专利名称：用于硬组织修复的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及生物活性材料及其制备技术，特别是涉及一种用于硬组织修复的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷及其制备方法，属于生物医学工程领域。
背景技术：
用于硬组织修复的生物活性材料是指植入体内后与骨组织通过形成类骨磷灰石界面层实现化学结合的材料。目前广泛用于硬组织修复的生物活性材料包括羟基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃、表面改性的生物活性金属等。这些生物活性材料植入骨内，通过在材料与骨组织的界面上形成类骨磷灰石界面层实现生物活性的化学结合。然而所述生物活性材料面临的主要问题是植入体内后因为植入材料的降解或者磨损产生的微粒在植入部位可能导致感染的发生；同时所用材料其成本高，其中羟基磷灰石的市场售价至少在5000元人民币/公斤以上；生物活性玻璃和生物活性金属的成本更高，因而限制了低收入患者的使用。为了提高更广大低收入患者阶层人士的生活质量，必须开发相对廉价的、同时性价比高的用于硬组织修复的生物活性材料。
目前，经发明人研究开发出用于硬组织修复的生物活性氧化钛陶瓷及其制备方法，已获得中国专利权，专利号ZL200310104134.X，该方法制备的生物活性氧化钛陶瓷具有微观贯通性孔隙，其生物活性氧化钛陶瓷的晶粒尺寸介于0.1～1微米之间，晶粒之间微孔尺寸0.1～3微米；由于上述发明提供的生物活性氧化钛陶瓷虽然具有微观贯通性孔隙，但在宏观上不存在贯通性孔隙，那么骨组织无法长入材料内部，只能在植入材料表面与骨组织形成生物活性结合。为使骨组织能够长入材料内部，达到更好的修复硬组织的效果，需要同时赋予生物活性材料以宏观贯通性孔隙。因此，发明人经不断探索研究，希望能获得一种既具有抗感染能力的、又同时具有宏观贯通性孔隙和微观贯通性孔隙的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷，这正是本发明的任务所在。
发明内容
本发明的目的是针对所述现有生物活性氧化钛陶瓷所存在的不足，提供一种既具有微观贯通性孔隙、同时还具有宏观贯通性孔隙、为硬组织修复、并在体内或体外生理环境下吸附钙磷离子、在孔隙表面形成类骨磷灰石层、与长入宏观孔隙的骨组织形成生物活性化学结合的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷；以及提供该多孔纳米氧化钛陶瓷的制备方法。该方法工艺简单，操作方便；所制备的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷材料不仅具有抗感染能力，还具有能让骨组织长入材料内部的宏观贯通性孔隙，骨组织长入材料内部形成相互交叉的形态结合，且骨组织与材料在界面上形成生物活性化学结合，提供了更好、更实用的修复硬组织的多孔纳米氧化钛陶瓷的生物活性材料。
本发明的目的通过由以下措施构成的技术方案来实现的。
本发明用于修复硬组织的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷的制备方法，以满足生物医用要求的纳米氧化钛粉金红石粉，或锐钛矿粉，或它们两者的复合粉为原料，加入晶粒生长抑制剂得粉料，按照本发明，在粉料中加入粘合剂，再加入发泡剂，经过以下工艺步骤制得既具有微观贯通性孔隙，还具有100～500微米的宏观贯通性孔隙的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷(1)在容器中加入纳米氧化钛粉和质量百分比为0.01～10％的晶粒生长抑制剂得粉料，将粉料搅拌均匀，将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入上述水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液；(2)将均匀搅拌的粉料和双氧水发泡溶液按体积比1∶3～6比例充分混合后，在10～60℃温度下发泡、然后烘干成型；(3)将成型后的坯体放入马弗炉中焙烧，并以1～50℃/分的升温速率升至保温温度，保温温度为600～1200℃，在保温温度下保温1～5小时，随炉冷却至室温，即制得具有生物活性的用于硬组织修复的纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷块。
本发明的制备方法中，所说晶粒生长抑制剂选自羟基磷灰石，或氧化镁，或氧化铝，或焦磷酸钙。
在一个优选的实施方案中，本发明以金红石纳米氧化钛粉为原料时，原料中加入质量百分比0.01～10％的羟基磷灰石为晶粒生长抑制剂，获得粉料，将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液，再按上述第(2)步和第(3)步工艺步骤制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
在又一个优选的实施方案中，本发明以锐钛矿纳米氧化钛粉为原料时，原料中加入质量百分比0.01～10％的氧化铝为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液，再按上述第(2)步和第(3)步工艺步骤制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
在另一个优选的实施方案中，本发明以金红石和锐钛矿混合纳米氧化钛粉为原料时，加入质量百分比0.01～10％的焦磷酸钙为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液，再按上述第(2)步和第(3)步工艺步骤制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
本发明上述任一所述的制备方法制得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷，该陶瓷内存在有能让骨组织长入材料内部的100～500微米的宏观贯通性孔隙，陶瓷的晶粒尺寸介于0.1～0.3微米之间，在晶粒之间含有为类骨磷灰石生成提供晶粒成核点以及为新骨生长提供营养通路的0.1～3微米大小的微观贯通性孔隙。
本发明所制备的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷由于同时具有宏观贯通性孔隙和微观贯通性孔隙，因此，不仅使骨组织长入材料内部形成相互交叉的形态结合，而且骨组织与材料在界面上形成生物活性化学结合，达到更好的修复硬组织的效果。
本发明与现有技术相比具有如下特点1、本发明制备的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷具有100～500微米的宏观贯通性孔隙，这不仅在植入材料表面与骨组织形成生物活性结合，而还为骨组织长入材料内部提供通路，从而实现缺损组织的更好修复。
2、本发明制备的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷为具有纳米晶粒的多孔陶瓷块，多孔陶瓷块在体内或体外生理环境下吸附钙磷离子，在宏观孔隙表面形成类骨磷灰石层，从而与长入宏观孔隙的骨组织形成生物活性的化学结合。
3、本发明制备的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷能够满足更广大患者的使用需求。
四
图1本发明生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷宏观贯通性孔隙结构示意2本发明生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷微观贯通性孔隙结构示意图附图中，1为宏观贯通性孔隙，2为晶粒，3为微观贯通性孔隙。
五具体实施例方式
下面通过具体的实施例对本发明进行更具体的说明，但它仅用于说明本发明的一些具体实施方式
，而不应理解为对本发明保护范围的限定。
实施例中，所用纳米氧化钛粉原料为金红石粉、锐钛矿粉或者它们两者的复合粉。所用原料粒径介于1～100纳米之间。纳米氧化钛粉中金属杂质元素总量小于50mg/kg，砷元素含量小于3mg/kg，镉元素含量小于5mg/kg，汞元素含量小于5mg/kg，铅元素含量小于30mg/kg。
实施例1
在容器中放入金红石纳米氧化钛粉，加入质量百分比1％的晶粒生长抑制剂羟基磷灰石，获得粉料，并将粉料搅拌均匀；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含4％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入上述水溶液中获得含2％双氧水的发泡溶液；然后将粉料与发泡溶液以体积比1∶4比例充分混合后，在烘箱中40℃温度下发泡、烘干成型后，放入马弗炉中烧结，并以50℃/分的升温速率升至保温温度，此时保温温度为1200℃，在保温温度下保温4小时后，随炉冷却至室温，即制得生物活性的具有纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷块。本实例所获得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷块中，具有平均孔径200微米的宏观贯通性孔隙(1)，其晶粒(2)尺寸小于200纳米，并且在晶粒之间有500纳米的微观贯通性孔隙(3)。其结构的扫描电镜图见图1和图2。图1为放大50倍的宏观贯通性孔隙的结构图，图2为放大30000倍的微观贯通性孔隙的结构图。其200微米的宏观贯通性孔隙(1)为骨组织长入材料内部提供通路，同时500纳米的微观贯通性孔隙(3)为骨组织的生长和存活提供营养通路。
实施例2在容器中放入锐钛矿纳米氧化钛粉，加入质量百分比5％的氧化铝为晶粒生长抑制剂，获得粉料，并将粉料搅拌均匀；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含8％双氧水的发泡溶液；然后将粉料与发泡溶液以体积比1∶6的比例充分混合后，在烘箱中60℃下发泡、烘干成型后，放入马弗炉中烧结，并以50℃/分的升温速率升至保温温度，此时保温温度为600℃。在保温温度下保温3小时后，随炉冷却至室温，即获得生物活性的具有纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷块。本实例所获得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷块中，具有平均孔径400微米的宏观贯通性孔隙，其晶粒尺寸小于100纳米，并且在晶粒之间有1500纳米的微观贯通性孔隙。宏观贯通性孔隙为骨组织长入材料内部提供通路，同时微观贯通性孔隙为骨组织的生长和存活提供营养通路。
实施例3在容器中放入金红石和锐钛矿的混合纳米氧化钛粉，加入质量百分比1％的焦磷酸钙为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得1％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1％双氧水的发泡溶液；然后将粉料与发泡溶液以体积比1∶3的比例充分混合后，在烘箱中30℃下发泡、烘干成型后，放入马弗炉中烧结，并以50℃/分的升温速率升至保温温度，此时保温温度为1000℃；在保温温度下保温2小时后，随炉冷却至室温，即获得生物活性的具有纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷块。本实例所获得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷块中，具有平均孔径100微米的宏观贯通性孔隙，其晶粒尺寸小于300纳米，并且在晶粒之间有500纳米的微观贯通性孔隙。宏观贯通性孔隙为骨组织长入材料内部提供通路，同时微观贯通性孔隙为骨组织的生长和存活提供营养通路。
实施例4在容器中放入金红石纳米氧化钛粉，加入质量百分比8％的氧化镁为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得5％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含5％双氧水的发泡溶液；然后将粉料与发泡溶液以体积比1∶5比例充分混合后，在烘箱中50℃下发泡、烘干成型后，放入马弗炉中烧结，以50℃/分的升温速率升至保温温度，此时保温温度为800℃；在保温温度下保温5小时后，随炉冷却至室温，即制得生物活性的具有纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷。所获得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷中，具有平均孔径300微米的宏观贯通性孔隙，其晶粒尺寸小于200纳米，并且在晶粒之间有700纳米的微观贯通性孔隙。宏观贯通性孔隙为骨组织长入材料内部提供通路，同时微观贯通性孔隙为骨组织的生长和存活提供营养通路。
实施例2-4获得的多孔纳米氧化钛陶瓷具有与图1和图2所示的相似的结构。
本发明提供的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷的宏观贯通性孔隙克服了植入材料只是表面与骨组织形成生物活性结合的缺陷，而为骨组织长入材料内部提供更好的通路；同时多孔纳米氧化钛陶瓷的微观贯通性孔隙为骨组织的生长和存活提供营养通路。将本发明的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷植入人或动物的牙或骨缺损腔内，骨组织在1个月内能很好的长入材料内部，材料不仅与骨组织形成相互交叉的形态结合，在界面上还形成生物活性结合，达到更好的修复硬组织的积极效果。
权利要求
1.一种用于硬组织修复的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷的制备方法，以满足生物医用要求的纳米氧化钛粉金红石粉，或锐钛矿粉，或它们两者的复合粉为原料，加入晶粒生长抑制剂得粉料，其特征是在粉料中加入粘合剂，再加入发泡剂，经过以下工艺步骤制得具有宏观孔隙100～500微米的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷(1)在容器中加入纳米氧化钛粉和质量百分比为0.01～10％的晶粒生长抑制剂得粉料，将粉料搅拌均匀，将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液；(2)将均匀搅拌的粉料与配制好的双氧水发泡溶液按体积比1∶3～6比例充分混合后，于10～60℃温度下发泡、然后烘干成型；(3)将成型后的坯体放入马弗炉中焙烧，并以1～50℃/分的升温速率升至保温温度，保温温度为600～1200℃，在保温温度下保温1～5小时，随炉冷却至室温，即制得既具有宏观贯通性孔隙，又具有微观贯通性孔隙的生物活性纳米结晶的多孔纳米氧化钛陶瓷块。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是所说的晶粒生长抑制剂选自羟基磷灰石，或氧化镁，或氧化铝，或焦磷酸钙。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是以金红石纳米氧化钛粉为原料时，原料中加入质量百分比0.01～10％的羟基磷灰石为晶粒生长抑制剂，获得粉料，将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％的双氧水发泡溶液，按照权利要求1中所述第(2)步和第(3)步制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是以锐钛矿纳米氧化钛粉为原料时，原料中加入质量百分比0.01～10％的氧化铝为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％双氧水的发泡溶液，按照权利要求1中所述第(2)步和第(3)步制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是以锐钛矿和金红石混合纳米氧化钛为原料时，原料中加入质量百分比0.01～10％的焦磷酸钙为晶粒生长抑制剂，获得粉料；将粘合剂聚乙烯醇溶解于去离子水中获得含1～8％的水溶液，再将发泡剂双氧水加入水溶液中获得含1～10％双氧水的发泡溶液，按照权利要求1中所述第(2)步和第(3)步制得多孔纳米氧化钛陶瓷块。
6.上述权利要求1-5中任一所述的制备方法制得的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷块，该陶瓷块内存在有让骨组织长入材料内部的100～500微米的宏观贯通性孔隙(1)，陶瓷块的晶粒(2)尺寸介于0.1～0.3微米之间，在其晶粒之间含有为类骨磷灰石生成提供晶粒成核点以及为新骨生长提供营养通路的0.1～3微米大小的微观贯通性孔隙(3)。
全文摘要
本发明是用于硬组织修复的生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷及其制备方法。该方法以纳米氧化钛粉为原料，加入晶粒生长抑制剂，再加入粘合剂和发泡剂，经发泡、干燥、成型和烧结等工艺，制得具有生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷；该方法制备的陶瓷内存在有让骨组织长入材料内部的宏观贯通性孔隙，晶粒之间含有为类骨磷灰石生成提供晶粒成核点及为新骨生长提供营养通路的微观贯通性孔隙。本发明生物活性多孔纳米氧化钛陶瓷不仅使骨组织长入材料内部形成相互交叉的形态结合，且骨组织与材料在界面上形成生物活性化学结合；该陶瓷植入人的牙或骨缺损一个月内能与骨组织形成生物活性结合，无感染，安全可靠，且价格低。
文档编号C04B38/02GK1830894SQ20061002065
公开日2006年9月13日 申请日期2006年4月5日 优先权日2006年4月5日
发明者杨帮成, 李振声, 黄毅, 甘露, 屈阳, 顾忠伟, 张兴栋 申请人:四川大学