专利名称：原位化学沉淀法制备硅酸钙/β－磷酸三钙复合粉体的方法
技术领域：
本发明涉及一种原位化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，属生物医用材料领域。
背景技术：
无机生物医用硬组织修复和替换材料方面主要有钙-磷基生物材料和钙-硅基生物材料。其中钙-磷基生物材料研究已经有很长的历史。过去的研究发现在钙-磷基材料中羟基磷灰石具有较好的生物活性，但降解性差，而β-磷酸三钙类生物材料降解性较好但生物活性低。近年来钙-硅基生物材料如生物活性玻璃和硅酸钙类材料则由于其优良的生物活性和降解性而越来越受到重视。除了材料的组成之外，材料的结构、复合材料的微观结构、复合方式和复合均匀性也很大程度上影响材料的强度、生物活性，从而直接影响到材料的临床应用。
20世纪80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21536)研究出的A-W玻璃是一种在玻璃相中析出磷灰石和硅酸钙两种晶相的玻璃陶瓷。该材料具有较好的机械力学性能和生物活性但不能降解。Kokubo等人的研究也证实，在模拟体液中CaO-SiO2基玻璃表面能形成类骨羟基磷灰石层，而CaO-P2O5基玻璃表面没有类骨羟基磷灰石形成。Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，5230)首次制备了致密的硅酸钙生物陶瓷，并发现在模拟体液中硅酸钙陶瓷表面类骨羟基磷灰石的形成速度非常快，具有非常好的生物活性。本申请的发明专利人的先前研究也表明硅酸钙生物材料具有良好的生物活性、可降解性和力学强度，并可以制成适合于组织损伤修复用的多孔硅酸钙生物陶瓷(中国专利申请号02137248.9)。类骨羟基磷灰石的形成有利于促进生物材料的骨传导和骨再生，并促进材料同软/硬组织形成紧密的化学键合作用。此外，硅酸钙组分在降解过程中释放出的硅离子还可以激活细胞、并刺激骨细胞增殖和分化的基因表达作用。然而，单相陶瓷的降解性是一定的，并与组织再生的速度不匹配。在许多情况下无法满足组织损伤修复的要求。通过降解性不同的生物材料的组合则可以根据要求调控材料的降解性。因此通过β-磷酸三钙和硅酸钙的复合，有可能制备出生物活性和降解性等综合性能良好的新型复合生物陶瓷材料，从而制备出性能更理想的硬组织修复和组织工程支架材料。例如，西班牙圣地亚哥大学的P.N.de Aza(Biomaterials，1997，181285)将硅酸钙和磷酸三钙混合并置于白金坩埚中2h加热到1500℃，得到均匀的液相，然后以3℃/min的速度降至1410℃，再以0.5℃/h的速度降至1390℃。由此制备出含有硅酸钙和磷酸三钙共熔体结构的复合生物陶瓷材料。该材料在模拟体液和人体唾液浸泡实验中具有很好的类骨羟基磷灰石形成能力。但是，这种方法有如下缺点陶瓷的烧结过程中由于温度较高(1390-1500℃)，时间较长(大于40小时)，所以制备过程能耗大、成本高。同时，由于材料在1390-1500℃的高温下煅烧，导致其中的β-磷酸三钙成分不可避免地全部转化为α-磷酸三钙，而α-磷酸三钙由于其降解速度过快，从而在临床应用中受到限制。黄翔等人(中国专利号ZL 02110847.1)用化学方法制备出硅酸钙/磷酸三钙复合粉体，其采取的工艺路线是先制备出β-磷酸三钙粉体，然后将β-磷酸三钙粉体分散于含钙离子的水溶液中，形成悬浮液，之后在搅拌下将含硅的水溶液加入到上述悬浮液中，生成硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的前驱物，最后洗涤、烘干、煅烧后得到硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。之后，将制备得到的复合粉体干压并等静压成型后于1300-1400℃下煅烧制得硅酸钙/磷酸三钙复合的生物活性陶瓷材料。这种制备粉体的方法同样如下的缺点第一，在制备复合粉体之前，需要先制备分散性良好的β-磷酸三钙粉体，否则将导致制备得到的复合粉体混合不均匀，并影响陶瓷烧结体的力学强度；第二，制备β-磷酸三钙粉体也需要经过沉淀、陈化、多次充分洗涤和过滤、干燥等工艺，之后在β-磷酸三钙粉体的悬浮液中沉淀生成硅酸钙粉体后还要再次进行相同的沉淀、陈化、多次充分洗涤和过滤、干燥等工艺；第三，由于是在β-磷酸三钙粉体的悬浮液中沉淀生成硅酸钙粉体，同时与悬浮液中的β-磷酸三钙粉体形成复合，由于在常规的搅拌工艺条件下，也将进一步导致β-磷酸三钙和硅酸钙两种成分不能均匀复合的缺点，从而进一步影响陶瓷烧结体的力学强度；第四，在制备复合陶瓷时，在1300-1400℃下进行烧结，这种烧结温度远大于硅酸钙和β-磷酸三钙的烧结温度，并不可避免地导致其中的β-磷酸三钙成分的物相全部转化为α-磷酸三钙物相，正如上面已经描述的α-磷酸三钙过快的降解速度也限制了该类材料在临床中的应用；第五，由于粉体的复合程度不均匀、烧结活性不好、烧结过程中温度过高导致的相变等原因，导致制备得到的复合陶瓷的力学强度不好，影响了更广泛的临床应用，特别是在力学承载要求较高的场合下受到限制。因此，该发明工艺具有工艺流程长、费时、能耗高、制备得到的粉体的复合程度不够均匀、复合粉体的烧结活性低，以及物相转变和制备得到的陶瓷烧结体力学强度低等缺点。此外，复合陶瓷粉体的常规的一种制备方法是先制备出各种单一组成的陶瓷粉体；之后，按设计比例将不同的粉体混合并应用机械球磨的方法进行混料，从而制备出复合陶瓷粉体。这种机械球磨混料的方法虽然工艺简单，但致命缺点是首先，要制备出不同的单一陶瓷粉体，每种单一的陶瓷粉体的制备过程都需要复杂、繁琐的洗涤、过滤、干燥、煅烧等工艺；其次应用机械球磨混料法必须引入球磨介质，通常的球磨介质是氧化铝或氧化锆等物质，因此球磨混料过程中极易引入作为球磨介质的杂质，而生物材料领域对材料的纯度要求又非常高，所以，球磨混合工艺是一种非理想的制备生物材料的工艺技术。此外，陶瓷复合粉体的各种成分是否均匀复合，以及复合粉体的颗粒尺寸大小都是影响陶瓷复合粉体的烧结性能、以及烧结体的力学强度和其他理化性能的重要因素。
因此，开发一种工艺简单、成本低廉的方法制备均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体，并且可以容易地调控材料的复合比例、同时改善粉体的烧结行为和力学性能的工艺技术具有非常重要的意义。从而构思出本发明的目的，以克服上面所述的文献和专利文献报道的方法以及常规通用的机械球磨混料法的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位化学沉淀法制备硅酸钙/磷酸三钙复合粉体的方法，所提供的方法是采用原位化学一步沉淀法，制备得到复合比例可控的且复合均匀的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。所提供的制备方法可以根据实际需要，调节复合粉体中硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例，从而改变其生物活性、降解性和力学强度。通过调节材料中硅酸钙的含量，使得烧结制备得到的硅酸钙/β-磷酸三钙复合生物陶瓷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，以及降解速率和力学强度。
本发明以廉价易得的Na2SiO3、Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4为原料，采用原位化学一步沉淀法，在溶液中经过一步沉淀将硅酸钙和磷酸三钙同时沉淀出来，生成均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体即按一定的比例，分别配制成一定浓度和pH值的Ca(NO3)2溶液、澄清的Na2SiO3和(NH4)2HPO4混合溶液；然后，在搅拌条件下将Ca(NO3)2溶液滴加到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，生成白色沉淀物，将沉淀物过滤、洗涤、烘干后，于780-1000℃煅烧，即可得到均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。
本发明具体实施工艺步骤本发明专利发明了硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的原位化学一步沉淀法制备方法其特征在于采用原位化学沉淀法，它是在溶液中将硅酸钙(CaSiO3，CS)和β-磷酸三钙(β-Ca3(PO4)2，β-TCP)两种成分通过一步反应同时沉淀出来，达到两种成分的均匀复合，以制备硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体；本发明的特征在于以廉价易得的可溶于水的硅酸钠(Na2SiO3)为硅源原料、硝酸钙(Ca(NO3)2)为钙源原料、磷酸氢二铵((NH4)2HPO4)为磷源原料，以氨水、氢氧化钠或氢氧化钾等化学物质做反应体系的pH值调节试剂；本发明特征在于，按照硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的复合比例，预先配制一定浓度和pH值的Na2SiO3和(NH4)2HPO4的澄清混合溶液、Ca(NO3)2的澄清水溶液，然后在搅拌的条件下，将Ca(NO3)2的水溶液滴加到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，即可发生原位化学沉淀反应，并一步沉淀原位生成均匀复合的硅酸钙和β-磷酸三钙的白色前驱物沉淀物，将前驱物沉淀物陈化10-48小时；本发明特征在于，应用本发明提供的方法可以通过一步沉淀制备得到复合均匀的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体，两种成分的质量比可以控制在5∶95-95∶5之间；本发明特征在于所述的一定浓度的Ca(NO3)2溶液、Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中的Ca2+离子、SiO32-离子和PO43-离子的浓度范围为0.05-2.0摩尔/升，溶液的pH值调节并保持在10-12之间；溶液的pH值是应用氨水、氢氧化钠溶液或氢氧化钾等溶液进行调节的；本发明的特征在于，在反应物滴加过程中，应用浓氨水或去离子水稀释后的氨水溶液或氢氧化钠或氢氧化钾等水溶液调节并保持反应体系的pH值为10-12之间，反应物滴加完毕后，继续搅拌陈化10-48小时；本发明的特征在于，陈化后的前驱物沉淀物过滤去除溶液，用氨水调节的pH为10-12的去离子水洗涤沉淀物，抽干后，于60-150℃烘干；之后，于780-1000℃煅烧，即可得到均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体；本发明特征在于，应用本发明提供的方法可以通过一步沉淀原位制备得到复合粉体的颗粒尺寸为50纳米-2微米；按以上工艺步骤制备得到的复合粉体可以用于制备可降解生物活性硬组织缺损修复材料、体外组织培养载体材料等方面的制备。
本发明具有工艺简单、流程短、避免了不必要的对单一原料的多次洗涤、过滤、烘干等后处理程序。而且，制备得到的复合粉体的复合程度更均匀。此外，陶瓷粉体复合的均匀程度对粉体的烧结性能、烧结后的陶瓷材料的力学强度等性能都有很大的影响。不均匀的复合会大大影响材料的烧结活性和力学强度，从而进一步影响到材料的临床应用。应用专利文献(中国专利号ZL 02110847.1)报道的方法，或用机械球磨混料的方法都很难达到复合均匀的目的。而应用本发明专利提供的方法，可以制备得到复合均匀的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。
总之，本发明方法具有工艺简单、流程短，硅酸钙和β-磷酸三钙的复合比例可控、复合均匀、烧结活性好，成本低廉且易于推广的特点。
表1为应用本发明方法制备得到的复合比例为50∶50(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的复合粉体的化学成分(质量百分含量)。可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。说明，应用本发明提供的方法可以很好地设计并合成得到预设比例的硅酸钙/β-磷酸三钙的复合粉体。
应用本发明的方法制备得到的复合粉体同文献报道的方法对比的优点是制备工艺简单易行、成本低廉且便于推广；产物中，硅酸钙和β-磷酸三钙两种成分复合程度更均匀，制备得到的复合粉体具有更好的烧结活性应用本发明方法制备得到的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体可以用于制备可降解生物活性硬组织缺损修复材料、体外组织培养载体材料等方面的制备。
表1.
*括号内的数据为理论值。
附图的说明通过下面的结合附图对本发明所做的详细说明，可以更好地理解上文所述内容。其中，
图1为本发明专利的原位化学沉淀法制备硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的工艺流程图。
图2为应用本发明方法制备得到的复合比例为50∶50(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的复合粉体的扫描电镜图片。由图可见，该粉体的尺寸为50纳米-120纳米(图2A0.50mol/L溶液反应体系)、100纳米-2微米(图2B2.0mol/L溶液反应体系)。所用照片用扫描电镜(FESEM；JSE-6700F，JEOL，Japan)观测得到的。
图3为应用本发明方法制备得到的复合比例为50∶50(质量比)的硅酸钙/β-磷酸三钙的复合粉体的XRD图谱。由图可见，制备得到的粉体原料是由β-磷酸三钙和β-硅酸钙物相构成。
具体实施例方式
下面通过介绍本发明的实施例，以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明决非限于实施例。
实施例1取216.05克的Ca(NO3)2·4H2O溶于去离子水中配制成0.5mol/L的水溶液，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将122.50克的Na2SiO3·9H2O和42.60克的(NH4)2HPO4溶于去离子水中配制成0.5mol/L的水溶液，调节pH＝11。将上述的Ca(NO3)2溶液加入到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，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、洗涤得湿粉体，将湿粉体在80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在800℃煅烧2小时，即得到质量百分比为50∶50的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。制备得到的复合粉体的形貌如图2A所示、尺寸约80-100纳米；物相如图3所示，表明制备得到的化学成分全部是由硅酸钙和β-磷酸三钙组成的；化学组成(质量百分比)为CaO 51.12％、SiO225.67％、P2O522.81％，而理论值分别为CaO 51.23％、SiO225.86％、P2O522.90％，可见，制备得到的粉体的化学组成同理论值吻合得很好。
实施例2所用的原材料如上文所述。
取216.05克的Ca(NO3)2·4H2O溶于去离子水中配制成2.0mol/L的水溶液，并用1∶1的氨水调节到pH＝11，将122.50克的Na2SiO3·9H2O和42.60克的(NH4)2HPO4溶于去离子水中配制成2.0mol/L的水溶液，并用1∶1的氨水调节pH＝11。将上述的Ca(NO3)2溶液加入到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，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36小时，过滤、洗涤得湿粉体，将湿粉体在80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在1000℃煅烧2小时，即得到质量百分比为50∶50的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。粉体的形貌如图2B所示、颗粒尺寸约100纳米-2微米，物相和化学组成评价方法如实施例1。
实施例3所用的原材料如上文所述。
取226.04克的Ca(NO3)2·4H2O溶于去离子水中配制成0.5mol/L的水溶液，并用氢氧化钠水溶液调节到pH＝11，将24.50克的Na2SiO3·9H2O和76.68克的(NH4)2HPO4溶于去离子水中配制成0.5mol/L的水溶液，并用氢氧化钠水溶液调节到pH＝11。将上述的Ca(NO3)2溶液加入到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，加料过程用氢氧化钠水溶液保持反应体系的pH为11，加毕继续搅拌12小时，过滤、洗涤得湿粉体，将湿粉体在80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在800℃煅烧1小时，即得到质量百分比为10∶90的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。粉体的颗粒尺寸约50-120纳米、物相和化学组成评价方法如实施例1。
实施例4所用的原材料如上文所述。
取206.07克的Ca(NO3)2·4H2O溶于去离子水中配制成1.0mol/L的水溶液，并用1∶1的氨水调节到pH＝11.5，将220.50克的Na2SiO3·9H2O和8.52克的(NH4)2HPO4溶于去离子水中配制成2.0mol/L的水溶液，并用1∶1的氨水调节到pH＝11.5。将上述的Ca(NO3)2溶液加入到Na2SiO3和(NH4)2HPO4的混合溶液中，加料过程用1∶1的氨水溶液保持反应体系的pH为11.5，加毕继续搅拌24小时，过滤、洗涤得湿粉体，将湿粉体在80℃烘干12小时得到干粉体，将干粉体在800℃煅烧2小时，即得到质量百分比为10∶90的均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。粉体的颗粒尺寸约50-150纳米、物相和化学组成评价方法如实施例1。
权利要求
1.一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的制备方法，其特征在于采用原位化学沉淀法，是在溶液中将硅酸钙和β-磷酸三钙两种成分通过一步反应同时沉淀，而制成两种成分均匀复合的硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体，工艺过程是(a)以可溶于水的Ca(NO3)2、Na2SiO3和(NH4)2HPO4为原料，分别制成Ca2+、SiO32-和PO43-离子浓度范围为0.05-2.0摩尔/升的水溶液；调节并保持PH值为10-12之间；(b)按硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的复合比例将步骤(a)配制的Na2SiO3和(NH4)2HPO4水溶液先混合，然后在搅拌的条件下，将Ca(NO3)2的水溶液逐滴加到所述的混合溶液中，发生原位化学沉淀，一步沉淀原位生成均匀复合的硅酸钙和β-磷酸三钙的白色前驱体车沉淀物，继续搅拌陈化；在整个过程中PH值调节并保持至10-12；(c)陈化后的前驱体沉淀物过滤，并保持抽干后烘干，之后于780℃-1000℃煅烧而制成硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体。
2.按权利要求1所述的一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，其特征在于所述的复合粉体的颗粒尺寸为50纳米-2微米。
3.按权利要求1所述的一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，其特征在于步骤(a)和(b)中是用氨水、氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液调节PH值的。
4.按权利要求1所述的一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，其特征在于复合粉体中，硅酸钙和β-磷酸三钙的质量比范围为5∶95～95∶5。
5.按权利要求1所述的一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，其特征在于步骤(b)中生物白色前驱体沉淀物继续搅拌陈化时间为10-48小时。
6.按权利要求1所述的一种硅酸钙/β-磷酸三钙复合粉体的方法，其特征在于步骤(c)中抽干后烘干的温度为60-150℃。
全文摘要
本发明涉及原位化学沉淀法制备硅酸钙/β－磷酸三钙复合粉体的方法，属生物医用材料领域；其特征在于，采用硝酸钙、磷酸氢二氨和硅酸钠为原料；按复合比例配制澄清的磷酸氢二氨和硅酸钠混合水溶液、硝酸钙水溶液，调节溶液的pH值为10－12；于搅拌下将硝酸钙水溶液逐滴加入磷酸氢二氨和硅酸钠的混合水溶液中，发生原位化学沉淀反应，将硅酸钙和β－磷酸三钙两种成分经一步化学反应同时沉淀出来，达到两种成分的均匀复合，以制备硅酸钙/β－磷酸三钙复合粉体。采用此方法制备得到的硅酸钙/β－磷酸三钙复合粉体的晶粒尺寸可以按制备工艺控制在50纳米－2微米；本发明具有制备工艺简单易行、制备操作步骤少、成本低廉且便于推广等优点。
文档编号C04B35/447GK1800102SQ20051011136
公开日2006年7月12日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者常江, 林开利 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所