TWI623492B - 製備磷酸四鈣的方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種製備磷酸四鈣的方法，其包含：(1)熱處理一魚鱗，並將該魚鱗研磨成粉體，得一魚鱗粉體；(2)添加一原料於該魚鱗粉體中，改變該魚鱗粉體中的礦物成分，得一生料粉體；以及(3)高溫燒結該生料粉體，得一含有一磷酸四鈣之混合物。

Description

製備磷酸四鈣的方法
本發明係關於一種製備磷酸四鈣的方法，其特徵在於，使用魚鱗為原料轉化成磷酸四鈣。
人體組織修復材料研究和開發是全球關注的議題，磷酸鈣骨水泥(Calcium Phosphate Cement；CPC)是一種具有自固性能非陶瓷氫氧基磷灰石類人工骨材料。由固相粉末和固化液依一定比例混合製成，其中固相粉末由一種或多種磷酸鈣鹽所組成，而固化液則由水、磷酸鹽溶液、稀磷酸、生理食鹽水、與血液等共同組成。固相粉末與固化液混合後形成易塑形漿體，於短時間及適當溫度(室溫或接近人體溫度)下自行固化，形成與骨組織的無機成分和晶相結構相似的磷灰石，具有良好的生物相容性、骨傳導性、可降解性、可塑性，在人體生理環境下自行固化，且固化反應不產熱等優點，在骨植入與修復領域被廣泛應用。目前磷酸鈣水泥的製程，無法達到大量生產。目前發表的磷酸鈣水泥相關的文獻中，實驗材料的來源，大多停留在實驗室自行配製的階段。以常用的磷酸四鈣加二水磷酸氫鈣(TTCP+DCPD)系列為例：二水磷酸氫鈣(dicalcium phosphate dehydrate；DCPD)粉末是以試藥級的硝酸鈣(Ca(NO3)2)溶液與磷酸氫二 銨((NH4)2HPO4)溶液於酸性條件下通過液相沈澱而生成；而磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)粉末則是將二水磷酸氫鈣(DCPD)與碳酸鈣(CaCO3)於1550℃下燒結約10小時製得。是故改良生產方法以提高產能，為此一材料商業化的重要關鍵。
魚鱗是魚類的皮膚的衍生物，具有保護魚類身體的功能，防止微生物侵入機體，抵抗疾病和避免感染。而依據鱗片的構造特點，魚鱗可分為骨鱗(bony scale)、硬鱗(ganoid scale)及盾鱗(placoid scale)，其中骨鱗又可分為圓鱗(cycloid scale)和櫛鱗(ctenoid scale)，骨鱗為硬骨魚類最常見的魚鱗。魚鱗的主要成分中含有45%的膠原蛋白(collagen)和55%的氫氧基磷灰石(hydroxyapatite；HAp)，其中氫氧基磷灰石是一種磷酸鈣化合物，也是人體或動物骨骼及牙齒的主要無機成分，在骨骼中約占60~70%。由於氫氧基磷灰石中之晶粒特性及該等晶粒間形成之微小孔隙，能使氫氧基磷灰石對骨骼有良好的生物親和力，對牙齒有再石灰化的功能，此外，尚因其具有良好的生物活性，故，在臨床上，已被廣泛地應用在骨科及牙科用的生醫材料上，如：人工骨頭、人工牙齒、硬骨補綴、人工關節等。
美國專利公開第2009/0036656號及第2005/0191226號，和美國專利公告第7838038號指出，利用魚鱗作為原料使用，透過機械研磨與篩分方式，或是以高溫700℃熱前處理後再以1500℃燒結後，可製備生物醫學用人體組織修復材料，然而，此類型磷酸鹽系組織修復材料製備方式仍存在製備效率低、高溫熱處理、與純度低等缺點。
是以，將魚鱗用於製備生物材料的製備上，若能改良製程，如簡化製備步驟或提高純度等，將更有助提高魚鱗之附加價值。
本發明係利用魚鱗以製備高純度磷酸四鈣粉體；魚鱗經380℃熱處理後會破壞魚鱗的有機質，再去破碎研磨成粉體，該粉體對30號篩網(ASTM No.30 mesh)之過篩率可達100%；之後利用重量百分比0%、10%、15%、20%、與25%添加比例之碳酸鈣與該粉體進行混合得一混合物，該混合物利用1350℃燒結6小時並進行快速冷卻處理後，可得含有一磷酸四鈣之混合物。而該含有一磷酸四鈣之混合物之X-光繞射(X-ray diffraction；XRD)試驗結果顯示，未添加碳酸鈣之魚鱗經高溫燒結仍為氫氧機磷灰石結構(hydroxyapatite；HAp)，而隨著碳酸鈣添加比例增加，磷酸四鈣礦物相生成越多，然而當添加比例大於25%時，磷酸四鈣粉體存在多餘的游離石灰(f-CaO)，無法充分反應；該混合物內氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)比例較佳為1.45，以CaO/P2O5為1.45所得之磷酸四鈣純度大於90%。因此利用魚鱗以一定溫度進行魚鱗熱處理，再搭配氧化鈣前驅物(石灰石或牡蠣殼等)，以類似波特蘭水泥(portland cement)製程技術，透過生料研磨、高溫燒結以及快速激冷之製程，可製備90%以上高純度之磷酸四鈣，且符合醫療級磷酸四鈣規格中的重金屬含量標準；故本發明的方法是一種簡單快速的磷酸四鈣製備技術方法。
本文中的用語「一」或「一種」係用以敘述本發明之元件及成分。此術語僅為了敘述方便及給予本發明之基本觀念。此敘述應被理解 為包括一種或至少一種，且除非明顯地另有所指，表示單數時亦包括複數。於申請專利範圍中和”包含”一詞一起使用時，該用語「一」可意謂一個或超過一個。
本文中的用語「或」其意同「及/或」。
本發明提供一種製備磷酸四鈣的方法，其包含：(1)熱處理一魚鱗，並將該魚鱗研磨成粉體，得一魚鱗粉體；(2)添加一原料於該魚鱗粉體中，得一生料粉體，其中該原料係選自一氧化鈣、一氧化鈣前驅物、一五氧化二磷及一五氧化二磷前驅物所組成的群組；以及(3)高溫燒結該生料粉體，使該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值的範圍為1.2至1.7，且高溫燒結完成後得一含有一磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)之混合物。
於一具體實施例中，該魚鱗之種類包含骨鱗(bony scale)、硬鱗(ganoid scale)及盾鱗(placoid scale)。於一具體實施例中，該魚鱗包含一氫氧機磷灰石(hydroxyapatite；HAp)、一氧化鈣(CaO)以及五氧化二磷(CaO/P2O5)。
為了使魚鱗之後能與原料粉末(如碳酸鈣)進行均勻混合以製備出磷酸四鈣，因此魚鱗必須經過破碎研磨處理成粉末狀。然因魚鱗為有機質膠原蛋白與無機質氫氧基磷酸石所組合而成，故具有一定的韌性特質；故本發明將魚鱗經熱處理(如大於380℃)後，可有效破壞魚鱗內部有機質結構，使魚鱗能夠高效率處理研磨成粉末狀態。於一具體實施例中，該熱處理之溫度大於300℃。於一較佳具體實施例中，該熱處理之溫度大於 350℃。於一更佳具體實施例中，該熱處理之溫度大於380℃。於另一具體實施例中，該熱處理之時間大於30分鐘。於一較佳具體實施例中，該熱處理之時間大於1小時。於一更佳具體實施例中，該熱處理之時間大於2小時。
本文中的”研磨”可採用習知的研磨方式，而不需加以限制，較佳為球磨。於一具體實施例中，該魚鱗粉體之粒徑範圍為20μm至800μm。於一較佳具體實施例中，該魚鱗粉體之粒徑範圍為50μm至700μm。於一更佳具體實施例中，該魚鱗粉體之粒徑範圍為75μm至600μm。
為了使生料粉體於高溫燒結的過程中，該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值要到一特定範圍，以燒結出磷酸四鈣之礦物。因此，要視魚鱗粉體本身之原有的氧化鈣以及五氧化二磷的重量百分比，以決定該原料的添加種類以及添加量，例如單獨添加該氧化鈣前驅物(或氧化鈣)或該五氧化二磷前驅物(或五氧化二磷)，或是同時該氧化鈣前驅物(或氧化鈣)及該五氧化二磷前驅物(或五氧化二磷)，以讓該原料與該魚鱗粉體混合所得的該生料粉體於燒結過程中，其氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值達到特定範圍。於一具體實施例中，該原料之形狀為一粉末狀。於一較佳具體實施例中，該原料為一原料粉末。
因此，本發明的目的在於使生料粉體於高溫燒結的過程中，該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值要到一特定範圍。故本發明可採取下列兩種方式：(1)於該魚鱗粉體直接添加氧化鈣或五氧化二磷，或者是氧化鈣和五氧化二磷兩者都添加，以讓該生料粉體 中氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值於燒結前就達到特定範圍；或(2)於該魚鱗粉體添加氧化鈣前驅物(如碳酸鈣)或五氧化二磷前驅物，或者是氧化鈣前驅物和五氧化二磷前驅物兩者都添加；因此於燒結過程中，氧化鈣前驅物能經加熱反應而產生氧化鈣以及五氧化二磷前驅物經加熱反應而產生五氧化二磷，一樣可使該生料粉體中氧化鈣和五氧化二磷的成份比例發生變化，讓其氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值於燒結過程中同樣能達到特定範圍。
本文中「氧化鈣前驅物」一詞包含但不限於一能經反應產生氧化鈣之物質。於一具體實施例中，該氧化鈣前驅物包含一碳酸鈣、一葡萄酸鈣及一檸檬酸鈣。於一較佳具體實施例中，該氧化鈣前驅物包含一碳酸鈣。
本文中「五氧化二磷前驅物」一詞包含但不限於一能經反應產生五氧化二磷之物質。於一具體實施例中，該五氧化二磷前驅物包含一磷灰石、一氫氧基磷灰石、一二水磷酸氫鈣及一魚鱗。
由於要於高溫燒結時，該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值要到一特定範圍方能產生出磷酸四鈣之礦物。於一較佳具體實施例中，該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值的範圍為1.35至1.67。於一更佳具體實施例中，該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值的範圍為1.4至1.6。
本發明的生料粉體須經高溫燒結，以使該生料粉體中的氧化鈣(CaO)與氫氧基磷灰石(HAp)發生鍵結反應，逐漸生長出磷酸四鈣之 礦物相。本文中的「高溫燒結」一詞包含利用高溫爐進行燒結，其中該高溫爐包含一電窯、一瓦斯窯以及一材窯。於一具體實施例中，該高溫燒結之溫度大於1000℃。於一較佳具體實施例中，該高溫燒結之溫度大於1200℃。於一更佳具體實施例中，該高溫燒結之溫度大於1350℃。於另一具體實施例中，該高溫燒結之時間大於0.5小時。於一較佳具體實施例中，該高溫燒結之時間大於2小時。於一更佳具體實施例中，該高溫燒結之時間大於6小時。
此外，為保有生料粉體於高溫燒結完成時的礦物相活性，即維持該含有該磷酸四鈣之混合物中的該磷酸四鈣含量。因此，本發明進一步包含一步驟(4)，其接於步驟(3)後，其包含冷卻該含有該磷酸四鈣之混合物。本文中的「冷卻」包含但不限於快速冷卻，即燒結完成後立刻進行冷卻的動作。於一具體實施例中，該冷卻係以利用溫差方式進行冷卻。於另一具體實施例中，該溫差方式為該冷卻之溫度低於該高溫燒結之溫度800℃以上。於一較佳具體實施例中，該溫差方式為該冷卻之溫度低於該高溫燒結之溫度1000℃以上。於一更佳具體實施例中，該溫差方式為該冷卻之溫度低於該高溫燒結之溫度1200℃以上。因此，將高溫燒結(如1350℃以上)後所產生的該含有該磷酸四鈣之混合物直接於室溫下(約25℃)冷卻，瞬間溫差差異極大，就可達到快速冷卻的效果。於一具體實施例中，該冷卻該含有該磷酸四鈣之混合物係將該含有該磷酸四鈣之混合物於室溫冷卻。此「冷卻」步驟的目的在於維持剛燒結完的該含有該磷酸四鈣之混合物的礦物成分，因若是將剛燒結完的該含有該磷酸四鈣之混合物仍置於高 溫爐內慣優降溫，則有可能導致該含有該磷酸四鈣之混合物中的礦物成分的變化，即該磷酸四鈣的含量會降低；因此，透過快速冷卻的步驟，可保有剛燒結完的該含有該磷酸四鈣之混合物之礦物成分，得到含有較高純度的磷酸四鈣之產物。
另外，為了配合磷酸四鈣的應用產品，會進一步將該含有該磷酸四鈣之混合物進行研磨過篩，使該含有該磷酸四鈣之混合物形成一定粒徑大小的產物，以利後續的應用。因此本發明的方法進一步包含步驟(5)，其接於步驟(4)後，其包含研磨該含有該磷酸四鈣之混合物成粉體，得一磷酸四鈣粉體。於一具體實施例中，該磷酸四鈣粉體之粒徑小於150μm。於一較佳具體實施例中，該磷酸四鈣粉體之粒徑小於100μm。於一更佳具體實施例中，該磷酸四鈣粉體之粒徑小於75μm。於另一具體實施例中，該磷酸四鈣粉體之粒徑小於50μm。
該含有該磷酸四鈣之混合物包含該磷酸四鈣以及一氫氧基磷灰石(HAp)。於一具體實施例中，該磷酸四鈣佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為60%以上。於一較佳具體實施例中，該磷酸四鈣佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為80%以上。於一更佳具體實施例中，該磷酸四鈣佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為90%以上。於另一具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為40%以下。於一較佳具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為20%以下。於一更佳具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該含有該磷酸四鈣之混合物之重量百分比為10%以下。
本發明的磷酸四鈣粉體可用於生物材料，例如骨水泥，可作為人造骨骼與牙齒根管封填材料使用，亦可作為合成乳酸磷酸鈣的原料；此外，若提升磷酸鈣粉體於液相解離(鈣離子與磷酸根離子)程度，則可作為人體鈣質補充劑以及牙齒保健修復材料。
本發明提供一種骨水泥，具有一圓球狀的結構，其中該骨水泥的材質為一磷酸鹽。
於一具體實施例中，該磷酸鹽包含一磷酸四鈣及一氫氧基磷灰石。於一較佳具體實施例中，該磷酸四鈣之形狀為一單斜晶體。於另一具體實施例中，該氫氧基磷灰石之形狀為一六方晶體。
於一具體實施例中，該圓球狀的結構之直徑小於150μm。於一較佳具體實施例中，該圓球狀的結構之直徑小於100μm。於一更佳具體實施例中，該圓球狀的結構之直徑小於75μm。
於一具體實施例中，該磷酸四鈣佔該磷酸鹽之重量百分比為60%以上。於一較佳具體實施例中，該磷酸四鈣佔該磷酸鹽之重量百分比為80%以上。於一更佳具體實施例中，該磷酸四鈣佔該磷酸鹽之重量百分比為90%以上。於另一具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該磷酸鹽之重量百分比為40%以下。於一較佳具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該磷酸鹽之重量百分比為20%以下。於一更佳具體實施例中，該氫氧基磷灰石佔該磷酸鹽之重量百分比為10%以下。
本發明所提供之製備磷酸四鈣的方法，與其他習用技術相互 比較時，更具有下列之優點：(1)一般而言，魚鱗屬於魚類之非食用部份之生物廢棄物，除非經過特別加工處理，否則魚鱗並無任何利用價值。因此，本發明的製程可從魚鱗製備出磷酸四鈣，使魚鱗有額外的應用價值；故本發明之製程可達「零廢棄」、「資源再利用」及「提升再利用產品附加價值」之功效，因此本發明甚具實用價值；以及(2)本發明的製程相較於傳統的磷酸四鈣製備方法更為簡便快速，故提高製程的效率；同時本發明之製程過程中所使用溫度也相較傳統的製程低，故本發明能有效降低熱耗能以及減少高溫造成的環境影響。而且，只要高溫燒結時生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之配比適當，就可製備出高純度(大於90%)的磷酸四鈣，大幅提高了產能。
10‧‧‧骨水泥
100‧‧‧圓球狀的結構
200‧‧‧磷酸四鈣
300‧‧‧氫氧基磷灰石
圖1為本發明之製備磷酸四鈣的流程。
圖2為魚鱗於不同熱處理後之研磨結果。圖2(A)為魚鱗未經熱處理而破碎研磨之情況。圖2(B)為魚鱗經90℃熱處理而破碎研磨之情況。圖2(C)為魚鱗經380℃熱處理而破碎研磨之情況。圖2(D)為魚鱗於不同熱處理溫度(未熱處理、90℃熱處理及380℃熱處理)後破碎研磨之過篩率(使用30號篩網)。
圖3為添加不同量之碳酸鈣於魚鱗粉體中所造成之X-射線 繞射分析(XRD)之礦物相的變化。圖3(A)為不添加碳酸鈣之XRD之礦物相的結果。圖3(B)為添加重量百分比10%之碳酸鈣之XRD之礦物相的結果。圖3(C)為添加重量百分比15%之碳酸鈣之XRD之礦物相的結果。圖3(D)為添加重量百分比20%之碳酸鈣之XRD之礦物相的結果。圖3(E)為添加重量百分比25%之碳酸鈣之XRD之礦物相的結果。三角形為磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)。
圖4為以裏特沃爾德-X-射線繞射分析(Rietveld XRD)鑑定量化以CaO/P2O5為1.45的生料粉體燒結所得之含有磷酸四鈣之混合物中各礦物相比例試驗結果。藍線為CaO/P2O5為1.45的生料粉體燒結所得之含有磷酸四鈣之混合物之礦物晶相之XRD標準圖譜；紅線為裏特沃爾德-X-射線繞射分析法之模擬計算圖譜；以及黑線為誤差結果。藍線與紅線相互對比後，可得知含有磷酸四鈣之混合物中磷酸四鈣成分約達92%，其餘為氫氧基磷灰石(HAp)，其約8%。
圖5為本發明之骨水泥的結構。
本發明包括但不限於上述與下開之說明。實施方式則如下範例所示。
1.材料與方法
(a)魚鱗之熱分析與熱前處理試驗
本發明利用一般魚鱗以作為製備磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)粉體的原料使用，因此為了解經熱處理魚鱗可利用研磨設備破碎成粉末狀的特性，本發明利用熱重/熱差分析儀(TG/DTA,Hitachi TG7200)探討魚鱗熱裂解特性，樣品升溫條件由25℃生溫至600℃；升溫速率為10℃/min。經熱處理之魚鱗，以破碎研磨設備進行研磨5分鐘並以30號篩網(ASTM No.30 mesh)過篩，探討經不同溫度處理之魚鱗對於破碎過篩率的影響。
(b)魚鱗之氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)的配比控制
本發明將魚鱗經水洗去除表面汙染物後，利用高溫爐以380℃進行乾燥與煅燒前處理，經熱前處理後之魚鱗，以研磨設備進行研磨成魚鱗粉體，並使用30號篩網粉過篩該粉體；而魚鱗粉體(380℃煅燒後)與碳酸鈣粉末化學成分如表1所示。本發明添加不同比例之碳酸鈣粉末(重量百分比0%、10%、15%、20%與25%)於魚鱗粉體中，以對該魚鱗粉體進行配料設計，使該魚鱗粉體於高溫燒結時，其所含的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值分別控制為1.15、1.28、1.36、1.45、及1.55。
(c)高溫熱燒結試驗與XRD試驗
本發明將380℃煅燒處理之魚鱗粉與碳酸鈣粉末混合後所得之生料粉體，利用高溫爐進行高溫燒結，探討生料粉體中所含之氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之不同莫耳比對於磷酸四鈣礦物相生成狀況之影響。為增加生料粉體於高溫中反應速率，利用25頓壓錠設備將生料粉體進行壓錠處理，將壓錠處理之磷酸四鈣原料以1350℃溫度燒結並持溫6小時進行磷酸四鈣原料模擬燒結；同時為保有燒結後礦物相活性，高溫1350℃持溫6小時後進行急速激冷處理，即生料粉體出高溫爐後於立刻於室溫下放置冷卻。燒結後的生料粉體經急速激冷後再次研磨過篩，研磨後的粉體(粒徑小於75μm)以X-射線繞射分析儀(X-ray diffraction；XRD)(XRD model D2 phaser,Bruker)進行礦物相分析，樣品掃描角度(2θ)為10-75°；掃描速率為0.015°/s；掃描時間為0.35秒進行XRD圖譜掃描分析。
因此，本發明的製備磷酸四鈣流程如圖1所示，本發明的流程為：(1)熱處理及研磨：將魚鱗進行熱處理(380℃處理1小時)，以破壞魚鱗的有機結構而可順利研磨成魚鱗粉體；(2)添加原料：添加原料與該魚鱗粉體混合，得一生料粉體，其目的在於調整該生料粉體於燒結過程 中所含的氧化鈣對五氧化二磷之比例，其中該原料係選自由氧化鈣、氧化鈣前驅物、五氧化二磷及五氧化二磷前驅物所組成的群組；(3)高溫燒結：利用高溫爐以1350℃高溫燒結該生料粉體，以使該生料粉體中礦物相發生變化以生成出磷酸四鈣；以及(4)快速冷卻：為保有維持剛燒結完成之該生料粉體之礦物成分，即純度較高的磷酸四鈣，須要剛燒結完成之該生料粉體快速放置於室溫環境下，以造成極大的溫差而達到快速冷卻的效果，就可維持並得到高純度的磷酸四鈣。此外，所得的高純度的磷酸四鈣可進一步依據產品需求進行研磨過篩的動作，如研磨後的磷酸四鈣形成粒徑小於75μm的磷酸四鈣粉末。
2.結果
(a)魚鱗之熱分析與前處理
本發明利用魚鱗以作為磷酸四鈣原料使用，故為了使魚鱗能與碳酸鈣粉末進行均勻混合，魚鱗必須經過破碎研磨處理成粉末狀。但因魚鱗為有機質膠原蛋白與無機質氫氧基磷酸石所組合而成，故魚鱗具有一定的韌性特質；因此，本發明首先利用機械研磨魚鱗，發現魚鱗經機械研磨後成片狀膠結體(如圖2(A)所示)，並無法有效將魚鱗中有機質與無機質進行分離，且利用30號篩網(ASTM No.30 mesh)進行過篩分離，其過篩率僅約29%。
因此為了有效破壞魚鱗的有機結構，本發明利用熱重/熱差分析儀分析魚鱗的熱裂解溫度，而從魚鱗之熱重/熱差分析試驗結果顯示，於溫度分別於56℃與343℃時具有最大速率的熱重損失速率，熱重損失率 分別為13.1%與26.7%(數據未顯示)，分別表示魚鱗表面水揮發與魚鱗發生結構裂解。因此，將魚鱗分別以90℃與380℃溫度進行熱處理，利用研磨機研磨5分鐘後利用30號篩網過篩分離。利用90℃熱處理後之魚鱗，經破碎研磨，仍呈現棉絮結構(如圖2(B)所示)，無法完全破碎研磨成粉末態，故其破碎過篩率為35%，與未經熱處理之魚鱗破碎過篩率差異不大。然而，經380℃熱處理魚鱗，其完全破碎研磨成粉末態(如圖2(C)所示)，其過篩率提升至100%，大幅提升魚鱗研磨效率。圖2(D)顯示魚鱗於不同熱處理溫度(未熱處理、90℃熱處理及380℃熱處理)後破碎研磨之過篩率(使用30號篩網)，此結果說明魚鱗經380℃熱處理，可有效破壞魚鱗內部有機質結構，使魚鱗能夠高效率處理成粉末狀態。
(b)XRD礦物相分析
經過380℃煅燒熱處理之魚鱗透過研磨成魚鱗粉體，先利用30號篩網(ASTM No.30 mesh)進行初篩，再利用200號篩網(ASTM No.200 mesh)篩選出粒徑更小的魚鱗粉末。分別以不同的重量百分比0%、10%、15%、20%與25%之碳酸鈣粉末添加於魚鱗粉末中，使魚鱗粉末與碳酸鈣粉末均勻混合得一生料粉體，再利用高溫爐以1350℃高溫燒結6小時後經激冷處理，可得含有磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)之混合物，其為白色粉末。圖3(A)至圖3(E)為不同碳酸鈣添加比例對於該生料粉體中礦物相生長的影響，該試驗結果顯示，當碳酸鈣添加比例為0%時，CaO/P2O5比為1.15時，主要結構仍為魚鱗既有的氫氧基磷灰石(hydroxyapatite；HAp)結構，然而，隨著碳酸鈣添加比例增加時，XRD 圖譜結構出現磷酸四鈣結構，說明氧化鈣(CaO)與魚鱗的氫氧基磷灰石(HAp)發生鍵結反應，逐漸生長出磷酸四鈣結構。然而，當碳酸鈣添加比例增加至25%，CaO/P2O5比為1.55，多餘的氧化鈣無法與氫氧基磷灰石(HAp)發生燒結反應，使得磷酸四鈣粉體存在多於的游離石灰(free-CaO；f-CaO)，可能造成磷酸四鈣(tetracalcium phosphate；TTCP)應用時會有體積穩定性的影響。因此，由圖3之圖譜中顯示，較佳的碳酸鈣添加比例為20%，即當生料粉體之成分組成中CaO/P2O5為1.45時，具有較適當的磷酸四鈣(TTCP)生成。
為了解磷酸四鈣生成比例，本發明利用裏特沃爾德-X-射線繞射分析(Rietveld XRD)鑑定量化所燒結出的含有磷酸四鈣之混合物中磷酸四鈣的比例。而裏特沃爾德-X-射線繞射分析法要進行模擬計算時，要與一設定標準圖譜作為基準值；故以CaO/P2O5為1.45的生料粉體燒結所得之含有磷酸四鈣之混合物重新經過設定檢測條件以得一礦物晶相之標準圖譜(如圖4中藍線部分)，再與裏特沃爾德-X-射線繞射分析法之模擬計算圖譜(如圖4中紅線部分)相互比對。圖4為以Rietveld XRD鑑定量化以CaO/P2O5為1.45的生料粉體燒結所得之含有磷酸四鈣之混合物中各礦物相比例試驗結果。該試驗結果顯示，磷酸四鈣生成率約為92%，其餘為氫氧基磷灰石(HAp)結構，其約8%。該結果說明利用魚鱗製備磷酸四鈣粉體，透過一定燒結溫度處理後可得到90%以上之高純度之磷酸四鈣，與傳統磷酸四鈣化學製備方法具有顯著差異。
此外，表2為醫療級磷酸四鈣粉體之重金屬成分規格表，其 中鉛(Pb)、汞(Hg)、砷(As)、鎘(Cd)含量需分別小於30、5、3、5ppm。本發明利用CaO/P2O5為1.45的魚鱗粉與碳酸鈣混合原料，經燒結後得之磷酸四鈣粉體，其以X-射線螢光分析(X-Ray Fluorescence；XRF)進行化學成分分析，該化學成分之分析結果如表3所示，本發明之磷酸四鈣(TTCP)粉末之化學主成分為鈣與磷元素，且重金屬含量小，僅存在少量的鉻(Cr)、錳(Mn)等重金屬元素，符合醫療級磷酸四鈣粉體的規格。
ND：無法偵測
因此利用本發明所製作出的磷酸四鈣作成骨填補材料，即骨水泥。圖5為本發明之骨水泥的結構10，具有一圓球狀的結構100，且其材質為一磷酸鹽。而該磷酸鹽包含一磷酸四鈣200及一氫氧基磷灰石300，其中該磷酸四鈣200之形狀為一單斜晶體，而該氫氧基磷灰石300之形狀為一六方晶體。
本發明適當的描述可以在本文未具體公開的元素或限制下實施。已被用作描述的術語並不是限制。在使用這些術語和除此之外的任何等同物的表達和描述是沒有差別的，但應當認識到本發明內的權利是可能修改的。因此，雖然本發明已說明實施例和其他情況，本文中所公開的內容可以被本領域的技術人員進行修飾和變化，並且這樣的修改和變化被認為是在本發明的權利範圍之內。

Claims (10)

  1. 一種製備磷酸四鈣的方法，其包含：(1)熱處理一魚鱗，並將該魚鱗研磨成粉體，得一魚鱗粉體；(2)添加一原料於該魚鱗粉體中，得一生料粉體，其中該原料係選自一氧化鈣、一氧化鈣前驅物、一五氧化二磷及一五氧化二磷前驅物所組成的群組；以及(3)高溫燒結該生料粉體，使該生料粉體中的氧化鈣對五氧化二磷(CaO/P2O5)之莫耳比值的範圍為1.2至1.7，且高溫燒結完成後得一含有一磷酸四鈣之混合物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該熱處理之溫度大於300℃。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該魚鱗粉體之粒徑範圍為20μm至800μm。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該氧化鈣前驅物包含一碳酸鈣、一葡萄酸鈣及一檸檬酸鈣。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該五氧化二磷前驅物包含一磷灰石、一氫氧基磷灰石、一二水磷酸氫鈣及一魚鱗。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該高溫燒結之溫度大於1000℃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其進一步包含一步驟(4)，其接於步驟(3)後，其包含冷卻該含有該磷酸四鈣之混合物。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該冷卻該含有該磷酸四鈣之混合物係將該含有該磷酸四鈣之混合物於室溫冷卻。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其進一步包含步驟(5)，其接於步驟(4)後，其包含研磨該含有該磷酸四鈣之混合物成粉體，得一磷酸四鈣粉體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該磷酸四鈣粉體之粒徑小於150μm。
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