专利名称：：一种生物活性仿生磷酸钙纳米材料及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种含至少两种微量元素并具有显著促进骨齿损伤再生修复的仿生磷酸钙纳米材料及其制备方法和用途，属于生物医用材料
技术领域：
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背景技术：
：中老年人体内因骨质疏松造成骨量显著下降和骨折等骨损伤并发症；其次，因其它病变(如骨肿瘤)、手术(如开颅术)和机械损伤(如工伤、交通事故)等造成的骨齿缺损等的快速、完全再生修复是目前临床医学的难题。目前，由CaO、Si02、P20s和Na20组成的玻璃粉末材料(商品名45S5Bioglass⑧)具有优良的生物活性，能诱导类骨磷灰石沉积和与活体骨组织形成骨性化学键合。不仅如此，45S5Bioglass⑧溶出的硅、钙和磷离子还能激活成骨细胞中大量转录因子和细胞周期调节因子表达，并促进碱性磷酸酶和骨钙蛋白等与骨形成相关的蛋白快速地表达，但是生物玻璃类材料降解与组织再生速率不能很好协同匹配，并且一年期降解率不到50%(HamadoucheM.,etal.J历omedMateK2001;54:560)。通常，临床骨齿缺损填充用羟基磷灰石(Ca5(P04)3，(OH)2)颗粒或者块状材料制品降解极为缓慢，传导骨再生能力相当有限，应用大大受限。磷酸三钙(Ca"P04^H20)也被广泛研究报道，其陶瓷材料目前已经在骨缺损填充修复中得到应用。但是，这种材料损伤修复以爬行替代为主，并存在存在降解缓慢、修复期长等系列问题(HandschelJ.，etal.所omc^n'a"2002;23:1689)。随着材料学化学、组织病理学、细胞分子生物学以及营养学等的发展，人们发现，人体生理代谢所必需的一些微量元素，如硅能激活成骨细胞基因表达(XynosI.D.,所oc/ze附.Bz.c^/^s.Comw朋.2000,276,461);锶能调节骨骼内l15浓度和骨代谢(MariePJ.，Ca/":/:D'wwe/W.2001,69,121);镁摄入不足引起钙代谢失调并造成骨强度下降(HerouxO.,Ctw./P/wrmaco/.1975，53,304);锌能增加碱性磷酸酶活性并提高DNA含量、改善骨骼强度(OvesenJ.,5o"e，2001,29,565;YamaguchiM,，万&c/^w,户/wwwco/.1986,35，773)，还显示出抑制细菌感染和破骨细胞骨吸收活性等效应(PetersWJ.,/Mafe/:/饥1974，8,53;MoongaBS.乂.万o"eM"^i^.1995,10,453)。其次，一些研究也发现，硅、锶、锌或镁等微量元素被单一掺入磷酸钙材料后能改善材料的生物活性、生物降解性和骨缺损修复效果(PietalA.M.，所owatenWs2007,28，4023;WongC.T"/Mx敏L2004,513;IshikawaK.,5/om她r油2002，23,423;SerreC.M.,/Mater及仏1998,42，626)。但是，相关研究结果也证实硅、锶、锌或镁等单一微量元素对成骨细胞活性和骨组织代谢调节存在显著剂量依赖关系，从植入材料中释放过高剂量的硅、锶、镁或锌会引起细胞毒性或者造成其它离子代谢失调(DahlS.G"2001，28,446;GoughJ.E.，所o附"&n'""2004，25，2039;ItoA.,Mater.五wg.C2002,22，21jSaravanapavanP.,7&;/Mater.2004,254-256,785);反之，骨组织中长期缺乏这些微量元素将造成组织畸变甚至严重疾病。现有技术中，不少研究者试图通过掺杂等途径在磷酸三钙或者羟基磷灰石中引入硅、锶、镁或锌等单一生物活性物质，提高材料的细胞诱导活性，促进细胞增殖和基因表达，加快骨缺损再生修复和材料降解速度。常规湿化学工艺合成中，微量元素往往抑制磷酸钙晶粒成核和生长，微量元素掺杂率受到严重限制。高温烧结技术尽管能方便调节微量元素的掺杂率，但在任意调控材料中活性物质释放速度反面存在严重制约(ItoA.,M"ter.i仏2000,50,178;LiY.W.，M"妙.M2000,52,164-170;ReidJ.W.,S/o附她n油2005，26，2887;ItoA.，Bz'owW.Mater,i饥2000,60，224)。在迄今磷酸l^类材料的生物活性改性研究中，尚未有运用仿生矿化技术实现二元到多元微量元素协同掺杂来实现对磷酸钙材料的生物活性和降解性进行显著改进的报道。骨齿组织中无机磷酸钙矿物是以含碳酸根、钠、钾以及多种微量元素的羟基磷灰石构成，微量元素成分在调节成骨细胞活性、促进幼骨发育和稳定骨骼正常代谢、调控无机矿物吸收中发挥了不可替代的作用。仿生矿化是依据生物体内各种物质参与化学反应的基本原理和一般规律，通过体外模拟生物体环境实现类似生物体硬组织的化学矿物合成。但是，迄今尚未涉及硅、锶、锌或/和镁协同掺杂类骨磷酸钙材料仿生矿化合成及应用的专利技术或实验报道。根据现有临床应用文献报道和骨组织代谢的最新知识来看，迫切需要探索仿生矿化技术研制在化学组成和生物学性能上均能满足临床上人体骨齿缺损实现快速、完全修复更为理想的活性材料，这样的材料具备类似骨组织无机矿物的化学成分，尤其是多种微量元素的复合，从而具备在细胞及分子水平上实现对成骨相关(干)细胞增殖和分化的主动调控，激活与骨再生相关的基因快速表达，实现在宿主分子、细胞和组织上接受摄取或植入提供的活性物质准确调控和应答，并且多种微量元素能协同调控材料降解性，以达到骨缺损再生修复协同匹配的最佳效果。
发明内容本发明的目的是提供一种能够明显促进骨齿缺损完全再生修复所需的生物活性仿生磷酸钙纳米材料及其制备方法和用途。本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料，是含硅、锶、锌和镁中至少两种元素的纳米磷酸钙颗粒，其组分以氧化物形式表示的质量百分数含量为CaO4055%;P20538~44%;Si020~0.3%;SrO05.5%;ZnO0~3.5%;MgO0-4.5%;H203~8%，上述组分之和为100%，且Si02、ZnO、MgO和SrO至少两种物质不同时为0。上述的磷酸钙颗粒的粒径为20~1000nm。磷酸钙是无定型磷酸转、部分结晶的磷酸三钙和羟基磷灰石中的一种或者一种以上的复合物。生物活性仿生磷酸钙纳米材料的制备方法，包括以下步骤1)在搅拌条件下向含有Na+，142mM;K+，5mM;Ca2+，2.5him;Mg2+,1.5ihm;S042—,1mM;HP042—，1him;C厂，36mM和HC03—,14him的模拟体液中添加含侧链羧基的链式聚合物溶液以及含Si032.、Zn2+、Sr^和Mg^中至少两种离子的无机盐溶液，得到混合溶液，控制混合溶液中聚合物的浓度为1~20|im;Si:P、Zn:Ca和Sr:Ca的摩尔比分别为(010):100、(0~1.0):100和(010):100，添加的Mg^离子与模拟体液中的Ca^离子之比Mg:Ca为(01.0):100，调节混合溶液的pH值为7.25~7.40;2)将步骤l)制备的混合溶液升温到45-150。C并反应陈化5180分钟，析出至少含硅、锶、锌和镁中两种微量元素的磷酸钙纳米颗粒，过滤后，依次用pH值为3.54.5的盐酸溶液、去离子水和无水乙醇洗涤，干燥。本发明中，对掺杂硅、锌、锶或镁活性元素所使用的无机盐均不存在严格种类限制，一般含SiOf的无机盐采用Na2Si03;含S一+无机盐采用SrCl2，含Zn2+无机盐采用ZnCl2;含Mg^无机盐采用MgCl2。本发明中，对所说的含侧链羧基的链式聚合物不存在严格种类限制，一般选用聚天冬氨酸、聚丙稀酸、聚天冬氨酸钠和聚丙稀酸钠中的一种或者任意几种组合。本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料，可用于骨科，整形外科，颅颌面外科，脑外科或口腔科中的骨齿损伤修复作为填充材料。本发明制备过程中，通过改变含Si032—、Zn2+、S一+和/或Mg"无机盐溶,液的添加量和反应陈化时间，可以调节磷酸钙盐中微量元素的百分含量。本发明制备过程中，通过改变陈化时间，可以调节纳米粒尺寸。本发明的有益效果在于本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料含多种微量元素，在纳米微粒结构上，纳米磷酸钙颗粒是由球状、片状或棒状纳米晶聚集形成的高比表面疏松团族颗粒，因而有利于生物降解和活性物质迁移扩散；在颗粒组成上，磷酸钙晶格中部分钙、磷原子位置以及部分晶格空位被人体生理必需的微量元素锶、锌、硅或镁离子替代，成核后初始阶段为无定型磷酸钙、部分结晶的磷酸三钙或羟基磷灰石纳米粒，在陈化阶段颗粒结晶性逐步提高，因而有利于控制和调节多元微量元素复合比例及其释放速度。这种纳米粒材料最显著的特征是1)颗粒尺寸由陈化时间调控，可以在201000纳米连续调节，可用于骨齿缺损填充修复；2)硅、锌、锶和/或镁等在纳米粒材料内属于钙、磷原子晶格位置或者空位替代，多元活性物质的释放速度与磷酸钙盐的生物降解速率控制，能保证活性物质的持久释放，并不存在短期内爆发式释放的风险。此外，本发明涉及的材料制备均在45150。C条件下一步仿生矿化合成，不涉及高温高热处理，工艺极为简单，颗粒尺寸、磷酸钙组分以及微量元素掺杂率容易控制，生物活性物质释放速度易于调控等特点，具有显著促进骨再生生物活性的特点。用本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料制成的制品将具有优异的生物安全性、生物活性和生物降解性，在骨科，整形外科，颅颌面外科，脑外科或口腔科中具有优良的应用价值。图1为本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料X射线衍射图谱，图中(a)曲线为陈化30分钟含Mg和Zn微量元素材料的图谱，(b)曲线为陈化30分钟含Mg,Zn和Sr微量元素的图谱，(c)曲线为陈化30分钟含Mg,Zn,Sr和Si微量元素的图谱。图2为本发明的生物活性仿生磷酸钙纳米材料扫描电镜照片，图中(a)为陈化30分钟含Mg和Zn微量元素材料的照片，(b)为陈化30分钟含Mg,Zn和Sr微量元素的照片，(c)为陈化30分钟含Mg，Zn，Sr和Si微量元素的照片。图3为含Mg，Zn和Sr微量元素的仿生磷酸钙纳米材料X射线衍射图谱，图中(a)曲线为陈化30分钟并立即过滤分离后纳米粒的图谱，(b)曲线为陈化30分钟并自然冷却室温和过滤分离后纳米粒的图谱，(c)曲线为陈化30分钟并自然冷却到室温静置36小时后过滤分离的纳米粒图谱。图4为含Mg，Zn和Sr的仿生磷酸钙纳米材料透射电镜和能谱图，图中O)为纳米团族透射电镜照片，(b)为X-射线衍射能谱图，(c)为纳米团族X-射线面扫描Mg元素分布能谱图谱，(d)为纳米团族X-射线面扫描Zn元素分布能谱图谱，(e)为纳米团族X-射线面扫描Sr元素分布能谱图谱。图5为含Mg和Zn微量元素仿生磷酸钙纳米材料中掺杂不同Zn后Mg和Zn含量变化图(其中横坐标Zn(x)表示Zn离子相对于Ca离子的百分率)。图6为含Mg,Zn和Sr微量元素仿生磷酸钙纳米材料中掺杂不同Sr后Mg，Zn和Sr含量变化图(其中横坐标Sr(x)表示Sr离子相对于Ca离子的百分率)。图7为含Mg,Zn,Sr和Si微量元素仿生磷酸钙纳米材料中掺杂不同Si后Mg，Zn,Sr和Si含量变化图(其中横坐标Si(x)表示Si离子相对于P离子的百分率)。图8为含Mg，Zn和Sr微量元素仿生磷酸钙纳米材料(TEs-CaP)与仅含镁的磷酸钙纳米材料(Mg-CaP)股骨缺损修复模型X光照片。图9为含Mg,Zn和Sr微量元素仿生磷酸钙纳米材料(TEs-CaP)与仅含镁的磷酸钙纳米材料(Mg-CaP)、空白对照组股骨缺损修复模型创面大体形态光学照片。具体实施例方式下面结合实例进一步阐明本发明的内容，但这些实例并不限制本发明的范围，凡基于本发明上述内容所实现的技术和制备的材料均属于本发明的保护范围。实施例所使用试剂纯度均不低于其分析纯试剂纯度指标。实施例11)将含有Na+，142mM;K+,5謹；Ca2+,2.5ihm;Mg2+，1.5mM;S042—,1mM;HP042_，1mM;Cl一，36mM和HC03_,14mM的2.0L模拟体液(SBF)等分于三只2.5L容积洁净菌种瓶中，并分别标记为A、B和C,在搅拌条件下分别向上述SBF溶液中添加聚天冬氨酸溶液、Na2Si03、MgCl2、ZnCb和/或SrCl2溶液，其中，A瓶Zn:Ca摩尔比为0.4:100;新添加的Mg"离子与SBF中的Ca^离子摩尔比Mg:Ca为0.2:100;B瓶Zn:Ca和Sr:Ca摩尔比分别为0.4:100和6:100;新添加的Mg"离子与SBF中的Ca"离子摩尔比Mg:Ca为0.8:100;C瓶Si:P、Zn:Ca和Sr:Ca摩尔比分别为6:100、0.8:100和3:100;新添加的Mg"离子与SBF中的Ca^离子摩尔比Mg:Ca为0.2:100;并控制A、B和C三瓶溶液中聚天冬氨酸(PAsp)浓度分别为2、10和20,，混合溶液的pH值均再调节到7.25。2)将步骤l)制备的三瓶混合溶液放入湿法灭菌系统中，升温到120。C，反应陈化30分钟，析出纳米粒，对A、C瓶自然冷却后过滤悬浮液，并用pti值为4.2的盐酸溶液、去离子水和无水乙醇依次各洗涤3次，然后干燥，分别获得掺杂锌与镁二元微量元素以及掺杂硅、锶、锌与镁四元微量元素的仿生型磷酸钙纳米粒材料；对B瓶吸取总体积量的三分之一悬浮液后立即过滤洗涤，三分之一在自然冷却到室温后吸取并过滤，余下三分之一在室温放置36小时后也过滤，经不同介质洗涤后得到不同结晶性锶、锌与镁三元微量元素掺杂的仿生磷酸钙纳米粒材料。3)上述步骤2)制备的含二元、三元和四元微量元素掺杂的仿生型磷酸钙纳米粒材料的X射线衍射图谱和扫描电镜照片分别如图1和图2所示，二元微量元素掺杂的仿生型磷酸钙纳米粒为球形无定型磷酸钙，三元微量元素掺杂的仿生型磷酸钙纳米粒为片状纳米单元组装聚集形成的部分结晶的羟基磷灰石，'四元微量元素掺杂的仿生型磷酸钙纳米粒为棒状纳米单元组装聚集形成的部分结晶的为磷酸三钙。陈化不同时间后的三元微量元素掺杂的仿生型磷酸钙纳米粒材料X射线衍射图谱如图3所示，陈化时间延长结晶性逐步提高；自然冷却后的样品形态结构透射电镜照片、元素组成X-射线衍射能谱和微量元素元素面扫描分布图如图4所示，在纳米粒中能检测到掺杂锶、锌与镁元素，表明这种仿生合成在多元微量元素协同掺杂合成仿生型磷酸钙纳米粒材料方面相当有效。实施例2制备方法同实施例1，区别在于向A、B和C瓶各2.0L的SBF溶液中加入含MgCl2和ZnCl2的溶液，新添加的Mg"离子与SBF中的Ca"离子之比Mg:Ca为0.4:100，但Zn:Ca摩尔比依次为0.8:100、1.2:100和2:100，控制三瓶溶液中聚丙烯酸(PAA)浓度为5pM，陈化温度为90。C，陈化时间为5分钟。纳米粒中Mg和Zn含量如图5所示，随着SBF溶液中Zn离子浓度增加，纳米粒中锌含量也逐渐增加，表明二元微量元素协同掺杂仿生合成中可通过增加微量元素浓度实现掺杂率增长。实施例3制备方法同实施例1，区别在于向A、B和C瓶各2.0L的SBF溶液中加入含MgCl2、SrCl2和ZnCl2的溶液，新添加的Mg"离子与SBF中的Ca"离子之比Mg:Ca均为0.4:100，Zn:Ca摩尔比均为0.4:100，但Sr:Ca摩尔比依次为3:100、6:100和10:100，控制三瓶溶液中聚丙烯酸钠(PAAS)浓度为1.0,;陈化温度为150°C，陈化90分钟后纳米粒中Sr、Mg和Zn含量如图6所示，随着SBF溶液中Sr离子浓度增加，纳米粒中锶含量也逐渐增加，表明三元微量元素协同掺杂仿生合成中可通过增加微量元素浓度实现掺杂率增长。实施例4制备方法同实施例l，区别在于向A、B和C瓶各2.0L的SBF溶液中加入含Na2Si03、MgCl2、SrCl2和ZnCl2的溶液，新添加的Mg^离子与SBF中的Ca^离子之比Mg:Ca均为6:100，Zn:Ca摩尔比均为0.8:100，Sr:Ca摩尔比依次为10:100、6:100和10:100，但Si:Ca摩尔比依次为3:100、6:100和10:100，控制三瓶溶液中聚天冬氨酸浓度为2.0^m;陈化温度为50。C，陈化60分钟后纳米粒中Si、Sr、Mg和Zn含量如图7所示，随着SBF溶液中Si离子浓度增加，纳米粒中硅含量也逐渐增加，表明四元微量元素协同掺杂仿生合成中可通过增加微量元素浓度实现掺杂率增长。实施例511对实施例1中搅拌速度和Si032'、Sr2+、Zn"和Mg^原始溶液的加入量、陈化温度、陈化时间按表1所示进行调整，其它条件同实施例l，制备含多种微量元素仿生磷酸钙纳米材料，各实施例所得纳米材料中微量元素含量(以氧化物表示)如表2所示。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>表2<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>实施例12实施例IO和实施例11(对照组，合成仅含镁离子的磷酸钙)制备的纳米颗粒材料的骨损伤再生修复活性和降解性进行测试，具体如下对纳米粒粉末样品进行高压蒸气灭菌，对18只16周龄健康雌性大鼠(体重300土15g)分成3组，经全身消毒灭菌后，在后腿股骨颈距关节头1.8-2.0cm处沿骨干方向用骨钻造长x宽x深为4x2x3mm的缺损，第1、2组分别填充实施例10和实施例11制备的含硅、锌、锶和镁的纳米材料(标记为TEs-CaP)和仅含镁的磷酸钙纳米粒(Mg-CaP)，第三组不填充材料，即为空白对照组，分别对肌肉组织和外层皮肤组织缝合，并各注射青霉素20万单位。按饲养条件进行饲养，在第4、6和8周末分别对其活体X光测试后，并处死2、2和2只大鼠，大体拍照，观察缺损修复效果。图8为活体X光照片，图片显示多元微量元素协同复合型TEs-CaP比仅含镁的Mg-CaP纳米粒材料具有更为快速的修复效果；图9为术后不同时间段创面大体观察光学照片，图片显示TEs-CaP比Mg-CaP和空白对照组具有更为快速的修复和降解速度。权利要求1.一种生物活性仿生磷酸钙纳米材料，其特征在于它是含硅、锶、锌和镁中至少两种元素的纳米磷酸钙颗粒，其组分以氧化物形式表示的质量百分数含量为CaO40～55％；P2O538～44％；SiO20～0.3％；SrO0～5.5％；ZnO0～3.5％；MgO0～4.5％；H2O3～8％，上述组分之和为100％，且SiO2、ZnO、MgO和SrO至少两种物质不同时为0。2.根据权利要求1所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料，其特征在于所说的磷酸钙是无定型磷酸钙、部分结晶的磷酸三钙和羟基磷灰石中的一种或者一种以上的复合物。3.根据权利要求1所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料，其特征在于所说的纳米磷酸钙颗粒粒径为201000nm。4.根据权利要求1所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)在搅拌条件下向含有Na+，142mM;K+,5mM;Ca2+,2.5mM;Mg2+,1.5him;S042—，1mM;HP042—,1mM;Cl一，36mM和HC03—，14mM的模拟体液中添加含侧链羧基的链式聚合物溶液以及含SK)32—、Zn2+、S+和Mg^中至少两种离子的无机盐溶液，得到混合溶液，控制混合溶液中聚合物的浓度为120Si:P、Zn:Ca和Sr:Ca的摩尔比分别为(010):100、(01.0):100和(010):100，添加的Mg"离子与模拟体液中的Cf离子之比Mg:Ca为(01.0):100，调节混合溶液的pH值为7.257.40;2)将步骤l)制备的混合溶液升温到45~150°C并反应陈化5~180分钟，析出至少含硅、锶、锌和镁中两种微量元素的磷酸钙纳米颗粒，过滤后，依次用pH值为3.54.5的盐酸溶液、去离子水和无水乙醇洗涤，干燥。5.根据权利要求4所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料的制备方法，其特征在于，所说的含SiO,的无机盐是Na2Si03;所说的含S,无机盐是SrCl2，所说的含Zi^+无机盐是ZnCl2;所说的含Mg^无机盐是MgCl2。6.根据权利要求4所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料的制备方法，其特征在于，所说的含侧链羧基的链式聚合物是聚天冬氨酸、聚丙稀酸、聚天冬氨酸钠和聚丙稀酸钠中的一种或者任意几种组合。7.根据权利要求1所述的生物活性仿生磷酸钙纳米材料的应用，其特征是在骨科、整形外科、颅颌面外科、脑外科或口腔科中的骨齿损伤修复填充材料中的应用。全文摘要本发明公开的生物活性仿生磷酸钙纳米材料，是含硅、锶、锌和镁中至少两种元素的纳米磷酸钙颗粒，其组分以氧化物形式表示的质量百分数含量为CaO40～55％；P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>38～44％；SiO<sub>2</sub>0～0.3％；SrO0～5.5％；ZnO0～3.5％；MgO0～4.5％；H<sub>2</sub>O3～8％，上述组分之和为100％，且SiO<sub>2</sub>、ZnO、MgO和SrO至少两种物质不同时为0。其制备方法是向模拟体液中添加含侧链羧基的链式聚合物溶液，并加入含硅、锶、锌和镁中至少两种离子的无机盐溶液，反应陈化，析出微量元素协同掺杂的仿生磷酸钙纳米粒，过滤、洗涤、干燥而成。这种纳米材料在骨组织中能持续降解并同步释放钙、磷酸根离子和微量元素，适宜于人体骨齿损伤修复应用。本发明具有制备工艺简单、纳米粒形貌和尺寸容易控制、微量元素复合比例易于操控等特点。文档编号A61L27/00GK101518659SQ20091009745公开日2009年9月2日申请日期2009年3月30日优先权日2009年3月30日发明者苟中入,欣高申请人:浙江大学