專利名稱：可降解多孔硅酸鈣陶瓷生物活性材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可降解多孔硅酸鈣陶瓷生物活性材料的制備，屬生物材料領(lǐng)域。
無機(jī)生物醫(yī)用硬組織修復(fù)和替換材料方面主要有鈣-磷基生物材料和鈣-硅基生物材料。其中鈣-磷基生物材料研究已經(jīng)有很長的歷史，過去的研究發(fā)現(xiàn)在鈣-磷基材料中羥基磷灰石類生物材料具有較好的生物活性，但降解性差，而磷酸三鈣類生物材料降解性較好但生物活性低。近年來鈣-硅基生物材料如生物活性玻璃和硅酸鈣類材料則由于既具有優(yōu)良的生物活性又具有良好的降解性而越來越受到重視。
20世紀(jì)80年代日本的Kokubo等人(J.Mater.Sci.，1986，21536)研究出的A-W玻璃是一種在玻璃相中析出磷灰石和硅酸鈣兩種晶相的玻璃陶瓷。該材料具有較好的機(jī)械力學(xué)性能和生物活性但不能降解。西班牙圣地亞哥大學(xué)的P.N.de Aza(Biomaterials，1997，181285)以磷酸三鈣和硅酸鈣共熔制備出致密的生物陶瓷并研究了該材料的生物活性，研究表明在模擬體液中，骨磷灰石能在硅灰石陶瓷的表面形成，Kokubo等人的研究也證實，在模擬體液中CaO-SiO2基玻璃表面能形成骨磷灰石層，而CaO-P2O5基玻璃表面沒有骨磷灰石形成。Punnama等人(J.Biomed.Mater.Res.，2000，5230)發(fā)現(xiàn)，在模擬體液中硅酸鈣陶瓷表面骨磷灰石的形成速度比其他生物玻璃和玻璃陶瓷更快。我們的研究也表明硅酸鈣陶瓷生物材料具有良好的生物活性、良好的生物降解性和良好的力學(xué)性能。除了材料的組成之外，材料的結(jié)構(gòu)在很大程度上會直接影響到材料的臨床應(yīng)用。以前的研究表明，孔徑在50-500微米的多孔塊體生物材料最適合作為硬組織修復(fù)材料和細(xì)胞支架材料?？讖皆谶@個范圍的多孔生物材料的優(yōu)點是有利于細(xì)胞遷移、組織長入及材料與活體組織的融合從而更有效地達(dá)到修復(fù)人體組織缺損和組織重建的目的。組織長入多孔結(jié)構(gòu)中還能增強(qiáng)種植材料的駐扎和穩(wěn)定性。此外，在近幾年迅速發(fā)展的組織工程學(xué)研究中，可生物降解的多孔生物材料是一個必不可少的部分。以多孔支架作為細(xì)胞載體，讓細(xì)胞在基質(zhì)材料中生長并構(gòu)建含有本體細(xì)胞基因信息的活體組織，再植入人體中以修復(fù)缺損組織和器官。因此，可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料作為硬組織缺損修復(fù)材料和用于體外骨組織培養(yǎng)的細(xì)胞支架有著廣泛的應(yīng)用前景。
然而，可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備還未見報道。
Hench的研究表明生物活性玻璃是可以引起特異的生理反應(yīng)的組合物。當(dāng)生物活性玻璃暴露在周圍體液中時，離子交換和不規(guī)則的表面溶解作用可產(chǎn)生一個水合硅膠層，從而增加了比表面積并促進(jìn)了在粗糙的玻璃上形成一層微晶骨磷灰石層。該層不僅與骨形成骨性結(jié)合，還與膠原纖維結(jié)合，從而使得該類材料同組織形成生物學(xué)固定。
用本發(fā)明制備方法提供的多孔硅酸鈣陶瓷生物材料在人體模擬體液中具有良好的生物活性，與生物活性玻璃相似，在數(shù)小時內(nèi)即可釋放出硅離子，并在表面沉積上微晶骨磷灰石。此外，本發(fā)明的硅酸鈣生物陶瓷還具有優(yōu)良的可降解性，體外溶解性實驗顯示在模擬體液環(huán)境下5天的降解率約31％。因此，本發(fā)明的多孔硅酸鈣生物陶瓷材料既具有良好的生物界面和化學(xué)特性，又具有良好的生物可降解性。
本發(fā)明的另一特點是通過控制工藝條件使材料既具有較高的氣孔率(40-80％)和合適的孔徑(50-500微米)，又具有適當(dāng)?shù)牧W(xué)強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度為3-80MPa)。
綜上所述，本發(fā)明的多孔硅酸鈣生物陶瓷材料作為硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料具有獨特優(yōu)勢。
本發(fā)明的實施方案如下1、材料制備本發(fā)明的硅酸鈣微粉是通過化學(xué)方法制備得到的。所用的無機(jī)原材料均為分析純的Ca(NO3)2·4H2O、Na2SiO3·9H2O、氨水，水為去離子水。配制0.1-1.0mol/L的Ca(NO3)2·4H2O和Na2SiO3·9H2O溶液，以等摩爾比的物料反應(yīng)，按1-3ml/min的速度將Na2SiO3溶液加入Ca(NO3)2溶液中，物料加畢后繼續(xù)攪拌8-24小時，過濾并用去離子水和無水乙醇充分洗滌去除殘留的Na+離子，烘干得到的粉體經(jīng)球磨過篩后于800-1000℃煅燒1-3小時，球磨后顆粒度可控在100nm-250μm的β-CaSiO4微粉。本發(fā)明的優(yōu)選顆粒度為100nm-150μm。本發(fā)明的造孔劑的優(yōu)選種類是PEG(聚乙二醇)、PVA(聚乙烯醇)、石蠟、聚苯乙烯-二乙烯苯等有機(jī)或高分子材料，其顆粒度優(yōu)選范圍是100-700微米。采用一定顆粒度范圍的30-60％(質(zhì)量百分比)的造孔劑同硅酸鈣微粉混合，之后可以采取兩種成型方法，第一種是干壓法，即在上述的混合料中加入1-5％(質(zhì)量百分比)濃度為1-10％的PVA(聚乙烯醇)作黏結(jié)劑，混合均勻后，在鋼模中以2-20MPa的壓力干壓成型得本發(fā)明的多孔材料素坯；第二種方法是凝膠注模成型方法，即先配制如下質(zhì)量百分比濃度的水溶液，20％的AM、2％的MBAM和5-10％的PMAA-NH4，按體積百分比30-60％的比例將上述混合料同上述水溶液混合均勻，加入質(zhì)量百分比1-5％的過硫酸銨數(shù)滴、質(zhì)量百分比1-5％的TEMED數(shù)滴，攪拌均勻得流動性和均勻性均較好的漿料，將漿料倒入塑料或石膏模具內(nèi)凝膠注模成型，并在30-80℃引發(fā)單體的交聯(lián)反應(yīng)1-10小時，之后在100℃干燥數(shù)小時得本發(fā)明的多孔材料素坯。最后將二種工藝所得的素坯在900-1400℃煅燒1-5小時得到本發(fā)明的多孔材料。
2、性能評價2.1多孔材料的力學(xué)強(qiáng)度對本發(fā)明得到的系列樣品在日本島津公司的AG-I精密萬能實驗機(jī)上測試抗壓強(qiáng)度。樣品的測試速度為5.0mm/min，測試表明本發(fā)明得到的多孔材料的抗壓強(qiáng)度的可控制在3-80MPa范圍內(nèi)。
2.2多孔材料的孔隙率我們對本發(fā)明得到的部分樣品應(yīng)用阿基米德法測試孔隙率，應(yīng)用掃描電鏡(SEM)觀察孔形態(tài)和孔分布。測試表明本發(fā)明得到的多孔材料的孔隙率可控制在40-80％范圍內(nèi)。
2.3生物活性評價將本發(fā)明得到的多孔材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、晾干后進(jìn)行體外溶液生物活性測試。所用的溶液為人體模擬體液(SBF；Simulated BodyFluid)。SBF含有與人體血漿相同的離子和離子團(tuán)濃度。SBF組成為NaCl 7.996g/LNaHCO3 0.350g/LKCl 0.224g/LK2HPO4.3H2O 0.228g/LMgCl2.6H2O 0.305g/LHCl 1mol/LCaCl20.278g/LNa2SO4 0.071g/LNH2C(CH2OH)3 6.057g/L
多孔材料在SBF中，反應(yīng)條件為0.15g多孔材料加30.0mL SBF溶液于37℃恒溫箱內(nèi)振蕩。分別將多孔材料浸泡1、3和7天后，取出樣品并經(jīng)過去離子水洗滌后做SEM、傅立葉紅外變換光譜(FTIR)和XRD測試，結(jié)果分別見圖3、圖4、圖5。生物活性實驗表明本發(fā)明得到的硅酸鈣多孔材料能在表面誘導(dǎo)生成骨羥基磷灰石，從而表明這些材料具有良好的生物活性。
2.4生物可降解性評價將本發(fā)明得到的多孔材料先后經(jīng)去離子水和丙酮洗滌、烘干后進(jìn)行生物可降解性實驗測試。我們通過該類多孔材料在SBF中浸泡不同的系列時間后釋放的硅的百分含量來評價材料的降解速度及生物可降解性。
如質(zhì)量百分比60∶40的硅酸鈣微粉與315-630微米的PEG粉混合，經(jīng)干壓成型和1100℃/3h煅燒后在SBF中5days的降解率就達(dá)31.04％，可見本發(fā)明的多孔材料具有很好的生物可降解性。
圖2為化學(xué)法制備得到的硅酸鈣粉體在800℃/2h和1100℃/2h煅燒后的XRD圖，表明材料在800℃/2h和1100℃/2h煅燒得到的物相分別是β-CaSiO3和α-CaSiO3物相。
圖3為本發(fā)明的硅酸鈣多孔材料在SBF(人體模擬體液)中浸泡前(A)和浸泡1天(B)和3天(C)后的SEM圖。
圖4為本發(fā)明的硅酸鈣多孔材料在SBF中浸泡前、浸泡1、3和7天后的傅立葉變換紅外光譜(FTIR)圖。
圖5為本發(fā)明的硅酸鈣多孔材料在SBF中浸泡0、1、3和7天后的XRD圖。
圖3、4、5的結(jié)果顯示本發(fā)明的多孔硅酸鈣材料經(jīng)SBF中浸泡后，很快就在材料的表面上形成骨磷灰石層，具有很強(qiáng)的生物活性。
實施例1所用的原材料如上文所述。
取0.4mol的Ca(NO3)2·4H2O溶于1000mL去離子水中，并用120mL的1∶1的氨水調(diào)節(jié)到pH＝13左右，將0.4mol的Na2SiO3·9H2O溶于1000mL去離子水中。按2mL/min的速度將上述的Na2SiO3溶液加入到Ca(NO3)2溶液中，加畢繼續(xù)攪拌12小時，抽濾并分別用去離子水和無水乙醇充分洗滌去除殘留的Na+離子，得濕粉體，將濕粉體在80℃烘干12小時得到干粉體，球磨并過100目尼龍網(wǎng)篩后在800℃煅燒2小時，得到β-CaSiO3微粉。
將800℃/2h煅燒的粉體過300目篩。按質(zhì)量比60∶40，將硅酸鈣與315-630微米的PEG粉混合，加入濃度為6％的PVA溶液作黏結(jié)劑，調(diào)均勻后，于14MPa壓力下干壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯的煅燒制度如下2℃/min的升溫速率升至400℃，保溫2小時，之后仍以2℃/min的升溫速率升至1100℃，并保溫3小時，隨爐冷卻。制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約48MPa，孔隙率約54％，物相為α-CaSiO3(圖2)。
將所得的多孔材料在SBF模擬體液中浸泡1、3、5和7天，并將浸泡后的樣品進(jìn)行生物活性和生物降解性性能評價。圖3、圖4和圖5表明本發(fā)明制備得到的多孔生物材料具有優(yōu)良的生物活性。在SBF中浸泡5天的生物降解率達(dá)31％，表明本發(fā)明得到的生物活性陶瓷具有良好的生物可降解性。
實施例2使用的原料和硅灰石微粉的制備方法與實施例1同。將800℃/2h煅燒的粉體過300目篩。
按硅灰石與300-600微米的PVA粉質(zhì)量比50∶50取料混合，得固體混合料。配制含20％的AM、2％的MBAM和8％的PMAA-NH4的水溶液，按體積百分比50∶50的比例將10克上述固體混合料同上述水溶液混合均勻，加入質(zhì)量百分比3％的過硫酸銨3滴、質(zhì)量百分比3％的TEMED 2滴，攪拌均勻得流動性較好的漿料，將漿料倒入塑料或石膏模具內(nèi)凝膠注模成型，并在60℃引發(fā)單體的交聯(lián)反應(yīng)3小時，之后在100℃干燥12小時后脫模得本發(fā)明的多孔材料素坯。素坯的煅燒制度如下2℃/min的升溫速率升至400℃，保溫2小時，之后仍以2℃/min的升溫速率升至1150℃，并保溫5小時，隨爐冷卻。制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約為20MPa，孔隙率約65％。
多孔材料的性能評價如實施例1。
實施例3使用的原料和硅灰石微粉的制備方法與實施例1同，將800℃/2h煅燒的粉體過300目篩。
按質(zhì)量比40∶60，將硅酸鈣粉體與315-630微米的PEG粉混合，加入濃度為6％的PVA溶液作黏結(jié)劑，調(diào)均勻后，于14MPa壓力下干壓成型，脫模得多孔材料的素坯。素坯的煅燒制度如實施例1，制得本發(fā)明的多孔材料的抗壓強(qiáng)度約5MPa，孔隙率達(dá)75％。
多孔材料的性能評價如實施例1。
權(quán)利要求
1.一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，包括先采用化學(xué)方法制備β-硅酸鈣微粉，其特征在于(1)在β-硅酸鈣微粉中加入30-60％(質(zhì)量，下同)的造孔劑均勻混合；(2)加入1-5％濃度為1-10％的聚乙烯醇作粘結(jié)劑，混勻在鋼模中以2-20MPa的壓力干壓成型，制成多孔素坯，最終在900-1400℃煅燒1-5小時；(3)所述的造孔劑，包括聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟、聚苯乙烯-二乙烯。
2.按權(quán)利要求1所述的一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于化學(xué)方法制備β-硅酸鈣微粉工藝過程是以分析純Ca(No3)2·4H2O、Na2SiO3·9H2O、氨水和去離子水為原料；配制成1.0mol/l的Ca(No3)和Na2SiO3水溶液，將Na2SiO3溶液加入到Ca(No3)2溶液中以等摩爾比物料反應(yīng)，加畢后繼續(xù)攪拌8-24小時，過濾并用去離子水和無水乙醇充分洗滌除去殘留的Na+，烘干過篩后于800-1000℃煅燒1-3小時，可得β-硅酸鈣的顆粒度在100nm-250μm之間。
3.按權(quán)利要求2所述的一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于所制得的硅酸鈣微粉顆粒度為100nm-250μm。
4.一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于(1)在β-硅酸鈣微粉中加入30-60％(質(zhì)量，下同)的造孔劑均勻混合；(2)配制20％的AM、2％的MBAM和5-10％的PMAA-NH4，的水溶液，然后以體積百分比30％-60％的比例將上述(1)的混合料同所配制的水溶液混合均勻，加入濃度為1-5％的過硫酸銨和1-5％的TEMED數(shù)滴，攪拌均勻得到流動性較好的漿料；(3)將漿料倒入塑料或石膏模具內(nèi)凝膠注模成型，并在30-80℃引發(fā)單體的交聯(lián)反應(yīng)1-10小時后在100℃烘干；(4)烘干后素坯在900-1400℃煅燒1-5小時；(5)所述4的造孔劑，包括聚乙二醇、聚乙烯醇、石蠟、聚苯乙烯-二乙烯。
5.按權(quán)利要求4所述的一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于化學(xué)方法制備β-硅酸鈣微粉工藝過程是以分析純Ca(No3)2·4H2O、Na2SiO3·9H2O、氨水和去離子水為原料；配制成1.0mol/l的Ca(No3)和Na2SiO3水溶液，將Na2SiO3溶液加入到Ca(No3)2溶液中以等摩爾比物料反應(yīng)，加畢后繼續(xù)攪拌8-24小時，過濾并用去離子水和無水乙醇充分洗滌除去殘留的Na+，烘干過篩后于800-1000℃煅燒1-3小時，可得β-硅酸鈣的顆粒度在100nm-250μm之間。
6.按權(quán)利要求5所述的一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于所制得的β-硅酸鈣顆粒為100nm-150μm。
7.按權(quán)利要求1或4所述的一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法制得的多孔硅酸鈣生物材料，其特征在于氣孔率為40％-80％，孔徑為50-500微米。
8.一種可降解多孔硅酸鈣生物陶瓷材料的制備方法制得的多孔硅酸鈣生物材料，用于硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及可降解多孔硅酸鈣陶瓷生物活性材料的制備方法，屬生物材料領(lǐng)域。本發(fā)明以濕化學(xué)方法制備得到的硅酸鈣微粉為原料，添加不同顆粒度的有機(jī)或高分子造孔劑(pore－forming agent)，經(jīng)混合后干壓成型或凝膠注模成型得多孔材料素坯，將素坯在一定的升溫制度下煅燒，可以得到力學(xué)強(qiáng)度、孔隙率和孔大小可控的且具通孔的和生物活性良好的可降解多孔生物材料，用作硬組織缺損修復(fù)材料和體外骨組織培養(yǎng)用細(xì)胞支架材料。本發(fā)明工藝簡單易行且便于推廣。
文檔編號A61L31/02GK1403414SQ02137248
公開日2003年3月19日 申請日期2002年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月28日
發(fā)明者林開利, 常江 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所