专利名称：具有均匀多孔结构氟化羟基磷灰石复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纳米材料技术领域的材质及方法，具体是一种适合骨组织的渗入生长、具有均匀的相互连接、尺寸在100-300微米之间的多孔结构的氟化羟基磷灰石复合材料的制备方法。
背景技术：
轻基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)是人体骨骼的基本无机成分，具有良好的生物相容性及生物活性。羟基磷灰石已经成为人体硬组织良好的生物修复和替代材料，研究新型和优良性能的羟基磷灰石也已经成为研究热点。但是单纯的羟基磷灰石稳定性较差，已经用实施方法将羟基磷灰石氟化，生成氟化磷灰石，增强了羟基磷灰石的稳定性。但是对于一般的人体骨的替换，需要形成骨结构来支撑人的机体，这就需要能够与人体软组织结合紧密的生物替代材料才能起到作用。合成具有多孔复合结构的生物替代材料成为了研究的重点。经过对现有技术的检索发现，王崧全等在《碳酸氢铵和聚乙烯醇复合造孔制备多孔陶瓷及其性能研究》中记载了 以羟基磷灰石(HA)为基体，采用添加NH4HC03晶粒并加热去除的方法制备多孔羟基磷灰石(HA)陶瓷，制备过程中同时加入一定量的生物玻璃来增加其强度，添加一定量的聚乙烯醇(PVA)来提高其结合性能和改善贯通性。对制备的多孔生物陶瓷试样进行硬度和抗压强度试验，讨论不同组分对其性能的影响规律，采用扫描电镜对多孔陶瓷试样的微观结构进行分析。结果表明，随着NH4HC03含量的增加，多孔生物陶瓷试样的孔隙率和硬度增加，抗压强度下降，孔径约为200-300 μ m ;随着PVA含量的增加，试样孔隙率增大，贯通性增强，孔道长度约为I 3mm，孔径在100 μ m以下；随着生物玻璃含量的增加，试样的体积收缩明显，微孔增多，但该技术以NH4HC03为主要的造孔剂，NH4HC03在低温下就比较容易分解，所以此技术中样品在烧结过程中，低温时大部分的NH4HC03很快分解产生气泡，使产生的气孔不均匀，并且对样品产生一定的应力，气体的不均匀性也使样品产生的多孔不均中国专利文献CN1903706，
公开日20070131，记载了一种“羟基磷灰石空心微球的制备方法”，该方法以四水硝酸钙和磷酸氢二铵为原料，采用湿法中的化学沉淀法，制备羟基磷灰石料浆；然后用蒸馏水将羟基磷灰石料浆稀释，并加入作为添加剂的碳酸氢铵，搅拌均匀后，进行喷雾干燥，结合后续热处理，得到由纳米晶粒组成的羟基磷灰石空心微球。利用本发明方法所得的产品，微球由纳米晶粒组成，粉体尺寸小，粒度均匀，比表面积大，空心率高，结晶度较低；不但具有优异的生物相容性、较好的球形度；而且，整个制备方法过程简单，成本较低。本发明所制得的羟基磷灰石空心微球，可望在可注射式药物缓释载体、骨缺损填充物以及分离和提纯等领域得到应用。但该技术不能应用于人体骨的块状修复和替换中，并且均匀相连的多孔结构为人体细胞组织生长的提供了通道和空间
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具有均匀多孔结构氟化羟基磷灰石复合材料的制备方法，采用了两步发泡法，NH4HCO3不是主要发泡剂，并且在低温缓慢烘干阶段发泡，产生的气孔较为均匀，在后续的高分子缓慢挥发阶段能够均匀相连的多孔；通过将氟化羟基磷灰石与PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)复合烧结成一种多孔结构，通过控制实施条件，得到尺寸均一的，相互连通的孔结构，当移植到人体中，可以使细胞在孔洞内生长，以此和人体组织形成紧密的结合。并且经过氟化过程，增强了材料的稳定性。多孔结构能够为纤维细胞和骨组织向其中生长提供孔道和生长空间，增大组织液与羟基磷灰石接触表面积，保持人体正常的代谢关系。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用碳酸氢铵和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为发泡剂，与通过溶胶凝胶法生成的氟化磷灰石进行两步发泡法，最终得到具有纳米级多孔结构的氟化磷灰石复合材料。所述方法具体步骤包括第一步、通过溶胶凝胶法生成氟化磷灰石Caltl(PO4)6(OH)2_2xF2x,将O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)Ug十二烷基硫酸钠(SDS)和O. Sg氟化磷灰石三种粉末置于25mL、直径约为3cm的模具中充分搅拌混合，以便让氟化磷灰石和PMMA充分混合形成均勻的孔结构；以PMMA为主发泡剂，形成微米级孔洞，加入了表面活性剂，充分连接有机相和无机相，使粉末混合更充分。由前期实施证明当X大于O. 5时，样品热稳定性增强，在高温烧结生成多孔材料时降低了磷灰石的热分解作用，因此优选氟化磷灰石为Caltl(PO4)6(OH)a8F1TCa10 (PO4) 6 (OH) ο. 6Fl 4 或 Ca10 (PO4) 6 (OH) . 4FL 6。所述的溶胶凝胶法是指i)将硝酸钙溶液、磷酸氢二铵分别用纯水配成O. 2mol/L的均匀溶液，用氨水分别将溶液的PH调节为11 ；ii)将氟化铵用纯水配成浓度为O. 2mL/L的均一溶液,用氨水调节pH值为11。iii)先将磷酸氢二铵溶液以O. 5mL/s的速度滴加入硝酸钙溶液中生成羟基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化铵溶液生成氟化磷灰石；反应过程中不断的搅拌并调节PH调节为11，搅拌过程持续5h。iv)将生成的溶液陈化24小时，倒掉上清液，对溶胶超声，离心，洗漆，重复三次，之后在80° C温度下烘干后在600° C-1120° C的温度范围内进行烧结实现。上述方法通过配置不同浓度的氟化铵溶液进行反应即可得到Ca10(PO4)6(OH)o.8Fi.2 Ca10(PO4)6(OH)Q.^1.4 或 Ca10(PO4)6(OH)Q.4FL6。第二步、将O. 2碳酸氢铵充分溶解I. 5mL纯水中形成均匀溶液并与滴加入第一步中的模具中，并用玻璃棒均匀搅拌，形成均匀的溶胶；这样做的目的是使得碳酸氢铵的发泡过程更加均匀，完全溶解均匀的碳酸氢铵不会突然产生大量气体，均匀的产生微孔，并且均匀混合的PMMA在烧结过程中均匀的挥发形成了均匀的多孔结构，适合骨组织的渗入生长。第三步、将溶胶在空气中放置至水分挥发形成接近固态的凝胶，之后将凝胶放在烘箱中，在70° C温度下放置5h，直至烘干，由碳酸氢铵分解生成的气泡使材料形成具有微孔的、内部相连的复合结构材料。第四步、将烘干的样品放在熔融炉中进行烧结，以10° C/min的加热速度加热，控制加热速度，使PMMA均匀缓慢的挥发以避免产生裂纹，使温度上升到600° C，并保持O. 5h，形成相互联结的多孔结构。并且以相同的速度冷却以避免产生裂纹。本发明通过上述方法制备得到的氟化磷灰石复合材料，具有适合人体细胞渗入生长和骨骼相互连接的均一的孔洞结构，孔洞的尺寸在100-300微米之间，并且在材料内部之间形成了孔洞相互连接的内部结构，能够增强细胞组织生长和组织液的渗入，使组织生长更致密牢固，促进骨骼的修复。本发明通过上述方法制备得到的氟化磷灰石复合材料，可用于制备人体骨组织块状修复材料。本发明不仅生成了高纯度的氟化羟基磷灰石，增强了热稳定性，又在发泡烧结阶段产生了多孔结构，为人体骨组织块状修复材料的应用提供了良好的参考。
图I为实施例2多孔氟化磷灰石复合材料的SM扫描图。如图可见，由0.8g Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.4FL 6、O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯、I g十二烷基硫酸钠三种粉充分混合所得到的样品。将O. 2g碳酸氢铵溶于I. 5mL的纯水中，之后注入混合粉末中，搅拌并烘干烧结，孔的尺寸在100-300微米之间。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例I使用的是用溶胶凝胶法生成的氟化磷灰石，再与聚甲基丙烯酸甲酯复合生成多孔复合材料，具体实施表征方法如下。O)制备 Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.8FL 2 i)将硝酸钙溶液、磷酸氢二铵分别用纯水配成O. 2mol/L的均匀溶液，用氨水分别将溶液的PH调节为11 ；ii)将氟化铵用纯水配成浓度为O. 2ml/L的均一溶液,用氨水调节pH值为11。iii)先将磷酸氢二铵溶液以O. 5mL/s的速度滴加入硝酸钙溶液中生成羟基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化铵溶液生成氟化磷灰石；反应过程中不断的搅拌并调节PH调节为11，搅拌过程持续5h。iv)将生成的溶液陈化24小时，倒掉上清液，对溶胶超声，离心，洗漆，重复三次，之后在80° C温度下烘干后在600° C-1120。C的温度范围内进行烧结得到Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.8F12。I)将0.8g Caltl(PO4)6(OH)a8F1TO. 3g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸钠三种粉末放在小烧杯中搅拌，使其充分混合。让PMMA产生的多孔结构更加均匀。2)将O. Ig碳酸氢铵溶于I. 5mL的纯水中，不断震荡使其完全溶解；先溶解均匀后再与粉末混合，发泡过程更加均匀，产生的微孔也均一。3)将得到凝胶在70°C温度下烘干，在材料的表面和内部形成了均匀的纳米尺寸的孔结构。
4)将烘干的材料在熔融炉中烧结，以10°C /min的速度加热到600°C度，控制加热速度，并在600°C温度下保持O. 5h，得到均匀的相互连接的多孔结构。通过扫面电子显微镜观察产物的形貌，本实施例制备形成了具有均匀的相互连接的多孔结构，孔的尺寸在100-150微米之间，样品的孔隙率较小。
实施例2使用的是用溶胶凝胶法生成的氟化磷灰石，再与聚甲基丙烯酸甲酯复合生成多孔复合材料，具体实施表征方法如下。I)将0.8g Caltl(PO4)6(OH)a6F1^O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸钠三种粉末放在小烧杯中搅拌，使其充分混合。让PMMA产生的多孔结构更加均匀。2)将O. 2g碳酸氢铵溶于I. 5mL的纯水中，不断震荡使其完全溶解；先溶解均匀后再与粉末混合，发泡过程更加均匀，产生的微孔也均一。3)将得到凝胶在70°C温度下烘干，在材料的表面和内部形成了均匀的纳米尺寸的孔结构。4)将烘干的材料在熔融炉中烧结，以10°C /min的速度加热到600°C度，控制加热速度，并在600°C温度下保持O. 5h，得到均匀的相互连接的多孔结构。通过扫面电子显微镜观察产物的形貌，如图I所示，本实施例形成了具有均匀的相互连接的多孔结构，孔的尺寸在100-300微米之间，样品孔隙率适中。
实施例3使用的是用溶胶凝胶法生成的氟化磷灰石，再与聚甲基丙烯酸甲酯复合生成多孔复合材料，具体实施表征方法如下。I)将O. 8g Ca10 (PO4)6 (OH) ο.4FL6,0. 8g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸钠三种粉末放在小烧杯中搅拌，使其充分混合。让PMMA产生的多孔结构更加均匀。2)将O. 3g碳酸氢铵溶于I. 5mL的纯水中，不断震荡使其完全溶解；先溶解均匀后再与粉末混合，发泡过程更加均匀，产生的微孔也均一。3)将得到凝胶在70°C温度下烘干，在材料的表面和内部形成了均匀的纳米尺寸的孔结构。4)将烘干的材料在熔融炉中烧结，以10°C /min的速度加热到600°C度，控制加热速度，并在600°C温度下保持O. 5h，得到均匀的相互连接的多孔结构。通过扫面电子显微镜观察产物的形貌，本实施例制备形成了具有均匀的相互连接的多孔结构，孔的尺寸在200-400微米之间，样品的孔隙率略大。
权利要求
1.一种具有均匀多孔结构氟化羟基磷灰石复合材料的制备方法，其特征在于，采用碳酸氢铵和聚甲基丙烯酸甲酯作为发泡剂，通过溶胶凝胶法生成具有纳米级多孔结构的氟化磷灰石复合材料；所述方法具体步骤包括第一步、通过溶胶凝胶法生成氟化磷灰石Caltl(PO4)6(OH)2_2xF2x，将聚甲基丙烯酸甲酯、十二烷基硫酸钠和氟化磷灰石三种粉末置于模具中充分搅拌混合，以便让氟化磷灰石和PMMA充分混合形成均匀的孔结构；第二步、将碳酸氢铵充分溶解于纯水中形成均匀溶液并与滴加入第一步中的模具中，并用玻璃棒均匀搅拌，形成均匀的溶胶；第三步、将溶胶在空气中放置至水分挥发形成接近固态的凝胶，之后将凝胶放在烘箱中烘干，由碳酸氢铵分解生成的气泡使材料形成具有微孔的、内部相连的复合结构材料。第四步、将烘干的样品放在熔融炉中进行烧结，以10° C/min的加热速度加热，控制加热速度，使PMMA均匀缓慢的挥发不产生裂纹；待温度上升到600° C保持O. 5h，形成相互联结的多孔结构，最后以相同的速度降温冷却以避免产生微裂纹。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的氟化磷灰石为Caltl(PO4)6(OH)a8F1TCa10 (PO4) 6 (OH) ο. 6Fl 4 或 Ca10 (PO4) 6 (OH) . 4FL 6。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征是，所述的溶胶凝胶法是指i)将硝酸钙溶液、磷酸氢二铵分别用纯水配成O. 2mol/L的均匀溶液,用氨水分别将溶液的PH调节为11 ； )将氟化铵用纯水配成浓度为O. 2mL/L的均一溶液,用氨水调节pH值为11 ；iii)先将磷酸氢二铵溶液以O.5mL/s的速度滴加入硝酸钙溶液中生成羟基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化铵溶液生成氟化磷灰石；反应过程中不断的搅拌并调节pH调节为11，搅拌过程持续5h;iv)将生成的溶液陈化24小时，倒掉上清液，对溶胶超声，离心，洗涤，重复三次，之后在80° C温度下烘干后在600° C-1120° C的温度范围内进行烧结实现。
4.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到的氟化磷灰石复合材料，其特征在于，具有适合人体细胞渗入生长和骨骼相互连接的均一的孔洞结构，孔洞的尺寸在100-300微米之间，并且在材料内部之间形成了孔洞相互连接的内部结构。
5.根据上述任一权利要求所述的氟化磷灰石复合材料的应用，其特征在于，用于制备人体骨组织块状修复材料。
全文摘要
一种具有均匀多孔结构氟化羟基磷灰石复合材料的制备方法，采用碳酸氢铵和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为发泡剂，与通过溶胶凝胶法生成的氟化磷灰石进行两步发泡法，最终得到具有纳米级多孔结构的氟化磷灰石复合材料。本发明通过控制实施条件，得到尺寸均一的，相互连通的孔结构，当移植到人体中，可以使细胞在孔洞内生长，以此和人体组织形成紧密的结合。并且经过氟化过程，增强了材料的稳定性。多孔结构能够为纤维细胞和骨组织向其中生长提供孔道和生长空间，增大组织液与羟基磷灰石接触表面积，保持人体正常的代谢关系。
文档编号C04B38/02GK102942358SQ20121047367
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者杨洪震, 饶群力 申请人:上海交通大学