TWI548428B - 可用於微細修補的人造材料及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明為一種可用於細微修補的人造材料。
以矽酸鈣(Calcium silicate)為基材之骨水泥(Bone cement)於臨床上被廣泛應用，因矽元素於人體之骨骼形成中扮演重要角色，具有刺激骨組織再生修補、生物活性與加速細胞增殖分化之特性，使得矽酸鈣骨水泥主要為用於骨缺損時重建修補之生醫材料，目前的矽酸鈣骨水泥以三氧礦化合物(Mineral Trioxide Aggregate,MTA)以及生物活性玻璃(Bioglass)為主。然而三氧礦化合物(Mineral Trioxide Aggregate,MTA)於臨床操作上硬化時間長達162分鐘，此冗長之硬化過程容易使得材料本身許多特性受到影響，例如注射性、可塑性等等；生物玻璃(Bioglass)由於材料本身之機械強度低，僅適用於骨承受力量較不強之身體區域，如耳小骨、指骨等之修復，應用上有其限制。
許多先前技術針對原有之矽酸鈣骨水泥硬化時間過長進行改善，但具有可快速硬化性質之矽酸鈣骨水泥往往容易喪失其可塑性與可注射性，使得臨床操作特性下降。為了改善臨床使用上之不便，許多高分子材料如明膠(Gelatin)、幾丁聚糖(Chitosan)或膠原蛋白(Collagen)等等亦添加於矽酸鈣骨水泥中，雖然此複合材料可達到可塑型以及可注射之
優點，但添加之高分子材料卻使其硬化時間大幅增加，大大降低了材料本身之機械強度與生物活性，因此，基於既有之矽酸鈣骨水泥材料不易達到種種訴求基於該些前述理由，有必要發明一種可用於細微修補的人造材料以改善現有之矽酸鈣骨水泥造成之問題，亦不影響其臨床使用特性、機械性質、生物活性及吸水性。
為了解決現有之矽酸鈣骨水泥造成之問題，本發明提出一種可用於微細修補的人造材料及其製造方法，其步驟包含：多巴胺修飾改質：取一多巴胺溶液對一矽酸鈣基材進行修飾改質得一多巴胺-矽酸鈣複合物；及混合：將改質完成之該多巴胺-矽酸鈣複合物添加水或一磷酸溶液混合得該可用於細微修補的人造材料。
其中，該多巴胺修飾改質為將該矽酸鈣基材添加於一多巴胺溶液中進行攪拌，並過濾得一粉末，使用一二次水清洗該粉末，過濾後乾燥形成改質之該多巴胺-矽酸鈣複合物。
其中，該矽酸鈣基材較佳為一第一型矽酸鈣基材，其中，該矽酸鈣基材之製備為均勻混合一氧化鈣、一二氧化矽、一氫氧化鈣及一三氧化二鋁形成一混和氧化物，並以高溫進行燒結，冷卻得一第一型矽酸鈣粉體，將該第一型矽酸鈣粉體與一酒精溶液共同濕式研磨，成一粉末狀第一型矽酸鈣基材。
其中，該矽酸鈣基材較佳為一第二型矽酸鈣基材，其中，該第二型矽酸鈣基材製備：將一矽酸乙酯用一硝酸進行水解，並加入一硝酸鈣反
應生成一第二型矽酸鈣溶液，透過乾燥該第二型矽酸鈣溶液形成一粉末態第二型矽酸鈣，將所得之該粉末態第二型矽酸鈣利用高溫燒結，並研磨而成該第二型矽酸鈣基材。
其中，製備該第一型矽酸鈣基材之該混合方法是以一混合機將該混合氧化物混合0.5~2小時；該高溫燒結方法是將乾燥完成之該粉末態矽酸鈣置入一燒結爐以每分鐘0.5~40℃之速率加熱至900℃~1500℃，並持溫於900℃~1500℃約2小時進行高溫燒結；該冷卻方法為以氣冷、水冷或快速冷卻之方法將高溫燒結完成之該混合氧化物冷卻至室溫；及該研磨方法是將所得之該產物置入一球磨機進行研磨，持續12小時~3天，製成該第一型矽酸鈣基材。
其中，該乾燥方法是將反應完成之該第二型矽酸鈣溶液置入一烘箱進行乾燥，其製造參數為以60℃持溫24小時，再以120℃持續乾燥形成該粉末態第二型矽酸鈣。
一種可用於微細修補的人造材料，其包含將一矽酸鈣以一多巴胺進行改質而得粉末態之一多巴胺-矽酸鈣複合物。
其中，該多巴胺-矽酸鈣複合物中，成分主要為ß-矽酸鈣。
其中，該多巴胺-矽酸鈣複合物以燒結法製得，其包含均勻混合一氧化鈣、一二氧化矽、一氫氧化鈣及一三氧化二鋁形成一混合氧化物，並利用高溫燒結該混合氧化物，並將該混合氧化物添加一多巴胺溶液進行改質得一多巴胺-矽酸鈣複合物。
其中，該混合氧化物之鈣矽莫耳比介於10~1之間，較佳為介於6~2之間；該多巴胺-矽酸鈣複合物比該二次水或該磷酸溶液之混合比例為1：0.3~1.5之重量比例；及該多巴胺溶液為取一粉末態之多巴胺溶解於水中形成一液態多巴胺，並將該液態多巴胺攪拌溶解於80度C、pH=8.5的三羥甲基氨基甲烷緩衝溶液中，其中該多巴胺溶液之濃度為0.5~20mg/ml，較佳為0.5~5.0mg/ml；及該二次水或磷酸溶液與該多巴胺-矽酸鈣複合物之混合比例係為0.2~4mL/g，較佳為0.8~1.5mL/g。
由上述說明可知，本發明具有下列優點：
1.由圖1之結果所示改質完成之材料依然保有其可注射性及可塑性，臨床操作特性不受影響。
2.由圖2之結果所示大幅縮短原有材料硬化所需時間，節省以往冗長硬化過程容易影響材料之機械、物理性質，使用上更為快速。
3.由圖5之結果所示本發明提高既有之矽酸鈣骨水泥本身具有刺激骨組織生長之生物活性以及吸水性，使應用更加廣泛。
4.由圖6之結果可知本發明不僅無細胞毒性，更可刺激細胞之貼附及生長。
5.由圖7可知，培養於本發明上之該初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及骨鈣蛋白分泌量上升，顯示本發明有促進細胞分化之特性。
圖1為本發明較佳實施例之注射性量測圖。
圖2為本發明較佳實施例之硬化時間值量測圖。
圖3為本發明較佳實施例之以X光繞射儀(XRD)測量之X光繞射圖譜。
圖4為本發明較佳實施例之表面結構電子顯微鏡圖。
圖5為本發明較佳實施例浸泡於模擬體液1天後之表面結構電子顯微鏡圖。
圖6為本發明較佳實施例之細胞貼附及生長示意圖。
圖7為本發明較佳實施例之將初代人類牙髓細胞培養於其上之鹼性磷酸酶分泌差異圖。
本發明可用於微細修補的人造材料之製造方法，其步驟包含：
Step1多巴胺修飾改質：
取一多巴胺溶液對一矽酸鈣基材進行修飾改質，其中該多巴胺溶液為取一粉末態之多巴胺(Dopamine)溶解於水中形成濃度為0.5~20mg/ml，較佳為0.5~5.0mg/ml之一液態多巴胺，並將該液態多巴胺攪拌溶解於80度C、pH=8.55之一三羥甲基氨基甲烷緩衝溶液(Tris buffer solution,150mL)中而得該多巴胺溶液。添加7.5g該矽酸鈣基材進入該多巴胺溶液中進行攪拌並過濾得一粉末，並利用一水將該粉末清洗，較佳的為將一蒸餾水進行去離子形成一二次水，使用該二次水將該粉末清洗，再加以過濾並乾燥形成改質之粉末態之一多巴胺-矽酸鈣複合物。其中，將該液態多巴胺溶解於該三羥甲基氨基甲烷緩衝溶液(Tris buffer solution)中可使反應之pH值較穩定，該多巴胺溶液更容易與該矽酸鈣基材進行聚合反
應，其中上述該攪拌方法可以是用一攪拌匙以手動方式進行攪拌；該過濾方法可以是使用一濾紙進行過濾；該烘乾方法可以是使用一烘箱進行乾燥。
Step2混合：
取上述改質完成之該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或一磷酸溶液以適當比例混合均勻，其中該混合比例濃度為0.2~4mL/g，較佳的係為0.8~1.5mL/g，形成該可用於微細修補的人造材料，其中，選擇使用該磷酸溶液可加快混合完成之該可用於細微修補的人造材料的硬化時間及水合時間。
其中，上述之該矽酸鈣基材較佳的可選自一第一型矽酸鈣基材或一第二型矽酸鈣基材，該第一型矽酸鈣基材與該第二型矽酸鈣基材之製備如下。
該第一型矽酸鈣基材之製備：該第一型矽酸鈣基材是以高溫燒結法(sinter)製成，其製造方法為取一氧化鈣(CaO)、一二氧化矽(SiO2)、一氫氧化鈣(Ca(OH)2)及一三氧化二鋁(Al2O3)均勻混和形成一混合氧化物，利用高溫燒結該混合氧化物，使該混合氧化物之矽鈣莫耳比率介於10~1之間，較佳介於6~2之間，並將燒結完成之該混合氧化物冷卻並乾燥至50℃後獲得該第一型矽酸鈣粉體，其中該乾燥手段之製造參數可以是將該混合氧化物置於-40℃~150℃之溫度範圍，且為避免該第一型矽酸鈣粉體於研磨時產生水合作用，故選取99.5%之酒精與該第一型矽酸鈣粉體進行濕式研磨並乾燥成一粉末狀之第一型矽酸鈣基材，其中該乾燥手段之製造參數可為將該第一型矽酸鈣粉體置於-40℃~100℃之溫度範圍。上述之
混合，可為取一混合機將該混合氧化物混合0.5~2小時。該高溫燒結方法可以是將混合均勻之該混合氧化物置入一燒結爐，以每分鐘0.5~40℃之速率加熱至900℃~1500℃，並持溫於900℃~1500℃約2小時進行高溫燒結；該冷卻方法不限定，可以是以氣冷、水冷或快速冷卻之方法，將高溫燒結後之該混合氧化物冷卻至約50℃之室溫；而該研磨方法可以是將所得之該產物置入一球磨機進行研磨，持續12小時~3天，製成該第一型矽酸鈣基材。
該第二型矽酸鈣基材之製備：該第二型矽酸鈣基材是以溶液-凝膠法(Sol-Gel)製成，將一矽酸乙酯(TEOS,Tetraethyl orthosilicate)用一硝酸進行水解，並加入一硝酸鈣(Ca(NO3)2)反應生成一第二型矽酸鈣溶液，其中，該硝酸會使該矽酸乙酯(TEOS,Tetraethyl orthosilicate)結構中之鍵結打斷，並與該硝酸鈣(Ca(NO3)2)鍵結形成具有網狀結構之該第二型矽酸鈣溶液。透過乾燥該第二型矽酸鈣溶液形成一粉末態第二型矽酸鈣，將所得之該粉末態第二型矽酸鈣利用高溫燒結，並研磨而成該第二型矽酸鈣基材。其中，該乾燥手段可以是將反應完成之該第二型矽酸鈣溶液置入一烘箱進行乾燥，其製造參數可如持溫60℃約一天，再以120℃持續乾燥形成該粉末態第二型矽酸鈣。所謂的該高溫燒結方法可以是將乾燥完成之該粉末態第二型矽酸鈣置入一燒結爐以500℃持續兩小時進行高溫燒結；而該研磨方法可以是將該粉末態第二型矽酸鈣置入一球磨機進行研磨12小時製成該第二型矽酸鈣基材。
以下為以該多巴胺溶液進行改質完成之該多巴胺-矽酸鈣複合物分別以不同比例與該二次水或該磷酸溶液均勻混合而得之該可用於細
微修補的人造材料之物理性質分析。
測試與該二次水或該磷酸溶液以不同比例混合之該多巴胺-矽酸鈣複合物之注射性，結果如圖1所示，其中，測試方法為將該多巴胺-矽酸鈣複合物使用該二次水或該磷酸溶液以適當比例混合後，分別注入一容量為5毫升之一注射針筒，該注射針筒之開口端針頭直徑為2.0毫米，並將填充完成之該注射針筒置於一水合環境，該水合環境較佳為溫度37℃、水汽含量100%之環境下，於不同時間自該注射針筒中擠出，直至完全硬化於該注射針筒中而無法擠出。一般臨床上定義可使用之標準為將該多巴胺-矽酸鈣複合物以適當比例與該二次水或磷酸溶液混合後注入該針筒中開始，計算於20分鐘內還可自該針筒注射出為臨床可使用之範圍。本實施例測試結果，其中0mg/ml為該矽酸鈣-複合物無與該二次水或該磷酸溶液混合，並且於5分鐘內即硬化，喪失其注射性。而濃度為1~4mg/ml之實施例顯示於20分鐘內均具有50%以上之注射性，且隨著濃度上升，注射率上升，表示本發明可使用針筒注射之特性，可針對人體較細微之部分進行精細之修補，且不會一注入針筒即硬化之特性，大幅提昇其臨床使用之可能性。
該多巴胺-矽酸鈣複合物之硬化時間值如圖2所示，將不同比例進行混合之該多巴胺-矽酸鈣複合物分別填充入一模具中，該模具之直徑為6mm、高度為3mm，並將填充完成之該模具置於一37℃含百分之百水氣之環境中進行水合反應，於水合反應完成後將該模具取出得一多巴胺-矽酸鈣複合物試片，並使用一吉莫耳針進行硬化時間之測量，其測量之標準為American Society for Testing and Materials,ASTM C 187-98，臨床上建議之
硬化時間為小於40分鐘，本測試結果顯示，本發明之硬化時間均小於30分鐘，符合臨床上建議之硬化時間，避免冗長之硬化過程，影響其操作性質。
將上述該多巴胺-矽酸鈣複合物試片再進行水合反應一天，以X光繞射儀(XRD)測量之其X光繞射圖譜如圖3，顯示出以本發明之製造方法所製得之該多巴胺-矽酸鈣複合物中，其成分主要為ß-矽酸鈣(ß-Ca2SiO4)，顯示該ß-矽酸鈣具有最佳用於細微修補之人造材料的特性。
將上述該多巴胺-矽酸鈣複合物試片浸泡於一仿生溶液(Simulated Body Fluid,SBF)10ml一段時間，並將該試片取出後置入一烘箱進行乾燥，利用一電子顯微鏡觀察其量測其浸泡後的材料損失與表面結構強度如圖4示，其中，A為該多巴胺-矽酸鈣複合物該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為0mg/mL時所得之試片其表面結構圖；B為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為1mg/mL時所得之試片其表面結構圖；C為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為2mg/mL時所得之試片其表面結構圖；D為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為4mg/mL時所得之試片其表面結構圖，由A~D可知本發明之表面結構強度並無喪失。
將上述浸泡於該仿生溶液中之該試片，利用一電子顯微鏡觀察其表面磷灰石(Apatite)之生成狀態，如圖5，其中，A為該多巴胺-矽酸鈣複合物該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為0mg/mL時所得之試片其表面磷灰石(Apatite)之生成狀態；B為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為1mg/mL時所得之試片其表面磷灰石(Apatite)之生成狀態；C為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸
溶液之混合比例濃度為2mg/mL時所得之試片其表面磷灰石(Apatite)之生成狀態；D為該多巴胺-矽酸鈣複合物與該二次水或該磷酸溶液之混合比例濃度為4mg/mL時所得之試片其表面磷灰石(Apatite)之生成狀態，A~D圖均顯示該試片上生長許多磷灰石球狀物，表示本發明仍保有良好的生物活性。
用濃度為75%之一酒精溶液對該多巴胺-矽酸鈣複合物進行滅菌，並置放於一紫外光下照射一小時，將一初代人類牙髓細胞直接培養於該滅菌完成之該多巴胺-矽酸鈣複合物之材料表面，於不同時間點測量該細胞之生長率，其測量結果如圖6顯示，隨著該多巴胺-矽酸鈣複合物中所含之多巴胺濃度越高，培養於其上之該初代人類牙髓細胞生長率上升，本發明不僅沒有細胞毒性，更可刺激細胞的貼附及生長。
磷酸酶活性以及骨鈣蛋白分泌量為骨細胞是否分化之一重要指標，由該初代人類牙髓細胞培養於不同濃度之該多巴胺-矽酸鈣複合物，不同時間點測量其鹼性磷酸酶活性以及骨鈣蛋白分泌量，結果顯示於圖7，隨著該多巴胺-矽酸鈣複合物濃度越高，培養於其上之該初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及骨鈣蛋白分泌量上升，且皆明顯高於未添加多巴胺進行改質之組別，顯示本發明可以促進細胞之分化。
綜合上述結果可知混合比例較佳為粉末態之該多巴胺-矽酸鈣複合物比該二次水或該磷酸溶液為1：0.3~1.5之重量比例，具有較佳之臨床特性。
由上述說明可知，本發明具有下列優點：
1.由圖1之結果所示改質完成之材料依然保有其可注射性及可塑
性，臨床操作特性不受影響。
2.由圖2之結果所示大幅縮短原有材料硬化所需時間，節省以往冗長硬化過程容易影響材料之機械、物理性質，使用上更為快速。
3.由圖5之結果所示本發明提高既有之矽酸鈣骨水泥本身具有刺激骨組織生長之生物活性以及吸水性，使應用更加廣泛。
4.由圖6之結果可知本發明不僅無細胞毒性，更可刺激細胞之貼附及生長。
5.由圖7可知，培養於本發明上之該初代人類牙髓細胞其鹼性磷酸酶活性以及骨鈣蛋白分泌量上升，顯示本發明有促進細胞分化之特性。
Claims (10)
- 一種可用於微細修補的人造材料之製造方法，步驟包含：多巴胺修飾改質：取一多巴胺溶液對一矽酸鈣基材進行修飾改質得一多巴胺-矽酸鈣複合物；及混合：將改質完成之該多巴胺-矽酸鈣複合物添加水或一磷酸溶液混合得該可用於細微修補的人造材料。
- 如申請專利範圍第1項之可用於微細修補的人造材料之製造方法，其中，該多巴胺修飾改質為將該矽酸鈣基材添加於一多巴胺溶液中進行攪拌，並過濾得一粉末，使用一二次水清洗該粉末，過濾後乾燥形成改質之該多巴胺-矽酸鈣複合物。
- 如申請專利範圍第1或2項之可用於微細修補的人造材料之製造方法，該矽酸鈣基材較佳為一第一型矽酸鈣基材，其中，該矽酸鈣基材之製備為均勻混合一氧化鈣、一二氧化矽、一氫氧化鈣及一三氧化二鋁形成一混和氧化物，並以高溫進行燒結，冷卻得一第一型矽酸鈣粉體，將該第一型矽酸鈣粉體與一酒精溶液共同濕式研磨，成一粉末狀第一型矽酸鈣基材。
- 如申請專利範圍第1或2項之可用於微細修補的人造材料之製造方法，該矽酸鈣基材較佳為一第二型矽酸鈣基材，其中，該第二型矽酸鈣基材製備：將一矽酸乙酯用一硝酸進行水解，並加入一硝酸鈣反應生成一第二型矽酸鈣溶液，透過乾燥該第二型矽酸鈣溶液形成一粉末態第二型矽酸鈣，將所得之該粉末態第二型矽酸鈣利用高溫燒結，並研磨而成該第二型矽酸鈣基材。
- 如申請專利範圍第3項之可用於微細修補的人造材料之製造方法，製 備該第一型矽酸鈣基材之該混合方法是以一混合機將該混合氧化物混合0.5~2小時；該高溫燒結方法是將乾燥完成之該粉末態矽酸鈣置入一燒結爐以每分鐘0.5~40℃之速率加熱至900℃~1500℃，並持溫於900℃~1500℃約2小時進行高溫燒結；該冷卻方法為以氣冷、水冷或快速冷卻之方法將高溫燒結完成之該混合氧化物冷卻至室溫；該研磨方法是將所得之該產物置入一球磨機進行研磨，持續12小時~3天，製成該第一型矽酸鈣基材；及製備該第二型矽酸鈣基材之該乾燥方法是將反應完成之該第二型矽酸鈣溶液置入一烘箱進行乾燥，其製造參數為以60℃持溫24小時，再以120℃持續乾燥形成該粉末態第二型矽酸鈣。
- 一種可用於微細修補的人造材料，其包含將一矽酸鈣以一多巴胺進行改質，該矽酸鈣與該多巴胺產生聚合反應而得粉末態之一多巴胺-矽酸鈣複合物；以及該多巴胺-矽酸鈣複合物中，成分主要為ß-矽酸鈣。
- 如申請專利範圍第6項之可用於微細修補的人造材料，其中，該多巴胺-矽酸鈣複合物以燒結法製得，其包含均勻混合一氧化鈣、一二氧化矽、一氫氧化鈣及一三氧化二鋁形成一混合氧化物，並利用高溫燒結該混合氧化物，並將該混合氧化物添加一多巴胺溶液進行改質得一多巴胺-矽酸鈣複合物。
- 如申請專利範圍第7項之可用於微細修補的人造材料，其中，該混合 氧化物之鈣矽莫耳比介於10~1之間。
- 如申請專利範圍第7項之可用於微細修補的人造材料，其中，該混合氧化物之鈣矽莫耳比介於6~2之間該多巴胺-矽酸鈣複合物比該二次水或該磷酸溶液之混合比例為1：0.3~1.5之重量比例；及該多巴胺溶液為取一粉末態之多巴胺溶解於水中形成一液態多巴胺，並將該液態多巴胺攪拌溶解於80度C、pH=8.5的三羥甲基氨基甲烷緩衝溶液中，其中該多巴胺溶液之濃度為0.5~20mg/ml；及該二次水或磷酸溶液與該多巴胺-矽酸鈣複合物之混合比例係為0.2~4mL/g。
- 如申請專利範圍第9項之可用於微細修補的人造材料，其中，該多巴胺溶液之濃度為0.5~5.0mg/ml；以及該二次水或磷酸溶液與該多巴胺-矽酸鈣複合物之混合比例係為0.8~1.5mL/g。
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| TW201538185A TW201538185A (zh) | 2015-10-16 |
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| CN103435829A (zh) * | 2013-07-24 | 2013-12-11 | 烟台绿水赋膜材料有限公司 | 一种基于邻苯二酚衍生物的纳米功能化表面修饰方法 |
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