CN1923752A

CN1923752A - 一种磷灰石－硅灰石/β－磷酸三钙复合生物活性陶瓷材料

Info

Publication number: CN1923752A
Application number: CN 200510021568
Authority: CN
Inventors: 杨为中; 周大利; 尹光福; 陈槐卿; 张云; 肖斌; 欧俊
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-07

Abstract

本发明公开了一种磷灰石－硅灰石(Apatite－Wollastonite，简称AW)/β－磷酸三钙(β－tricalcium phosphate，简称β－TCP)复合生物活性陶瓷材料。以溶胶—凝胶法或熔制法制备AW前驱体粉末，以化学沉淀法制备TCP前驱体粉末。将TCP前驱体粉末造粒过60目标准筛。将AW前驱体粉末与TCP前驱体粒料按不同比例称量置于混料机中，加入占粉料重量一定比例(视孔隙率要求而定)、粒径为20～30目的硬脂酸或萘颗粒，加入适量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘结剂，进行充分混匀。混匀料经成型、干燥、煅烧等工艺后制得多孔磷灰石－硅灰石/β－磷酸三钙复合生物活性陶瓷，晶相组成为：β－硅灰石、磷灰石及β－磷酸三钙；多孔支架材料显微结构为100～500μm贯通大孔，孔壁有大量微孔分布。复合材料生物活性优异，能够生物降解，且材料溶解后在原位形成微孔将有利于体液的循环、细胞的长入，材料与细胞相容性好，适宜细胞的黏附、生长，是一种优异的骨组织工程支架材料或骨修复材料。

Description

一种磷灰石-硅灰石/β-磷酸三钙复合生物活性陶瓷材料

技术领域

本发明属于无机非金属材料及生物医学工程领域，涉及一种新体系骨修复材料——磷灰石/硅灰石(AW)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合生物活性陶瓷材料。

背景技术

1982年，Kokubo等研制出含磷灰石(A，apatite)、硅灰石(W，wollastonite)晶相以及玻璃相的MgO-CaO-SiO2-P2O5系AW生物活性玻璃陶瓷。A-W生物活性玻璃陶瓷生物相容性良好，制品植入体内后，安全、无毒，且无排异、发炎及组织坏死等不良反应，具有较高的机械强度。其生物活性也非常出色，当它被植入体内后能在短时间内通过表面化学反应形成磷灰石层，从而与体内骨牢固地键合为一体，形成骨性结合。自上世纪八十年代以来，人们对生物降解型磷酸钙陶瓷材料给予了极大的重视并进行了较深入地研究。具有良好生物相容性、骨传导作用和生物降解性的β-磷酸三钙(β-TCP，β-tricalcium phosphate)特别引人注目。它的组成成分与生物骨中的无机成分相似，生物相容性好，植入体内后发生溶解，溶解下来的Ca、Pi(指全部游离的无机磷酸根离子，如HPO₄ ^2-、H₂PO₄ ^-、PO₄ ^3-)进入活体循环***然后形成新生骨，一定时间后非生命的植入体逐渐溶解消失，为有生命的新生骨所取代。在成骨速度上β-TCP优于羟基磷灰石(HA)，是一种非常理想的、临床应用前景十分诱人的硬组织缺损修复材料。

作为骨修复材料或组织工程支架材料，为了促进新骨长入材料，材料应具有合适的、模拟自然骨的多孔结构。骨组织工程支架材料孔隙率越高越有利于细胞和骨组织的长入，但是，高孔隙率材料力学性能较低。为综合发挥AW生物活性玻璃陶瓷优良的力学性能、生物活性及β-TCP的可吸收降解性，本发明采用AW复合β-TCP来制备AW/β-TCP复合生物陶瓷。在制备AW/β-TCP复合生物陶瓷时加入的致孔剂相对量较低，使其比单一AW或β-TCP有相对较低的初始孔隙率，从而具有较高的初始力学强度。当AW/β-TCP复合生物陶瓷被浸泡或植入体内后，通过溶解相β-TCP的溶解能原位(in situ)成孔，为新骨生长提供丰富的Ca²⁺、Pi，在材料原有孔隙率的基础上增大材料孔隙率，为组织细胞提供营养通道，利于骨组织及血管的长入。

经检索查新，林开利等在发明专利“多孔硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷材料的制备方法”(中国科学院上海硅酸盐研究所，专利公开号CN 1439618A)中提出了硅酸钙/β-磷酸三钙复相生物陶瓷体系；黄翔等在发明专利“硅灰石/磷酸三钙复合生物活性材料的制备方法”(中国科学院上海硅酸盐研究所，专利公开号CN 1171644C)中提出了硅灰石/β-磷酸三钙复相生物陶瓷体系；且大量报道提到了羟基磷灰石/β-磷酸三钙复合体系，如：王晨等发明专利“羟基磷灰石与β-磷酸三钙复相生物陶瓷的制备方法”(清华大学，专利公开号CN 1562873A)。上述报道为组织工程支架材料提供了丰富的选择方案。

本发明提出采用生物活性及力学强度都十分优异的AW生物活性玻璃陶瓷，与可降解相β-磷酸三钙进行复合，制备骨组织工程支架材料，可提高复合生物陶瓷支架材料的力学性能，在浸泡或植入体内过程中增大孔隙率，同时通过β-CP相赋予支架可控的生物降解性。经检索：国内尚无该体系作为骨修复材料或骨组织工程修复材料的专利及论文报道。

发明内容

本发明的目的在于针对骨组织工程支架材料对生物材料生物活性、力学强度、孔隙形态及可降解特性的要求，通过磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AWGC)与可降解相β-磷酸三钙(β-TCP)的复合制备具有较高初始力学强度、生物活性优异及可生物降解的组织工程支架材料。

本发明磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AWGC)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合生物陶瓷的制备过程涉及：采用自行开发的溶胶一凝胶法高活性、微细AW GC粉(专利申请号：200510021184.0)或采用熔制法得到的AW粉末与β-TCP粉末为原料(也可采用未经煅烧的AW、β-TCP前驱体粉末)，先将β-TCP粉末造粒，再将AW粉与β-TCP粉按不同比例进行混料，然后再添加致孔剂、粘合剂混料后模压成型，在1170℃煅烧得到复合生物陶瓷材料。

X衍射分析证明：本发明通过AW粉与β-TCP粉均匀共混、成型、造孔并经适宜温度(1170℃)煅烧后制备的复合生物活性陶瓷材料，并未发生新的固相反应，其晶型结构为：磷灰石、β-硅灰石及β-磷酸三钙三相共存。

本发明中，为了模拟自然骨的多孔结构，本发明在制备多孔陶瓷的过程中加入颗粒尺寸为600～700μm的硬脂酸颗粒或或萘颗粒作为致孔剂，利用致孔剂的挥发在陶瓷体中形成宏观孔，以利于骨组织的长入；利用在体液环境中β-TCP相的原位溶解可进一步提高材料孔隙率、利于细胞的长入、体液的循环；由于材料能够原位成孔，故可减少致孔剂的加入量提高材料的初始力学强度。扫描电镜结果显示：复合多孔生物陶瓷具有适宜的孔隙形态：100～500μm的相互贯通宏观孔，孔壁上具有大量微孔。

本发明制备的新型复合生物活性陶瓷具有出色的生物活性，在体外模拟体液实验中能够快速形成表面羟基磷灰石层，而表面磷灰石层的形成是材料生物活性的主要标志；经成骨方向诱导的骨髓基质干细胞在材料表面能够快速黏附、增殖、分化，表明新型生物活性玻璃陶瓷细胞相容性良好。

在骨修复材料以及骨组织工程支架材料的应用领域中，本发明制备的复合体系材料具有以下优点：

1.磷灰石/硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合体系中，AW生物活性玻璃陶瓷具有非常出色的生物活性，有利于复合材料植入后与骨组织间发生紧密的骨性键合；

2.AW生物活性玻璃陶瓷是无机生物陶瓷材料中力学强度最高的，AW生物玻璃陶瓷的复合增强大大提高了材料力学性能；

3.复合多孔生物陶瓷具有适宜的孔隙形态：100～500μm的相互贯通宏观孔，孔壁上具有大量微孔，并且体液环境中材料通过原位溶解形成的大量微孔将有利于体液的渗透。

4.通过制备过程中控制可降解相β-磷酸三钙添加比例及通过控制致孔剂含量调节孔隙率可使复合多孔陶瓷支架材料具有可控的生物降解性和材料所需的初始力学性能。

5.组织工程支架材料孔隙率越高越有利于细胞和骨组织的长入，但材料孔隙率的增高将导致力学强度显著下降，现有骨修复材料的孔隙率一般为45～55％；而本发明制备的新体系由于通过AW GC力学增强相进行了增强，多孔材料孔隙率可高达70％，植入前材料初始力学强度达到支架材料要求；植入后由于材料在体液中的原位溶解还将进一步增大材料的孔隙率；

6.复合体系生物陶瓷在体液或模拟体液环境中能快速形成表面生物磷灰石层，显示良好的生物活性；材料细胞相容性良好，有利于细胞在其表面的快速黏附、增殖、分化，适宜作为骨组织工程支架材料。

附图说明

附图1复合生物活性陶瓷的X衍射图谱

附图2复合生物活性陶瓷多孔支架材料的扫描电镜图片

具体实施方式

实例1：

1.采用自行开发的溶胶-凝胶法制备高活性、微细AW GC前驱体粉末(专利申请号：200510021184.0)，基本步骤为：先将正硅酸乙酯及磷酸三乙酯在乙醇中充分水解，再将易水解的无机盐先后溶于有机试剂中，并使之与水发生反应，经水解与缩聚过程而形成凝胶，再经过陈化、干燥，并于500℃热分解除去残余有机物和水分，制得微细前驱体粉末；

2.TCP前驱体粉末的制备：用去离子水将高纯微细CaCO₃调和成浆料。常温下于超声搅拌作用下滴入磷酸溶液，按Ca/P＝1.5进行反应，将沉淀洗涤、干燥后得到TCP前驱体；

3.磷灰石-硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β磷酸三钙(β-TCP)复合生物活性陶瓷的制备：

3.1将步骤2得到的TCP前驱体造粒过60目标准筛；

3.2将步骤1得到的AW前驱体粉末与3.1所得TCP前驱体颗粒料按AW∶TCP＝70∶30(wt％)在V型混料机中混合，再加入占粉料重量30％、粒径为20～30目的硬脂酸，加入适量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘结剂，进行充分混匀。

3.3经充分混匀的料经过压力成型(成型压力为)为柱状、片状、条状等形状制品坯体，在110℃下干燥2小时。

3.4将3.3所得制品坯体置于高温炉中，在250℃～450℃间缓慢升温，完全去除粘合剂，避免坯体开裂，并使致孔剂燃烧挥发在基体中残留大孔，然后快速升温至1170℃下煅烧2h，随炉冷却后得到复合生物活性陶瓷多孔支架材料，其晶型结构为磷灰石、β-硅灰石和β-磷酸三钙，结果见附图1；其孔隙形态为：100～500μm相互贯通的宏观孔，孔壁上具有大量微孔，结果见附图2；

实例2：

1.采用熔制法制备AW基础玻璃粉末，基本步骤为：将MgO4.6、CaO44.9、SiO₂34.2、P₂O₅16.3、CaF₂0.5的混合物(重景百分比)在铂金坩埚中于1450℃熔化2h，然后骤冷成熔块后，粉碎、筛分得到玻璃粉末；

2.TCP前驱体粉末的制备：采用TCP钙磷比的Ca(NO₃)₂和(NH₄)₂HPO₄进行化学沉淀反应，氨水调节pH为11～12，反应12h，过滤、洗涤、干燥后得前驱体粉末；

3.磷灰石-硅灰石生物玻璃陶瓷(AW GC)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合生物活性陶瓷的制备：与实例1步骤3方法所述一致制备AW GC/β-TCP复合生物活性陶瓷。

Claims

1.本发明一种磷灰石-硅灰石/β-磷酸三钙(AW GC/β-TCP)复合生物陶瓷材料，其特征在于：将β-TCP微粉造粒过60目标准筛，与AW GC微粉按不同比例进行混料，再加入有机粘合剂、致孔剂进行充分混匀。经成型、煅烧等工艺得到磷灰石-硅灰石/β-磷酸三钙(AW GC/β-TCP)复合生物陶瓷材料；

2.如权利要求1所述制备磷灰石-硅灰石/β-磷酸三钙(AW GC/β-TCP)复合粉末，其特征在于：AW GC粉末采用溶胶-凝胶法或传统的熔制法制得；β-TCP采用化学沉淀法制备并造粒过60目标准筛：按AW∶β-TCP质量百分比70∶30、60∶40、50∶50等不同比例进行混料；加入占粉料重量一定质量比例、粒径为20～30目的硬脂酸或萘颗粒等作致孔剂及加入适量聚乙烯醇溶液(5wt％)作粘结剂，进行充分混匀。

3.如权利要求1所述磷灰石-硅灰石/β-磷酸三钙(AW GC/β-TCP)复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于：将由权利2所得的复合均匀混合粉，经压力成型后在高温炉中经低温煅烧去除粘合剂，并使致孔剂挥发燃烧在基体中残留大孔，再快速升温至1170℃煅烧2h后得到复合生物活性陶瓷多孔支架材料；

4.本发明一种新体系骨组织工程支架材料：磷灰石-硅灰石(AW)/β-磷酸三钙(β-TCP)复合生物活性陶瓷多孔支架材料，晶型结构为磷灰石、β-硅灰石和β-磷酸三钙，显微结构为：100～500μm相互贯通的宏观大孔，孔壁上具有大量微孔。