氟强化生物活性矿物粉体及其制备方法与应用与流程

本发明涉及口腔医疗领域，具体地说，涉及氟强化生物活性矿物粉体牙科治疗物。
背景技术：
：牙本质敏感症(DentinHypersensitivity,DH)为口腔常见病和多发病。根据流体动力学说，减少牙本质小管的直径，封闭牙本质小管的开口，以减少和避免牙本质内的液体流动，是治疗牙本质敏感的根本途径。目前关于抗牙本质敏感的治疗理念，正逐步向早期诊断及微创治疗方面转变，对牙本质小管的矿化修复治疗则很好地契合了这一发展趋势。在长期实践中，已经证明磷灰石生物活性材料及氟化物作为一种传统的再矿化防龋物质，也能够在封闭修复牙本质小管的缺损方面发挥良好的作用。牙本质小管缺损的修复过程，是利用口腔环境中过饱和的钙、磷酸根等矿物质离子，沉积在牙本质小管的开口表面，形成羟基磷灰石晶体而封堵管口的过程。作为一种有价值的抗牙本质敏感材料，除应具有良好的生物相容性而外，还需具有快速沉积钙磷离子形成致密的磷灰石晶体的能力。在人工骨修复材料的长期研究与应用中，人们发现材料的组分结构及降解特性对修复过程有着决定性的影响，如含羟基磷灰石及磷酸三钙的双相纳米陶瓷有优良的修复功能，氟离子、锶离子能促进磷灰石的沉积，硅凝胶能吸附钙离子及磷酸根离子，微环境的pH值影响钙离子及磷酸根离子的沉积。美国佛罗里达大学Hench于1971年开发成功45S5玻璃，其在普通的Na2O-CaO-SiO2玻璃系统中加入P2O5，使得材料在元素成分上与自然人体骨骼有所接近，这种材料由于P2O5的加入，增加了生物活性，能够与周围的骨组织结合在一起，在临床骨缺损的修复治疗中效果良好，在此基础上，开发了具有抗牙本质敏感功效的诺瓦敏(Novamin)材料。湖北顶盛科技发展有限公司与武汉大学在45S5玻璃的基础上添加了锶元素，联合申报了《锶强化生物活性玻璃，其制备方法及其在洁牙产品中的应用》(专利申请号200810197668.4)。以上两种生物活性玻璃的共同显著结构特征在于其为非晶态，即为玻璃相，其中并不含有磷灰石晶体或硅酸盐晶体等结晶相。理想的抗牙本质敏感、促进牙齿表面再矿化等药物或化学物质应该具备以下特点：对口腔软组织无刺激，对牙髓无刺激，在牙面或者修复体表面无色素沉着，使用方便，起效快，抗牙本质敏感效果明显且持久。生物活性玻璃及纳米磷灰石均为良好的人工骨修复材料，生物相容性好，有望成为抗牙本质敏感修复材料，但在修复机理方面存在差异。纳米磷灰石更接近于天然骨的矿物质成分，在矿物质沉积的生物化学反应过程中，纳米磷灰石微晶除可为新骨形成提供钙磷离子源外，更可以成为新生骨样磷灰石的晶核而加速磷灰石的沉积。由于牙本质小管直径在3～4微米，微细的粒子更有利于进入缺损部位，因而含纳米磷灰石的牙本质小管修复材料受到更大的关注。以SiO2为主要网络生成体的生物玻璃在水解过程中能形成SiO2凝胶薄膜，凝胶薄膜除能吸附钙磷离子外，由于它的离子通道狭窄也能阻拒钙磷离子的脱溶，从而加速缺损的修复。CN103449725A公开了一种生物活性玻璃陶瓷材料，该生物活性玻璃采用二氧化硅，碳酸钠，碳酸钙，五氧化二磷，硝酸锶和氟化钙通过高温合成，其合成温度为1400～1460℃。但其制备过程中的熔融温度较高，致使易挥发物五氧化二磷的损失较大，同时对设备的要求较高，生产成本较高，且生产过程中易发生安全性问题。技术实现要素：为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种新的氟强化生物活性矿物粉体及其制备方法与应用。为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：第一方面，本申请提供了一种氟强化生物活性矿物粉体，其特征在于，该矿物粉体成分构成体系为：SiO2-CaO-Na2O-P2O5-F，以重量百分比计，含有：SiO240～55％，CaO15～30％，Na2O15～30％，P2O52～12％，F0.01～6％。进一步地，其制备方法包括如下步骤：(1)采用二氧化硅、碳酸钠、碳酸钙、五氧化二磷和单氟磷酸钠为原料，将充分混合后置于坩埚中，于600～700℃熔化30min，再于700℃～800℃软化30min，最终于1000℃～1150℃熔融均化2h，得到矿物质熔体；(2)充分均化后，将矿物质熔体快速淬水冷却，100℃干燥3h，得到无定型态氟强化生物活性矿物粉体粗玻璃。进一步地，原料中各成分以重量份计：二氧化硅28～45份，碳酸钙25～40份，碳酸钠20～35份，五氧化二磷2～10份，单氟磷酸钠2～10份。作为优选，单氟磷酸钠和五氧化二磷的质量比为0.8～1.2:1。满足该条件时，矿物粉体中释放的钙、磷和氟离子能够更快更充分地沉积生成羟基磷灰石和氟磷灰石，更好地修复牙釉质。作为优选，将原料充分混合后置于坩埚中，于650℃熔化30min后，再于700℃软化30min，最终于1050℃熔融均化2h，得到矿物质熔体。通过在上述温度下进行阶段性反应，能够使原料中的成分具有较高的能量可以移动，同时不会由于温度太高形成新的其他晶体，尽可能保证粉体成分为无定型结构，保持较高活性。进一步地，所述制备方法还包括步骤(3)：将所述矿物粉体粗玻璃研磨至特定粒径范围，即可获得生物活性矿物粉体原材料。第二方面，本发明还提供了一种氟强化生物活性矿物粉体的制备方法，包括如下步骤：(1)采用二氧化硅、碳酸钠、碳酸钙、五氧化二磷和单氟磷酸钠为原料，将充分混合后置于坩埚中，于600～700℃熔化30min，再于700℃～800℃软化30min，最终于1000℃～1150℃熔融均化2h，得到矿物质熔体；(2)充分均化后，将矿物质熔体快速淬水冷却，100℃干燥3h，得到无定型态氟强化生物活性矿物粉体粗玻璃。进一步地，原料中各成分以重量份计：二氧化硅28～45份，碳酸钙25～40份，碳酸钠20～35份，五氧化二磷2～10份，单氟磷酸钠2～10份；其中，单氟磷酸钠和五氧化二磷的质量比为0.8～1.2:1。第三方面，本发明提供了所述矿物粉体在制备口腔治疗或护理用品中的应用。所述口腔治疗或护理用品中矿物粉体的重量百分比含量为2％～20％。本发明采用单氟磷酸钠作为氟元素的导入成分，并且控制所加入的单氟磷酸钠和五氧化二磷的质量比为0.8～1.2，相比现有技术，具有如下好处：1、本发明通过加入单氟磷酸钠制备的氟强化生物活性矿物粉体，在加工过程中采用物料的熔融温度(而不是熔化温度)，加工温度为1000～1150℃，大大降低了物料温度，在生产过程中有效优化生产环节，降低对设备的要求，提高生产过程安全性，并且有效降低生产成本。另外，在这种温度下混合物呈熔融的临界状态，没有充分熔化，分子运动相对较缓慢，通过水的骤冷作用，更容易形成具有更多中间态的无定型状态，从而表现出与水反应时更多地形成晶体状羟基磷灰石，具有更高的活性。更进一步地，通过采用较低的熔融温度，可以有效地减少易挥发物五氧化二磷的损失，从而更好地保证物料中钙、磷、氟成分符合预期设计的配比。本发明所提供的氟强化生物活性矿物粉体，通过TG-DSA联合检测的方法，检测出加入二氧化硅，碳酸钠，碳酸钙，五氧化二磷体系的玻璃化温度为600～650℃，软化温度为700～750℃，熔融温度为1000℃左右。加入单氟磷酸钠后，体系的玻璃化温度为620℃，软化温度为640℃，软，熔化温度为980℃左右。选择加工温度为1000℃～1150℃，此时为原料体系的熔化临界点，一方面原料中的成分具有较高的能量可以移动，同时不会由于温度太高形成新的其他晶体，尽可能保证粉体成分为无定型结构，保持较高活性。2、通过加入单氟磷酸钠，在高温过程中一方面会形成游离态氟，同时还会生成磷酸盐成分。在本发明所述氟强化生物活性矿物粉体与水反应过程中，磷酸盐成分首先在水中形成磷酸盐溶液，为羟基磷灰石的生成形成更好的环境(常规状态下生物活性矿物粉体在磷酸盐缓冲液中可以更快更好地形成羟基磷灰石，而这种粉体可以“自带”磷酸盐溶液，在普通环境中形成的晶体量不低于磷酸盐溶液)。3、本发明所述的氟强化生物活性矿物粉体的水合时间可以进一步缩短，通常情况下在60min左右可通过XRD观察到羟基磷灰石晶体，本发明所述粉体30分钟就可以形成更多的晶体，这其中有部分为氟化钙晶体，更快的表达活性，更好地满足人们日常较短的刷牙时间的习惯。附图说明图1为本发明实施例1的矿物粉体与水反应1h后的X射线衍射图。图2为本发明实施例1的矿物粉体原粉体的X射线衍射图。图3为本发明对比例1的矿物粉体原粉体的X射线衍射图。图4为本发明实施例1的矿物粉体原粉体扫描电镜图。图5为本发明实施例1的矿物粉体与水反应2h后的微观表面结构图。图6为本发明实施例2的矿物粉体与水反应2h后的微观表面结构图。具体实施方式下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1一种氟强化生物活性矿物粉体材料及其制备方法1、矿物粉体材料的组成为：成分质量百分比SiO240％CaO25％Na2O23％P2O57％F5％2、原材料计算：分别按如下比例称取各种原材料：成分质量百分比SiO230％CaCO325％Na2CO330％P2O57％单氟磷酸钠8％3、制备方法：将以上材料用混合设备充分混合。混合后放入坩埚设备，坩埚设备的升温过程中，在650℃保温30min，在700℃保温30min，最终在1050℃保温2h。充分均化后，将矿物质熔体投入纯净水中，快速淬水冷却，100℃干燥3h，从而得到无定型态氟强化生物活性矿物粉体粗玻璃。4、加工精制：将氟强化生物活性矿物粉体粗玻璃用研磨设备加工到特定粒径范围，即可获得生物活性矿物粉体原材料。实施例2一种氟强化生物活性矿物粉体材料及其制备方法本实施例与实施例1的区别在于：提高原料中单氟磷酸钠的用量为15％，降低原料中SiO2的用量为23％。按照实施例1所述方法制备后，所得矿物粉体材料的组成为：成分质量百分比SiO235％CaO25％Na2O23％P2O57％F10％实施例3一种氟强化生物活性矿物粉体材料及其制备方法本实施例与实施例1的区别在于：提高原料中单氟磷酸钠的用量为10％，降低原料中CaCO3的用量为20％。按照实施例1所述方法制备后，所得矿物粉体材料的组成为：成分质量百分比SiO240％CaO21％Na2O25％P2O57％F7％对比例11、原材料：成分质量百分比SiO230％CaCO325％Na2CO330％P2O57％氟化钙8％2、制备方法：将以上材料用混合设备充分混合。混合后放入坩埚设备，坩埚设备的升温至1500℃保温2h。充分熔化后，将矿物质熔体投入纯净水中，快速淬水冷却，100℃干燥3h，从而得到无定型态氟强化生物活性矿物粉体粗玻璃。4、加工精制：将上述粗玻璃用研磨设备加工到特定粒径范围，即可获得生物活性矿物粉体原材料。对比例21、原材料：同实施例1。2、制备方法：同对比例1。实验例1对实施例1～3及对比例1～2的矿物粉体通过X射线衍射进行结晶度检测，实施例1～3的结晶度都在2％以内，对比例1～2为3-4％之间，说明实施例具有更好的基准稳定态。其中，实施例1的矿物粉体原粉体的X射线衍射图见图2，从图2可以看出材料为无定形态，无明显结晶，通过计算较为尖锐的峰面积可计算出其结晶度约为1.5％。实施例1的矿物粉体原粉体扫描电镜图见图4，从图4可以看出原粉体微观表面光滑，结构明确，棱角清晰。分别将实施例1～3和对比例1～2的矿物粉体与水反应30min，40min，60min和120min，实施例1～3的结晶度均高于对比例，说明其反应活性较高。如果将其使用在口腔用于牙本质过敏症治疗，实施例1～3能在更短的时间内形成更多的羟基磷灰石等晶体，可以在有限地时间内更快地修复牙釉质封堵牙本质小管，更好地治疗牙齿敏感症。表1：实施例1-3组合对比例1-2组各粉体与水反应不同时间结晶度实验组别原粉体反应30min反应40min反应60min反应120min实施例11.5％7.6％9.7％12％19.5％实施例21.9％6.8％9.5％11.6％19.3％实施例31.8％7.0％9.5％11％18.5％对比例13.3％5.6％7.5％9.1％14.3％对比例23.8％5.5％7.8％9.5％16.5％其中，实施例1的矿物粉体与水反应1h后的X射线衍射图见图1，从图1可以看出，材料中出现大量羟基磷灰石、氟磷灰石和氟化钙的衍射峰，说明形成了大量的晶体成分，通过计算特征峰面积计算成分中的结晶度为19.5％。实施例1的矿物粉体与水反应2h后的微观表面结构见图5，其表面生长出了新的纳米级微晶，在粉体表面排列均匀有序。实施例2的矿物粉体与水反应2h后的微观表面结构见图6，其表面生长出了新的球形纳米级微晶，在粉体表面排列均匀有序。实验例2：粉体水溶液中游离氟含量测定采用氟离子选择电极测定各组粉体水溶液中的游离氟含量。称取2g粉体，精确至0.001。置于25ml烧杯中，逐渐加入去离子水搅拌，并转入100mL容量瓶中，加入去离子水至刻度摇匀。取10mL溶液通过离心分离上清液，测定游离氟含量。表2：实施例1-3与对比例1-2各组粉体游离氟含量检测通过上述检测可以看到，实施例1-3中的游离氟含量明显低于对比例1和对比例2的含量，如果作为生物材料应用到人体组织修复或者口腔应用时，则可以大大减少游离氟对组织体的副作用，可通过含量的调节更好地降低到人体可接受范围。虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。当前第1页1 2 3