专利名称：硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料及其制备方法和用途的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料及其制备方法和用途，属于生
物材料领域。
背景技术：
著名生物材料学家Hench教授指出，第三代生物材料不仅应满足具有生物活性的 特点，同时应当具有可降解性[Science 295 :1014-1017 ;2002]。同时，材料在降解过程中， 还应能诱导组织再生[Nature Mater. ，8 :457-470 ;2009]。这也是目前对第三代生物材料 发展的基本要求。 在无机生物医用硬组织损伤修复材料方面，研究和临床应用得最多的材料是磷酸 钙类Ca-P基生物材料和生物玻璃类Ca-Si基生物材料。羟基磷灰石[Cai。(P04)6(0H)2，HAp] 和P-磷酸三钙[e-Ca3(P04)2， P-TCP]是磷酸钙类Ca-P基生物陶瓷材料的最主要代表， 具有良好的生物相容性，在硬组织损伤修复方面的研究和临床应用已经有很长的历史。目 前国内外市场上已经有HAp和P-TCP陶瓷人工骨产品被用于骨科临床治疗。然而，Ca-P基 生物陶瓷存在的一些问题限制了其应用的进一步推广。其中，HAp生物陶瓷虽然具有较好 的生物活性，能够良好地诱导骨组织生长，但降解性很差；而P-TCP生物陶瓷虽然具有很 好的降解性，但生物活性很低，对细胞和组织生长没有明显的促进作用，植入体内后对组织 再生也没有活性剌激作用，用于截断(大段)骨组织缺损的修复效果不佳。
Ca-Si基生物材料的最典型代表是生物活性玻璃材料，因其优良的生物活性和降 解性而越来越受到重视。自从二十世纪70年代L. Hench教授发明了 Ca0-Si02-Na20-P205系 统生物活性玻璃[J. Biomed. Mater. Res. ，2 :117-141 ;1971.]以来，人们对生物活性玻璃的 生物活性与组成的关系及生物活性玻璃与人体组织键合机理作了大量研究工作。研究结果 显示，其活性是由于生物活性玻璃表面与体内组织液之间发生了无机化学反应[J Biomed Mater Res. 7 :25_42 ;1973.]，而Ca0和Si02组分是材料具有生物活性的一个关键因素。 Hench教授的最新研究结果还显示生物活性玻璃降解时释放出的硅离子有激活细胞、剌激 细胞基因表达的作用[J. Biomed. Mater. Res. 55 :151-157 ;2001.]。在这些研究的基础上美 国还研制出了颗粒状生物玻璃材料并成功应用于临床骨组织的修复。 二十世纪80年代，著名的生物材料学者日本的T. Kokubo教授发明了 A_W生 物活性玻璃陶瓷材料[Biomaterials. 12 :155-163 ;1991.]，该材料采用4. 6wt. % MgO、 44. 7wt. % Ca0、34. Owt. % Si02、16. 2wt. % P20，0. 5wt. % CaF2为原料高温熔融、冷却后将 玻璃粉碎、球磨、压制后烧结制备得到以羟基磷灰石和硅酸钙为主相的A-W玻璃陶瓷。A-W 玻璃陶瓷材料具有良好的生物活性和力学强度，已经在临床中得到应用。但是，A-W玻璃陶 瓷材料降解性差，体内植入实验表明A-W生物活性玻璃陶瓷在体内可以稳定存在10年以上 [J. Bone Jt. Surg. 71A :264 ;1989.]。因此，A_W玻璃陶瓷材料在组织工程支架领域和降解 性要求较高的临床应用场合受到极大限制。此外，A-W玻璃陶瓷还具有如下的缺点(l)材料制备采用高温熔融工艺，该工艺具有制备温度高、耗时长、能耗高的缺点。(2)制备得到的 原料是玻璃块状，较难成型，需要事先粉碎、球磨、过筛后，才能进行压制成型，成型后还要 再烧结才能制备得到主晶相为羟基磷灰石和硅酸钙的A-W玻璃陶瓷材料。同时，粉碎、球磨 过程又需要采用氧化锆或氧化铝等球磨介质，极易引入杂质，而生物材料对纯度的要求又 极高。研究表明，在A-W玻璃陶瓷中只要渗入极微量的A1203，就导致A-W生物玻璃失去生物 活性[J. Biomed. Mater. Res. 24 :331-343 ;1990. ] 。 (3)羟基磷灰石相和硅灰石相的复合比 例单一，从而导致其力学强度、降解性和生物活性难以调控。而不同的临床应用场合对植入 材料的力学强度和降解性的要求又不尽相同。(4)A-W玻璃陶瓷难以制备成具有良好降解性 的组织工程用多孔支架材料。因此，A-W玻璃陶瓷较弱的降解性极大地限制了其临床应用。
近年来的研究结果显示硅酸钙生物陶瓷具有良好的生物活性、降解性和力学性能 [Materials Letters, 58 :2109-2113 ;2004. ; J. Mater. Res. ， 14 :529-536 ; 1999.]。动物植 入实验研究还表明，硅酸钙材料植入体内后能够同骨组织形成良好的键合作用、具有良好 的骨诱导形成能力[Biomaterials，29 :2588-2596 ;2008.]。然而，动物植入实验和体外降 解性实验均表明硅酸钙陶瓷材料的降解性过快，难以调控硅酸钙陶瓷的降解速率。因此，同 其他可降解生物陶瓷材料一样，如何调控硅酸钙生物陶瓷的降解速率是这类材料研究和临 床应用的一个关键问题。 理想的可降解生物活性陶瓷应该是具有优良的生物活性，它能激活细胞、剌激组 织再生；同时，又要求材料的降解速率与组织再生的速度相匹配。这样才能达到完美的人体 组织的再生修复。因此，综合调控材料的生物活性和降解性、并具有良好的力学性能，使材 料适合各种不同生理条件下应用的需要是可降解生物活性陶瓷研究的最终目的。目前，临 床中应用的磷酸钙类生物陶瓷、生物活性玻璃、A-W玻璃陶瓷等生物医用无机材料都不同程 度地存在着生物活性、降解性或力学性能的缺陷，以及生物活性和降解性之间难以调控等 缺点。因此，这些材料均难以满足理想的第三代生物材料的临床使用要求。对于这些单相 生物陶瓷材料，虽然可以通过制备工艺的调整在一定范围内调控材料的降解性，但是，由于 单相生物材料的组成和成分已经确定，其降解性的有效调控范围非常有限。解决这一问题 的方法之一是通过制备复合生物陶瓷材料，以降解性好的材料与降解性差的材料进行复合 来调控材料的降解性；以生物活性好的材料与活性差的材料复合来调控材料的生物活性， 从而提高材料的组织诱导形成能力。 羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性、但降解性差；硅酸钙陶瓷具有良 好的生物相容性、生物活性、降解性和力学性能，但降解速率过快。而A-W玻璃陶瓷的研究 显示，一定比例的硅酸钙相与磷灰石相复合可以得到优良的生物活性和很低的降解性。
综上所述，本领域缺乏一种羟基磷灰石与硅酸钙的复合比例可调以及生物活性、 降解性和力学强度等综合性能良好且可控的复合生物陶瓷材料。
发明内容
本发明的第一目的在于通过优化工艺提供一种新的具有优良力学性能、生物活性
和降解性的，且力学强度、生物活性和降解性可控的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材 料。 本发明的第二目的在于提供硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法。
本发明的第三目的在于提供硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料作为硬组织 缺损修复材料的应用。 本发明的第一方面提供一种硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其硅酸钙 /羟基磷灰石复合生物陶瓷材料中硅酸钙的质量百分比含量占总量的5_95%，优选10 90%。 本发明提供的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料具有不同于以往单相硅 酸钙或单相羟基磷灰石的独特性能，如通过复合得到的材料的力学性能明显优于纯硅酸 钙(纯硅酸钙生物陶瓷抗弯强度约50-95MPa，参考文献[Ceram. Intern. ，31 :323-326 ; 2005])生物陶瓷或纯羟基磷灰石生物陶瓷(纯羟基磷灰石生物陶瓷通常抗弯强度小于 100MPa)，如在复合陶瓷中硅酸钙的质量含量为10%时，制备得到的复合陶瓷的抗弯强度 约98MPa，与纯硅酸钙生物陶瓷或羟基磷灰石生物陶瓷材料相当，但其在Tris-HCl缓冲溶 液中2周的降解率约0.6%，而纯羟基磷灰石生物陶瓷通常认为不降解，文献还表明纯硅 酸钙在在Tris-HCl缓冲溶液中2周的降解率约16% [J. Biomed. Mater. Res. ，85A :72-82 ; 2008]。 同时，硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的抗弯强度和降解性随硅酸钙含量 的提高而显著增大。硅酸钙含量为30wt. %时，抗弯强度约125MPa、2周的降解率约2%;硅 酸钙含量为50wt. X时，抗弯强度约150MPa、2周的降解率约4X;硅酸钙含量为70wt. %时， 抗弯强度约175MPa、2周的降解率约6. 5% ;硅酸钙含量为90wt. %时，抗弯强度约221MPa、 2周的降解率约10%。可见，尤其当硅酸钙的含量高于50wt. %时，其力学强度明显优于纯 硅酸钙或纯羟基磷灰石生物陶瓷材料，但制备得到的复合材料的降解性明显低于纯硅酸钙 生物陶瓷材料，即通过调控复合陶瓷中硅酸钙的含量可以良好地调控材料的力学性能和降 解性。 通过调节硅酸钙的含量可以显著提高所发明的复合陶瓷材料的力学性能是由于 烧结后材料中内部原位形成纤维状晶粒。且该纤维状晶粒的数量随硅酸钙含量的增加而 明显增多(纤维晶粒如本发明提供的附图3中的箭头符号所示)。研究表明，由于纤维状 陶瓷晶粒的优异力学性能，其可以显著提高陶瓷材料的力学性能，并被广泛应用于材料的 力学增强和增韧领域[J.Alloys Compounds,472 :395-399 ;2009 ;CompositeScience and Technology,66 :1002-1111 ;2006]。 本发明的第二方面提供一种硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法， 包括如下步骤 (1)以可溶性钙盐为原料，配制可溶性钙盐溶液，调节溶液的pH为9-11. 5 ;以可溶 性磷盐为原料，配制可溶性磷盐溶液，调节溶液的PH为8-10. 5 ;以可溶性硅酸盐为原料，配 制可溶性硅酸盐溶液，调节溶液的pH为9-12 ; (2)以钙磷摩尔比为1. 60-1. 70的比例，将可溶性磷盐溶液加入可溶性钙盐溶液 中，加入过程中保持反应溶液pH为9-12，然后将反应产物陈化、过滤； (3)将步骤(2)所得粉体加入到水中形成混浊液，按硅酸钙占硅酸钙和羟基磷灰
石总量5wt^ _95^%的配比，在上述混浊液中加入可溶性硅酸盐溶液； (4)将与硅酸盐离子摩尔比为0. 8-1. 2的可溶性钙盐水溶液加入步骤(3)所得产
物中，加入过程调节溶液的pH为9-12，加入后继续搅拌、陈化、过滤、洗涤、烘干后获得粉体，将粉体成型后煅烧。 上述步骤中，优选可溶性f丐盐溶液的f丐离子浓度为0. 05-2mol/L ;优选可溶性磷 盐的磷酸根离子浓度为0. 05-2mol/L ;优选可溶性硅酸盐的硅酸根离子浓度为0. 05-2mo1/ L。 上述步骤中，调节溶液的pH为采用碱性溶液调节，优选采用加入氨水调节，优选 氨水的浓度为0. 05-2mol/L。 上述步骤中成型条件优选为采用以粉体为原料干压或等静压成型方法获得陶瓷 坯，进一步优选在粉体中加入质量百分比1_5%浓度为1_10%的聚乙烯醇作粘结剂。
上述步骤中煅烧条件优选为800-100(TC煅烧l-5h。 在上述过程中，在粉体原料制备中，主要是利用钙盐中的钙离子与磷酸盐中的磷 酸根离子在一定的pH环境及制备条件下沉淀获得羟基磷灰石粉体；利用钙盐中的钙离子 与硅酸盐中的硅酸根离子在一定的pH环境及制备条件下沉淀获得硅酸钙粉体。
对本发明得到的复合材料样品在日本岛津公司的AG-I精密万能实验机上测试抗 弯强度和弹性模量。样品的测试速度为5. Omm/min，测试表明本发明得到的复合材料的抗弯 强度的可控制在95-230MPa范围内，其强度与人体致密骨抗弯强度(50-150MPa)相当，通过 调节复合比例甚至可以制备获得力学强度显著高于人体致密骨的抗弯强度；而弹性模量仅 12-20GPa，与人体致密骨的弹性模量相当。 对本发明得到的部分样品用阿基米德法测试孔隙率，应用扫描电镜观察材料的断 面显微结构。孔隙率测试表明本发明得到的复合材料的烧结密度较高(孔隙率<4%);扫 描电镜观察结果也表明制备得到的复合材料具有较高的烧结密度，且晶粒尺寸细小、并具 有纤维状晶粒，该纤维状晶粒起到良好的力学增强效果。 将本发明得到的复合材料先后经去离子水和丙酮洗涤、晾干后进行体外溶液生物 活性测试。所用的溶液为人体模拟体液(SBF ;Simulated Body Fluid) 。 SBF含有与人体血 浆相同的离子和离子团浓度，为日本Kokubo教授首先研究并制备[Surfacechemistry of bioactive glass-ceramics， J. Noncryst. Solids 1990 ;120 :138-51]
按复合陶瓷材料表面积(平方厘米)与SBF体积(立方厘米)比为1 : 10的比 例将样品浸泡于SBF中，并置于37. 5t:水浴振荡器内，浸泡1和3天后，取出样品并经过去 离子水洗涤后做SEM和XRD测试，结果分别见图5和图6。生物活性实验表明本发明得到的 硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料能在表面诱导生成类骨羟基磷灰石，从而表明这些 材料具有生物活性。 将本发明得到的复合材料先后经去离子水和丙酮洗涤、烘干后进行体外降解性实 验评价。我们通过该类多孔材料在pH值为7. 25的Tris-HCl缓冲溶液中浸泡不同时间后 材料的失重来评价材料的降解性。实验表明通过调节材料的组分可以很好地调控该类复合 材料的降解速率。结果表明硅酸钙质量范围在10% -90%的复合材料在化18缓冲液中浸 泡14天的降解率可以控制在1% -10%。可见本发明得到的复合材料的降解性可以通过调 节材料的组分来调控。 由上述测得的复合材料的理化性能，得出本发明的第三方面，本发明提供硅酸钙 /羟基磷灰石复合生物陶瓷材料作为硬组织缺损修复材料的应用，可以满足临床应用的需要。
本发明的硅酸钙/羟基磷灰石复合材料可以通过调节制备工艺和材料的组分，改 变其生物活性、降解性和力学强度。通过调节材料中硅酸钙的含量，可以调控该类材料在人 体模拟体液中浸泡时表面沉积形成的类骨羟基磷灰石的速度，进而调控材料的生物活性； 同时，通过调整材料中硅酸钙的含量，还可以很好地调控该类复合材料的降解速率。因此， 本发明的具有生物活性、降解性、力学强度可控的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷既具 有良好的生物界面和化学特性，又具有良好的生物活性和降解性。采用本发明提供的方法， 可以根据不同的组织损伤修复对材料的不同要求制备出具有不同特性的材料以满足临床 应用的需要。 综上所述，本发明的具有良好力学性能，且生物活性、降解性和力学强度可控的硅 酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，作为硬组织缺损修复材料具有独特优势。
图1是化学沉淀法制备得到的复合比例为10 : 90(A) 、30 : 70(B) 、50 : 50(C)、
70 : 30(D)和90 : 10(E) (wt. % )的硅酸钙/羟基磷灰石复合粉体的x-射线衍射图谱。 表明制备得到的不同复合比例的粉体均由P-硅酸钙(e-CS)和羟基磷灰石(HAp)物相组 成。 图2是化学沉淀法制备得到的复合比例为10 : 90(A) 、30 : 70(B) 、50 : 50(C)、 70 : 30(D)和90 : lO(E)(wt. %)的硅酸f丐/羟基磷灰石复合粉体的投射电镜照片。表 明制备得到的复合粉体的颗粒尺寸约20-200纳米。 图3是硅酸钙羟基磷灰石复合比例(wt. %)为10 : 90(A) 、30 : 70(B)、
so : 50(c)、70 : 30(d)和90 : io(e)的陶瓷样品aioo。c煅烧3小时)断口的fesem图
片。可见制备得到的陶瓷较致密，晶粒尺寸细小、约100-200纳米；且随着硅酸钙含量的增
加，纤维状的晶粒数量在增加。 图4是硅酸钙羟基磷灰石复合比例为50 : 50的样品于IIO(TC烧结3h后的XRD 图谱。表明制备得到的复合陶瓷由P-硅酸钙(e-CS)和羟基磷灰石(HAp)物相组成。
图5是硅酸f丐羟基磷灰石复合比例(wt. % )为30 : 70(A) 、50 : 50(B)和 70 : 30(C)的陶瓷样品在SBF中浸泡1天后表面的FESEM图片。可见，样品在SBF中浸泡 l天后在陶瓷表面诱导生成了一层晶粒尺寸约100纳米毛毛虫状物质，该物质即为典型的 类骨羟基磷灰石，表明材料具有良好的生物活性。且硅酸钙含量越多，裂纹越明显。该裂纹 是由于沉积的类骨羟基磷灰石层较厚，导致样品在凉干厚由于水分蒸发导致的龟裂纹，也 表明沉积的类骨羟基磷灰石层较厚。还可以说明，材料的生物活性随硅酸钙复合量的增加 而显著提高。 图6、硅酸钙羟基磷灰石复合比例(wt. % )为50 : 50的陶瓷样品在SBF中浸 泡3天后的XRD图谱。 图7是复合生物陶瓷在Tris-HCl中随浸泡时间的降解率曲线。材料的降解性随 硅酸钙含量的增加而显著增大。说明，材料的降解性可以通过材料的复合比例加以调控。
综合图4-6的结果，在图5的材料表面沉积的新的物相为类骨羟基磷灰石层。图 5的结果显示该类复合陶瓷的生物活性随着硅酸钙含量的增加而得到提高。硅酸钙含量越 高，材料沉积类骨羟基磷灰石的速度越快，即材料的生物活性越强。表明通过调节复合材料中硅酸钙的比例可以很好地调控该类复合陶瓷材料的生物活性。图7的结果表明通过调节 材料中硅酸钙的含量，还可以很好地调控该类复合陶瓷的降解性。
具体实施例方式
以下结合具体实施例，进一步阐明本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条 件，例如是工艺手册中的条件，或按照制造厂商所建议的条件。比例和百分比基于摩尔比例 (或称为原子比例)，除非特别说明。 除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人 员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明 方法中。 实施例1 所用的粉体原料制备方法如上文所述。取58. 80克的Ca (N03) 2溶于500mL去离子 水中，并用1 : 1的氨水调节到pH = ll，将19. 73克的(NH4)2HP04溶于500mL去离子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。将上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料过程用1 : 1 的氨水溶液保持反应体系的pH值为ll，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉 体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于500mL去离子水中，并溶解50. 89克Ca (N03) 2，获得分散有 羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11. 0的500mL并溶有61. 25克的Na2Si03水溶 液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1 : 1的氨水溶液保持反应体系的pH值为ll，加毕 后继续搅拌24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于8(TC烘干12小时得 到干粉体，将干粉体在95(TC煅烧2小时，得到质量百分比为50 : 50的羟基磷灰石/硅酸 钙纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2C所示，颗粒尺寸约50-80纳米， 物相如图l所示；化学组成(质量百分比)为Ca052. 31%、 Si02 25.45%、P205 21.87%， 而理论值分别为CaO 52.03%、 Si02 25. 86% 、 P20521. 22% 。可见，制备得到的粉体的化学 组成同理论值吻合得很好。 在硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体中加入浓度为6%的PVA溶液作黏结剂，调均 匀后，于14MPa干压成型、再以100-200MPa等静压得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保温3小时制得本发明的材料，本发明的第一方面提供一种硅酸 钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其硅酸钙与羟基磷灰石的配比为50 : 50wt. %
孔隙率约1. 65% ，其抗弯压强度为148MPa，弹性模量约16GPa。在Tris-HCl缓冲 溶液中浸泡14天的降解率约为4%。 将所得的多孔材料在SBF模拟体液中浸泡1和3天，并将浸泡后的样品进行生物 活性评价。图4、图5和图6表明本发明制备得到的多孔生物材料具有优良的生物活性，且 通过调节材料的组分可以很好地调控材料的生物活性和降解性。
实施例2 所用的粉体原料制备方法如上文所述。取211. 68克的Ca(N03)2溶于1800mL去离 子水中，并用1 : 1的氨水调节到pH二 11，将71.01g克的(NH》2HP04溶于1000mL去离子 水中得(NH4) 2HP04水溶液。将上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料过程用 1 : 1的氨水溶液保持反应体系的PH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于200mL去离子水中，并溶解20. 36克Ca (N03) 2，获得 分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11. 0的200mL并溶有24. 50的Na2Si03 水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1 : 1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11， 加毕后继续搅拌24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于8(TC烘干12小 时得到干粉体，将干粉体在95(TC煅烧2小时，得到质量百分比为10 : 90的均匀复合的硅 酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2A所示颗粒尺寸 约，颗粒尺寸约20-50纳米，物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为CaO 54. 09%、 Si02 5 . 07%、P205 38. 34%，而理论值分别为CaO 55. 03%、Si02 5.17%、P205 38.19%。可 见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。 在硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体中加入浓度为6%的PVA溶液作黏结剂，调均 匀后，于14MPa干压成型、再以100-200MPa等静压得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保温3小时制得本发明的材料，本发明的第一方面提供一种硅酸 钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其硅酸钙与羟基磷灰石的配比为10 : 90wt. %
孔隙率约0. 41 % ，其抗弯压强度为98MPa，弹性模量约19GPa。在Tris-HCl缓冲溶 液中浸泡14天的降解率约为0. 6% .
材料的生物活性评价同实施例1 。
实施例3 所用的粉体原料制备方法如上文所述。取23. 52克的Ca(N03)2溶于200mL去离子 水中，并用1 : 1的氨水调节到pH = ll，将7. 89g克的(NH4)2HP04溶于120mL去离子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。将上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料过程用1 : 1 的氨水溶液保持反应体系的pH值为ll，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉 体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于1800mL去离子水中，并溶解183. 24克Ca (N03) 2，获得分散 有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11. 0的800mL并溶有220. 50克的化25103水 溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1 : 1的氨水溶液保持反应体系的pH值为ll，加 毕后继续搅拌24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于8(TC烘干12小时 得到干粉体，将干粉体在95(TC煅烧2小时，得到质量百分比为90 : 10的硅酸钙/羟基磷 灰石纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2E所示，颗粒尺寸约，颗粒尺寸 约10-30纳米，物相如图l所示；化学组成(质量百分比)为CaO 47.91%、Si02 46 . 61%、 P205 4. 34%，而理论值分别为CaO 49. 03%、Si02 46. 557%、P205 4.24%。可见，制备得到 的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。 在硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体中加入浓度为6%的PVA溶液作黏结剂，调均 匀后，于14MPa干压成型、再以100-200MPa等静压得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保温3小时制得本发明的材料，其硅酸钙与羟基磷灰石的配比为 90 : lOwt. %，孔隙率约3. 66X，其抗弯压强度为221MPa，弹性模量约15GPa。在Tris-HCl 缓冲溶液中浸泡14天的降解率约为10%。
材料的生物活性评价同实施例1。
实施例4 所用的粉体原料制备方法如上文所述。 所用的粉体原料制备方法如上文所述。取164. 64克的Ca(N03)2溶于1400mL去离子水中，并用l : 1的氨水调节到pH二 11，将55. 23g克的(NH4)2HP04溶于900mL去离 子水中得(NH4) 2HP04水溶液。将上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料过程 用l : 1的氨水溶液保持反应体系的PH值为11，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰 石纳米粉体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于600mL去离子水中，并溶解61. 08克Ca(N03)2， 获得分散有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11. 0的600mL并溶有73. 50克的 Na^i03水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1 : l的氨水溶液保持反应体系的pH值 为11，加毕后继续搅拌24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于8(TC烘 干12小时得到干粉体，将干粉体在95(TC煅烧2小时，得到质量百分比为30 : 70的硅酸钙 /羟基磷灰石纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2B所示，颗粒尺寸约， 颗粒尺寸约10-30纳米，物相如图1所示；化学组成(质量百分比)为CaO 52. 31%、 Si02 15.76%、P205 30. 15%，而理论值分别为CaO 53.53%、Si02 1 5 . 22%、P205 29.70%。可见， 制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。 在硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体中加入浓度为6%的PVA溶液作黏结剂，调均 匀后，于14MPa干压成型、再以100-200MPa等静压得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保温3小时制得本发明的材料，其硅酸钙与羟基磷灰石的配比为 30 : 70wt. %，孔隙率约0. 57%，其抗弯压强度为125MPa，弹性模量约15GPa。在Tris-HCl 缓冲溶液中浸泡14天的降解率约为2%。
材料的生物活性评价同实施例1 。
实施例5 所用的粉体原料制备方法如上文所述。 所用的粉体原料制备方法如上文所述。取70. 56克的Ca (N03) 2溶于600mL去离子 水中，并用1 : 1的氨水调节到pH = ll，将23. 67g克的(NH4)2HP04溶于400mL去离子水中 得(NH4) 2HP04水溶液。将上述(NH4) 2HP04水溶液滴加到Ca (N03) 2溶液中，加料过程用1 : 1 的氨水溶液保持反应体系的pH值为ll，加毕继续搅拌24小时，过滤得到羟基磷灰石纳米粉 体，将羟基磷灰石纳米粉体分散于1400mL去离子水中，并溶解142. 52克Ca (N03) 2，获得分散 有羟基磷灰石纳米粉体的白色悬浮液；将pH为11. 0的1400mL并溶有171. 50克的Na2Si03 水溶液逐滴加入上述悬浮液中，加料过程用1 : 1的氨水溶液保持反应体系的pH值为11， 加毕后继续搅拌24小时。之后，过滤、用去离子水和无水乙醇洗涤、滤干、于8(TC烘干12小 时得到干粉体，将干粉体在95(TC煅烧2小时，得到质量百分比为70 : 30的硅酸钙/羟基磷 灰石纳米复合粉体。制备得到的纳米复合粉体的形貌如图2D所示，颗粒尺寸约，颗粒尺寸 约10-50纳米，物相如图l所示；化学组成(质量百分比)为CaO 49.22%、Si02 36 . 95%、 P205 13. 02%，而理论值分别为Ca050. 53%、 Si02 36 . 21%、P205 12.73%。可见，制备得到 的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。 在硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体中加入浓度为6%的PVA溶液作黏结剂，调均 匀后，于14MPa干压成型、再以100-200MPa等静压得材料的素坯。 素坯在IIO(TC下保温3小时制得本发明的材料，其硅酸钙与羟基磷灰石的配比为 70 : 30wt. %，孔隙率约2. 6%，其抗弯压强度为175MPa，弹性模量约15GPa。在Tris-HCl 缓冲溶液中浸泡14天的降解率约为6. 5% 。
材料的生物活性评价同实施例1 。
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在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独 引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可 以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范 围。
权利要求
硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其特征在于，其中硅酸钙的质量百分比含量占总量的5-95％。
2. 按权利要求1所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料，其特征在于，其中硅酸 牵丐的质量百分比含量占总量的10 90%。
3. 硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤(1) 以可溶性钙盐为原料，配制可溶性钙盐溶液，调节溶液的pH为9-11. 5 ;以可溶性磷 盐为原料，配制可溶性磷盐溶液，调节溶液的pH为8-10. 5 ;以可溶性硅酸盐为原料，配制可 溶性硅酸盐溶液，调节溶液的pH为9-12 ;(2) 以钙磷摩尔比为1. 60-1. 70的比例，将可溶性磷盐溶液加入可溶性钙盐溶液中，加 入过程中保持反应溶液pH为9-12，然后将反应产物陈化、过滤；(3) 将步骤(2)所得粉体加入到水中形成混浊液，按硅酸钙占硅酸钙和羟基磷灰石总 量5wt^ _95^%的配比，在上述混浊液中加入可溶性硅酸盐溶液；(4) 将与硅酸盐离子摩尔比为O. 8-1. 2的可溶性钙盐水溶液加入步骤(3)所得产物中， 加入过程调节溶液的pH为9-12，加入后继续搅拌、陈化、过滤、洗涤、烘干后获得粉体，将粉 体成型后煅烧。
4. 按权利要求3所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在 于，所述可溶性钙盐溶液的钙离子浓度为0. 05-2mol/L ;所述可溶性磷盐的磷酸根离子浓 度为0. 05-2mol/L ;所述可溶性硅酸盐的硅酸根离子浓度为0. 05-2mol/L。
5. 按权利要求3所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在 于，所述调节溶液的pH采用碱性溶液调节。
6. 按权利要求5所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在 于，所述优选调节溶液的PH采用加入氨水调节，优选氨水的浓度为0. 05-2mol/L。
7. 按权利要求3或4所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特 征在于，所述成型条件为干压或等静压成型。
8. 按权利要求3或4所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特 征在于，所述成型条件为在粉体中加入质量百分比1_5%浓度为1_10%的聚乙烯醇作粘结 剂后干压或等静压。
9. 按权利要求3或4所述的硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料的制备方法，其特 征在于，所述煅烧条件为800-100(TC煅烧l-5h。
10. 硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料在硬组织缺损修复材料方面的应用。
全文摘要
本发明涉及硅酸钙/羟基磷灰石复合生物陶瓷材料及其制备方法和用途，属于生物材料领域。本发明以化学方法制备得到的硅酸钙/羟基磷灰石纳米复合粉体为原料，经干压成型得材料素坯，将素坯在于1000-1200℃煅烧1-10小时，可以得到力学性能良好的可降解硅酸钙/羟基磷灰石生物活性复合陶瓷材料，用作硬组织缺损修复材料。本发明的生物陶瓷的生物活性、降解性和力学强度均可调控。本发明工艺简单易行且便于推广。
文档编号A61L27/02GK101700415SQ20091019881
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月13日 优先权日2009年11月13日
发明者常江, 林开利, 金晓刚 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所