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Ca3Al2(SiO4)2[F4-xClx]，其中0≤x≤4，将含有合成生物材料所需元素的化合物按比例混合，经过多次煅烧或煅烧后烧结成块，将制备得到的粉体或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梭子状的类骨磷灰石层，具备较好的生物活性和机械性能，可用于骨组织修复。本发明的制备工艺简单灵活，原料来源丰富，合成温度较低，制备出的材料具有优良的生物活性，机械强度大于人体皮质骨的强度，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] 医学研宄发现，许多疾病是由于器官的病损引起器官的死亡，最终导致人类死亡。 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 [Caltl(PO 4)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。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，是很好的硬组织替代材料。同时，研宄发 现，硅是人体中重要的微量元素之一，在骨骼中含量在lOOppm，在细胞外基质化合物中含量 在200-550ppm，在骨骼中位于活性钙化位点，并直接参与骨骼生长的矿化过程。含Si元素 的生物陶瓷能够刺激骨细胞的增殖和分化，更有利于骨组织修复。
[0005] 另外，目前用于在生物体内稳定生成羟基磷灰石的生物材料的生物活性和力学性 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高的机械强 度、制备方法简单、能耗和成本较低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， 化学式为 Ca3Al2(Si04)2[F4_ xClx]，其中 0 彡 X 彡 4。
[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Al 3+的化合物、含硅离子Si 4+的化合物、含氟 离子Γ的化合物、含氯离子Cf的化合物为原料，按化学式Ca 3A12 (SiO4) 2 [F4_XC1X]中对应元 素的化学计量比称取各原料，其中O < X < 4,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两次，预煅烧温度为300?700°C，预煅烧时 间为1?16小时，每次预煅烧后待原料自然冷却至室温，取出样品，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?1000°C，煅烧时间 为1?16小时，自然冷却后，研磨混合均匀后即得到粉末状生物材料；或将步骤（2)得到的 粉末在8Mpa?IOMpa的条件下干压成型，再在700?900°C的烧结温度下烧结2?15小 时，得到块状生物材料。
[0009] 本发明制备方法的技术方案中，含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、氢氧化钙、碳 酸钙、草酸钙中的一种；所述的含有铝离子Al 3+的化合物为氧化铝、氢氧化铝中的一种；所 述的含有硅离子Si4+的化合物为二氧化硅；所述的含有氟离子的化合物为氟化钙；所述 的含有氯离子cr的化合物为氯化钙。
[0010] 本发明制备方法的优选方案是：步骤（2)的预煅烧温度为350°C?650°C，预煅烧 时间为2?15小时；步骤（3)制备粉末状生物材料的煅烧温度为700?950°C，煅烧时间为 2?15小时。
[0011] 本发明制备方法的优选方案是：步骤（3)制备块状生物材料的烧结温度为800? 900°C，烧结时间为2?10小时。
[0012] 本发明技术方案的优点在于： 1、本发明制备的Ca3Al2(Si04)2[F 4_xClx]生物材料矿化形成梭子状羟基磷灰石层，具有 良好的生物活性。
[0013] 2、本发明提供的Ca3Al2(Si04) 2[F4_xClx]生物材料原料来源丰富，采用高温固相法 制备，工艺简单，易于操作，合成温度较低，成本较低。
[0014] 3、本发明制备的Ca3Al2(Si04) 2[F4_xClx]生物材料具有良好的生物活性和机械性 能，抗弯强度和弹性模量大于人体皮质骨的强度，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2Cl4粉体的XRD图谱； 图2为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2(：14粉体矿化3天后的XRD图 谱； 图3为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2Cl4粉体矿化前的扫描电镜图； 图4为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4) 2(：14粉体矿化3天后的扫描电 镜图； 图5为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2(：14粉体矿化3天后的傅里叶 红外光谱图； 图6为按本发明实施例1技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2(：14粉体矿化3天后的能谱分 析结果图； 图7为按本发明实施例2技术方案制得的Ca3Al2(SiO4) 2F3Cl粉体矿化7天后的XRD图 谱； 图8为按本发明实施例2技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2F3Cl粉体矿化7天后的扫描电 镜图； 图9为按本发明实施例2技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2F3Cl粉体矿化7天后的能谱分 析结果图； 图10为按本发明实施例5技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2F4粉体矿化1天后的扫描电 镜图； 图11为按本发明实施例6技术方案制得的Ca3Al2(SiO4) 2F4陶瓷块体矿化前的扫描电 镜图； 图12为按本发明实施例6技术方案制得的Ca3Al2 (SiO4)2F4陶瓷块体矿化3天后的扫 描电镜图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0017] 实施例1 : 制备Ca3Al2 (SiO4)2Cl4，根据化学式Ca3Al 2 (SiO4)2Cl4，分别称取碳酸钙CaC03:2. 50克， 三氧化二铝Al203:2. 54克，二氧化硅SiO 2:3. 00克，氯化钙CaCl 2:5. 54克，在玛瑙研钵中 研磨并混合均匀后，选择空气气氛进行第1次预煅烧，预煅烧温度是380°C，预煅烧时间5 小时，然后冷却至室温，取出样品；将第1次预煅烧的原料再次充分混合研磨均匀，在空气 气氛中第2次预煅烧，预煅烧温度是580°C，预煅烧时间11小时，然后冷至室温，取出样品； 最后将其再次充分研磨后放在马弗炉中空气气氛下煅烧，煅烧温度为850°C，煅烧时间8小 时，即得到Ca 3Al2 (SiO4)2Cl4粉体。
[0018] 将制备好的Ca3Al2 (SiO4) 2(：14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Ca 3Al2 (SiO4) 2C14陶瓷 加入模拟体液100毫升。将浸泡的Ca3Al 2 (SiO4) 2(：14粉体从模拟体液中取出，用去离子水、 乙醇清洗表面，然后在70°C下干燥4小时，用SEM观察表面形貌的变化。
[0019] 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Ca 3A12 (Si04) 2 [F4_XC1X]，其 中 0 < X < 4。
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A1 3+的化合物、含硅离子Si 4+的化合物、含氟 离子r的化合物、含氯离子Cr的化合物为原料，按化学式Ca 3A12 (Si04) 2 [F4_XC1X]中对应元 素的化学计量比称取各原料，其中0 < x < 4,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两次，预煅烧温度为300?700°C，预煅烧时 间为1?16小时，每次预煅烧后待原料自然冷却至室温，取出样品，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?1000°C，煅烧时间 为1?16小时，自然冷却后，研磨混合均匀后即得到粉末状生物材料；或将步骤（2)得到的 粉末在8Mpa?lOMpa的条件下干压成型，再在700?900°C的烧结温度下烧结2?15小 时，得到块状生物材料。
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 的含有钙离子Ca2+的化合物为氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙、草酸钙中的一种；所述的含有铝 离子Al3+的化合物为氧化铝、氢氧化铝中的一种；所述的含有硅离子Si 4+的化合物为二氧 化硅；所述的含有氟离子F的化合物为氟化钙；所述的含有氯离子Cl_的化合物为氯化钙。
4. 根据权利要求2或3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350°C?650°C，预煅烧时间为2?15小时；步骤（3)制备粉 末状生物材料的煅烧温度为700?950°C，煅烧时间为2?15小时。
5. 根据权利要求2或3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（3)制备块状生物材料的烧结温度为800?900°C，烧结时间为2?10小时。
【文档编号】A61K6/027GK104495862SQ201410685044
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】乔学斌, 章健, 唐定远 申请人:江苏师范大学