一种用于骨组织修复的生物材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于骨组织修复的生物材料及其制备方法，化学式为CaAl3BO7，将含有合成生物材料所需元素的化合物按比例混合，采用高温煅烧或用化学溶液溶解混合后煅烧制备材料，将制备得到的CaAl3BO7粉体或CaAl3BO7陶瓷块体在模拟体液中矿化一段时间后，粉体或者陶瓷表面即可大量沉积类骨磷灰石层，具备较好的生物活性，可用于骨组织修复。本发明制备工艺简单灵活，原料来源丰富，能源消耗低，具有优良的生物活性和机械性能，可以用作骨组织的修复、填充以及齿科修复。
【专利说明】一种用于骨组织修复的生物材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于骨组织修复的生物材料及其制备方法，属于生物材料领域。
【背景技术】
[0002] 在人类医学的认识历史之中发现，许多疾病是由于器官的病损引起器官的死亡， 如果由自身细胞结合生物活性材料构建人工器官，将病损器官替换，人类将可以恢复健康， 从而使生命延续。例如，硬组织损伤修复材料就受到越来越多的关注。理想的骨组织工程支 架材料应当具有三维多级网络结构，同时具有足够的生物活性，容易整合修复周围骨组织， 并有可能具有主动诱导、修复、重建骨再生的生物学功能。
[0003] 硬组织损伤修复的生物材料可以划分为三个发展阶段：第一代生物医用材料为生 物惰性材料，生物惰性材料与人体组织没有活性结合，临床应用上存在不可避免的问题和 缺陷。第二代生物材料为不降解的生物活性陶瓷(表面生物活性陶瓷)，这类陶瓷具有较优 良的生物相容性和骨传导性，是一种很具潜力的生物和医用材料，可以用作骨组织的修复、 填充以及齿科修复材料。但是也存在一定问题，如磷酸三钙陶瓷的生物活性不高、力学强度 低等。
[0004] 新一代医用生物材料要求具有"主动修复功能"和"可调控生物响应特性"，是 可降解的生物活性材料。骨基质的无机成分主要为骨盐，骨盐主要成分是羟基磷灰石 [Ca ltl(PO4)6(OH)2]，骨盐一旦与有机成分结合，骨基质就会具有很强的硬度，在生物体内起 到支持功能，促进骨修复。是很好的硬组织替代材料，目前已成功应用于牙科、整形外科和 上颌面重建等领域。
[0005] 当前，羟基磷灰石的应用方法是将可以生成羟基磷灰石的生物材料置于人体内， 通过体液的矿化稳定生成羟基磷灰石，羟基磷灰石与人体骨骼组织在界面形成紧密的化学 键结合，从而诱导骨组织的生长。但是，目前用于在生物体内稳定生成羟基磷灰石的生物材 料性能较低，制备方法多较复杂，能耗高，产品成本较高，不利于推广应用。
【发明内容】
[0006] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种有良好的生物活性和较高的机械 强度、制备方法简单的用于骨组织修复的生物材料及其制备方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于骨组织修复的生物材料， 其特征在于：化学式为CaAl 3B07。
[0008] 如上所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，采用高温固相法，包括以下 步骤： (1) 以含钙离子Ca2+的化合物、含铝离子Al3+的化合物、含硼离子B3+的化合物为原料， 按化学式CaAl 3BO7中对应元素的化学计量比称取各原料，通过研磨使其混合均匀； (2) 将得到的混合物在空气气氛下预煅烧，预煅烧温度为200?700°C，预煅烧时间为 1?15小时，自然冷却后，研磨并混合均匀； (3)将步骤（2)得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为700?950°C，煅烧时间 为1?15小时，自然冷却后，研磨混合均匀后即得到一种粉末状CaAl3BO7生物材料。
[0009] 本发明高温固相法的技术方案中，所述含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、草酸 钙、碳酸钙、硝酸钙中的一种；所述含有铝离子Al 3+的化合物为三氧化二铝、硝酸铝中的一 种；所述含有硼离子B3+的化合物为三氧化二硼、硼酸中的一种。
[0010] 本发明高温固相法的一个优选方案是：步骤（2)的预煅烧温度为300°C?700°C， 预煅烧时间为3?15小时；步骤（3)的煅烧温度为700?900°C，煅烧时间为3?15小时。
[0011] 在本发明技术方案中，将高温固相法步骤（3)得到的粉末状CaAl3BO 7生物材料在 压力为SMpa?IOMpa的条件下干压成型，再进行煅烧，煅烧温度为700?900°C，煅烧时间 为2?15小时，得到用于骨组织修复的生物材料。
[0012] 如上所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，还可以采用化学溶液法，包 括以下步骤： (1) 以含钙离子Ca2+的化合物、含铝离子Al3+的化合物、含硼离子B3+的化合物为原料， 按通式CaAl 3BO7中对应元素的化学计量比称取各原料，分别溶解于稀硝酸溶液中，完全溶 解后，再按各原料中反应物质量的〇. 5?2. 0 wt%分别添加络合剂，得到各原料的混合液， 所述的络合剂为柠檬酸或草酸； (2) 将各原料的混合液缓慢混合，在温度为50?100°C的条件下搅拌1?5小时，静置、 烘干，得到蓬松的前驱体； (3) 将前躯体粉末置于坩埚中，在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450?850°C，煅烧时间 1?14小时，冷却后研磨均勻，得到一种粉末状CaAl 3BO7生物材料。
[0013] 本发明化学溶液法的技术方案中，所述含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、草酸 钙、碳酸钙、硝酸钙中的一种；所述含有铝离子Al 3+的化合物为三氧化二铝、硝酸铝中的一 种；所述含有硼离子B3+的化合物为三氧化二硼、硼酸中的一种。
[0014] 本发明化学溶液法的一个优选方案是：步骤（2)的搅拌温度为60?80°C，搅拌时 间为2?3小时；步骤（3)的煅烧温度为500?900°C，煅烧时间为3?14小时。
[0015] 在本发明技术方案中，将化学溶液法步骤（3)得到的粉末状CaAl3BO 7在压力为 8Mpa?IOMpa的条件下干压成型，再进行煅烧，煅烧温度为700?900°C，煅烧时间为2? 15小时，得到用于骨组织修复的生物材料。
[0016] 本发明技术方案的优点在于： 1、本发明制备的CaAl3BO7生物材料具有良好的生物活性和机械性能，该材料没有污 染，不含有对于生物体有害的元素，是一种理想的生物和医用材料，可以用作骨组织的修 复、填充以及齿科修复材料。
[0017] 2、本发明提供的CaAl3BO7生物材料原料来源丰富，价格低廉，采用高温固相法和 化学溶液法两种方法，制备工艺简单，易于操作，能源消耗和产品成本比较低。
[0018] 3、本发明制备的CaAl3BO7生物材料具有一定的机械强度，可以用于骨组织修复。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为按本发明实施例1技术方案制得的CaAl3BO7粉体的XRD图谱； 图2为按本发明实施例1技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化后的XRD图谱； 图3为按本发明实施例1技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化前后的红外光谱对比图； 图4为按本发明实施例1技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化前的扫描电镜图； 图5为按本发明实施例1技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化3天后的扫描电镜图； 图6为按本发明实施例2技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化5天后的扫描电镜图； 图7为按本发明实施例3技术方案制得的CaAl3BO7陶瓷块体矿化3天后的扫描电镜 图； 图8为按本发明实施例5技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化前的扫描电镜图； 图9为按本发明实施例5技术方案制得的CaAl3BO7粉体矿化3天后的扫描电镜图； 图10为按本发明实施例7技术方案制得的CaAl3BO7陶瓷块体矿化5天后的扫描电镜 图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0021] 实施例1 : (1)根据化学式CaAl3BO7中各元素的摩尔比，称取碳酸钙CaCO3 :5. 004克，三氧化二铝 Al2O3 :15. 294克，硼酸H3BO3 :3. 092克，在玛瑙研钵中研磨并混合均匀后，选择空气气氛预 煅烧，预煅烧温度是200°C，预煅烧时间15小时，然后冷却至室温，取出样品；将预煅烧的原 料再次充分混合研磨均匀，在空气气氛中再次煅烧，煅烧温度950°C，煅烧时间1小时，冷却 研磨即得到硼铝酸钙CaAl 3BO7粉体。
[0022] (2)将制备好的CaAl3BO7粉体进行模拟体液浸泡3天，观察浸泡后表面形貌的变 化，判断表面是否有类骨磷灰石层形成，评价其生物活性。每一克的CaAl 3BO7陶瓷加入模拟 体液100毫升。将浸泡的CaAl3BO 7粉体从模拟体液中取出，用去离子水清洗，然后在70°C 下干燥4小时，用SEM观察表面形貌的变化。
[0023] 模拟体液含有与人体血浆相近的离子及离子团浓度，其组成参见表1。
【权利要求】
1. 一种用于骨组织修复的生物材料，其特征在于：化学式为CaAl3B07。
2. -种如权利要求1所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于采 用高温固相法，包括以下步骤： (1) 以含钙离子Ca2+的化合物、含铝离子Al3+的化合物、含硼离子B3+的化合物为原料， 按化学式CaAl 3BO7中对应元素的化学计量比称取各原料，通过研磨使其混合均匀； (2) 将得到的混合物在空气气氛下预煅烧，预煅烧温度为200?700°C，预煅烧时间为 1?15小时，自然冷却后，研磨并混合均匀； (3) 将步骤（2)得到的混合物在空气气氛中煅烧，煅烧温度为700?950°C，煅烧时间 为1?15小时，自然冷却后，研磨混合均匀后即得到CaAl 3BO7生物材料。
3. 根据权利要求2所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于：所述 含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、草酸钙、碳酸钙、硝酸钙中的一种；所述含有铝离子Al 3+ 的化合物为三氧化二铝、硝酸铝中的一种；所述含有硼离子B3+的化合物为三氧化二硼、硼 酸中的一种。
4. 根据权利要求2所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于：所述 步骤（2)的预煅烧温度为300°C?700°C，预煅烧时间为3?15小时；步骤（3)的煅烧温度 为700?900°C，煅烧时间为3?15小时。
5. 根据权利要求2或3或4所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征 在于：将步骤（3)得到的粉末状CaAl3BO 7在压力为8Mpa?IOMpa的条件下干压成型，再进 行煅烧，煅烧温度为700?900°C，煅烧时间为2?15小时，得到用于骨组织修复的生物材 料。
6. -种如权利要求1所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于采 用化学溶液法，包括以下步骤： (1) 以含钙离子Ca2+的化合物、含铝离子Al3+的化合物、含硼离子B3+的化合物为原料， 按通式CaAl 3BO7中对应元素的化学计量比称取各原料，分别溶解于稀硝酸溶液中，完全溶 解后，再按各原料中反应物质量的〇. 5?2. 0 wt%分别添加络合剂，得到各原料的混合液， 所述的络合剂为柠檬酸或草酸； (2) 将各原料的混合液缓慢混合，在温度为50?100°C的条件下搅拌1?5小时，静置、 烘干，得到蓬松的前驱体； (3) 将前躯体粉末置于坩埚中，在马弗炉中煅烧，煅烧温度为450?850°C，煅烧时间 1?14小时，冷却后研磨均勻，得到一种粉末状CaAl 3BO7生物材料。
7. 根据权利要求6所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于：所述 含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、草酸钙、碳酸钙、硝酸钙中的一种；所述含有铝离子Al 3+ 的化合物为三氧化二铝、硝酸铝中的一种；所述含有硼离子B3+的化合物为三氧化二硼、硼 酸中的一种。
8. 根据权利要求6所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在于：步骤 (2)的搅拌温度为60?100°C，搅拌时间为1?3小时；步骤（3)的煅烧温度为450?800°C， 煅烧时间为3?14小时。
9. 根据权利要求6或7或8所述的用于骨组织修复的生物材料的制备方法，其特征在 于：将步骤（3)得到的粉末状CaAl3BO 7在压力为SMpa?IOMpa的条件下干压成型，再进行
【文档编号】C04B35/622GK104310966SQ201410468235
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】乔学斌, 章健, 周天元, 张乐, 杨浩, 唐定远 申请人:江苏师范大学