专利名称：硅灰石/磷酸三钙复合生物活性材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，属于生物材料领域，主要应用于生物医学中人体硬组织(骨骼和牙齿)的填补、修复与重建。
P.N.De Aza等考虑到生物材料植入初期的承载及愈合过程中的组织的长入，设计制备了一种植入前致密而植入后原位成孔的复合生物材料。在这种复合生物材料中，一相为具有生物活性的硅灰石(Wollastonite)，另一相则为生物可降解的磷酸三钙(TCP)。复合生物材料制备中，将硅灰石和磷酸三钙置于白金坩埚中2小时加热到1500℃，得到均匀的液相，然后以3℃/分钟的速度降至1410℃，再以0.5℃/小时的速度降至1390℃。由此制备的复合生物材料具有由硅灰石和磷酸三钙薄层交替而形成的准球状共熔结构。在模拟体液和人体唾液浸泡试验中，此种硅灰石/磷酸三钙复合生物材料中的硅酸钙被选择性地消溶，形成原位多孔结构，而其中的磷酸三钙转化成低结晶度的、具磷酸三钙假相的磷灰石。在试验的后期阶段，溶液中由于Ca2+和HPO42-的过饱和也导致羟基磷灰石层在材料表面的沉积。由此可见，上述硅灰石/磷酸三钙复合生物材料具有良好的生物活性及原位形成多孔结构的优点。
但是，上述由P.N.De Aza等设计制备硅灰石/磷酸三钙复合生物材料也有着如下缺点陶瓷烧结过程中温度较高(1390-1500℃)，时间较长(大于40小时)，所以制备过程能耗大，成本高。另外，由于不能预先成型，因而样品的形态设计也受到限制。
本发明制备硅灰石/磷酸三钙复合生物材料包括两个步骤一是制备硅灰石和磷酸三钙的复合粉体，二是复合粉体的烧结。具体技术方案如下以Na2SiO3或硅溶胶为硅源、Ca(NO3)2或CaCl2、Ca(OH)2为钙源，分别配制成一定浓度的溶液，其中，含硅溶液pH值大于13.0，含钙溶液pH值12.0-13.0，其pH值或用一浓氨水，或用KOH，或用NaOH溶液调节的。Ca2+、Si4+浓度在0.1-0.5摩尔/升之间，Ca2+/Si4+＝1.0；按设计的β-TCP与预期生成的硅灰石之体积比，将适量β-磷酸三钙(β-TCP)粉体加入到上述含钙溶液中，强力搅拌或超声分散使之均匀；然后，将含硅溶液滴加入到强烈搅拌的含钙及β-TCP粉的悬浮液中，生成白色的硅酸钙水合物与β-TCP粉体的均匀混合的沉淀物，滴加完成后继续搅拌成化反应产物，成化时间是12-24小时；然后抽滤去除溶液，用经氨水调节pH值(pH＝11.0-12.0)的去离子水多次清洗白色沉淀物，再用无水乙醇多次冲洗白色沉淀物后，将其置于烘箱内，于80-120℃经24小时烘干；800-900℃煅烧1-2小时，得到硅灰石与β-TCP复合粉体；以无水乙醇为球磨介质，将粉体球磨12-24小时，80-120℃经24小时烘干；加入1wt％ PVA干粉配制的溶液，与粉体混合均匀，过40-100目网筛造粒；在10-20MPa下预成型，再经200MPa等静压；1300-1400℃空气气氛、2-5小时无压烧结，得到硅灰石/磷酸三钙复合生物材料。
图1是硅灰石/磷酸三钙复合生物材料在模拟体液中浸泡不同时间后表面形貌发生变化的SEM图像。当复合生物材料在模拟体液中浸泡一天后，其表面为绒球状沉积层所覆盖(图1-(B))，图2之EDS分析表明，此沉积层化学成份为Ca和P(图2-(B))；3天时，Ca、P“绒球”相互连接从而使沉积层变得致密(图1-(C))；到7天时，沉积层变得更加致密，且在致密层上又有新的球状沉积结构生成。在对生物材料进行体外生物活性评价时，其依据是在模拟体液浸泡中，生物材料表面羟基磷灰石沉积层形成、生长的速度及沉积层对生物材料表面覆盖的情况。图1之硅灰石/磷酸三钙复合生物材料表面羟基磷灰石沉积层形成、生长的速度快，且能很快完全覆盖表面，这说明此硅灰石/磷酸三钙复合生物材料具有良好的生物活性。
图3为硅灰石/磷酸三钙复合生物材料在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中Ca、Si、P浓度发生变化的情况。Ca离子浓度在浸泡的28天中一直在上升，只是浸泡3天后上升便趋于平稳；Si离子浓度在浸泡的最初3天上升较快，此后趋于平稳。P离子浓度在浸泡一开始便急剧下降，到7天时几乎为零。这是因为在浸泡的初期阶段，溶液中Ca、P离子浓度相对于羟基磷灰石已经饱和，而对硅灰石是不饱和，所以硅灰石被选择性地溶解，形成原位多孔结构，释放出Ca、Si离子，Si离子重又聚合形成硅凝胶。另一方面，溶液中Ca离子浓度的升高进一步增加了羟基磷灰石的过饱和度，且硅凝胶提供了良好的成核位置，因而磷灰石层在试样表面同时发生沉积，这表现为P离子浓度的急剧下降。磷灰石层的沉积阻碍了Ca、Si离子从试样向模拟体液中的自由扩散，从而在一定程度上抑制了硅灰石的进一步溶解。此时，Ca、Si离子浓度趋于平稳。
图4为硅灰石/磷酸三钙复合生物材料在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中pH值的变化情况。在硅灰石/磷酸三钙复合生物材料浸泡于模拟体液的28天时间里，模拟体液的pH值从最初的7.25上升到7.66，这是因为生物材料中的Ca2+与模拟体液中H+交换、模拟体液一直未更新的缘故。在人或者动物体内，体液是不停流动更新的，植入体周围的pH值完全可以维持在正常的水平之内。
图5、图6为硅灰石/磷酸三钙复合生物材料在模拟体液中浸泡不同时间后，对其表面进行薄膜X射线衍射(TF-XRD)及傅立叶红外转换光谱(FTIR)分析的结果。由以上测试可知，硅灰石/磷酸三钙复合生物材料(WT(0))在模拟体液中浸泡1天后，其表面形成了结晶度较低的含碳酸根的羟基磷灰石层，因为在TF-XRD图谱中出现了羟基磷灰石的特征衍射峰(2θ＝32°和26°)，而FTIR图谱上也分别有PO43-(1100cm-1)、CO32-(1400-1550cm-1)、OH-(2500-3700cm-1)的吸收峰；随着浸泡时间的延长，上述沉积层的衍射强度逐渐增加，而硅灰石/磷酸三钙基底的信息逐渐减弱至无，这表明羟基磷灰石沉积层的厚度在不断增加。
本发明提供的方法制备的复合生物材料，可根据不同的需要，对复合材料中各组分进行调节；尤其是原位多孔结构的形成非常有利于组织、血管等的长入。因此，本发明提供的方法制备的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料可应用于人体硬组织(骨和牙齿)的修复、填补与重建。
图2硅灰石/磷酸三钙复合材料在浸泡前及在模拟体液中浸泡14后的表面能谱仪(EDS)成分分析。
图3硅灰石/磷酸三钙复合材料在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中Ca、Si、P浓度变化之感应耦合等离子体—原子发射光谱(ICP-AES)成分分析。横座标为浸泡时间，单位为天数；纵座标为元素浓度，单位为mM。
图4硅灰石/磷酸三钙复合材料在模拟体液中浸泡不同时间后，模拟体液中pH值发生变化的情况。横座标为浸泡时间，单位为天数；纵座标为pH值。
图5硅灰石/磷酸三钙复合材料在模拟体液中浸泡不同时间后，其表面薄膜X射线衍射(TF-XRD)分析图谱。图中○代表磷灰石。
图6硅灰石/磷酸三钙复合材料在模拟体液中浸泡不同时间后，其表面傅立叶红外转换光谱(FTIR)分析图谱。
操作步骤如下(1)将124.85克分析纯Ca(NO3)2·4H2O加入到适量去离子水中，搅拌至溶解澄清，加入适量氨水，调节溶液pH值至12.0，此时溶液的体积为1.25升；(2)将38克β-TCP粉体加入到上述Ca(NO3)2溶液中，强力搅拌30分钟，以使加入粉体分散均匀；(3)将145.55克分析纯Na2SiO3·9H2O加入到适量去离子水中，搅拌至溶解澄清，配备溶液1.25升，测得其pH值为13.40；(4)强力搅拌配备好的Ca(NO3)2及β-TCP粉体悬浊液，同时将上述Na2SiO3溶液滴加到其中，生成硅酸钙水合物与β-TCP均匀混合之沉淀；待滴加完成，继续搅拌12小时，以使反应进行完全；(5)抽滤去溶液，用经氨水调节pH值至12.0的去离子水、无水乙醇反复多次清洗反应所得沉淀，然后在烘箱中于80℃，经24小时烘干；
(6)在煅烧炉中、空气气氛下，900℃经2小时煅烧得到硅灰石/磷酸三钙复合粉体；以无水乙醇为球磨介质，球磨硅酸钙粉体24小时，而后在烘箱中于80℃，经24小时烘干；(7)加入1wt％ PVA溶液(以PVA质量计)，与硅灰石/磷酸三钙复合粉体混合均匀后过100目网筛造粒。在10MPa下，将上述粉体预压成型，再于200MPa下等静压；(8)空气气氛下、1400℃、2小时烧结上述样品，得到硅灰石/磷酸三钙复合材料；制备的复合材料在模拟体液中分别浸泡1、3、7、14、21、28天，试样表面形貌、成分、结构变化，如图4、5、6所示。
在本实施例制备的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料中，硅灰石与磷酸三钙之间的体积比设计在60∶40，最后的产物中两者之间的比值应该可以达到设计的要求。因为反应是在强碱性(pH＞12.0)条件下进行，溶液滴加完后继续成化，且清洗硅酸钙水合物时去离子水经氨水调节pH值，这都有利于反应时Ca2+的充分沉积，有效地防止了洗涤过程中Ca2+的流失。
模拟体液浸泡实验结果表明，硅灰石/磷酸三钙复合生物材料具有良好的生物活性，特别是原位多孔结构的形成尤为重要。这是因为生物材料在植入的早期如有承载则需具有一定的力学性能；原位多孔结构形成时，微血管和组织的长入则又加强了生物体与植入材料之间界面结合强度，从而更有利于承载，利于组织的重建与愈合。因此，本发明提供的方法制备的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料可应用于人体硬组织(骨和牙齿)的修复、填补与重建。
权利要求
1.一种硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，包括硅石灰/磷酸三钙复合粉体的制备和复合粉体的烧结二个工艺步骤，其特征在于(1)复合粉体的制备，包括①先配制浓度分别在0.1-0.5摩尔/升之间的Ca2+/Si4+＝1.0的强碱性含硅的溶液和含钙的溶液；②按硅灰石/磷酸三钙的体积比，将β-TCP粉体假如到含钙溶液中，并强力搅拌或超声分散均匀；③将含硅的溶液滴加入强调搅拌的含钙及β-TCP粉体的悬浊液中，生成白色的硅酸钙水合物与β-TCP粉体均匀混合的沉淀物，滴加完成后，继续搅拌，成化反应产物；④抽滤去除溶液，用经氨水调节的pH为11-12的去离子水清洗白色沉淀物，再用无水乙醇清洗后，于80-120℃经24小时烘干；并在800-900℃煅烧1-2小时后经球磨、粉碎、过滤得到硅灰石/磷酸钙复合粉体；(2)复合粉体的烧结，包括①加入1wt％ PVA干粉配制的溶液，均匀混合，过40-100目网筛造粒；②预成型后经200MPa等静石成型，1300-1400℃空气条件下2-5小时无压烧结，制成硅灰石/磷酸三钙复合材料。
2.按权利要求1所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于含硅的溶液是以Na2SiO3或硅溶胶为硅源；含钙的溶液是以Ca(NO3)2或CaCl2、Ca(OH)2为钙源。
3.按权利要求1或2所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于所述的含硅的溶液pH值大于13.0；含钙的溶液pH值12.0-13.0；pH值是或用浓氨水，或用KOH，或用NaOH溶液调节的。
4.按权利要求1所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于硅灰石/磷酸三钙的体积比为60∶40。
5.按权利要求1所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于成化反应时间为12-24小时。
6.按权利要求1所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于所述的煅烧后复合粉体经以无水乙醇为球磨介质，12-24小时后于80-120℃，24小时烘干。
7.按权利要求1所述的硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法，其特征在于所述的硅灰石/磷酸三钙粉体预成型的压力为10-20MPa。
全文摘要
本发明涉及硅灰石/磷酸三钙复合生物材料的制备方法,属于生物材料领域。其特征在于以Na
文档编号A61L31/16GK1367153SQ02110848
公开日2002年9月4日 申请日期2002年2月9日 优先权日2002年2月9日
发明者黄翔, 江东亮, 谭寿洪 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所