中硅酸钙的质量百分比占30％，β-磷酸三钙的质量百分比占70％，则该组分的样品标记为W3T7，其他类同。其中，
图1分别是本发明的纯硅酸钙(A)和纯β-磷酸三钙(B)在SBF(人体模拟体液)中浸泡前的SEM形貌图。
图2分别是本发明的纯硅酸钙(A)、W7T3(B)、W5T5(C)、W3T7(D)和纯β-磷酸三钙(E)的多孔复合生物陶瓷在SBF(人体模拟体液)中浸泡1天后的SEM图。
图3分别为本发明的纯硅酸钙(A)和W5T5(B)的多孔材料在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4分别为本发明的纯硅酸钙(A)和W5T5(B)的多孔材料在SBF中浸泡若干时间后的XRD图。
图5为本发明得到的多孔复合材料的光学显微镜图。
综合图1-图4的结果，在图2的材料表面沉积的新的物相为类骨羟基磷灰石层。图2的结果显示该类复合多孔陶瓷的生物活性随着硅酸钙含量的增加而得到提高。图5的结果显示应用本发明制备得到的材料的孔分布均匀且具通孔。
具体实施方式
下面为本发明的实施例，但本发明决非仅限于实施例。
实施例1：
将过筛后颗粒度在45-75μm的硅酸钙和β-磷酸三钙微粉按质量比50∶50的比例球磨混合得复合粉体。按质量比60∶40的比例，将复合粉体与过筛后颗粒度在315-630μm的PEG粉混合，加入质量百分比为2％浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa干压成型，脱模得多孔材料的素坯。
素坯在1100℃下保温3小时制得本发明的多孔材料。测得抗压强度约为14MPa，孔隙率约55％，在Tris缓冲溶液中7天的降解率约为27％。
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评价。图1、图2、图3和图4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。
实施例2：
将过筛后颗粒度在38-44μm的硅酸钙和β-磷酸三钙微粉按质量比50∶50的比例球磨混合得复合粉体。按质量比40∶60的比例，将复合粉体与过筛后颗粒度在315-630μm的PEG粉混合，加入质量百分比为2％浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa干压成型，脱模得多孔材料的素坯。
素坯在1100℃下保温3小时制得本发明的多孔材料。测得抗压强度约为2.5MPa，孔隙率约75％，在Tris缓冲溶液中7天的降解率约为30％。
材料的生物活性评价同实施例1。
实施例3：
将过筛后颗粒度在38-45μm的硅酸钙和β-磷酸三钙微粉按质量比95∶5的比例球磨混合得复合粉体。按复合粉体与过筛后颗粒度在300-600μm的PVA粉按质量比70∶30取料混合，得固体混合料。配制质量百分比浓度为20％的AM、2％的MBAM和8％的PMAA-NH4的混合水溶液，按体积比50∶50的比例将10克固体混合料同上述混合水溶液混合均匀，加入质量百分比3％的过硫酸铵，加入量为体积百分比6％、再加入质量百分比3％的TEMED，加入量为体积百分比8％，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，之后干燥脱模得本发明的多孔材料素坯。
素坯在1100℃下保温2小时制得本发明的多孔材料的抗压强度约为75MPa，孔隙率约43％。在Tris缓冲溶液中7天的降解率约为45％。
材料的生物活性评价同实施例1。
实施例4：
将过筛后颗粒度在38-45μm的硅酸钙和β-磷酸三钙微粉按质量比20∶80的比例球磨混合得复合粉体。按质量比50∶50的比例，将复合粉体与过筛后颗粒度在315-630微米的PEG粉混合，加入质量百分比为3％浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa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5.6MPa，孔隙率约65％。在Tris缓冲溶液中7天的降解率约为16.3％。
材料的生物活性评价同实施例1。
实施例5：
将过筛后颗粒度在38-45μm的硅酸钙和β-磷酸三钙微粉按质量比80∶20的比例球磨混合得复合粉体。按质量比50∶50的比例，将复合粉体与过筛后颗粒度在150-200微米的PEG粉混合，加入质量百分比为3％浓度为6％的PVA溶液作黏结剂，调均匀后，于14MPa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6MPa，孔隙率约65％。在Tris缓冲溶液中7天的降解率约为68％。
材料的生物活性评价如实施例1。

Claims (9)

1、一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，包括混料、干压成型、烧结，其特征在于：
(1)按质量比为10～90∶99～1将硅酸钙微粉与β-磷酸三钙微粉混合成为复合微粉；
(2)选用PEG、PVA、石蜡、聚苯乙烯-二乙烯苯中的一种或几种作为造孔剂，按质量比为3∶7-6∶4的比率将造孔剂同复合微粉混合；
(3)加入质量百分比1-5浓度为1-10％的PVA作为黏结剂，混合均匀后，在钢模中以2-30MPa的压力干压成型成素坯，最后素坯在900-1200℃温度下煅烧1-5小时。
2、按权利要求1所述的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的硅酸钙与β-磷酸三钙的颗粒度要求为100nm-150μm。
3、按权利要求1或2所述的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的造孔剂的颗粒度为50-700微米。
4、按权利要求1或2所述的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的多孔硅酸钙微粉的制备过程为先配制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，再将Na2SiO3溶液加入Ca(NO3)2溶液中，物料加毕继续搅拌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，并由烘干得到的粉体在球磨后于800℃-1000℃煅烧1-3小时。
5、一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，包括混料、凝胶注模成型、烧结，其特征在于：
(1)质量比为10∶90-99∶1将硅酸钙微粉与β-磷酸三钙微粉混合成为复合微粉；
(2)选用PEG、PVA、石蜡、聚苯乙烯-二乙烯苯中的一种或几种作为造孔剂，按质量比为3∶7-6∶4的比率将造孔剂同复合微粉混合；
(3)配制质量百分比浓度为10-30％丙烯酰胺单体、0.5-10％N、N’-亚甲基双丙烯酰胺交联剂、5-10％聚丙烯酸胺分散剂的混合水溶液；
(4)按体积比为30∶70-60∶40的比率将步骤(2)所得的混合粉料与步骤(3)所得的混合水溶液混合均匀，加入质量百分比1-5％的过硫酸铵，加入量为体积百分比1-15％，再加入质量百分比1-5％的N、N、N’、N’-四甲基乙二胺，加入量为体积百分比1-15％，搅拌均匀后得到浆料，将浆料倒入塑料或石膏模具内凝胶铸模成型，并在30-80℃引发单体的交联反应1-10小时，再将干燥脱模的素坯在900-1200℃温度下煅烧1-5小时。
6、按权利要求5所述的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的硅酸钙微粉与β-磷酸三钙微粉的颗粒度要求为100nm-150μm。
7、按权利要求5或6所述的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于所述的造孔剂的颗粒度为50-700微米。
8、按权利要求5或6所述的具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述的多孔硅酸钙微粉的制备工艺过程为先配制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，再将Na2SiO3溶液加入溶液中，物料加毕继续搅拌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，并由烘干得到的粉体在球磨后于800℃-1000℃煅烧1-3小时。
9、根据权利要求1-8之一所述的方法制得的一种具有生物活性和降解性的多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料用作硬组织缺损修复材料和体外骨组织培养细胞支架材料
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