CN1462638A

CN1462638A - 珊瑚羟基磷灰石人工骨的合成方法

Info

Publication number: CN1462638A
Application number: CN 03126907
Authority: CN
Inventors: 李兆麟; 李文; 薄遵昭; 尹庆水; 张余
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: CN1235645C

Abstract

本发明涉及一种骨科医疗用的珊瑚羟基磷灰石(CHA)人工骨的合成方法。用天然珊瑚作原材料，在高温高压条件下，在磷酸氢二铵+水热液体系进行热液交代作用，使原珊瑚化学成分CaCO₃转变成羟基磷灰石Ca₅(PO₄)₃(OH)类人骨成分，得到CHA合成人工骨。本方法所用压力和温度较低，容易操作控制，且设备成本较低；原材料来源广泛，价格便宜，可降低产品成本。本方法所得到的CHA人工骨保留原珊瑚孔隙结构，理化性质稳定，化学成分与人骨相似，CaO为47.91～64.45％，P₂O₅为24.86～52.09％，色白、具孔隙结构，孔隙率为24.86～65.71％，抗压强度高，不携带传染病菌，无毒无副作用，经动物实验及临床应用未发现毒性，无排斥反应，骨愈合良好，是一种良好的植骨材料，适合于临床应用。

Description

珊瑚羟基磷灰石人工骨的合成方法

技术领域

本发明涉及一种骨科医疗用的人工骨，特别是珊瑚羟基磷灰石(CHA)人工骨的合成方法。

背景技术

骨缺损是骨科中常见的问题，骨融合是骨科常用的手段，我国每年因各种工伤、车祸、意外事故导致粉碎性骨折或炎症引起骨坏死而截肢或切除至残者成千上万，合成人工骨移植可以修复患者受损肢体，免于残疾折磨，解除患者痛苦。制备理想的合成人工骨，这是骨科医学界急盼解决的重大问题。

骨组织工程学研究的热点及主要内容集中在几个方面：种子细胞、支架材料、生物活性因子。其中，支架材料是十分重要的部分，因它涉及骨融合及骨生长的重要植骨材料，各国学者均从不同领域进行探索替代骨的材料，有力推动了组织工程学的发展。目前理想支架材料要求：a)组织相容性；b)可降解性和降解速率可控性；c)无抗原作用；d)维持生长其上的细胞形态和表型并增进细胞的形态和表型，及增进细胞的粘附和生殖，诱导骨再生；e)有一定孔隙率；f)有一定的机械强度等。按照获得材料的过程，支架材料可分为天然类(异种骨、异体骨、天然矿物材料、胶原蛋白类、壳聚糖、纤维蛋白类)，人工合成类(生物陶瓷类——医用磷酸钙、磷酸钙/羟基磷灰石；生物高分子聚合类——PLA、PGA、POE、PHB)等不同类型，它们各有优缺点。

以材料科学为基础的骨组织工程学的发展，为矫形、骨科解决骨缺损、脊柱融合问题带来希望和美好前景。以往的单一种材料、一种因素的应用逐渐为复合材料、多因素的应用所代替，而支架材料研究是组织工程学的一个基本主要载体。对比目前国内外各种支架材料，研究表明各有优缺点，但以天然矿物材料为原料通过改造合成的人工骨是人体植骨材料中最理想的支架材料。它具有类似于人骨的色泽、微孔结构，化学成分相似，相容性好，成骨能力强，无毒无副作用等优点。

利用天然矿物材料珊瑚作为原材料改造合成羟基磷灰石(CHA)人工骨的研究曾有一些文献报道，但有关其具体制备工艺还未见有公开报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种以天然矿物材料珊瑚作为原材料改造合成羟基磷灰石(CHA)人工骨的方法，以制备出理想的合成人工骨，解决医疗植骨材料临床应用的需要。

本发明是利用矿物结构中产生类质同象交代作用，原子、离子、络离子在晶格中的相互替换而不破坏晶格构造称类质同象。在高温高压条件下，选用珊瑚作原料与磷酸氢二纳(NH₄)₂HPO₄+水(H₂O)体系进行交代反应，形成羟基磷灰石，并保留原材料孔隙结构；其化学反应式如下：

文石羟基磷灰石

本发明方法的具体步骤如下：

将天然珊瑚原材料加工成所需要形状的样品，将样品浸泡在去离子蒸馏水中，用超声波清洗仪清洗干净，然后与磷酸氢二铵水溶液一起在温度为100～450℃(优选180～250℃)，压力为100～500×10⁵Pa条件下反应240～480小时，得到CHA人工骨；将所合成得到的CHA人工骨浸泡在去离子蒸馏水中，用超声波清洗仪清洗干净，再于低于100℃烘干消毒，即为所需的CHA人工骨产品；所用磷酸氢二铵水溶液的浓度为2.5～3.5M(通常为饱和水溶液)，pH值8.3～8.5，用量按原材料样品重量∶磷酸氢二铵水溶液体积＝1∶2.2以上(通常为1∶2.5～4，优选为1∶3)。

上述本发明方法的合成过程最好在高压釜中进行；所用高压釜最好选用外加热内加压自紧式封口高压釜。

当采用高压釜进行合成反应时，磷酸氢二铵水溶液的用量(V_溶液)可根据高压釜筒体体积(V_筒体)、固体原材料样品的体积(V_固体)以及所采用的压力(P)和温度(T)，首先从肯尼迪H₂O的P-T-f表中查得相应的充满度(f)，再按以下公式计算：V_溶液＝f×V_自由＝f×(V_筒体-V_固体)。本发明方法所制备的珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨的物理化学性质如下：

由天然矿物材料珊瑚改造合成珊瑚羟基磷灰石(CHA)人工骨性能稳定，色白，具微孔结构，无毒无副作用，具良好生物相容性，成骨能力强的特点。

(1)化学成分：该CHA合成人工骨据电镜能谱分析(％)：CaO 47.91～64.45；P₂O₅ 24.86～52.09；TiO 0.05～0.08；CoO 0.04～0.1；NiO 0.02～0.09；AgO₂ 0.1～0.12；Na₂O 0.13～0.21；FeO 0.01～0.28。

该珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨化学成分稳定，其CaO/P₂O₅比值与文献中羟基磷灰石相似，不含有害微量元素，不含传染病菌。

(2)X射线衍射分析：该CHA合成人工骨进行X射线衍射分析，其d值如下：

8.169(8.102)，5.3294(5.267)，4.0919(4.063)，3.7509(3.670， 3.88)，3.449(3.428， 3.43)3.1684(3.160)，3.0889(3.07， 3.08)，3.0763(3.070)2.8202(2.804， 2.81)，2.7265(2.72)，2.6330(2.622)，1.945(1.942)，1.8915( 1.892，1.885)，1.8426( 1.840，1.835)，1.8097( 1.80，1.801)，1.7807( 1.780，1.775)，1.7214(1.7220， 1.717)，1.6461( 1.645，1.6390)，1.5025( 1.507)，1.4771(1.474)，1.4754，1.4351(1.433)

上述数据在括弧外者为该珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨分析数据(d值)，在括弧内无横线下注者为人骨分析数据，有下划横线者为文献中羟基磷灰石分析数据。说明该CHA合成人工骨其d值与羟基磷灰石及人骨相似，故具良好生物相容性，无毒无副作用。

(3)电镜图象处理参数：为了了解原材料珊瑚与该珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨的结构构造及空隙率的变化，在电子显微镜下观察并拍摄图象，二者的结构构造相似，其电子显微镜图象经计算机处理并统计其空隙率、空隙个数、直径、面积等，分析结果表明CHA合成人工骨与原材料的空隙率相近似，即合成后的CHA合成人工骨保留原材料的结构构造，其主要参数如表1。

表1 珊瑚原材料及珊瑚羟基磷灰石(CHA)电镜图象处理参数样品名称空隙率/％孔隙个数孔隙平均直径/10²μm 总孔隙面积/mm²珊瑚原材料 31.52 53 9.152 5.38CHA人工骨 24.86～65.71 39～74，少数1630～678 1.35～49.384 8.44～47.65

(4)抗压强度：CHA合成人工骨及原材料珊瑚经抗压强度测试：该CHA合成人工骨抗压强度为875～1187kg/cm²，原材料珊瑚为557～928kg/cm²，即该CHA合成人工骨的抗压强度高于原材料。

(5)比重：原材料珊瑚比重为1.85～2.00g/cm³，该CHA合成人工骨比重为2.00～2.40g/cm³，增幅7.6～30.4％。

(6)硬度：原材料珊瑚硬度为3，该CHA合成人工骨硬度为3.7～3.8，高于原材料珊瑚硬度。

本发明方法所得产品羟基磷灰石人工骨材料的化学成分与人骨相似，故有良好的生物相容性，无排斥反应和抗原反应。由于该材料具孔隙结构，可使液体循环，因此在成骨过程对液体及物质起传输作用，并允许生命组织、生物因子紧附于孔隙结构中有利于骨生长融合。有利于生命组织紧附再生，故有良好的成骨能力。此外，由于该材料是在高温高压条件下合成，故具有不携带传染病菌、无毒、无副作用等优点。该CHA人工骨材料合成后能保持原材料的体积及形状，临床应用可术前造型，术中还可以按医疗需要进行修改形状，且材料抗压强度较高，可以起一定支撑作用。因此本发明方法所得到的珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨是理想的支架材料、骨代替物(植骨材料)。该珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨材料，在***总医院骨科经数十例动物实验及二十余例临床应用：动物实验(在狗颈椎及四肢融合、大白鼠肌带异位实验)效果良好，无毒无副作用，生物相容性好，骨缺融合良好，成骨能力强；临床应用20例(颈椎前路4例、颈椎后路2例，腰椎后路5例，四肢和骨盆9例)术后进行***医学检查，患者无排斥反应，无毒无副作用，骨愈合良好，患者愈后恢复功能，生活自理。上述动物及临床应用证明，本发明方法所制备的珊瑚羟基磷灰石(CHA)合成人工骨是一种性能良好的植骨材料，适合于临床应用，产品体积大，可进行骨移植范围宽。

另外，本发明方法所需压力和温度条件较低，容易操作控制，且设备成本较低，；使用的原材料为海珊瑚，来源广泛，价格便宜，可降低产品成本。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。

各实施例的合成CHA人工骨过程在高压釜高温高压条件下进行，在热液水体系中反应完成。所用仪器设备如下：1)高压釜：选用外加热内加压自紧式封口高压釜，由GH合金钢制成，内加黄金衬套；高压釜内径1～20mm，内径∶外径近于1∶4，长200～240mm，承受最大压力为2500×10⁵Pa，温度为600～850℃。2)高温炉：由炉膛、炉壳、炉丝及绝热材料组成，用以对高压釜加温之用，炉膛直径14cm，高50cm，炉膛直径绕有高温电阻丝，功率1000～4000w，可达850℃，炉壳直径60cm，高75cm，炉膛与炉壳之间充填珍珠土绝热材料。3)热电偶：作测量炉膛实验温度之用，一般放置炉膛内连接控温器，常用Ni-Cr-Al热电偶。4)温度控制器：用以控制实验温度之用，温度误差±1～5℃，该仪器可以控制输入电压及电流以达到调节温度的目的，并可同时测定实验温度，仪器型号DWK-702型。采用本发明方法。利用上述设备装置，一般可合成体积为(1×1×1)～(18×1.5×1.5)cm的CHA人工骨。介质溶液量的确定：

在实验温压条件确定以后，在反应物装入釜体内之前必需知道釜筒体之体积，自由空间和一定温度压力对应的充填度，并按该充填度计算所需加入的介质溶液量。可按下列程序进行计算：

A.高压釜筒体体积测量。可以据其筒体几何形状用体积计算公式求得。简便方法是利用精密量筒或滴定管将一定体积的水注满高压釜筒体，来获得筒体积数据。

B.自由空间计算。所谓自由空间(或称有效空间)是指装入高压釜中的气体和液体密封以后，在加热反应过程中的气体和液体能自由到达的地方，如装入高压釜中有液体及固体样品，则高压釜自由空间等于高压釜体积减去装入高压釜中所有固体样品体积。如用V_自表示高压釜自由空间，V_筒表示高压釜筒体体积，V_固表示加入高压釜中固体总体积，则V_自＝V_筒-V_固。

C.充满度含义及计算。充满度(或充填度)是指常温常压下加入高压釜中反应溶液的体积所占高压釜自由空间的百分比，如f表示充满度，以V_液表示加进高压釜中的反应溶液体积，则f＝V_液/V_自。

D.水高温高压状态下P-T-f关系：高压釜中的压力与溶液充满度f和高压釜加热温度有关。P-T-f三者之间存在一定的函数关系，对于某一介质溶液如果f、T两个量一定，则压力也有定值。肯尼迪用特定的高压釜对纯水溶液在各种不同的充满度下，作了一系列对应的压力数据，制成了纯水P-T-f数据关系图表(李兆麟主编，实验地球化学，1988，北京地质出版社，1-250)，据此图表可以求有关数据。例：高压釜筒体体积为15ml，实验时固体样的体积为0.85ml，反应时T＝300℃、P＝1500×10⁵Pa，

求需向高压釜中加入多少反应溶液。

解：首先从肯尼迪H₂O的P-T-f表中查得当T＝300℃、P＝1500×10⁵Pa时f＝0.8591，则：

V_溶液＝f×V_自由＝f×(V_筒体-V_固体)

＝0.8591×(15-0.85)＝0.8591×14.15

＝12.156ml

即需加入高压釜12.15ml，则实验温度为300℃时压力为1500×10⁵Pa。

实施例1：

1.取天然矿物材料珊瑚50g(块状)在金刚石切割器上切成1×1×1cm、2.8×1.2×1.5cm、6.3×1.5×0.65cm三块，称重为19.0g。

2.将已切割好的三块原材料样品放置在盛有去离子蒸馏水烧杯中，在超声波清洗仪中清洗。

3.设计合成实验条件，压力为100×10⁵Pa，温度为220℃，在高压釜中进行合成，按原材料样品的体积计算，加入介质液体充填度为0.75，并按该充填度计算所需加入的介质溶液量。

4.介质为磷酸氢二铵饱和水溶液，浓度为3M，用pH计测量溶液pH为8.5。

5.将原材料样品及介质溶液一并加入高压釜内，并按安装高压釜之程序放置密封塞，加上大螺盖，在高压釜工作台上将螺盖上紧、密封，并将高压釜放置在高温炉内。

6.启动控温仪使炉温升至220℃，恒温，温度误差为±2℃，恒温240小时，使原材料样品与磷酸氢二铵溶液充分进行交代反应：，即可合成珊瑚羟基磷灰石(CHA)人工骨。

7.在控温仪中切断输入高温炉中的电流，将高压釜从高温炉中取出，淬火约30分钟，待高压釜冷却后，置于安装高压釜工作台上，将密封塞提升卸釜。

8.样品取出前测定反应后高压釜中溶液的pH值为8，即反应后溶液的pH值略有降低。

9.从高压釜中取出合成产物样品放在盛有去离子水的玻璃烧杯中清洗多次，并浸泡24小时后，在超声波清洗仪中用去离子水清洗干净，然后在烘箱中60℃烘干，得到所需的CHA合成人工骨产品(重为20.8g)。

10.将最后所得的CHA人工骨产品样品进行各项物理化学性质测试：X射线衍射分析；电子显微镜能谱分析；电子显微镜图象处理分析；抗压强度；硬度测定。各项分析结果如下：

a)X射线衍射分析：该CRA合成人工骨其d值与文献中羟基磷灰石，d值相近似，其特征d值与强度(括弧内数值)列于下：

8.1397(20)，3.8868(27)，3.5009(22)，3.4449(119)，3.1728(26)，3.0909(49)，2.8167(199)，2.7826(138)，2.7265(132)，2.6415(31)，2.6602(52)，2.1592(20)，1.9481(76)，1.8945(35)，1.8426(84)，1.7833(44)，1.7571(45)，1.7226(50)

b)化学成分：据电子显微镜能谱分析，CaO 64.45％，P₂O₅ 34.94％，S 0.34％，Al 0.29％，总量100％。

c)电镜图象处理参数：该CHA合成人工骨经在电子显微镜观察拍摄结构构造图象，该图象经电算处理，计算其孔隙率等参数如下：图象放大率为32.16％，孔隙个数为85，总孔隙面积为13410.510μm²，平均孔隙直径为130.671μm。

d)抗压强度：为1111kg/cm²。

e)颜色及强度：色白，硬度为3.8。

f)体积：保留原材料样品大小。

g)应用效果：上述所制备的CHA合成人工骨样品中的二块，大小为2.8×1.4×1.5cm及6.3×1.5×0.65cm，由***总医院骨科进行临床应用，效果良好，患者治疗过程无排斥反应，无毒无副作用，骨愈合良好，成骨能力强，愈后生活自理，恢复良好。证明该CHA人工骨植骨材料质量属优等。实施例2～6：

合成工艺过程参照实施例1。各实施例所用的工艺条件参数、所得CHA人工骨产品的化学成分及孔隙参数分别如表2至表4所示。

表2 合成CHA人工骨的不同温压条件实施例原材料重量介质成分浓度反应前温度压力反应时间反应后产物编号 (g) (M) pH (℃) (×10⁵Pa) (小时) pH2 滨珊瑚 (NH₄)₂HPO₄

(CaCO₃) 35 +H₂O 3 8.3 280 500 168 8 CHA人工骨23 滨珊瑚 5 同上 2.5 8 400 2500 192 7.8 CHA人工骨34 滨珊瑚 5 同上 3.5 8.5 200 100 288 8 CHA人工骨45 滨珊瑚 8 同上 3 8.5 270 300 240 8 CHA人工骨56 滨珊瑚 21 同上 3.5 8.5 200 200 360 8 CHA人工骨6

表3 人骨、原材料珊瑚及CHA合成人工骨化学成分

实施例

样品名称 CaO P₂O₅ Fe₂O₃ Na₂O TiO₂ SrO SiO₂ Ag₂O NiO CoO MgO SO₂ K₂O 总数编号对照2a 人骨a 64.85 29.95 0.39 1.87 0.13 0.88 1.26 0.37 99.7对照1a 滨珊瑚a 98.3 1.25 0.59 100.142 CHA人工骨2 63.37 35.69 0.22 0.07 0.03 99.43 CHA人工骨3 53.25 46.30 0.08 0.10 0.20 0.07 1004 CHA人工骨4 58.91 41.09 1005 CHA人工骨5 53.13 46.48 0.20 99.816 CHA人工骨6 64.09 35.52 0.38 99.99

表3的电子显微镜能谱成分分析结果表明，本发明方法在不同温压条件下合成的CHA人工骨的CaO及P₂O₅含量与人骨相近似，故具良好相容性。

表4 不同温压条件下合成的CHA人工骨电镜图象处理孔隙参数实施例孔隙率总孔隙面积平均孔隙面积平均孔隙直径

样品名称放大率孔隙个数编号

(％) (μm²) (μm²) (μm)对照1a 滨珊瑚a 100 44.20 29 391661.112 13505.556 131.133对照1b 滨珊瑚b 50 44.20 70 1566644.444 22380.653 168.807对照2a 人骨a 100 51.55 36 193122.839 5364.801 82.648对照2b 人骨b 150 49.04 97 1254733.322 12935.395 128.3352 CHA人工骨2 50 51.92 1630 188200 1154.83 CHA人工骨3 50 41.97 48 140900 264.504 CHA人工骨4 50 42.82 38 476500 1129.845 CHA人工骨5 50 25.87 84 979408.459 11659.6245 121.846 CHA人工骨6 50 53.58 26 1899113.330 73042.820 304.961

表4的结果表明，本发明方法在不同温压条件下合成的CHA人工骨的孔隙参数与人骨相近似，说明本发明方法制备的CHA合成人工骨对液体及物质具良好传输性能，是理想的植骨材料。

Claims

1.一种珊瑚羟基磷灰石人工骨的合成方法，其特征是：将天然珊瑚原材料加工成所需要形状的样品，将样品浸泡在去离子蒸馏水中，用超声波清洗仪清洗干净，然后与磷酸氢二铵水溶液一起在温度为100～450℃，压力为100～800×10⁵Pa条件下反应240～480小时，得到羟基磷灰石人工骨；将所合成得到的羟基磷灰石人工骨浸泡在去离子蒸馏水中，用超声波清洗仪清洗干净，再于低于100℃烘干消毒，即为所需的羟基磷灰石人工骨产品；所用磷酸氢二铵水溶液的浓度为2.5～3.5M，pH值8.3～8.5，用量按原材料样品重量∶磷酸氢二铵水溶液体积＝1∶2.2以上。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征是合成反应的温度为180～250℃。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征是所用磷酸氢二铵水溶液的浓度为饱和水溶液。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征是所用磷酸氢二铵水溶液的用量按原材料样品重量∶磷酸氢二铵水溶液体积＝1∶2.5～4。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征是合成过程在高压釜中进行。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征是所用高压釜为外加热内加压自紧式封口高压釜。

7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征是所用磷酸氢二铵水溶液的用量V_溶液根据高压釜筒体体积V_筒体、固体原材料样品的体积V_固体，以及所采用的压力P和温度T，先从肯尼迪H₂O的P-T-f表中查得相应的充满度f，再按以下公式计算：V_溶液＝f×V_自由＝f×(V_筒体-V_固体)。