专利名称：墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷的制作方法
技术领域：
本发明涉及医用材料领域，具体地说，是墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷及其制备 方法。
背景技术：
由于意外事故、创伤、战争或矫形手术所致的骨缺损需要进行骨移植。国内每年需 骨移植的病人逾三百万，另外，随着人口的老龄化，骨骼强度逐渐降低，发生骨折的几率逐 渐增大，需要骨移植的案例还在不断增加。自体骨移植是治疗骨缺损的金标准，但自体骨来 源有限，给患者增加了新的创伤，并且取骨区会有一定的并发症。目前替代自体骨移植的材 料主要是同种异体骨和人工替代骨。同种异体骨虽然具有成骨传导作用，但存在免疫原性 并可能传播病原体，或引发一些社会伦理问题。为了克服自体骨、同种异体骨移植存在的缺 陷，运用材料科学和生物医学技术，研究开发跟人体自然骨成分和结构接近的骨移植替代 材料，钙磷陶瓷成为当前人们关注的热点。目前理想的骨移植替代材料缺乏，国际国内医疗 市场上现有的产品，主要由欧美生产，价格昂贵。人体骨骼的主要的无机成分是钙磷陶瓷，其中羟基磷灰石(hydr0Xyapatite，HAP) 约占骨成分的84%，CaCO 10%，柠檬酸钙2%，其余为其它钙磷成分及钠、镁等离子。目前 钙磷陶瓷的研究主要集中在材料的互通多孔结构和高孔隙率及可降解性等方面，被应用于 药物的缓释控释载体、骨移植替代材料及骨组织工程支架。钙磷陶瓷对人体无毒副作用，无 致癌作用，具有良好的生物相容性和生物活性，其界面结合性能均优于各类医用钛、硅橡胶 及植骨用碳素材料，可以与骨形成牢固的结合。新骨可以从HAP植入体与原骨结合处沿着 植入体表面和内部贯通性孔隙攀附生长，能与组织在界面上形成化学键性结合。然而，HAP 具有人自然骨类似的晶相，与骨组织趋向化学和生物学平衡，在体内似乎是过于稳定而降 解过缓。β TCP钙磷陶瓷是另外一个研究较深入并在临床应用的主要材料，较HAP有更大的 溶解度和降解速度，但有些研究人员报道说，β TCP降解速度太快而不利于新骨的形成与结 合。CaC03、TTCP及NaCaPO4有较高的溶解度。Kangasniemi等提出NaCaPO4在体内有与HAP 同样的活性，但展现较高程度的溶解度，NaCaPO4有与TCP类似的降解特性但有更大的溶解 度。生物中如果含有CaCO3、TTCP、TCP、NaCaPO4等可改善陶瓷活性。据统计资料，新西兰临 床可获得的骨移植替代材料中含CaC03、TTCP, TCP、NaCaPO4, α -TCP、β -TCP的复合材料均 可降解，但这些骨替代材料均为合成材料，难以具备互通的微孔结构、足够大的孔径及高孔 隙率。常用的烧结及发泡法制备的人工合成材料的微孔多为不互通的独立气泡孔，泡壁阻 碍新骨长入材料中央。骨替代材料的理想孔隙率大于80%，理想的孔径200-400um，且要求 空道互通，这些有利于细胞迁移、增殖和分化，有利于营养的弥散和血管的侵入，有利于新 骨的合成与结合。而以牛骨烧结和珊瑚转化而来的HAP保持牛骨和珊瑚原有微孔结构及孔 隙率。墨鱼骨(Cuttlebone)是海洋生物墨鱼的舟状脊骨，中医又名海螵蛸，祖国医学中有 收敛止血、制酸止带等功效，主要化学成份为碳酸钙、磷酸钙，还有少许钠、镁等离子，具有 与其海洋漂浮习性相适应的精妙的三维网状结构，是已知比重最轻、漂浮性能最好的骨骼，具有人类骨相似的微量元素和极高的孔隙率，资源丰富，取材及加工方便。国内外有人利用 墨鱼骨转化形成HAP材料，认为墨鱼骨转化HAP材料保持了墨鱼骨的三维网状结构，但羟 基磷灰石(HAP)作为骨移植替代材料因其不能降解而存在明显缺陷。高温烧结墨鱼骨可致 墨鱼骨骨矿支架塌陷，李亚屏等用微波烧结的方法成功地制备了墨鱼骨骨矿支架，保持了 墨鱼骨精妙的三维微孔结构，孔隙率约85%，孔径135-500um，证实墨鱼骨孔隙率，孔径及微 孔互通性极佳，已于2009年9月21日申请中国专利，中国专利文献号CN 101934087A，发 明名称为一种碳化后的墨鱼骨在骨科中的应用，该发明公开了一种碳化后的墨鱼骨的新用 途，具体说，是一种碳化后的墨鱼骨，在制备治疗骨缺损、骨肿瘤及囊肿疾病医学材料中的 应用。但该发明仅对墨鱼骨做了碳化处理，得到的墨鱼骨骨矿支架的成分为碳酸钙，而没 有转化成骨活性公认良好钙磷陶瓷。总之，目前国内外没有对具有理想骨移植替代材料微 结构(极佳三维互通微孔结构、高孔隙率及理想孔径)的墨鱼骨进行充分的利用，因此，亟需 一种对具有理想骨移植替代材料微结构的墨鱼骨进行充分转化利用的方法，以制备具有理 想骨移植替代材料微结构，有类似人骨的骨盐成分，具有良好的生物相容性、生物活性及可 降解性的骨移植替代材料，但是关于这种墨鱼骨的转化方法及转化所得物质目前还未见报 道。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷。本发明的再一的目的是，提供墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷制备方法。本发明的另一的目的是，提供墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷的用途。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，所述 的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷采用墨鱼骨为主体材料(Host Materials制备而成。所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷采用以下步骤制备而成
(a)取墨鱼骨去壳内芯作为前体物，碳化其有机质，去除免疫源和微生物；
(b)将步骤(a)所得产物墨鱼骨骨盐支架与磷酸二氢铵进行水热反应，将墨鱼骨中的碳 酸根全部或部分置换成磷酸根，调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 :6，可产生墨鱼骨转 化多孔羟基磷灰石(HAP)；调节钙磷的摩尔比例为10 0. 3-10 5. 4，可产生墨鱼骨转化多孔 复相钙磷陶瓷HAP/CaC03 ；
(c)将步骤(b)所得多孔HAP进行高温烧结，可制成墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶瓷HAP/ TCP/TTCP，TCP/TTCP ；将步骤(b)所得多孔HAP加不同浓度NP液干燥后进行烧结，可制成墨 鱼骨转化多孔复相钙磷陶HAP/TCP，HAP/TCP/NaCaP04和TCP/NaCaP04 ；
(d)将步骤(c)所得的HAP/TCP/TTCP加在焦磷酸钠(NP液)进行烧结，可制成墨鱼骨转 化多孔复相生物陶瓷(HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 和 TCP/TTCP/NaCaP04)。所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷包括HAP/CaC03，HAP/TCP/TTCP, TCP/TTCP， HAP/TCP, HAP/TCP/NaCaP04, TCP/NaCaP04, HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 及 TCP/TTCP/NaCaP04。为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是一种墨鱼骨转化系列多孔生 物陶瓷的制备方法，包括以下步骤
(a)取墨鱼骨去壳内芯作为前体物，碳化其有机质，去除免疫源和微生物；
(b)将步骤(a)所得产物墨鱼骨骨盐支架与磷酸二氢铵进行水热反应，将墨鱼骨中的碳酸根全部或部分置换成磷酸根，调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 :6，可产生墨鱼骨转 化多孔HAP ；调节钙磷的摩尔比例为10 0. 3 -10 5. 4，可产生墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶 瓷 HAP/CaC03；
(c)将步骤(b)所得多孔HAP进行高温烧结，可制成墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶瓷HAP/ TCP/TTCP，TCP/TTCP ；将步骤(b)所得墨鱼骨转化多孔HAP加焦磷酸钠(NP液)干燥后进行 高温烧结，可制成多孔复相钙磷陶HAP/TCP，HAP/TCP/NaCaP04和TCP/NaCaP04 ；
(d)将步骤(c)所得的HAP/TCP/TTCP加在焦磷酸钠(NP液)进行烧结，可制成墨鱼骨转 化多孔复相生物陶瓷(HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 和 TCP/TTCP/NaCaP04)。为实现上述第三个目的，本发明采取的技术方案是墨鱼骨转化系列多孔生物陶 瓷在制备治疗骨缺损(创伤，感染，骨肿瘤及囊肿所致)医学材料中的应用。所述的医学材料是骨组织工程支架材料。所述的医学材料是骨移植替代物材料。所述的医学材料是药物缓释控释载体。本发明优点在于
1、以墨鱼骨为前体物转化的系列多孔生物陶瓷有类似人骨的骨盐成分，材料生物相容 性好，无免疫原性，消毒便利；
2、该系列生物多孔生物陶瓷保持墨鱼骨内芯原有的精妙三维互通微孔结构，有理想的 孔径和高孔隙率，能为细胞迁徙繁殖、营养的交换、血管的侵入提供通道及空间，新骨可迅 速借助该多孔支架修复整个骨缺损区；
3、可根据需要生产不同成分、不同成分质量比的多孔生物陶瓷来调节其生物降解速率 以匹配新骨的生成速度，为支架完全转换为成熟的活骨提供必要的条件，而其具有的三维 互通微孔结构，理想的孔径和高孔隙率，可加速这一过程；
4、原料来源广泛，产品塑形容易，生产工艺简单稳定，可降低产品成本，减少使用者负担。
附图1是本发明墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷的制备材料干燥墨鱼骨纯骨矿支 架显微结构示意图。附图2是本发明墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷微孔结构示意图。附图3是本发明墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷细胞生长电子显微扫描示意图。附图4是本发明墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷在体内降解示意图。
具体实施例方式下面结合表格和附图对本发明提供的具体实施方式
作详细说明。实施例1
一、制备多孔复相钙磷陶瓷的材料和方法 (一)材料和设备
材料及试剂墨鱼骨，磷酸二氢铵试剂(AP液)，焦磷酸钠试剂(NP液)，DMEM培养基，胰 蛋白酶，胎牛血清，其他试剂均为市售分析纯试剂。
设备微波炉，超净工作台，低温离心机，衬有聚四氟乙烯的不锈钢反应釜，扫描电 子显微镜，其他手术操作器械。(二)制备方法及结果
1、制备墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷前体物一墨鱼骨纯骨矿支架选择单个骨长约 25-35cm,宽约10cm，厚约3cm，体积280_350ml的墨鱼。清洗墨鱼骨，蒸馏水冲尽，干燥后保 存。除去其外壳后用不同直径的环锯等将墨鱼骨内芯截成高3mm、5mm、10mm、20mm、30mm等 规格圆柱体(平行或垂直于墨鱼骨的纵中轴面取材)，或用手锯及薄钢刀切成不同规格的长 方形骨条，用蒸馏水连续冲洗30分钟，甩干后再进行微波加热碳化，在微波时间为60min， 加热碳化墨鱼骨有机质，得到干燥墨鱼骨纯骨矿支架(主要成分为碳酸钙)，请参照图1，图 1是本发明墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷的制备材料干燥墨鱼骨纯骨矿支架显微结构示意 图。2、制备墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷
2.1将干燥墨鱼骨内芯纯骨矿支架浸泡于磷酸二氢铵溶液中，置于衬有聚四氟乙烯的 不锈钢反应釜中进行水热反应(HT)，反应温度为200°C (加热和冷却速率为5°C /min)。通过调节反应物干燥墨鱼骨内芯纯骨矿支架作为钙源与磷源(磷酸二氢铵等)溶 液的按不同钙磷摩尔比例进行水热反应，可得不同产物
(B调节水热反应中钙磷的摩尔比例为 ο :0. 3，反应时间为8小时，可产生羟基磷灰
石-碳酸钙(HAP/CaC03)复相陶瓷；②调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 2. 4，反应时
间为8小时，产生羟基磷灰石-碳酸钙(HAP/CaC03)复相陶瓷；③调节水热反应中钙磷的摩 尔比例为10 :3. 6，反应时间为8小时，所得产物也为羟基磷灰石-碳酸钙(HAP/CaC03)复相 陶瓷； 调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 4. 8，反应时间为8小时，可产生多孔复相
陶瓷(HAP/CaC03);i)调节水热反应中钙磷的摩尔比例为1 :5. 7，反应时间为8小时，产生多
孔复相陶瓷(HAP/CaC03);C|)调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 :6，反应时间为10小时，
所得产物为多孔羟基磷灰石(HAP)。产品均用双蒸水冲洗。反应式可表达为
IOCaCO3 + 6 (NH4)2HPO4 + 2H20 — Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 + 6 (NH4)2CO3 + 4H2C03 2. 2a将步骤2. 1所得的多孔HAP 1125_1450°C高温烧结分解，加热速率为10_30°C / min，达到所要烧结温度后维持30分钟-10小时，随炉冷却，产品均用双蒸水冲洗。可得到 不同质量比的HAP/TCP/TTCP和TCP/TTCP多孔复相陶瓷。反应式可表达为
Ca10(PO4)6(OH) 2 — 2Ca3 (PO4) 2+ Ca4P2O9+ H2O
2. 2b将步骤2. 1得到的HAP浸入在焦磷酸钠试剂(NP液0. 01-0. 08M)24小时，微波干 燥，在微波时间1小时。高温烧结(600-920°C )，加热速率为2. 50C /min，达到所要烧结温度后维持15分钟-5小时，急速冷却或随炉冷却。调节NP液浓度0. 01-0. 04M, HAP逐渐转 变为HAP/TCP，调节NP液浓度0. 05-0. 07M, HAP逐渐转变为HAP/TCP/NaCaP04，调节NP液浓 度0. 08M, HAP逐渐转变为TCP/NaCaP04。产品均用双蒸水冲洗。急速冷却时生成的TCP为 α -TCP,随炉冷却时生成的TCP为β -TCP。 反应式可表达为
3Ca10 (PO4) 6 (OH) 2+ 2Na4 P2O7 — 8Ca3 (PO4) 2+ 6NaCaP04+ Na2O+ 3H20 Ca10 (PO4) 6 (OH) 2+ 2NaCaP04 — 4 Ca3 (PO4) 2+ 2NaP03
2. 3将2. 2a所得的HAP/TCP/TTCP浸入在焦磷酸钠试剂(NP液，0. 01-0. 06M)中24小 时，微波干燥，在微波时间1小时。600-915°C高温烧结，加热速率为2. 50C /min，达到所要烧 结温度后维持15分钟-8小时，急速冷却或随炉冷却，HAP/TCP/TTCP逐渐转变为HAP/TCP/ TTCP/NaCaP04和TCP/TTCP/NaCaP04。产品均用双蒸水冲洗。急速冷却时新生成的TCP为 α -TCP,随炉冷却时新生成的TCP为β -TCP。 反应式表达同2. 2b。实施例2
一、墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷观察及检测 1、墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷结构观察
X线衍射(XRD)检测可初步证实水热反应及液高温烧结产品为系列多孔生物陶瓷。分 别取9个水热反应或高温烧结产品前后样本，临界点干燥，喷金。在扫描电子显微镜下观察 并拍照。主要观察系列多孔生物陶瓷的多孔结构，包括孔径和连通孔径的大小、孔隙率等。2、细胞毒性试验
根据国际标准ISO 10993-5，墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷进行体外细胞毒性检测。浸 提液的准备在37°C、5%C02条件下用无小牛血清的DMEM培养基浸提用环氧乙烷消毒后的 系列多孔生物陶瓷，浸提递质按Ig =IOmL比例配制。48h后以lOOOr/min离心5min，吸取上 清并过滤，即得100%浸提液。阴性对照液为高密度聚乙烯片浸提液，阳性对照液为1%、10%、 15%和25%的苯酚稀释液，见表1。苯酚原液浓度为6. 4mg/ml。表1不同浓度苯酚稀释液的配制
权利要求
1.一种墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的墨鱼骨转化系列多孔生物 陶瓷以墨鱼骨为主体材料(Host Materials)制备而成。
2.根据权利要求1所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的墨鱼骨 转化系列多孔生物陶瓷采用以下步骤制备而成(a)取墨鱼骨去壳内芯作为前体物(Precursor)，碳化其有机质，去除免疫源和微生物；(b)将步骤(a)所得产物墨鱼骨骨盐支架与磷酸二氢铵溶液(AP液)进行水热反应，将 墨鱼骨中的碳酸根部分或完全置换成磷酸根，调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 :6，可 产生墨鱼骨转化多孔羟基磷灰石HAP ；调节钙磷的摩尔比例为10 0. 6-10 5. 4，可产生多孔 复相钙磷陶瓷HAP/CaC03 ；(c)将步骤(b)所得墨鱼骨转化多孔HAP进行高温烧结，可制成墨鱼骨转化多孔复相 钙磷陶瓷HAP/TCP/TTCP，TCP/TTCP ；将步骤(b)所得HAP加焦磷酸钠(NP液)干燥后进行烧 结，可制成墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶HAP/TCP，HAP/TCP/NaCaP04和TCP/NaCaP04 ；(d)将步骤(c)所得的HAP/TCP/TTCP加NP液干燥后烧结，可制成墨鱼骨转化多孔生物 陶瓷 HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 和 TCP/TTCP/NaCaP04。
3.根据权利要求1或2所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的墨 鱼骨转化系列多孔生物陶瓷包括 HAP/CaC03，HAP/TCP/TTCP, TCP/TTCP, HAP/TCP, HAP/TCP/ NaCaPO4, TCP/NaCaP04, HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 和 TCP/TTCP/NaCaP04。
4.一种墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷制备方法，其特征在于，包括以下步骤(a)取墨鱼骨去壳内芯作为前体物，微波碳化其有机质，去除免疫源和微生物；(b)将步骤(a)所得产物墨鱼骨骨盐支架进行水热反应，将墨鱼骨中的碳酸根全部或部 分置换成磷酸根，调节水热反应中钙磷的摩尔比例为10 :6，可产生墨鱼骨转化多孔HAP ；调 节钙磷的摩尔比例为10 0. 6-1 :5，4，可产生墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶瓷HAP/CaC03 ；(c)将步骤(b)所得墨鱼骨转化多孔HAP进行高温烧结，可制成墨鱼骨转化多孔复相钙 磷陶瓷HAP/TCP/TTCP ,TCP/TTCP ；将步骤(b)所得墨鱼骨转化多孔HAP加NP液干燥后进行 烧结，可制成墨鱼骨转化多孔复相钙磷陶HAP/TCP，HAP/TCP/NaCaP04和TCP/NaCaP04 ；(d)将步骤(c)所得的HAP/TCP/TTCP加NP液干燥后进行烧结，可制成墨鱼骨转化多孔 复相生物陶瓷 HAP/TCP/TTCP/NaCaP04 和 TCP/TTCP/NaCaP04。
5.根据权利要求1-3任一所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的 墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷在骨科、整形外科、口腔外科等领域作为治疗骨缺损(创伤， 感染，骨肿瘤及囊肿所致)的医学材料中的应用。
6.根据权利要求5所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的医学材 料是骨组织工程支架材料。
7.根据权利要求5所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的医学材 料是骨移植替代物材料。
8.根据权利要求5所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷，其特征在于，所述的医学材 料是药物缓释控释载体。
全文摘要
本发明涉及墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷及其制备方法，所述的墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷采用墨鱼骨内芯为主体材料(HostMaterials)制备而成。本发明还提供了墨鱼骨转化系列多孔生物陶瓷的制备方法及用途。本发明优点在于以墨鱼骨内芯为前体物(Precursor)转化的系列多孔生物陶瓷有类似人骨的骨盐成分，具有良好生物相容性和生物活性，无免疫原性，消毒便利；具有理想骨移植替代材料微孔结构及可降解性，有利于新生骨组织侵入并能为完全的新骨组织替代提供必要的条件；原料来源广泛，产品塑形容易，生产工艺简单稳定，可降低产品成本，有效应用于骨科、整形外科、口腔外科及骨组织工程等领域，可减轻使用者经济负担。
文档编号C04B35/622GK102145193SQ201110093110
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者庄海梅, 彭兆祥, 李亚屏, 李星, 李桑, 汤亭亭, 汤华林, 董平, 许海平, 邴月 申请人:李亚屏