专利名称：多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种陶瓷材料的制造方法，特别是关于可以做为骨骼填充材料的多孔隙陶瓷材料的制造方法。
背景技术：
异种骨移植现今所面临最大的问题是生物体的免疫排斥的问题。过去许多的研究学者以不同的处理方式，如冷冻、煮沸或浸泡化学药品等方法，皆无法有效地排除异种骨免疫排斥的问题。1988年Mittelmeicr等人则以高温加热的方式将牛骨中会引发免疫排斥的有机成份完全予以烧除，而留下生物亲合性良好的无机组成。
由于骨骼中的无机物主要为氢氧基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(hydroxyapatite；HAP)，当有机成份去除后，剩余的矿物组成将如同一个以粉未冶金压结而成的生胚，持续加热将可烧结成一坚实的陶瓷结构体。且由于取自牛的海绵骨部位，其具备天然的多孔隙结构，孔隙率可达70％体积比以上。因此，利用此方式可得到以HAP为主要组成的天然多孔隙陶瓷材料。目前，其已为骨科临床手术所广泛使用，做为骨缺陷的填充材料。
由于牛海绵骨中的无机组成主要为HAP，与人体的骨骼成份相同，植入体内时将展现良好的生物亲合性，不过，也由于与骨骼的成份相近，于骨骼环境中将形成稳定的平恒状态，材料虽可与骨组织直接接触并形成一层键结层，但材料并不会在体内产生降解作用，当新生骨组织修补骨缺陷处后，材料仍然存于缺陷部位，并无法为新生组织所取代。根据目前生医材料的发展趋势，由于目前的科技无法发展出完全模拟或取代生物体组织器官功能的材料，但又不希望所植入的材料永久存在体内成为外来体。因此，积极发展生物可蜕化性的取代材料(biodegradablesubstitute)，成为目前生医材料发展的主流。近年来，已有研究者将溶释性较强的三钙磷酸盐(Ca3(PO4)2；TCP)加入HAP中形成两相(HAP/TCP)的陶瓷材料，或直接以可溶释性的材料制备生医材料，如碳酸钙、硫酸钙或双钙磷酸盐(Ca2P2O7；DCP)等材料。其中，DCP即为一相当受瞩目的材料，根据相关的动物实验结果证明，DCP除具备良好的生物适应性外，于人体环境内将可逐渐被降解并被骨组织所吸收取代。此外，DCP中的磷酸根P2O74-离子近年来随着骨质疏松症新药的开发逐渐受到重视，因为磷酸根P2O74-离子在生物体内可吸附于骨骼矿物质表面，此层吸附的磷酸根层经证实可抑制蚀骨细胞(osteoclast)的贴附作用，从而减少骨质被蚀骨细胞侵蚀所产生的骨质流失。因此由生医材料的观点或骨质疏松药物原料的来源来看，生物可吸收性的DCP材料的制备是一相当值得开发的材料制程。
由于在烧制牛骨的过程中，当牛骨中的有机成份被去除时，其内部将形成细微颗粒状的粉体结构，此时我们可将液体的添加物渗入材料内部，渗入液经烘干后可与原来的牛骨形成均匀的混合体。根据先前的研究结果得知，牛骨中添加磷酸铵(ammonium pyrophosphate，(NH4)2HPO4，AP)可在高温加热过程中将牛骨中的HAP转为TCP，其相转变的原因在于AP中的HPO42-在高温时将脱水变为P2O74-离子，而P2O74-离子在高温时可与HAP中的OH-离子反应生成PO43-离子，使HAP转成TCP，且浸泡不同浓度的AP溶液所得到不同AP添加量，可在高温烧制过程得到不同比例的TCP/HAP两相陶瓷材料。应用相同原理，若AP的添加量增高将产生更多的P2O74-离子，将可使无机的骨骼由HAP转至TCP甚至DCP。因此，本专利申请拟将去除有机质而未烧结的牛骨浸泡不同高浓度的AP水溶液中，烘干后在高温炉中予以加热烧结，期使由不同浓度AP水溶液的添加，得到不同比例TCP/DCP组成或DCP不同结晶构造的生医陶瓷材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其可以用以生产优异的骨骼填充材料。
本发明的另一目的在于提供一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其可以得到不同结晶相组成或不同结晶构造的多孔隙陶瓷骨赂填充材料。
本发明的再一目的在于提供一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其可以控制所得到的多孔隙陶瓷骨骼填充材料的结晶相组成比例。
为实现上述目的，本发明提供的多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其步骤大致包括(a)提供一动物海绵骨；(b)将该海绵骨经加热处理以去除有机质；(c)将该经去除有机质的海绵骨浸泡于磷酸盐水溶液中；以及(d)经干燥后，以600-900℃高温烧结，而得一不同结晶相组成的多孔隙陶瓷骨骼填充材料。
依本发明的制造方法，可以生产含有β-TCP/DCP两相或DCP单相的多孔隙陶瓷材料，将其植入骨组织环境较单相的HAP或β-TCP有著更好的临床结果。再者，依本发明的制造方法，并由不同浓度磷酸盐的添加或不同温度予以烧结，可得到不同比例β-TCP/DCP组成或DCP单一组成的陶瓷材料。
图1是实施例1-6的牛的海绵骨，分别浸泡不同浓度AP水溶液所得结晶相的变化；图2是实施例1的牛的海绵骨，浸泡浓度3.5mol/L的AP水溶液及于900℃加热炉中烧结后于扫描电子显微镜(SEM)观察结果；及图3是实施例7-12的牛的海绵骨，分别于不同温度加热炉中烧结所得结晶相的变化。
具体实施例方式
本发明的多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，是以动物海绵骨为材料，将该海绵骨经加热处理以去除有机质，然后浸泡于磷酸盐水溶液中，经干燥后，以600-900℃高温烧结，而得β-TCP/DCP两相或DCP单相多孔隙陶瓷骨骼填充材料。
本发明的制造方法中，所使用的动物海绵骨，只要是动物的海绵骨即可，并无特别限制。主要是以哺乳类动物的海绵骨较为适合，例如可以为牛、马、猪、免子、老鼠、鸡、鸭、鹅、鱼等。其形状及大小亦无须限制；一般而言，如以猪或牛的海绵骨则切割成为0.1-10立方公分大小。
由于本发明的制造方法以动物的海绵骨为加工材料，为防止在加热过程中发生油炸使材料内部产生大量的裂痕，必须将动物海绵骨中所含有的有机质去除。关于去除动物骨骼中的有机质的方法甚多，为此项技艺人士所熟悉，于本发明的方法中，亦无特殊的限制，只要能将骨骼中的有机质去除即可。于本发明的实施例中，是采用加热处理的方法，将动物海绵骨于沸水中煮六小时予以去油去脂，去油脂后的牛骨再以逐级的酒精脱水，并于70℃烘箱中干燥三天。处理过后的动物海绵骨置于白金坩锅中高温炉中加热除去有机组成，其热处理的升温速率为5℃/min，并于800℃停留6小时，以完全脱去动物海绵骨的有机物。
本发明的制造方法中，所使用的磷酸盐水溶液，例如含磷酸根盐类水溶液如AP水溶液、碱金属磷酸盐水溶液、以及碱土金属磷酸盐水溶液。其中AP水溶液的浓度以大于1.0摩尔/升较佳。
将脱去有机质而未烧结的动物海绵骨，浸于不同浓度磷酸盐水溶液，经干燥后，以600-900℃高温烧结，而可以控制得各种多孔隙陶瓷骨骼填充材料。
关于所得到的多孔隙陶瓷骨骼填充材料，各结晶相结构的决定，可以由X光衍射分析仪(XRD)、红外线分析光谱仪(FTIR)及扫描式电子显微镜(scanning electron microscope；SEM)，而决定出其成份及比例，为此项技艺人士所熟悉，于此不再一一赘述。
本发明由以下实施例的具体说明，而得一更佳的了解，但本发明的申请专利范围并不限定于该等实施例。
实施例1取牛大腿骨靠近膝关节处的海绵骨，以电锯裁成1cm3的立方体，于沸水中煮6小时予以去油去脂，防止在加热过程中发生油炸使材料内部产生大量的裂痕。去油脂后的牛骨再以逐级的酒精脱水，并于70℃的烘箱中干燥三天。处理过后的牛骨置于白金坩锅中高温炉中加热除去有机组成，其热处理的升温速率为5℃/min，并于800℃停留6小时，以完全脱去牛骨中的有机物。接著以脱去有机质而未烧结的牛骨试样进行下列试验。
将脱去有机质而未烧结的牛骨试样浸于浓度3.5mol/L的AP水溶液中24小时，浸过AP水溶液的牛骨取出后，以滤纸吸去表面多余的AP水溶液，并于70℃烘箱中干燥除去水份。接着将试样置于加盖的白金坩锅中，于900℃下在SiC发热体的加热炉中加热，所得的试样以X光衍射分析仪(XRD)分析于不同温度下的结晶相变化，结果请参见图1。SEM的分析结果请参见图2，显示牛骨浸泡AP水溶液并加热烧结于900℃后，虽经过相转变仍然可以维持牛海棉骨的多孔隙结构。
实施例2-6重复实施例1的步骤，但分别改以浸于浓度1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mol/L的AP水溶液中24小时，XRD分析的结晶相的变化结果请参见图1。
由图1得知，牛骨中的HAP衍射峰于AP水溶液浸泡浓度为1.0M时已完全消失而转变为β-TCP随着AP水溶液添加量增加，β-TCP衍射峰的强度将逐渐减弱，当AP水溶液浸泡浓度为3.5M时，牛骨中的β-TCP几乎已完全被DCP所取代，呈DCP单相组成。
实施例7-12重复实施例1步骤，但分别改以300、400、500、600、700、800℃在SiC发热体的加热炉中加热，所得的XRD分析结晶相的变化结果如图3所示。
由图3发现浸泡AP水溶液的牛骨，其于300℃时即有DCP衍射峰出现，其强度随着温度升高而增强，在600℃时，牛骨中的HAP几已完全被DCP所取代。随著温度上升，材料皆维持稳定的DCP结晶相，并无进一步的相变化发生。由于牛骨添加AP水溶液于高温时可转变至DCP结晶相，其反应可在600℃时结束，其对于材料的烧结有着正面意义，因为无论是TCP或是DCP陶瓷材料的烧结起始温度皆在600℃以上才开始进行。本材料可在烧结起始温度以前进行相转变，而在600℃后将单纯进行烧结作用，不至因激烈的相变化作用影响到材料的烧结作用，减低了材料的机械性质。利用本发明方法可将牛骨的氢氧基磷灰石转变至TCP或DCP，未来在生医材料或骨质疏松药物原料开发皆有广泛应用价值。
由本发明实施例可以明确显示，依本发明的制造方法，不仅可以生产各种多孔隙陶瓷骨骼填充材料；并可以透过浸泡的磷酸盐浓度及烧结温度，而控制所得到的多孔隙陶瓷骨骼填充材料结晶相种类及成份比例。
以上所描述的，只是较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习该项技艺的人士所易于推知的，俱不脱本申请的专利权范畴。
权利要求
1.一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，包括(a)提供一动物海绵骨；(b)将该海绵骨经加热处理以去除有机质；(c)将该经去除有机质的海绵骨浸泡于磷酸盐水溶液中；以及(d)经干燥后，以600-900℃烧结，而得多孔隙陶瓷骨骼填充材料。
2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(a)的动物海绵骨为牛的海绵骨。
3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(a)的海绵骨经切割为0.1-10立方公分大小。
4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(b)的加热处理，是将海绵骨置于沸水中浸煮以去油去脂，取出干燥后，加热至600-800℃以脱去海绵骨中有机质。
5.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(c)的磷酸盐水溶液为磷酸铵水溶液、碱金属磷酸盐水溶液或碱土金属磷酸盐水溶液。
6.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(c)的磷酸盐水溶液为磷酸铵水溶液。
7.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(c)的磷酸盐水溶液为磷酸铵水溶液，其浓度大于1.0摩尔/升。
8.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(d)的多孔隙陶瓷骨骼填充材料为β-TCP/DCP两相多孔隙陶瓷材料及DCP单相多孔隙陶瓷材料。
9.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(d)的多孔隙陶瓷骨骼填充材料为β-TCP/DCP两相多孔隙陶瓷材料。
10.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中步骤(d)的多孔隙陶瓷骨骼填充材料为DCP单相多孔隙陶瓷材料。
全文摘要
本发明是有关于一种多孔隙陶瓷骨骼填充材料的制造方法，其步骤大致包括(a)提供一动物的海绵骨；(b)将该海绵骨经加热处理以去除有机质；(c)将该经去除有机质的海绵骨浸泡于磷酸盐水溶液中；以及(d)经干燥后，以600－900℃高温烧结，而得多孔隙陶瓷骨骼填充材料。依本发明的制造方法，可以产制β－TCP/DCP两相或DCP单相多孔隙陶瓷骨骼填充材料，此一多孔隙陶瓷材料适合做为骨缺陷的填充材料。
文档编号A61L27/00GK1704128SQ200410049229
公开日2005年12月7日 申请日期2004年6月3日 优先权日2004年6月3日
发明者林峰辉, 廖俊仁 申请人:瑞安大药厂股份有限公司