专利名称：：复合生物陶瓷的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种可应用于生物体的陶瓷，尤其是一种具有活性和生物相容性的新型复合生物陶瓷(CompoundBieactiveCeramic简称CBC)。生物陶瓷材料必须无毒、与生物组织有足够好的相容性，并要能制成各种形状以便于植入生物体内。当前生物陶瓷大体有以下三类材料1、接近惰性的材料，如氧化铝陶瓷。2、能完全被吸收的陶瓷材料，如磷酸三钙类陶瓷。3、表面活性材料，如生物玻璃，致密羟磷灰石陶瓷。在生物陶瓷系统中研究较多的是羟基磷灰石陶瓷，特别是致密多晶羟基磷灰石，其为高密度，是不被吸收的人工骨材料。已有技术中制备生物陶瓷的合成方法，得到的都是羟基磷灰石为主的材料，不太理想。中国专利CN86108700公开了一种“致密多晶羟基磷灰石微粒的制作方法”，制得产品为纯羟基磷灰石成份，单一的六方结构。目前研究者们偏重研究的一类生物陶瓷材料是把接近惰性生物陶瓷的高强度和能与机体结合的表面化学活性两者结合起来，即具有材料的生物性吸收与新骨组织长入是相匹配的。本发明的目的是提供一种羟基磷灰石(Hydroxapatite，简称HA)与生物玻璃(Biolass，简称BG)混合烧制成的具有新结构，有生物活性的复合物陶瓷(CompoundBioactiveCeramic，简称CBC)，CBC能与骨组织形成生物性结合，具有良好的生物相容性。本发明的目的是这样达到以重量百分比分别为40%-60%的羟基磷灰石和60%-40%的生物玻璃为基料，最好是按各占50%的比例，制成粒度相同的粉未，按比例混合均匀，在大于2000Kg/CM2的压力下加压成块状。然后放入硅碳棒高温箱式电炉中高温烧结，温度为1200℃-1300℃的情况下保温2-4小时，待自然冷却后即获得CBC材料。CBC材料是一种新型的生物陶瓷人工骨材料，它是由不同的晶体所组成，是非均一性结构的，具有特种功能的陶瓷材料。为了查明其成份及其结构采用光谱、化学偏光显微镜、X射线衍射、扫描电镜等手段对材料的物质组成，结构及一些物理性能进行了分析测试。(一)光谱及化学分析1、光谱分析采用WPG-100型平面光栅摄谱仪对CBC材料做了光谱分析，结果见表1。表1CBC材料光谱分析</tables>由表1可知CBC材料的主要元素为Ca、Si、P、Na，并含少量的Al、Mg、Fe、Ag、Bl、Cu、Sn等。2、化学分析对CBC材料中含量大于1%的元素做化学分析，结果见表2。表2CBC材材料化学分析</tables>化学分析结果表明材料中的CaO、P2O5、SiO2、Na2O含量较高，Al2O2较少。Ca/P比值为2.65。采用溶液法(配制成1%浓度，震荡30分钟，静置5天后用PHS-2型酸度计测试)对CBC料浆进行PH值测定，测试结果PH值为7.98，偏碱性。(二)物质组成及相对概量1、X-射线衍射分析采用日本理学3015型X-射线衍射仪对CBC材进行衍射分析(衍射图略)后可知CBC材料为复相晶体物质，有A、B、C三种物相，A相为β-Na2Ca4(PO2)2SO4，是材料中的主要成份。B相为Ca3Si2O7，属于材料中的次要成份。C相是β-型磷酸钙[β-Ca2P2O7]，含量较少。根据CBC材料的衍射图谱及低衍射角度下的弥散峰分析，材料中还有少量的其它物质和非晶态物质存在。2、CBC材料中各物质相对概量根据化学分析，衍射分析等结果综合分析，得到CBC材料中各物质的相对概量见表3</tables>从表3可见CBC材料是以A相(β-Na2Ca4(PO4)2SiO4)为主，构成材料的基质，其它物质以聚集体、微粒等形式与基质共存。基质约占材料的四分之三，其它物质仅占四分之一。(三)、CBC材料中的晶体结构分析1、A相晶胞参数的精确测定衍射分析中发现材料中的A相的特征衍射线有微小偏差，与标准相比较，A相属β-Na2Ca4(PO4)2SiO4的可能性较大，但仍不能排除属与衍射数据较为接近的β-NaCaPO4物相，为进一步查明CBC材料中的主要物质，对材料的A相又进行了衍射数据和晶胞参数精确测定工作。测定前对仪器作精密调整，并用高纯度SiO2修正了不同衍射角度偏差。精确测定结果与标准数据比较结果表明测定的晶胞参数值及计算的轴率与β-Na2Ca4(PO4)2SiO4的标准值非常接近，与β-NaCaPO的标准值相距较远。从而进一步证实了CBC材料中的A相是β-Na2Ca4(PO4)2SiO4。由测定结果还表明测定值与β-N2Ca4(PO4)2SiO4标准晶胞参数比较a值小，而c/b值较大，表明该晶体物质的晶格中有较多的Na+(0.95)离子置换了Ca2+(0.99)离子，物质的结晶作柱状向b轴方向伸长。2、各物质结构分析1)β-Na2Ca4(PO4)2SiO4该物质是CBC中的主要物质，为斜方晶系，是离子型化合物，在结构上有Na+、Ca2+阴离子与四面体[PO4]-3、[SiO4]-4，由结构上分析属磷灰石类物质，有较多的Na+离子存在，具有很高的化学活性。2)硅钙石[Ca3Si2O7]硅钙石属于硅酸盐物质，单斜晶系，双四面体结构，以集合体形式与基体物质共存，在CBC材料中起加固基体物质的作用，对提高材料后期的硬度和强度大有益处3)磷酸钙[β-Ca2P2O7]磷酸盐物质，四方晶系，离子型化合物。同样以集合体形式与基体物质共存。磷酸钙物相的组成元素与骨组织所含元素相同。4)其它在CBC材料中还有少量的氧化物和非晶态物质存在。CBC材料是以β-Na2Ca4(PO4)2SiO4为主相的多晶体的非均一性的陶瓷，其中的Ca3Si2O7呈细粒集合体，成球状或柱状晶粒与主相共存。还有些少量的玻璃相及不规则粒状物，存在于以上聚集体的间隙中。与现有生物陶瓷材料相比，CBC材料晶粒较细，孔隙率约为22.9%比重为2.98克/厘米3、硬度为454Kg/mm2，CBC材料为微溶物质，材料为离子型化合物，它具有[PO4]及[SiO]四面体的结构，Na+离子普遍分布在材料中，CBC材料在特定的环境下，由于Na+离子半径较小，较为活跃，使材料具有很高的活性，CBC材料中含有丰富的钙、磷，Ca/P比值为2.65，能为新骨形成提供一个网架结构，且具有丰富钙、磷成份，为新骨形成提供了物质基础。根据则定和分析，CBC能与骨组织紧密结合的原因是CBC以Ca、P为主为离子型化合物，有较多孔隙，并含较高的活性Na离子。当材料与骨组织在特定条件下结合时，发生了离子的交换和磷酸盐物质运动，阳离子Na+易从基质的晶体结构中逸出，所缺空位则被离子半径相近的Ca2+离子占据，从而使Ca2+离子在界面相对聚集，Na+离子则大量减少。阴离子团中的Si离子也易被P离子置换，同样使P离子在界面聚集，Si离子减少，但置换较慢，另一方面，由于材料中的孔隙较多，结合时与骨组织亲和的磷酸盐物质容易扩散到界面沉积，结晶成为磷灰石物质。因此，可以认为CBC材料与骨组织的结合是能通过离子交换和磷酸盐物质扩散沉积于界面后完成的，从而使具有活性的CBC材料在与骨组织结合中有着明显的亲和性。经生物相容性试验检测，CBC材料具有良好的生物相容性，能较快的引导新骨形成，经临床应用效果较好。本发明具有以下优点1、CBC材料的主要元素为Ca、P、Si、Na，其中CaO40.22%，SiO221.27%，P2O325.03%，Na2O9.95%。Ca/P比为2.65，材料偏碱性。由于Ca、P是骨组织的构成元素，Na为身体需要且易被吸收元素，Si为构成材料晶体结构的稳定元素。因而CBC材料与骨组织结合后相容，不产生排斥反应。2、CBC材料是以β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4为主体并伴生其它磷酸盐、硅酸盐等物质的复合生物陶瓷。基质β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4与骨组织中的羟磷灰石，具有生物相容性。CBC材料中的其它磷酸盐也由于组分与骨组织相同易扩散到结合界面沉积结晶，硅酸盐在材料中起到凝结加固基质作用。提高材料的后期硬度。3、CBC材料为离子型化合物。分析可知Na+离子主要存在于基质中，但又普遍分布在其它物质中，使材料具有很高的活性，有利于与骨组织的结合。这是CBC材料的又一明显特性。4、CBC材料与骨组织的结合是通过离子置换及磷酸盐物质的扩散进行。置换主要是Na+被Ca2+替代，Si被P替代。扩散则主要是材料中的磷酸盐物质运动到结合面沉积，由于材料具有活性和较多孔隙，使磷酸盐物质及离子的扩散容易进行。离子的置换和磷酸盐物质的扩散使Ca、P在结合界面大量聚集并向骨组织内渗透，在特定条件下逐渐结晶形成结合紧密的磷灰石，从而具有骨亲和性。5、材料中以粒状存在的硅钙石物质，在与骨组织结合过程中起到对基体物质的凝结加固作用，有助于在后期提高材料的强度。6、CBC材料是一种具有活性和生物相容性新结构的复合生物陶瓷。实施例1、羟基磷灰石的制备合成羟基灰石的方法有多种，我们采用了几种合成方法进行，最后确定用氨盐沉淀湿热方法利用水溶液反应合成使用化学纯的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4的低浓度水溶液作为反应物，在反应过程中NH4OH水溶液来调节所需的PH值充分搅拌，控制反应温度静置、过滤、水洗以得到纯净的HA细粒子。合成的HA晶态不显著，需通过加热促进结晶，使晶体保温时间，以避免杂相产生。制得的HA经170SX型付立叶变换红外光谱仪测试表明HA在波长3571处有强的OH-振动峰。经与日本HA样品对照，其红外光谱与日本样器品相似，而羟基特征峰的振动比日本样品强。对合成烧结后的羟磷灰石用X线衍射进行相结成分析证实为羟基磷灰石。对合成后的羟磷灰石进行了差热分析表明其有多个相转变点，差热分析表明合成的HA含有结晶水，无定形态所含结晶水多于结晶态，结晶水在烧结过程中逐渐失去。2、生物玻璃的制备生物玻璃采用SiO245%、CaO22.5%、Na2O22.5%、P2O510%组成。这些氧化物均采用化学纯以上试剂，以保证纯度。对所用的各种原料进行振磨，过筛混匀后，在硅碳棒电炉中，用三氧化二铝坩锅进行高温熔融，控制好温度及时间，使材料得到充分熔融，将熔体粘度大，熔融均匀的玻璃体，迅速达到过冷状态。在冷却时不使熔体结晶，得到碎细的玻璃体，其外形不规则，将玻璃体球磨粉碎，过筛得240目以下玻璃粉末，储以备下一步制备复合陶瓷用。将制得的生物玻璃粉进行X射线衍射分析证实为非晶态物质，其结构上缺少远程有序，形成不规则排列，结构虽然无序，可它是连续的。经扫描电镜能谱分析其硅、钙、钠、磷元素含量较多，基本上达到设计所需的比例。此种生物玻璃的特殊性在于与二氧化硅玻璃不同，SiO2中的每个O2-离子都与二个Si4+离子之间连结，形成了相邻Si4+离子之间的桥梁，当Na2O进入后，这个完整的结构被破坏，部分O2-离子只和一个Si4+离子结合。相邻的[SiO4]四面体之间出现断点，即非桥氧。Na+离子的进入改变了网络结构，这种离子称为网络外体(或网络外离子)，具有网络外离子玻璃结构中占有一个特殊的位置，使其具有活性。3、复合陶瓷的制备将上述制得的羟基磷灰石陶瓷与生物玻璃，制成粒度相同的粉末，按各占50%的比例混合均匀，加压后置入硅磷棒高温箱式电炉中，经过初始、中间和后期三个阶段控温烧结，使原有的多晶体羟磷灰石和非晶态的生物玻璃发生相转变，产生新的晶体，得到多组份晶体复合物，为非均一性结构的陶瓷，我们称之为复合生物陶瓷(CopoundBioactiveCeramic，简称为CBC)，CBC的制备工艺流程如图1。在烧制CBC材料时予以严格控制各阶段的升温速度及冷却速度，控制好绕结气氛。以促进新晶体的形成，防止晶体的转化，产生应力，发生“惊裂”或变色。权利要求1.一种复合生物陶瓷，以羟基磷灰石(HA)和生物玻璃(BG)为基料，经混合加压，高温烧制而成，其特征在于烧结温度1200℃-1300℃，保温2-4小时，冷却后获得的复合生物陶瓷，其主要成份为β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4占70%-75%；Ca2Si2O7占10-13%；β-Ca2P2O7占4%-6%。2.根据权利要求1所述的陶瓷，其特征在于生物玻璃的组成成份为SiO245%，CaO22.5%，Na2O22.5%，P2O510%，经熔融骤冷而制得。3.根据权利要求1所述的陶瓷，其特征在于羟基磷灰石的重量百分比含量为40%-60%，生物玻璃的重量百分比含量为60%-40%，最好是按各占50%的比例混合。4.根据权利要求1所述的陶瓷，其特征在于上述的复合陶瓷还有2%-3%的非晶态物质和4%-5%的其它物质。全文摘要复合生物陶瓷(CBC)系采用生物相容性好的羟基磷灰石(HA)和生物玻璃(BG)为原料，按比例混合均匀后经高温烧制而成，CBC材料中各物质相对概量为β-Na文档编号A61K6/033GK1060282SQ91105238公开日1992年4月15日申请日期1991年8月1日优先权日1991年8月1日发明者吴恩格申请人:昆明医学院