專利名稱：：復(fù)合生物陶瓷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種可應(yīng)用于生物體的陶瓷，尤其是一種具有活性和生物相容性的新型復(fù)合生物陶瓷(CompoundBieactiveCeramic簡稱CBC)。生物陶瓷材料必須無毒、與生物組織有足夠好的相容性，并要能制成各種形狀以便于植入生物體內(nèi)。當(dāng)前生物陶瓷大體有以下三類材料1、接近惰性的材料，如氧化鋁陶瓷。2、能完全被吸收的陶瓷材料，如磷酸三鈣類陶瓷。3、表面活性材料，如生物玻璃，致密羥磷灰石陶瓷。在生物陶瓷系統(tǒng)中研究較多的是羥基磷灰石陶瓷，特別是致密多晶羥基磷灰石，其為高密度，是不被吸收的人工骨材料。已有技術(shù)中制備生物陶瓷的合成方法，得到的都是羥基磷灰石為主的材料，不太理想。中國專利CN86108700公開了一種“致密多晶羥基磷灰石微粒的制作方法”，制得產(chǎn)品為純羥基磷灰石成份，單一的六方結(jié)構(gòu)。目前研究者們偏重研究的一類生物陶瓷材料是把接近惰性生物陶瓷的高強(qiáng)度和能與機(jī)體結(jié)合的表面化學(xué)活性兩者結(jié)合起來，即具有材料的生物性吸收與新骨組織長入是相匹配的。本發(fā)明的目的是提供一種羥基磷灰石(Hydroxapatite，簡稱HA)與生物玻璃(Biolass，簡稱BG)混合燒制成的具有新結(jié)構(gòu)，有生物活性的復(fù)合物陶瓷(CompoundBioactiveCeramic，簡稱CBC)，CBC能與骨組織形成生物性結(jié)合，具有良好的生物相容性。本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到以重量百分比分別為40%-60%的羥基磷灰石和60%-40%的生物玻璃為基料，最好是按各占50%的比例，制成粒度相同的粉未，按比例混合均勻，在大于2000Kg/CM2的壓力下加壓成塊狀。然后放入硅碳棒高溫箱式電爐中高溫?zé)Y(jié)，溫度為1200℃-1300℃的情況下保溫2-4小時，待自然冷卻后即獲得CBC材料。CBC材料是一種新型的生物陶瓷人工骨材料，它是由不同的晶體所組成，是非均一性結(jié)構(gòu)的，具有特種功能的陶瓷材料。為了查明其成份及其結(jié)構(gòu)采用光譜、化學(xué)偏光顯微鏡、X射線衍射、掃描電鏡等手段對材料的物質(zhì)組成，結(jié)構(gòu)及一些物理性能進(jìn)行了分析測試。(一)光譜及化學(xué)分析1、光譜分析采用WPG-100型平面光柵攝譜儀對CBC材料做了光譜分析，結(jié)果見表1。表1CBC材料光譜分析</tables>由表1可知CBC材料的主要元素為Ca、Si、P、Na，并含少量的Al、Mg、Fe、Ag、Bl、Cu、Sn等。2、化學(xué)分析對CBC材料中含量大于1%的元素做化學(xué)分析，結(jié)果見表2。表2CBC材材料化學(xué)分析</tables>化學(xué)分析結(jié)果表明材料中的CaO、P2O5、SiO2、Na2O含量較高，Al2O2較少。Ca/P比值為2.65。采用溶液法(配制成1%濃度，震蕩30分鐘，靜置5天后用PHS-2型酸度計(jì)測試)對CBC料漿進(jìn)行PH值測定，測試結(jié)果PH值為7.98，偏堿性。(二)物質(zhì)組成及相對概量1、X-射線衍射分析采用日本理學(xué)3015型X-射線衍射儀對CBC材進(jìn)行衍射分析(衍射圖略)后可知CBC材料為復(fù)相晶體物質(zhì)，有A、B、C三種物相，A相為β-Na2Ca4(PO2)2SO4，是材料中的主要成份。B相為Ca3Si2O7，屬于材料中的次要成份。C相是β-型磷酸鈣[β-Ca2P2O7]，含量較少。根據(jù)CBC材料的衍射圖譜及低衍射角度下的彌散峰分析，材料中還有少量的其它物質(zhì)和非晶態(tài)物質(zhì)存在。2、CBC材料中各物質(zhì)相對概量根據(jù)化學(xué)分析，衍射分析等結(jié)果綜合分析，得到CBC材料中各物質(zhì)的相對概量見表3</tables>從表3可見CBC材料是以A相(β-Na2Ca4(PO4)2SiO4)為主，構(gòu)成材料的基質(zhì)，其它物質(zhì)以聚集體、微粒等形式與基質(zhì)共存?；|(zhì)約占材料的四分之三，其它物質(zhì)僅占四分之一。(三)、CBC材料中的晶體結(jié)構(gòu)分析1、A相晶胞參數(shù)的精確測定衍射分析中發(fā)現(xiàn)材料中的A相的特征衍射線有微小偏差，與標(biāo)準(zhǔn)相比較，A相屬β-Na2Ca4(PO4)2SiO4的可能性較大，但仍不能排除屬與衍射數(shù)據(jù)較為接近的β-NaCaPO4物相，為進(jìn)一步查明CBC材料中的主要物質(zhì)，對材料的A相又進(jìn)行了衍射數(shù)據(jù)和晶胞參數(shù)精確測定工作。測定前對儀器作精密調(diào)整，并用高純度SiO2修正了不同衍射角度偏差。精確測定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比較結(jié)果表明測定的晶胞參數(shù)值及計(jì)算的軸率與β-Na2Ca4(PO4)2SiO4的標(biāo)準(zhǔn)值非常接近，與β-NaCaPO的標(biāo)準(zhǔn)值相距較遠(yuǎn)。從而進(jìn)一步證實(shí)了CBC材料中的A相是β-Na2Ca4(PO4)2SiO4。由測定結(jié)果還表明測定值與β-N2Ca4(PO4)2SiO4標(biāo)準(zhǔn)晶胞參數(shù)比較a值小，而c/b值較大，表明該晶體物質(zhì)的晶格中有較多的Na+(0.95)離子置換了Ca2+(0.99)離子，物質(zhì)的結(jié)晶作柱狀向b軸方向伸長。2、各物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析1)β-Na2Ca4(PO4)2SiO4該物質(zhì)是CBC中的主要物質(zhì)，為斜方晶系，是離子型化合物，在結(jié)構(gòu)上有Na+、Ca2+陰離子與四面體[PO4]-3、[SiO4]-4，由結(jié)構(gòu)上分析屬磷灰石類物質(zhì)，有較多的Na+離子存在，具有很高的化學(xué)活性。2)硅鈣石[Ca3Si2O7]硅鈣石屬于硅酸鹽物質(zhì)，單斜晶系，雙四面體結(jié)構(gòu)，以集合體形式與基體物質(zhì)共存，在CBC材料中起加固基體物質(zhì)的作用，對提高材料后期的硬度和強(qiáng)度大有益處3)磷酸鈣[β-Ca2P2O7]磷酸鹽物質(zhì)，四方晶系，離子型化合物。同樣以集合體形式與基體物質(zhì)共存。磷酸鈣物相的組成元素與骨組織所含元素相同。4)其它在CBC材料中還有少量的氧化物和非晶態(tài)物質(zhì)存在。CBC材料是以β-Na2Ca4(PO4)2SiO4為主相的多晶體的非均一性的陶瓷，其中的Ca3Si2O7呈細(xì)粒集合體，成球狀或柱狀晶粒與主相共存。還有些少量的玻璃相及不規(guī)則粒狀物，存在于以上聚集體的間隙中。與現(xiàn)有生物陶瓷材料相比，CBC材料晶粒較細(xì)，孔隙率約為22.9%比重為2.98克/厘米3、硬度為454Kg/mm2，CBC材料為微溶物質(zhì)，材料為離子型化合物，它具有[PO4]及[SiO]四面體的結(jié)構(gòu)，Na+離子普遍分布在材料中，CBC材料在特定的環(huán)境下，由于Na+離子半徑較小，較為活躍，使材料具有很高的活性，CBC材料中含有豐富的鈣、磷，Ca/P比值為2.65，能為新骨形成提供一個網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，且具有豐富鈣、磷成份，為新骨形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)則定和分析，CBC能與骨組織緊密結(jié)合的原因是CBC以Ca、P為主為離子型化合物，有較多孔隙，并含較高的活性Na離子。當(dāng)材料與骨組織在特定條件下結(jié)合時，發(fā)生了離子的交換和磷酸鹽物質(zhì)運(yùn)動，陽離子Na+易從基質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)中逸出，所缺空位則被離子半徑相近的Ca2+離子占據(jù)，從而使Ca2+離子在界面相對聚集，Na+離子則大量減少。陰離子團(tuán)中的Si離子也易被P離子置換，同樣使P離子在界面聚集，Si離子減少，但置換較慢，另一方面，由于材料中的孔隙較多，結(jié)合時與骨組織親和的磷酸鹽物質(zhì)容易擴(kuò)散到界面沉積，結(jié)晶成為磷灰石物質(zhì)。因此，可以認(rèn)為CBC材料與骨組織的結(jié)合是能通過離子交換和磷酸鹽物質(zhì)擴(kuò)散沉積于界面后完成的，從而使具有活性的CBC材料在與骨組織結(jié)合中有著明顯的親和性。經(jīng)生物相容性試驗(yàn)檢測，CBC材料具有良好的生物相容性，能較快的引導(dǎo)新骨形成，經(jīng)臨床應(yīng)用效果較好。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、CBC材料的主要元素為Ca、P、Si、Na，其中CaO40.22%，SiO221.27%，P2O325.03%，Na2O9.95%。Ca/P比為2.65，材料偏堿性。由于Ca、P是骨組織的構(gòu)成元素，Na為身體需要且易被吸收元素，Si為構(gòu)成材料晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定元素。因而CBC材料與骨組織結(jié)合后相容，不產(chǎn)生排斥反應(yīng)。2、CBC材料是以β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4為主體并伴生其它磷酸鹽、硅酸鹽等物質(zhì)的復(fù)合生物陶瓷?；|(zhì)β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4與骨組織中的羥磷灰石，具有生物相容性。CBC材料中的其它磷酸鹽也由于組分與骨組織相同易擴(kuò)散到結(jié)合界面沉積結(jié)晶，硅酸鹽在材料中起到凝結(jié)加固基質(zhì)作用。提高材料的后期硬度。3、CBC材料為離子型化合物。分析可知Na+離子主要存在于基質(zhì)中，但又普遍分布在其它物質(zhì)中，使材料具有很高的活性，有利于與骨組織的結(jié)合。這是CBC材料的又一明顯特性。4、CBC材料與骨組織的結(jié)合是通過離子置換及磷酸鹽物質(zhì)的擴(kuò)散進(jìn)行。置換主要是Na+被Ca2+替代，Si被P替代。擴(kuò)散則主要是材料中的磷酸鹽物質(zhì)運(yùn)動到結(jié)合面沉積，由于材料具有活性和較多孔隙，使磷酸鹽物質(zhì)及離子的擴(kuò)散容易進(jìn)行。離子的置換和磷酸鹽物質(zhì)的擴(kuò)散使Ca、P在結(jié)合界面大量聚集并向骨組織內(nèi)滲透，在特定條件下逐漸結(jié)晶形成結(jié)合緊密的磷灰石，從而具有骨親和性。5、材料中以粒狀存在的硅鈣石物質(zhì)，在與骨組織結(jié)合過程中起到對基體物質(zhì)的凝結(jié)加固作用，有助于在后期提高材料的強(qiáng)度。6、CBC材料是一種具有活性和生物相容性新結(jié)構(gòu)的復(fù)合生物陶瓷。實(shí)施例1、羥基磷灰石的制備合成羥基灰石的方法有多種，我們采用了幾種合成方法進(jìn)行，最后確定用氨鹽沉淀濕熱方法利用水溶液反應(yīng)合成使用化學(xué)純的Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4的低濃度水溶液作為反應(yīng)物，在反應(yīng)過程中NH4OH水溶液來調(diào)節(jié)所需的PH值充分?jǐn)嚢瑁刂品磻?yīng)溫度靜置、過濾、水洗以得到純凈的HA細(xì)粒子。合成的HA晶態(tài)不顯著，需通過加熱促進(jìn)結(jié)晶，使晶體保溫時間，以避免雜相產(chǎn)生。制得的HA經(jīng)170SX型付立葉變換紅外光譜儀測試表明HA在波長3571處有強(qiáng)的OH-振動峰。經(jīng)與日本HA樣品對照，其紅外光譜與日本樣器品相似，而羥基特征峰的振動比日本樣品強(qiáng)。對合成燒結(jié)后的羥磷灰石用X線衍射進(jìn)行相結(jié)成分析證實(shí)為羥基磷灰石。對合成后的羥磷灰石進(jìn)行了差熱分析表明其有多個相轉(zhuǎn)變點(diǎn)，差熱分析表明合成的HA含有結(jié)晶水，無定形態(tài)所含結(jié)晶水多于結(jié)晶態(tài)，結(jié)晶水在燒結(jié)過程中逐漸失去。2、生物玻璃的制備生物玻璃采用SiO245%、CaO22.5%、Na2O22.5%、P2O510%組成。這些氧化物均采用化學(xué)純以上試劑，以保證純度。對所用的各種原料進(jìn)行振磨，過篩混勻后，在硅碳棒電爐中，用三氧化二鋁坩鍋進(jìn)行高溫熔融，控制好溫度及時間，使材料得到充分熔融，將熔體粘度大，熔融均勻的玻璃體，迅速達(dá)到過冷狀態(tài)。在冷卻時不使熔體結(jié)晶，得到碎細(xì)的玻璃體，其外形不規(guī)則，將玻璃體球磨粉碎，過篩得240目以下玻璃粉末，儲以備下一步制備復(fù)合陶瓷用。將制得的生物玻璃粉進(jìn)行X射線衍射分析證實(shí)為非晶態(tài)物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)上缺少遠(yuǎn)程有序，形成不規(guī)則排列，結(jié)構(gòu)雖然無序，可它是連續(xù)的。經(jīng)掃描電鏡能譜分析其硅、鈣、鈉、磷元素含量較多，基本上達(dá)到設(shè)計(jì)所需的比例。此種生物玻璃的特殊性在于與二氧化硅玻璃不同，SiO2中的每個O2-離子都與二個Si4+離子之間連結(jié)，形成了相鄰Si4+離子之間的橋梁，當(dāng)Na2O進(jìn)入后，這個完整的結(jié)構(gòu)被破壞，部分O2-離子只和一個Si4+離子結(jié)合。相鄰的[SiO4]四面體之間出現(xiàn)斷點(diǎn)，即非橋氧。Na+離子的進(jìn)入改變了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種離子稱為網(wǎng)絡(luò)外體(或網(wǎng)絡(luò)外離子)，具有網(wǎng)絡(luò)外離子玻璃結(jié)構(gòu)中占有一個特殊的位置，使其具有活性。3、復(fù)合陶瓷的制備將上述制得的羥基磷灰石陶瓷與生物玻璃，制成粒度相同的粉末，按各占50%的比例混合均勻，加壓后置入硅磷棒高溫箱式電爐中，經(jīng)過初始、中間和后期三個階段控溫?zé)Y(jié)，使原有的多晶體羥磷灰石和非晶態(tài)的生物玻璃發(fā)生相轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生新的晶體，得到多組份晶體復(fù)合物，為非均一性結(jié)構(gòu)的陶瓷，我們稱之為復(fù)合生物陶瓷(CopoundBioactiveCeramic，簡稱為CBC)，CBC的制備工藝流程如圖1。在燒制CBC材料時予以嚴(yán)格控制各階段的升溫速度及冷卻速度，控制好繞結(jié)氣氛。以促進(jìn)新晶體的形成，防止晶體的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生應(yīng)力，發(fā)生“驚裂”或變色。權(quán)利要求1.一種復(fù)合生物陶瓷，以羥基磷灰石(HA)和生物玻璃(BG)為基料，經(jīng)混合加壓，高溫?zé)贫?，其特征在于燒結(jié)溫度1200℃-1300℃，保溫2-4小時，冷卻后獲得的復(fù)合生物陶瓷，其主要成份為β-Na2Ca4(PO4)2·SiO4占70%-75%；Ca2Si2O7占10-13%；β-Ca2P2O7占4%-6%。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷，其特征在于生物玻璃的組成成份為SiO245%，CaO22.5%，Na2O22.5%，P2O510%，經(jīng)熔融驟冷而制得。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷，其特征在于羥基磷灰石的重量百分比含量為40%-60%，生物玻璃的重量百分比含量為60%-40%，最好是按各占50%的比例混合。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷，其特征在于上述的復(fù)合陶瓷還有2%-3%的非晶態(tài)物質(zhì)和4%-5%的其它物質(zhì)。全文摘要復(fù)合生物陶瓷(CBC)系采用生物相容性好的羥基磷灰石(HA)和生物玻璃(BG)為原料，按比例混合均勻后經(jīng)高溫?zé)贫?，CBC材料中各物質(zhì)相對概量為β-Na文檔編號A61K6/033GK1060282SQ91105238公開日1992年4月15日申請日期1991年8月1日優(yōu)先權(quán)日1991年8月1日發(fā)明者吳恩格申請人:昆明醫(yī)學(xué)院