專利名稱：含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料，是用于外科醫(yī)療手術(shù)中修 復(fù)和填充骨組織缺損的新型無機生物材料。
背景技術(shù)：
生物陶瓷經(jīng)歷了由惰性生物陶瓷如氧化鋁和氧化鋯陶瓷，到可降解生物陶瓷如磷酸 三鈣陶瓷，及具有生物活性的生物陶瓷如羥基磷灰石陶瓷的變化過程。近年來，隨著再 生醫(yī)學(xué)研究和組織工程技術(shù)的發(fā)展，對生物材料的性能有了更高的要求，有學(xué)者提出了 第三代生物材料的概念，認(rèn)為新一代生物材料應(yīng)該既具有生物活性，又可降解。研究發(fā) 現(xiàn)， 一些含硅的生物玻璃兼具有這兩種特性，其生物活性體現(xiàn)在可以在模擬體液或體內(nèi) 環(huán)境中誘導(dǎo)形成類骨磷灰石，這種類骨磷灰石可以與骨組織形成健合。此外，研究顯示 這類生物玻璃材料具有促進(jìn)細(xì)胞增殖和成骨基因表達(dá)的作用。但是，生物活性玻璃存在 不易再加工成型，進(jìn)一步熱處理后會使生物活性和降解性發(fā)生變化等問題。在生物玻璃 研究的基礎(chǔ)上，研究了一系列鈣一硅體系的硅酸鹽陶瓷，證實了這類生物陶瓷具有良好 的生物活性和降解性，其生物活性和降解性與其化學(xué)組成有密切的關(guān)系，細(xì)胞實驗顯示 這類硅酸鹽陶瓷也具有促進(jìn)細(xì)胞增殖分化和骨組織再生的作用，有望成為新一代骨修復(fù) 材料。普通的磷酸鈣陶瓷，如前所說，相比于其它生物活性材料如生物玻璃陶瓷來說，采 用生物陶瓷植入體的不利之處便是它與骨骼之間的反應(yīng)性較低，且與骨骼整合的速率也 相對較低，這意味著病人需要更長的康復(fù)時間。目前，為了改善生物陶瓷植入體內(nèi)后，與骨骼之間的反應(yīng)性較低，與骨骼整合的速 率也較低的問題，借鑒生物玻璃因含硅元素而具有良好生物活性的特點，在其中添加硅 元素來改善其臨床性能，以增加其生物反應(yīng)活性。目前合成含硅的羥基磷灰石有下列幾種 一是采用將硅引入到磷灰石的晶格中，如合成羥基磷灰石后，直接涂敷正硅酸乙酯， 然后進(jìn)行煅燒；或者在羥基磷灰石固相反應(yīng)中添加硅化合物，再一同煅燒的干法制備 (Arcos D， Rodriguez-Carvajal J， Vallet-Regi M. Neutron scattering for the study of improved bone implants. Physica B， 2004， 350: 607-610);另外是在液相反應(yīng)中直接加入正 硅酸乙酯， 一同反應(yīng)后煅燒等濕、干法制備(Gibson I P， Best S M， Bonfield W. Chemicalcharacterize of silicon-substituted hydroxy apatite. J Biomed Mater Res, 1999. 4: 422-428》其目的是為了讓硅元素能夠進(jìn)入到羥基磷灰石的晶格中，從而使其晶格形成缺陷和歧化， 提高其在植入生物體內(nèi)的反應(yīng)活性。但從整個制備過程來看，無論是濕法制備還是干法 制備，為了讓硅元素能夠與磷灰石形成均相摻雜，應(yīng)進(jìn)行高溫煅燒，以提高反應(yīng)活性， 但是制備出的羥基磷灰石粉體在干燥和煅燒過程中，會因團聚現(xiàn)象嚴(yán)重，晶體增粗增大， 而與人體骨骼中的弱晶型納米骨磷灰石結(jié)構(gòu)相去甚遠(yuǎn)，降低了生物活性和界面反應(yīng)活 性。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料及其制備方法。 本發(fā)明提出的含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料是由表面包裹二氧化硅的納 米磷酸鈣前驅(qū)物燒結(jié)而成。在制備過程中通過在納米磷酸鈣表面包裹二氧化硅，避免了 納米磷酸鈣在干燥和煅燒過程納米顆粒的長粗和直接團聚，保持了磷酸鈣顆粒的納米形 態(tài)，提高了生物反應(yīng)活性，兼具納米磷酸鈣和生物玻璃的優(yōu)點，有望克服現(xiàn)有生物陶瓷 材料晶體尺度和結(jié)晶度與天然骨磷灰石相差較大，反應(yīng)活性差，而生物玻璃需多次高溫 煅燒，生物活性不穩(wěn)定，而且加工性能差的缺點。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下 步驟一、納米磷酸鈣分散液的制備將納米磷酸鈣前驅(qū)物用水洗凈后，用水將納米磷酸鈣前驅(qū)物配制成納米磷酸轉(zhuǎn)質(zhì)量含量為2.5 25%的水分散液，備用；步驟二、在納米磷酸鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅1) 活性正硅酸溶液的制備在攪拌狀態(tài)下向二氧化硅含量為0.5~20%的硅酸鈉水溶液中加入活化陽離子交換 樹脂，直至溶液pH值為9 11，然后過濾除去溶液中的陽離子交換樹脂后，即得活性正 硅酸溶液；2) 在納米磷酸鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅在室溫、攪拌條件下，將步驟二的活性正硅酸溶液加入到步驟一的納米磷酸鈣前驅(qū) 物水分散液中進(jìn)行混合，活性正硅酸溶液的加入量，以正硅酸溶液中所含二氧化硅與磷 酸鈣質(zhì)量比為1:1 1000計，至少攪拌l小時，之后在納米磷酸鈣前驅(qū)物水分散液的pH 為8 11，反應(yīng)溫度為25 9(TC條件下，攪拌2 48小時，之后用水洗滌至少3次，即得 具有二氧化硅包裹的納米磷酸鈣前驅(qū)物；步驟三、二氧化硅包裹的納米磷酸鈣前驅(qū)物的燒結(jié)將得到的二氧化硅包裹的磷酸鈣前驅(qū)物，用水洗滌至少3次，將其干燥，之后進(jìn)行 煅燒，即得含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料。所述步驟一的納米磷酸鈣前驅(qū)物采用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)液相法制備即將磷酸鹽溶液和鈣鹽溶液按其中的Ca:P二1.5 2:l.的摩爾比，于攪拌下進(jìn)行混合，攪拌反應(yīng)1 3 小時，室溫陳化24小時，得納米磷酸鈣前驅(qū)物。所述步驟二中的活化陽離子交換樹脂，是將陽離子交換樹脂用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)方 法進(jìn)行活化后得到的。所述磷酸鹽為鈣磷比為1.5~2:1的磷酸鈣化合物，包括磷酸氫鈣，焦磷酸f丐，P-磷 酸三鈣，a-磷酸三鈣，缺鈣羥基磷灰石，磷酸八鈣，羥基磷灰石，磷酸四鈣中的任意一 種。所述步驟三的干燥為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)干燥方式熱風(fēng)干燥，或冷凍干燥，或真空干燥。所述步驟三的煅燒為現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)煅燒工藝。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點和效果1) 通過在納米磷酸鈣表面包裹二氧化硅，可以防止納米磷酸鈣在干燥和煅燒過程 中，使納米顆粒長粗和直接團聚的問題，保持了磷酸鈣顆粒的納米形態(tài)，提高了納米磷酸鈣的生物反應(yīng)活性；2) 通過在納米磷酸鈣表面包裹二氧化硅，使該納米磷酸鈣兼具了普通納米磷酸f丐和生物玻璃的優(yōu)點，克服了現(xiàn)有納米磷酸鈣直接使用存在的與骨骼生物反應(yīng)活性低，而 要制成生物玻璃又需多次高溫煅燒，生物活性不穩(wěn)定，加工性能差等缺點。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述，但本發(fā)明之內(nèi)容并不局限于此。 實施例1步驟一、納米磷酸鈣分散液的制備(1)、用現(xiàn)有技術(shù)中的液相法制備納米羥基磷灰石將分析純硝酸鈣溶液和磷酸氫二銨分別配制成濃度為O.lmol/升的溶液，在攪拌條件下，將6升磷酸氫二銨溶液滴加 到10升硝酸鈣溶液中，滴加過程中，用濃氨水調(diào)節(jié)反應(yīng)介質(zhì)的pH至10.5，滴加時間為 l小時，然后繼續(xù)攪拌兩個小時，之后于室溫下陳化24小時，離心去除上清液，得納米 磷酸鈣前驅(qū)物；(2)、用去離子水將上述(1)所得納米磷酸鈣前驅(qū)物離心洗滌3次，之后加離子 水配制成納米磷酸鈣含量為2.5%的水分散液4016g;步驟二、納米磷酸鈣前驅(qū)物包裹二氧化硅(1) 、活性正硅酸溶液的制備用現(xiàn)有技術(shù)中的離子交換法制備活性正硅酸溶液將分析純的硅酸鈉加入適量去離子水配制成硅酸鈉溶液，其中溶液中的二氧化硅含量為2.5%，取該水溶液500克，在 攪拌狀態(tài)下不斷加入活化后的強陽離子交換樹脂(上海樹脂廠生產(chǎn)，并用現(xiàn)有技術(shù)的常 規(guī)方法進(jìn)行鹽酸活化)，直至把溶液pH值調(diào)整到9 10之間，濾除樹脂后，得到二氧化 硅含量為2.5%活性正硅酸溶液；(2) 納米磷酸鈣前驅(qū)物表面二氧化硅的包裹 將歩驟一的納米磷酸鈣前驅(qū)物分散液進(jìn)行攪拌，并將步驟二的活性正硅酸溶液4g加入到其中，用電動攪拌器以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速攪拌1小時后，將其分散液的pH控制 在10~11，反應(yīng)溫度控制為9(TC，降低攪拌器轉(zhuǎn)速至250轉(zhuǎn)/分，然后繼續(xù)攪拌2小時， 反應(yīng)完畢后用去離子水洗滌3次以上備用；步驟三、煅燒包裹二氧化硅的納米磷酸鈣前驅(qū)物-上述反應(yīng)完畢后將所得反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水離心洗滌3次后，ll(TC熱風(fēng)干燥4小時 后，于IOOO 'C的高溫爐中煅燒40分鐘，得到含二氧化硅的納米羥基磷灰石生物活性陶 瓷粉末。實施例2步驟一、納米磷酸鈣分散液的制備(1) 將0.75mo1分析純氫氧化鈣配成0.5mol/L的溶液，用高速分散機以2000轉(zhuǎn)/ 分的速度分散30分鐘，再用攪拌機以1000轉(zhuǎn)/分的速度繼續(xù)攪拌，將0.75mol分析純的 磷酸配成0.2mol/L的溶液，然后將磷酸溶液滴加到撹拌中的氫氧化鈣溶液中，攪拌2 小時，然后陳化24小時，離心去除上層清液，得到納米磷酸三鈣前驅(qū)物；(2) 用去離子水將上述(1)得到的磷酸三鈣前驅(qū)物離心洗滌3次，然后加入去離 子水，使得磷酸三鈣前驅(qū)物和水的總重量為310g，即配制成磷酸三鈣含量為7.5%的水 分散液；步驟二、納米磷酸三鈣前驅(qū)物包裹二氧化硅(1)、活性正硅酸溶液的制備 用現(xiàn)有技術(shù)中的離子交換法制備活性正硅酸溶液將分析純的硅酸鈉按二氧化硅含量為20%配制成水溶液500克，然后不斷加入活化后的強陽離子交換樹脂(上海樹脂 廠生產(chǎn)，并用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)方法進(jìn)行鹽酸活化)，直至把溶液pH值調(diào)整到10 11，濾 去樹脂，得到二氧化硅含量為20%的活性正硅酸溶液；(2)納米磷酸三鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅的制備將步驟一的納米磷酸三鈣前驅(qū)物水分散液進(jìn)行攪拌，并將歩驟二的活性正硅酸溶液 388g緩慢滴加到攪拌中的納米磷酸三鈣前驅(qū)物水分散液中，滴加1小時，用電動攪拌器 以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速攪拌1小時后，將溶液pH值控制在8 9，反應(yīng)溫度控制在4(TC， 降低轉(zhuǎn)速到200轉(zhuǎn)/分，繼續(xù)攪拌24小時；歩驟三、煅燒包裹二氧化硅的納米磷酸三鈣前驅(qū)物上述反應(yīng)完畢后將所得反應(yīng)產(chǎn)物用去離子水離心洗滌3次，用無水乙醇再洗滌三次， 然后于ll(TC熱風(fēng)干燥8小時，得到的白色粉末用5%的聚乙烯醇溶液調(diào)和，調(diào)和固液 比為4:1;調(diào)和物移到金屬模具中，在5Mpa下壓制成型，坯體在8(TC干燥，最后在1150 。C下煅燒2小時，得到含二氧化硅的(3-磷酸三鈣生物活性陶瓷塊體。實施例3步驟一、納米磷酸鈣分散液的制備 (1)將80g分析純氫氧化鈣配成1升lmol/L的漿液，用高速分散機以2000轉(zhuǎn)/ 分的轉(zhuǎn)速分散30分鐘，再用攪拌機以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速繼續(xù)攪拌，將0.5mo1分析純的 磷酸配成l升0.5mol/L的溶液，然后將磷酸溶液，滴加到攪拌的氫氧化鈣漿液中，攪拌 2小時，然后陳化24小時，離心去除上層清液，得到納米磷酸四f丐的前驅(qū)物；(2)將上述得到的納米磷酸四鈣的前驅(qū)物用去離子水離心洗滌3次，然后加入適量水 使得納米磷酸鈣前驅(qū)物和水總的重量為910g，即配制成磷酸四鈣含量為10%的水分散 液；歩驟二、納米磷酸鈣前驅(qū)物包裹二氧化硅(1) 、活性正硅酸溶液的制備 用現(xiàn)有技術(shù)中的離子交換法制備活性正硅酸溶液將分析純的硅酸鈉按二氧化硅含量為7.5%配制成水溶液500克，然后不斷加入鹽酸活化后的強陽離子交換樹脂(上海 樹脂廠生產(chǎn)，并用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)方法進(jìn)行鹽酸活化)，直至把溶液pH值調(diào)整到10 11 之間，濾去樹脂，得到二氧化硅含量為7.5%活性硅酸溶液；(2) 納米磷酸鈣前驅(qū)物表面二氧化硅的包裹將步驟一的磷酸四鈣前驅(qū)物水分散液進(jìn)行攪拌，取步驟二的活性硅酸溶液258g緩慢滴加到上述攪拌中的納米磷酸四鈣前驅(qū)物水分散液中，滴加1小時，用電動攪拌器以 1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，之后將溶液pH值控制在9 10，反應(yīng)溫度控制在25。C，降 低轉(zhuǎn)速到200轉(zhuǎn)/分繼續(xù)攪拌48小時；步驟三、煅燒包裹二氧化硅的納米磷酸鈣前驅(qū)物上述反應(yīng)完畢后，將所得反應(yīng)產(chǎn)物去離子水離心洗滌三次，然后ll(TC熱風(fēng)干燥4 小時，然后與高溫爐中160(TC下煅燒6小時，得到含二氧化硅的磷酸四f丐化陶瓷粉末。
權(quán)利要求
1、一種含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料，其特征在于經(jīng)過下列步驟制得步驟一、納米磷酸鈣分散液的制備將納米磷酸鈣前驅(qū)物用水洗凈后，用水將納米磷酸鈣前驅(qū)物配制成納米磷酸鈣質(zhì)量含量為2.5～25％的水分散液，備用；步驟二、在納米磷酸鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅1)活性正硅酸溶液的制備在攪拌狀態(tài)下向二氧化硅含量為0.5～20％的硅酸鈉水溶液中加入活化陽離子交換樹脂，直至溶液pH值為9～11，然后過濾除去溶液中的陽離子交換樹脂后，即得活性正硅酸溶液；2)在納米磷酸鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅在室溫、攪拌條件下，將步驟二的活性正硅酸溶液加入到步驟一的納米磷酸鈣前驅(qū)物水分散液中進(jìn)行混合，活性正硅酸溶液的加入量，以正硅酸溶液中所含二氧化硅與磷酸鈣質(zhì)量比為1∶1～1000計，至少攪拌1小時，之后在納米磷酸鈣前驅(qū)物水分散液的pH為8～11，反應(yīng)溫度為25～90℃條件下，攪拌2～48小時，之后用水洗滌至少3次，即得具有二氧化硅包裹的納米磷酸鈣前驅(qū)物；步驟三、二氧化硅包裹的納米磷酸鈣前驅(qū)物的燒結(jié)將得到的二氧化硅包裹的磷酸鈣前驅(qū)物，用水洗滌至少3次，將其干燥，之后進(jìn)行煅燒，即得含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料，其特征在于所 述步驟一的納米磷酸鈣前驅(qū)物采用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)液相法制備即將磷酸鹽水溶液和 鈣鹽水溶液按其中的Ca:P二1.5 2:l.的摩爾比，于攪拌下進(jìn)行混合，攪拌反應(yīng)1 3小 時，室溫陳化24小時，得納米磷酸鈣前驅(qū)物。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料，其特征在于所 述步驟二中的活化陽離子交換樹脂，是將陽離子交換樹脂用現(xiàn)有技術(shù)中的常規(guī)方法進(jìn)行 活化后得到的。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料，其特征在于所 述磷酸鹽為鈣磷比為1.5~2:1的磷酸鈣化合物，包括磷酸氫鈣，焦磷酸鈣，P-磷酸三鈳， a-磷酸三鈣，缺鈣羥基磷灰石，磷酸八鈣，羥基磷灰石，磷酸四l丐中的任意一種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含二氧化硅的磷酸鈣生物活性陶瓷材料及其制備方法，它是由表面包裹二氧化硅的納米磷酸鈣前驅(qū)物顆粒燒結(jié)而成。這種含二氧化硅的納米磷酸鈣生物活性陶瓷材料通過液相法合成納米磷酸鈣前驅(qū)物的水分散液，加入活性硅酸溶液，通過控制反應(yīng)的pH值，溫度和時間，使活性硅酸凝縮聚膠為二氧化硅包裹于納米磷酸鈣前驅(qū)物表面，最后經(jīng)過干燥和高溫煅燒后獲得。由于在納米磷酸鈣前驅(qū)物表面包裹二氧化硅，因而在干燥和煅燒過程中避免了納米磷酸鈣之間的直接團聚，保持納米磷酸鈣前驅(qū)物原有的納米尺度結(jié)構(gòu)，同時磷酸鈣顆粒表面引入的二氧化硅使得該材料在生物體內(nèi)具有比普通納米磷酸鈣更好的界面反應(yīng)活性。
文檔編號A61L27/02GK101401951SQ20081023357
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月17日
發(fā)明者宋志國, 尹兆益, 邱建備 申請人:昆明理工大學(xué)