TWI283657B - CaO-SiO2-based bioactive glass and sintered calcium phosphate glass using same - Google Patents

Description

1283657 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於以Ca0-Si〇2為基礎之生物活性玻璃，可用於骨 骨各修復材料如人工關節、人工牙齒、人工骨絡及使用該生物活性 玻璃的一燒結磷酸鈣玻璃。 【先前技術】 當一人工材料植入一活體的損傷部分時，該材料通常被膠原纖 維膜所包覆，因此與鄰近骨絡相隔離。但是，也有某些不需以纖 維膜隔離即與活體骨骼牢固連接的人工材料，該等人工材料之實 例包括以Na2〇-CaO-Si〇2_P2〇5為基礎的生物玻璃、燒結羥磷灰石 Cal0(PO4)6(〇H)2及結晶玻璃。所謂結晶玻璃係以 CaO-MgO-Si〇2_P2〇5為基礎，含有矽灰石晶體及磷灰石晶體（例 如：羥磷灰石晶體）的生物活性破螭。該等材料稱為生物活性陶 变其中有些已經被使用作為重要的骨骼修復材料。 燒結羥磷灰石已經在醫療領域被廣泛地用作具有高生物適應 性的骨骼修復材料，其生產方法也受到廣泛研究。但是，隨著近 年對生物適應性人工骨骼等的需求的增加，人們希望開發出含活 體骨骼成分之碳酸磷灰石的生物活性陶瓷。 因為碳酸磷灰石的分解溫度低於羥磷灰石，因此其燒結係在較 低溫度下實施以產生碳酸磷灰石陶免。日本專利jp 2000·72572 A揭示了 一種用塑型加工燒結磷灰石體袤生的模型植入物及生產 該模型植入物的方法，其包括的步驟為：在900。(：或更低溫度燒 結磷灰石，將燒結的磷灰石填入一預定模槊，然後在3〇〇至780oC 塑型加工該燒結磷灰石。在該方法中，因燒結溫度低，分解溫度 低的破酸或氟化碟灰石可用於生產具有高生物適應性的植入物。 但是，該植入物主要包括沒有其他結晶相的磷灰石，因此機械強 度低。 1283657 使用玻璃當作燒結輔料係為增加由填灰石（如碳酸碟灰石）組 成之骨骼修復陶瓷材料的機械強度。在燒結程序中，玻璃在碟灰 石主晶體的周圍軟化，在將燒結的主晶體之間產生晶體，藉此增 加燒結磷灰石玻璃的機械強度。傳統上，係使用非生物活性玻璃 當作燒結羥磷灰石體的燒結辅料。但是，因為該等非生物活性玻 璃具有高玻璃轉化溫度及/或結晶溫度，因此無法在低於碳酸磷灰 石分解溫度的溫度下燒結產生較佳的晶體。因此，使用非生物活 性玻璃當作燒結辅料的燒結碳酸磷灰石體的機械強度不夠。 因此，本發明之一目的係提供一種玻璃轉化溫度及/或結晶溫 度低的生物活性玻璃，以及一種使用該生物活性玻璃獲得高生物 適應性及機械強度的燒結磷酸鈣玻璃。 【發明内容】 藉由為實現上述目的之研究發現，一具有低玻璃轉化溫度及/ 或結晶溫度的生物活性玻璃，包含30至60莫耳％CaO、40至70 莫耳％8丨02及20莫耳％或更低Na2〇的組合物，而使用該生物活 性玻璃當作燒結辅料的一燒結磷酸鈣玻璃具有極佳的生物適應 性及機械強度。本發明係根據上述發現完成。 因此，本發明之生物活性玻㈣之組成大致包括3 0至6 0莫耳 0/〇CaQ、40至70莫耳％8丨〇2及20莫耳％或更低Na2〇的組合物。 較佳地，前述之生物活性玻璃進一步包括CaF2及/或B2〇3。前 述之生物活性玻璃較佳係具有790°C或更低的玻璃轉化溫度。前 述之生物活性玻璃的玻璃轉化溫度與結晶初始溫度之間的差距 較佳為80°C或更多。當結晶時，前述之生物活性玻璃較佳係形 成一 β矽灰石晶體。 在一項較佳具體實施例中，前述生物活性玻璃組成大致包括 30 至 60 莫耳％0&0、40 至 7〇 莫耳％si〇2，及至少 Na2〇、CaF2 與B2O3三種物質其中之一，Na2〇為20莫耳％或更低，CaF2為1 1283657

Tg與結晶初始溫度Tc〇之間的溫差。在玻璃轉化溫度Tg與結晶 初始溫度Tc〇的溫度區域内，該生物活性玻璃顯示軟化特性。 玻璃轉化溫度Tg低的生物活性玻璃可用作具有低分解溫度的 碳酸磷灰石等的燒結輔料。為了在低於磷酸鈣分解溫度但高於結 晶初始溫度Tc〇的溫度下容易燒結生物活性玻璃，結晶初始溫度 Tc〇較佳係低於該分解溫度之溫度約400QC或更多。玻璃轉化溫 度Tg係為790QC或更低，較佳為770QC或更低。而且，本發明 之生物活性玻璃的玻璃轉化溫度與結晶初始溫度具有較大溫差 △ T。當溫差ΛΤ大時，容易獲得稠密晶體而無需精確控制燒結溫 度。生物活性玻璃的溫差ΔΤ較佳為80°C或更高，更佳為90°C 或更高。 添加Na20可降低生物活性玻璃的玻璃轉化溫度Tg。但是， 過量的Na20通常抑制β矽灰石晶體的形成。因此，Na20的含量 較佳係為10莫耳％或更少，更佳為5莫耳％或更少，特定言之， 最佳為1莫耳％或更少。Na20含量的下限較佳為0.1莫耳％。當 增加的Na20量低於0.1莫耳％時，則實質沒有獲得增加Na20的 效果。 生物活性玻璃添加CaF2可降低其玻璃轉化溫度Tg並加大溫 差ΛΤ。增加，玻璃轉化溫度Tg及結晶初始溫度TcG均降 低，結晶初始溫度TcG的降低小於玻璃轉化溫度Tg的降低。因此， 降低了玻璃轉化溫度Tg，且加大了溫差ΔΤ。增加的CaF2量較佳 係為1莫耳％或更少，更佳為0.5莫耳％或更少。 生物活性玻璃也可添加B2〇3。與添加CaF2 —樣，添加少量的 B203可降低玻璃轉化溫度Tg及結晶初始溫度TcG，並加大溫差 ΔΤ。增加的B203數量較佳為5莫耳％或更少，更佳為1莫耳％或 更少。 本發明之生物活性玻璃中應包含Na20、CaF2& B2〇3之至少 1283657 約900。(3或更南溫度下被消除。因此，若為燒結鱗酸約玻璃使用 碳酸磷灰石，燒結程序較佳係在低於900°C的溫度下實施。 本發明之燒結磷酸鈣玻璃包括本發明之該生物活性玻璃當作 燒結輔料。如第二圖所示，該生物活性玻璃較佳係在結晶溫度產 生β矽灰石晶體。所產生的β矽灰石晶體與生物活性玻璃的質量 百分比最好為10至100%。 (b)生產燒結磷酸鈣玻璃的方法 可使用普通燒結方法生產本發明之燒結磷酸鈣玻璃。 磷酸鈣顆粒的平均顆粒直徑較佳為1至1〇〇μιη，更佳為1〇至 20μπι。可使用喷霧粒化方法製備此種平均顆粒直徑的磷酸鈣顆 粒。因此，磷酸鈣顆粒係細磷酸鈣晶體（原始顆粒）的凝聚。該磷 酸妈晶體直徑較佳為1 μηι或更小的奈米顆粒，更佳為直徑1 〇至 500nm的奈米顆粒。 本發明之生物活性玻璃的粉末化顆粒可加入至該等磷酸鈣顆 粒。生物活性玻璃顆粒的平均顆粒直徑較佳為〇1至1〇μπι，更佳 為5μιη或更小。生物活性玻璃與該等磷酸鈣顆粒的質量百分比較 佳為0.5至10%，更佳為1至5%。 該等磷酸鈣顆粒與生物活性破璃顆粒可與氧化鋁球及一溶液 如異丙酵、乙醇等濕混合，乾燥後即獲得燒結用混合物。乾燥時 間較佳為0·5至5小時’更佳為2至5小時。該混合物宜放在不 錄鋼模型等容器内，壓模，然後進行冷均壓（⑶丨&⑻伽—聰）。 然後燒結所獲得的綠色體。該綠色體的燒結溫度較佳為7〇〇 至1300 C，更佳為700至900。(：。燒結時間較佳為〇 5至1〇小時， 更佳為2至5小時。燒結程序係參考第三⑷圖至第三⑷圖來說明。 如第三⑷圖所示，該等鱗酸觸粒與玻璃 綠色體中。如第三_所示，當在玻璃轉化溫度或更高溫^^ 该綠色體時’玻璃顆粒會軟化。如第三⑷圖所示，當進—步加熱 1283657 該綠色體時，軟化的玻璃顆粒滲透至磷酸鈣顆粒之間的小孔中， 引起稠密化，藉此形成顆粒邊界相（玻璃相）。

如第三（d)圖所示，當繼續燒結程序且在至少玻璃成分之部分 形成晶體的溫度下加熱該綠色體時，在顆粒邊界相即產生晶體以 形成晶體相。因為在整個燒結程序中，燒結溫度低於磷酸鈣顆粒 的熔化溫度及分解溫度，故磷酸鈣顆粒幾乎不會在玻璃中分解或 熔化。因此，如某些玻璃成分之β矽灰石晶體的晶體係產生於磷 酸鈣顆粒之間，以產生燒結的稠密磷酸鈣玻璃。加熱速率宜均勻， 較佳的加熱速率約為l〇°C/min。燒結溫度宜保持在玻璃轉化溫度 與結晶溫度之間1至5小時。所燒結的磷酸鈣玻璃宜在爐子中冷 卻。 本發明將參考以下實例做更詳細說明，但無意限制本發明之範 圍。 實施例1 將49.5莫耳％€&0粉末、49.5莫耳％3丨02粉末及1莫耳°/^&20 粉末混合在一起，在1500。(：熔化2小時，以產生具有均勻組成 的生物活性玻璃塊。 實施例2至6 材料粉末在1500°C熔化2小時，以產生表1所示具有均勻組 成的生物活性玻璃塊。 表1 生物活性玻璃 組成(莫耳％) CaO Si02 Na20 CaF2 B2O3 實施例1 49.5 49.5 1.0 - - 實施例2 47.5 47.5 5.0 - - 實施例3 40.0 50.0 10.0 - - 12 1283657 實施例4 49.5 50.0 - 0.5 - 實施例5 49.0 49.5 1.0 0.5 - 實施例6 49.5 49.0 1.0 0.5 1.0 比較例1至5 材料粉末在1500°C熔化2小時，以產生表2所示具有均勻組成的生物 活性玻璃塊。 表2

生物活性玻璃 組成(莫耳％) CaO Si02 P2O5 比較例1 50.0 50.0 - 比較例2 49.0 51.0 - 比較例3 40.0 60.0 - 比較例4 47.5 47.5 5.0 比較例5 60.0 30.0 10.0 實施例1至6及比較例1至5的各生物活性玻璃受到微差熱分 析，以獲得玻璃轉化溫度Tg、結晶初始溫度Tc〇、結晶溫度Tc 以及玻璃轉化溫度與結晶初始溫度的溫差AT。 如表3所示，實施例1至6之各生物活性玻璃的玻璃轉化溫度 Tg較不含Na20等的比較例的各生物活性玻璃低。包含CaF2之實 施例4至6之各生物活性玻璃具有較大的溫差ΛΤ。 表3 13 1283657 生物活性玻璃 玻璃轉化溫度 結晶初始溫度 結晶溫度 Tg與Tc〇之間的 Tg(°C) Tc〇(°C) Tc(°C) 溫差ΔΤ(°〇 實施例1 774.4 862.5 882.6 88.1 實施例2 717.4 859.0 829.3 141.6 753.0 實施例3 662.9 726.0 814.3 63.1 918.2 實施例4 780.4 862.6 883.8 82.2 實施例5 763.1 859.0 874.9 95.9 實施例6 746.4 837.4 851.6 869.4 91.0 i 比較例1 792.9 861.8 880.6 914.7 68.8 比較例2 789.6 866.7 886.2 77.1 比較例3 780.8 882.2 911.9 101.4 比較例4 789.1 896.1 944.9 107.0 比較例5 807.2 873.4 885.9 66.2 實施例1至6及比較例1至5的各生物活性玻璃係在結晶溫度 或更高溫度加熱，所產生的晶體由X射線結構分析進行分析。第 ® 四（a)圖之曲線圖顯示X射線分析實施例1至6的結考，比較例1 ® 至5的分析結果顯示於第四（b)圖之曲線圖。 " 如表4所示，β矽灰石晶體主要產生於實施例1、2及4至6 及比較例1至3的生物活性玻璃，其包含約相同莫耳量的CaO與 Si02。另一方面，在包含P205的比較例4與5的生物活性玻璃中 幾乎不產生β矽灰石晶體。 表4 14 1283657 生物活性玻璃 結晶溫度Tc(°C) 晶體糸統 實施例1 882.6 β 矽灰石》Na2CaSi04(1) 實施例2 829.3 β 矽灰石〉Na2CaSi04、Na2CaSi07(2) 753.0 Na2CaSi308 » Na2CaSi04 實施例3 814.3 Na2CaSi308 » Na2CaSi04 918.2. Na2CaSi308» Na2CaSi04 實施例4 883.8 β矽灰石 實施例5 874.9 β 矽灰石》Na2CaSi04 實施例6 851.6 Na2CaSi04>p石夕灰石 869.4 β 矽灰石>Na2CaSi04 比較例1 880.6 914.7 β矽灰石 β矽灰石 比較例2 886.2 β矽灰石 比較例3 911.9 β矽灰石 比較例4 944.9 α矽灰石>β矽灰石 比較例5 885.9 Ca2Si04 > Ca(P〇3)2 備註 (1) 「》」表示左側的晶體係以極大量產生。 (2) 「>」表不左側的晶體係以較大量產生。 實施例7 實施例1的生物活性玻璃塊係粉末化至平均顆粒直徑為ΙΟμηι 的顆粒，其質量的5%係加入可從Pentax公司獲得的經填灰石奈 米顆粒之凝聚顆粒（平均直徑：15μιη) 100%的質量。所得到的混合 物使用異丙醇及氧化鋁球濕混合，乾燥後獲得用於燒結的粉末。 將0.2g的該粉末放入不銹鋼模型内，壓模，然後冷均壓 (cold-isostatic-pressed ; CIP)，結果產生直徑 10mm、厚度 2mm 的 碟形綠色體。在9〇〇°C燒結該綠色體3小時，在爐中冷卻以產生 經石粦灰石玻璃的燒結體。燒結W的加熱速率為10°C/min。而且，

Claims (1)

1283657 私年乂月V日修(更)正本 拾、申請專利範圍： 1. 一種生物活性玻璃，其具有包括30至60莫耳％CaO、40至70 莫耳％Si02、20莫耳％或更低Na20及0.1至1莫耳％ CaF2 之組合物，且該生物活性玻璃不含P2O5。 2. 如申請專利範圍第1項所述之生物活性玻璃，其中前述組成係 可進一步包括B2〇3。 3. 如申請專利範圍第1項所述之生物活性玻璃，其中前述生物活 性玻璃具有790°C或更低的玻璃轉化溫度。 4. 如申請專利範圍第1項所述之生物活性玻璃，其中該生物活性 玻璃的玻璃轉化溫度與其結晶初始溫度之溫差為80°C或更 高。 5. 如申請專利範圍第1項所述之生物活性玻璃，其中前述生物活 性玻璃在結晶溫度下產生一 β矽灰石晶體。 6. —種生物活性玻璃，其具有包括30至60莫耳％CaO、40至 70莫耳％8丨02，及Na20、CaF2與B2〇3之至少一個的組合物， 其中Na20為20莫耳。/〇或更低，CaF2為1莫耳°/〇及B2〇3為5 莫耳％或更低。 7. 如申請專利範圍第6項所述之生物活性玻璃，其中前述生物活 性玻璃係實質上不含P2〇5。 8. —種燒結磷酸鈣玻璃，其包括如申請專利範圍第1項所述之生 物活性玻璃當作燒結輔料。 9. 如申請專利範圍第8項所述之燒結磷酸鈣玻璃，其中前述燒結 磷酸鈣玻璃包括羥磷灰石、碳酸磷灰石或磷酸三鈣之一種磷酸 妈。 10· —種燒結磷酸鈣，其包括一生物活性玻璃當作燒結辅料，且 該生物活性玻璃係由一組合物所形成，該組合物實質上包括 30 至 60 莫耳％CaO、40 至 70 莫耳％Si02，及 Na20、CaF2 與 20 1283657 B2〇3之至少一個，其中Na20為20莫耳％或更低，CaF2為0·1 至1莫耳％及Β2〇3為5莫耳％或更低，該燒結磷酸鈣之細胞 黏著、細胞增殖及驗性填酸酶活性的性質優異，其中前述燒結 磷酸鈣包括羥磷灰石、碳酸磷灰石或磷酸三鈣之一種磷酸鈣。 11. 一種燒結磷酸鈣，其包括一生物活性玻璃當作燒結辅料，且 該生物活性玻璃係由一組合物所形成，該組合物實質上係由 30至60莫耳％0&0、40至70莫耳％8丨02、及0·1·5莫耳％Na20 所組成，該燒結磷酸鈣之細胞黏著、細胞增殖及鹼性磷酸酶活 性的性質優異，其中前述燒結磷酸鈣包括羥磷灰石、碳酸磷灰 石或磷酸三鈣之一種磷酸鈣。 12. —種燒結磷酸鈣，其包括一生物活性玻璃當作燒結輔料，且 該生物活性玻璃係由一組合物所形成，該組合物實質上係由 30 至 60 莫耳％CaO、40 至 70 莫耳％Si02、0.1-5 莫耳％Na20、 及0.1至1莫耳％CaF2所組成，其中前述燒結磷酸鈣包括羥磷 灰石、碳酸磷灰石或磷酸三鈣之一種磷酸鈣。 13· —種燒結磷酸鈣，其包括一生物活性玻璃當作燒結輔料，且 該生物活性玻璃係由一組合物所形成，該組合物實質上係由 30 至 60 莫耳％CaO、40 至 70 莫耳。/〇Si02、0.1 至 5 莫耳％Na20、 及5莫耳％或更低B2〇3所組成，其中前述燒結磷酸鈣包括羥 磷灰石、碳酸磷灰石或磷酸三鈣之一種磷酸鈣。 14. 一種燒結填酸約，其包括一生物活性玻璃當作燒結輔料，且 該生物活性玻璃係由一組合物所形成，該組合物實質上係由 30至60莫耳％CaO、40至70莫耳％Si02、及0.1至5莫耳 %Na20、0.1至1莫耳°/^^卩2與5莫耳％或更低B2〇3當中至少 一個所組成，其中前述燒結磷酸鈣包括羥磷灰石、碳酸磷灰石 或磷酸三鈣之一種磷酸鈣。 21