專利名稱：制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域的陶瓷材料的制備方法，具體是 一種用天然骨粉和聚磷酸鈣制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷(e -TCP/CPP) 的方法。
背景技術(shù)：
由于羥基磷灰石(HAP: hydroxyapatite， Ca1Q(P04)6(0H)2)和磷酸三鈣 CP-TCP: calcium phosphate, Ca3 (P04) 2)與人體骨骨骼的無(wú)機(jī)成分接近，因此， 磷酸鈣陶瓷材料在骨修復(fù)材料方面具有很好的應(yīng)用前景。在過(guò)去幾十年里，研究 者們對(duì)該類材料在骨修復(fù)方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的研究。HAP具有優(yōu)異的生物相 容性、骨誘導(dǎo)性和優(yōu)異的力學(xué)性能，但生物降解性能較差。e-TCP也具有非常 好的生物相容性，力學(xué)性能差于羥基磷灰石，但TCP的降解性能是羥基磷灰 石的10 20倍，是一種重要的生物可降解陶瓷材料。研究者們結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)， 開(kāi)發(fā)出了同時(shí)含HAP和TCP的雙相生物陶瓷(BCP: biphasic calcium phosphates)。 BCP材料的設(shè)計(jì)原理是結(jié)合較穩(wěn)定相HAP和可降解相{3 -TCP的優(yōu) 點(diǎn)，可降解相在體內(nèi)發(fā)生降解，釋放鈣和磷離子，為新骨的形成提供營(yíng)養(yǎng)。而較 穩(wěn)定相HAP則起到維持力學(xué)強(qiáng)度的作用。
最近的研究表明，聚磷酸鈣(CPP: Calcium polyphosphate, (Ca(P03)2)n) 材料在生物材料領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在骨修復(fù)可降解材料領(lǐng)域， 它具有很多優(yōu)點(diǎn)。CPP是一種含鈣、磷和氧的無(wú)機(jī)單鏈聚合物，P(X四面體通過(guò) p-0-p鍵串形成長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)，是聚磷酸鈣分子的典型官能團(tuán)。由于分子中的p-o-p 鍵在濕度氣氛下不穩(wěn)定，聚磷酸鈣很容易吸水分解生成正磷酸鹽和鈣離子，因此， CPP表現(xiàn)出優(yōu)于e-TCP的降解性能。非晶態(tài)的CPP能在一個(gè)月左右完全降解， 分解的產(chǎn)物能就近被吸收用于骨組織重建。復(fù)合HAP和CPP將有利于HAP的降解 性能、骨誘導(dǎo)性能和骨吸收性能的提高。此外，當(dāng)溫度達(dá)到1000。C以上時(shí)，CPP 開(kāi)始熔化，而HAP的燒結(jié)溫度一般在1300 1400°C之間。CPP液相的出現(xiàn)，將 有利于HAP高溫下的燒結(jié)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，對(duì)于BCP復(fù)合生物陶瓷材料的開(kāi)發(fā)，還主要局 限于HAP/e-TCP雙相復(fù)合陶瓷。中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào)為200710017754的專利， 公開(kāi)了一種由高強(qiáng)可降解含鍶磷酸鈣雙相陶瓷骨支架及其制備方法，采用的初始 原料為缺鈣含鍶磷灰石骨水泥，其固相粉末為Ca4(P04)20， SrHP04， CaHP(V混合 物，液相為0. 1-1. 0Mol/L的貼04水溶液。采用骨架結(jié)構(gòu)可控的快速打印成型R P光敏樹(shù)脂為負(fù)模，經(jīng)過(guò)漿料澆注、固化、負(fù)模熱處理去除以及后續(xù)燒結(jié)方法等 工藝，得到相組成可調(diào)的含鍶磷酸鈣雙相陶瓷骨支架，其降解速度仍然較慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物 陶瓷的方法，基于BCP材料的設(shè)計(jì)原理和CPP材料的特殊性能，在傳統(tǒng)的HAP 材料基礎(chǔ)上摻雜不同含量的CPP，制備了 P-TCP/CPP雙相復(fù)合陶瓷，通過(guò)選擇 CPP的含量和燒結(jié)溫度，可同時(shí)獲得優(yōu)異的力學(xué)性能和降解性能。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用天然骨粉(主要成分為羥基 磷灰石，HAP)為原料，通過(guò)球磨混合非晶態(tài)CPP粉末，將混合粉末成型后干燥， 燒結(jié)，得到e-TCP/CPP雙相復(fù)合陶瓷。
本發(fā)明方法包括以下步驟
第一歩，將Ca(H2P04)2.H20升溫到500。C，保溫，然后以10° C/分鐘的升溫 速度升溫至110(fC保溫使之熔融，然后在冷水中急冷得到玻璃狀的非晶態(tài)CPP， 球磨，干燥，備用。
所述在500 。C保溫，其時(shí)間為10小時(shí)。
所述在1100°C保溫，其時(shí)間1小時(shí)。
所述球磨，是指以350轉(zhuǎn)/分的速度球磨4小時(shí)。
第二步，將第一步得到的CPP和HAP按重量比0. 12-0. 30進(jìn)行混合，混合后 的粉末以乙醇為介質(zhì)球磨，干燥，過(guò)篩，備用。
所述球磨，是指在300轉(zhuǎn)/分的速度下球磨12小時(shí)。 所述過(guò)篩，是指過(guò)150目篩。
第三步，將第二步得到的粉末加入聚乙烯醇(PVA)的水溶液，進(jìn)行混合造粒。
所述的將第二步得到的粉末加入聚乙烯醇(PVA)的水溶液，是指將第二步 得到的粉末按10: 3克/毫升的固液比加入聚乙烯醇(PVA)的水溶液。所述的聚乙烯醇(PVA)的水溶液，其重量百分比濃度為2%。 第四步，第三步得到的樣品干壓成型，成型的坯體干燥。 所述干壓成型，是指在圓柱體不銹鋼模具中正向施壓和反向施壓各5分鐘， 壓力為3MPa。所述干燥，是指在80 °C的烘箱中干燥3天。第五步，第四步干燥后的樣品燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫，得到不同成分比例的 雙相陶瓷。所述燒結(jié)，是指在1200 °C-1350 °C下燒結(jié)2小時(shí)。本發(fā)明以天然骨粉為主要原料，天然骨粉由動(dòng)物(如豬、牛、羊等)骨頭經(jīng) 過(guò)煅燒去除有機(jī)質(zhì)得到，其主要成分為羥基磷灰石(98wt%)。天然生物羥基磷 灰石不僅來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，并且可以有效地循環(huán)利用動(dòng)物骨頭。另外，天然 骨粉中還留存了動(dòng)物體內(nèi)的一些微量，這些微量元素對(duì)體內(nèi)應(yīng)用是很有利的。其 次，在天然骨粉中摻加聚磷酸鈣粉末， 一方面，聚磷酸鈣在高溫下(1000 。C以 上)即出現(xiàn)液相，有利于混合粉末的燒結(jié)，有利于提高燒結(jié)體的力學(xué)性能。另一 方面，實(shí)驗(yàn)證明，聚磷酸鈣在高溫下會(huì)與HAP發(fā)生反應(yīng)，生成P-TCP。少量加 入CPP，可得到傳統(tǒng)的HAP/TCP陶瓷，為HAP/TCP復(fù)相陶瓷合成提供了一種新 方法；過(guò)量加入CPP，最終可得到P-TCP和殘留的非晶態(tài)的CPP所組成的雙相 復(fù)合生物陶瓷，由于e-TCP和CPP都是生物可降解的陶瓷材料，且非晶態(tài)的CPP 的降解性能非常好，可在一個(gè)月里降解完全，所以，合成的新型BCP材料，較傳 統(tǒng)的HAP/ e -TCP雙相陶瓷具有更好的生物降解性能。傳統(tǒng)的BCP材料雖然在降解性能上較單一成分的HAP有很大的提高。盡管它 可以在一定范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)HAP和TCP兩相的比例來(lái)調(diào)節(jié)該BCP材料的降解性 能，總體的降解性能仍然較慢。新合成的e-TCP/CPP雙相復(fù)合材料，由于殘留 的第二相為非晶態(tài)的CPP，其降解性能比e-TCP更優(yōu)異，CPP的降解，進(jìn)一步促 進(jìn)了 P-TCP的降解，并且可通過(guò)控制慘雜的非晶態(tài)的CPP在一定范圍內(nèi)控制降 解速度，大大提高了臨床應(yīng)用的前景。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限 于下述的實(shí)施例。實(shí)施例11. 將Ca(H2P0》2 &0升溫到500 。C，保溫，然后以10。C/分鐘的升溫速度 升溫至1100。C保溫使之熔融，然后在冷水中急冷得到玻璃狀的非晶態(tài)CPP，球 磨，干燥，備用。2. 非晶態(tài)CPP粉末和HAP粉末按重量比0. 12的比例混合，混合后的粉末以 乙醇為介質(zhì)在300轉(zhuǎn)/分的速度下球磨12小時(shí)，干燥，過(guò)150目篩，備用。3. 稱取10克上述CPP/HAP混合粉末，放入研缽中，加入3毫升2wt。/。的聚 乙烯醇(PVA)的水溶液，混合，造粒。將造粒后的粉末填滿06X12毫米的圓柱 體不銹鋼模具，干壓成型后，在80。C下干燥3天。4. 干燥后的樣品在1200°C下燒結(jié)2小時(shí)，得到成分組成約為97wt。/。的e -tcp和3wty。非晶態(tài)cpp的雙相復(fù)合陶瓷?？箟簭?qiáng)度是同等工藝條件下e -tcp陶瓷的150%，體外降解速率較純的CPP有明顯提高。 實(shí)施例21. 將Ca(H2P04)2 H20升溫到500 °C，保溫，然后以10。C/分鐘的升溫速度 升溫至1100°c保溫使之熔融，然后在冷水中急冷得到玻璃狀的非晶態(tài)cpp，球 磨，干燥，備用。2. 非晶態(tài)CPP粉末和HAP粉末按重量比0. 15的比例混合，混合后的粉末以 乙醇為介質(zhì)在300轉(zhuǎn)/分的速度下球磨12小時(shí)，干燥，過(guò)150目篩，備用。3. 稱取10克上述CPP/HAP混合粉末，放入研缽中，加入3毫升2wtM的聚 乙烯醇(PVA)的水溶液，混合，造粒。將造粒后的粉末填滿06X12毫米的圓柱 體不銹鋼模具，干壓成型后，在80。c下干燥3天。4. 干燥后的樣品在1300°C下燒結(jié)2小時(shí)，得到成分組成約為95討％的 0-TCP和5wt。/。非晶態(tài)CPP的雙相復(fù)合陶瓷?？箟簭?qiáng)度比同等工藝條件下e-TCP 陶瓷的250%，體外降解速率隨非晶態(tài)cpp含量的增加而增加。實(shí)施例31.將Ca(H2P04)2 H20升溫到500 。C，保溫，然后以10。C/分鐘的升溫速度 升溫至1100°C保溫使之熔融，然后在冷水中急冷得到玻璃狀的非晶態(tài)CPP，球 磨，干燥，備用。2. 非晶態(tài)CPP粉末和HAP粉末按重量比0. 30的比例混合，混合后的粉末以 乙醇為介質(zhì)在300轉(zhuǎn)/分的速度下球磨12小時(shí)，干燥，過(guò)150目篩，備用。3. 稱取10克上述CPP/HAP混合粉末，放入研缽中，加入3毫升2wty。的聚 乙烯醇(PVA)的水溶液，混合，造粒。將造粒后的粉末填滿06X12毫米的圓柱 體不銹鋼模具，干壓成型后，在80。C下干燥3天。4. 干燥后的樣品在1350°C下燒結(jié)2小時(shí)，得到成分組成約為82wt。/。的e -tcp和18討％非晶態(tài)cpp的雙相復(fù)合陶瓷?？箟簭?qiáng)度比同等工藝條件下e-tcp陶瓷的110%，較不摻雜cpp的樣品具有更好的體外降解速率。
權(quán)利要求
1.一種制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，將Ca(H2PO4)2·H2O升溫到500℃，保溫，然后以10℃/分鐘升溫至1100℃保溫使之熔融，然后在冷水中急冷得到玻璃狀的非晶態(tài)CPP，球磨，干燥，備用；第二步，將第一步得到的CPP和HAP按重量比0.12-0.30進(jìn)行混合，混合后的粉末以乙醇為介質(zhì)球磨，干燥，過(guò)篩，備用；第三步，將第二步得到的粉末加入聚乙烯醇的水溶液，進(jìn)行混合造粒；第四步，第三步得到的樣品干壓成型，成型的坯體干燥；第五步，第四步干燥后的樣品燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫，得到聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚憐酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第一步中，在500 。C保溫的時(shí)間為10小時(shí)，在110(TC保溫的時(shí)間為 1小時(shí)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第一步中，所述球磨，是指以350轉(zhuǎn)/分的速度球磨4小時(shí)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第二步中，所述球磨，是指在300轉(zhuǎn)/分的速度下球磨12小時(shí)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第二步中，所述過(guò)篩，是指過(guò)150目篩。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第三步中，所述的將第二步得到的粉末加入聚乙烯醇的水溶液，是指將 第二步得到的粉末按10: 3克/毫升的固液比加入聚乙烯醇的水溶液。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方 法，其特征是，所述的聚乙烯醇的水溶液，其重量百分比濃度為2%。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第四步中，所述干壓成型，是指在不銹鋼模具中正向施壓和反向施壓各5分鐘，壓力為3MPa，干壓成型。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方法，其 特征是，第四步中，所述干燥，是指在80 °C的烘箱中干燥3天。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷的方 法，其特征是，第五步中，所述燒結(jié)，是指在1200 。01350 。C下燒結(jié)2小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物醫(yī)學(xué)材料技術(shù)領(lǐng)域的制備聚磷酸鈣/磷酸三鈣新型雙相生物陶瓷的方法，包括以下步驟第一步，用Ca(H₂PO₄)₂·H₂O制備非晶態(tài)CPP粉末。第二步，將CPP和HAP按重量比0.12-0.30進(jìn)行混合制備混合粉末。第三步，將上述粉末樣品加聚乙烯醇(PVA)的水溶液，混合造粒。第四步，干壓成型。第五步，干燥后的樣品燒結(jié)。本發(fā)明原料為動(dòng)物骨粉和一水磷酸二氫鈣，優(yōu)化了粉末配比和燒結(jié)溫度，得到了兩相含量可控、降解性能提高的聚磷酸鈣/磷酸三鈣雙相生物陶瓷。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101407414SQ200810202300
公開(kāi)日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月6日
發(fā)明者康 孫, 李萬(wàn)萬(wàn), 陳高祥 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)