專利名稱：生物活性復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制備含有在材料制備時(shí)有分解傾向的化合物(相)的生物活性材料的最佳條件。本發(fā)明具體涉及用作穩(wěn)定的醫(yī)用植入物的材料。
背景技術(shù)：
具有生物活性的材料通常含有不同性質(zhì)的相。具體而言，所包含的任何相在制備期間都可能有發(fā)生分解的明顯傾向，例如金屬和尤其是陶瓷在高溫下會(huì)發(fā)生分解。該開(kāi)始的熱激活分解可能對(duì)最終產(chǎn)品有直接的消極影響，例如形成氣體化合物，氣體化合物形成孔，這些孔成為了產(chǎn)品的缺點(diǎn)，尤其從外觀上看更是如此，或者導(dǎo)致形成新的不需要的相。相關(guān)影響是，有分解傾向的相的分解被存在的另一相、例如在一定溫度下導(dǎo)致分解的氧化物催化，從而使得具有分解傾向的相應(yīng)純材料的分解顯著減少。為了改善與純磷灰石有關(guān)的機(jī)械性質(zhì)，在生物活性復(fù)合材料中存在氧化物或金屬是必需的。
其它不涉及本申請(qǐng)基本內(nèi)容的相關(guān)方面除了在文獻(xiàn)中以外還在下述專利/專利申請(qǐng)中描述過(guò)US3789900、DE330122、US4149893、US4957674、US4599085、DE2928007 Al和JP62-142565。
發(fā)明描述本發(fā)明涉及復(fù)合材料及其制備方法，所述復(fù)合材料包含至少一個(gè)化學(xué)較不穩(wěn)定相，并具體涉及穩(wěn)定的陶瓷植入物材料。
本發(fā)明的目的是提供在牙科或整形術(shù)應(yīng)用中具有支持功能、并具有最佳性質(zhì)的生物活性材料、尤其是植入物材料，所述材料是通過(guò)使用其中對(duì)所包含的化學(xué)較不穩(wěn)定的生物活性相作了特別考慮的制備方法制得的。本發(fā)明的關(guān)鍵方面涉及非活性相與活性(生物功能)相之間的反應(yīng)，和如何減小或消除或控制這些不需要的反應(yīng)。已經(jīng)建立了關(guān)于復(fù)合材料中的分解的新理論模型，該模型與依據(jù)本發(fā)明所獲得的結(jié)果一致。
本發(fā)明提供了如本申請(qǐng)權(quán)利要求書所述的材料及其制備方法。
本發(fā)明復(fù)合材料包含磷灰石，其中磷灰石含量低于90vol％、優(yōu)選5-80vol％、更優(yōu)選10-50vol％、最優(yōu)選25-45vol％。磷灰石相可以是純的羥基磷灰石或磷灰石相混合物，即羥基磷灰石與氟磷灰石的混合物。本發(fā)明復(fù)合材料中的生物惰性基質(zhì)優(yōu)選為結(jié)構(gòu)陶瓷，優(yōu)選一種或多種氧化物，例如氧化鋁、氧化鋯、和/或氧化鈦。結(jié)構(gòu)陶瓷的含量可以為10-95vol％、優(yōu)選為40-95vol％、更優(yōu)選為55-85vol％，并且可適當(dāng)?shù)卦诓牧现姓级鄶?shù)?；蛘?，生物惰性基質(zhì)可以是以相同濃度存在的結(jié)構(gòu)金屬，優(yōu)選為基于Fe或Co-Cr的、或者基于Ti、Ta或Zr的結(jié)構(gòu)金屬。除了磷灰石和生物惰性基質(zhì)外，本發(fā)明材料還可以包含少量(優(yōu)選低于10vol％)其它相。
現(xiàn)在已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)(與本發(fā)明有關(guān))，在氧化物-羥基磷灰石體系中磷灰石分解的反應(yīng)機(jī)制不是依據(jù)文獻(xiàn)中記載的傳統(tǒng)方式進(jìn)行的，而是分兩步進(jìn)行，其中羥基磷灰石，OHAp=Ca10(PO4)6(OH)2，中的OH首先離開(kāi)結(jié)構(gòu)，在原處留下空位。當(dāng)空位的數(shù)目超過(guò)一定臨界水平時(shí)，缺損的OHAp可繼續(xù)與催化分解反應(yīng)的周圍化合物(例如Al2O3)反應(yīng)。這兩步反應(yīng)是(1)(2)這類分解在材料的致密化/燒結(jié)時(shí)發(fā)生。通過(guò)改變反應(yīng)平衡可防止分解，這可通過(guò)3條主要不同途徑進(jìn)行，即降低封閉系統(tǒng)的溫度、提高壓力和/或特意加入活性化合物分解所形成的化合物。這使得在本發(fā)明材料的致密化/煅燒/燒結(jié)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)使用低的燒結(jié)溫度，封閉必須在實(shí)際燒結(jié)過(guò)程開(kāi)始之前早先進(jìn)行，并且在致密化開(kāi)始之前給包套施加外部機(jī)械壓力。此外，應(yīng)當(dāng)維持初始施用的壓力、即在致密化開(kāi)始前施用的壓力以作為連續(xù)致密化期間的最小壓力水平，也就是說(shuō)在連續(xù)致密化/燒結(jié)期間壓力通常不應(yīng)當(dāng)降至初始?jí)毫σ韵拢菓?yīng)當(dāng)逐漸提高壓力。
在本發(fā)明方法中，首先通過(guò)例如冷等靜壓壓制(CIP)或其它成形法將磷灰石與氧化物或金屬的粉末混合物適當(dāng)?shù)爻尚?，獲得生壓坯。然后，將生壓坯致密化/燒結(jié)，所采用的合適方法是在耐氣體高壓的封閉室中進(jìn)行熱等靜壓壓制(HIP)或燒結(jié)，氣體超壓燒結(jié)(GPS，氣體壓力燒結(jié))。在熱等靜壓壓制的情況下，將生壓坯置于預(yù)成形的包套中，然后將包套密封。周圍氣體給包套施加了壓力，包套把壓力傳遞給生壓坯，從而將其致密化。相反，在超壓燒結(jié)的情況下，生壓坯是與氣體直接接觸。在這兩種燒結(jié)技術(shù)中，可使用環(huán)繞在生壓坯周圍的一些類型的阻擋層或粉末墊。依據(jù)本發(fā)明，可向這些輔助層中加入能分解和形成阻礙磷灰石分解的化合物的化合物例如水合物、或者能防止金屬(對(duì)于金屬磷灰石組合物)被化學(xué)攻擊的化合物。
依據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)/包套的封閉和施加壓力應(yīng)當(dāng)在磷灰石相開(kāi)始實(shí)質(zhì)分解前進(jìn)行，即在顯著低于燒結(jié)所采用的最終溫度的溫度下進(jìn)行。在某些情況下，施加壓力可以在室溫進(jìn)行，并且通常在低于900℃的溫度進(jìn)行，對(duì)于基于陶瓷的復(fù)合材料，優(yōu)選在低于800℃、更優(yōu)選低于700℃的溫度進(jìn)行，對(duì)于基于金屬的復(fù)合材料，優(yōu)選在低于500℃的溫度進(jìn)行。初始施加的壓力可以是完全的或部分的，即施加的壓力水平可以等于終壓力或者可以小于終壓力。對(duì)于HIP，終壓力通常非常高，最經(jīng)常超過(guò)100Mpa，高達(dá)200MPa或甚至更高。在封閉室中燒結(jié)時(shí)，氣壓通常為最高100-200atm，即10-20Mpa。初始?jí)毫梢詾?0MPa或低至約0.2MPa。在較低溫度下，采用低初始?jí)毫Φ哪康闹饕欠乐拱撞牧显谟捎跍囟仍龈咚鶎?dǎo)致的高壓(根據(jù)理想氣體定律)或者由于特意加入的化合物開(kāi)始分解出氣體化合物、優(yōu)選蒸汽所導(dǎo)致的高壓下的膨脹。然而，0.2MPa-終壓力的初始部分壓力水平也是可行的。根據(jù)復(fù)合材料體系的類型、粉末類型(粒徑和形態(tài))、所加工的量、特意加入的額外分解性化合物以及包套類型和燒結(jié)技術(shù)來(lái)恰當(dāng)?shù)剡x擇所用壓力。對(duì)于基于氧化物的材料，終溫度一般為至少900℃、通常為至少1000℃、最經(jīng)常至少1100℃。對(duì)于基于金屬的材料，終溫度較低，一般為約500-800℃，通常為600-800℃。終壓力和終溫度通常維持約1-2小時(shí)。
依據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，施加壓力和提高溫度是逐步進(jìn)行的。這樣做的目的是按照需要施加增加的壓力梯度和提高溫度。在室溫施加的、并且可維持在例如0.2-5MPa水平的第一初始?jí)毫梢虼司哂蟹€(wěn)定包套的目的。當(dāng)此后提高溫度時(shí)，包套中的壓力會(huì)依據(jù)理想氣體定律而增加。在低于磷灰石相開(kāi)始分解的溫度水平的溫度下，作為分解性化合物額外加入的輔助劑可能開(kāi)始分解(見(jiàn)下文)，也導(dǎo)致包套中的壓力增加。這兩方面結(jié)合起來(lái)需要作為反壓的高壓力水平，例如約1-10MPa。最后，當(dāng)達(dá)到其中生壓坯自身的材料-磷灰石相可以開(kāi)始分解的溫度水平時(shí)(見(jiàn)上述溫度水平)，施加所需的終壓力以阻止這種分解。然后將溫度提高至所需終溫度并維持以進(jìn)行燒結(jié)。如何恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行逐步壓力施加取決于復(fù)合體系類型、粉末類型(粒徑和形態(tài))、所加工的量、特意加入的額外分解性化合物以及包套類型和燒結(jié)技術(shù)。
熱等靜壓壓制(HIP)在陶瓷生產(chǎn)中的應(yīng)用當(dāng)然是已知的，并且瑞典專利465571中還描述了其在氧化物-磷灰石體系中的應(yīng)用。然而，在這些文獻(xiàn)中沒(méi)有描述自身包套性能-封閉和早期施加壓力或者加入在阻擋層中的輔助劑-僅描述了在其致密化時(shí)所采用的溫度和壓力。在燒結(jié)時(shí)為了能防止分解和不需要的反應(yīng)，還必須考慮進(jìn)行實(shí)際熱等靜壓壓制(致密化)的步驟，并且依據(jù)本發(fā)明進(jìn)行該步驟，其中在實(shí)際燒結(jié)前的溫度間隔中，調(diào)節(jié)封閉時(shí)的溫度和給包套施加壓力時(shí)的溫度(或者氣壓(對(duì)于GPS的情況))以使其與存在相的分解傾向相適應(yīng)。如WO-A1-9410100中所述的僅作為用于多孔磷灰石的部分方法的等靜壓壓制并不能導(dǎo)致形成致密的穩(wěn)定磷灰石，尤其是不能導(dǎo)致形成具有高度穩(wěn)定性的磷灰石生物復(fù)合材料，其中與純磷灰石相比，這樣制得的復(fù)合材料在相當(dāng)?shù)偷臏囟认掳l(fā)生分解，這是因?yàn)檠趸锎呋朔纸馑?。?jiàn)實(shí)施例1中的結(jié)果。必須根據(jù)不同氧化物-磷灰石體系在低于WO-A1-9410100中給出的溫度下的分解傾向來(lái)施加壓力。
依據(jù)本發(fā)明另一方面，可在封閉體系中加入額外的分解性化合物，這種化合物能產(chǎn)生復(fù)合材料體系(主要是磷灰石相)將分解成的化合物。因此就另外阻礙了復(fù)合材料的分解。在特別的實(shí)施方案中，除了早期封閉和早期逐步施加壓力之外，還加入粉末形式的分解輔助化合物，這種化合物能早期形成實(shí)際組分中功能相將分解成的多相或任何一相。對(duì)于含有金屬和功能相(磷灰石)的復(fù)合材料，可加入能降低金屬反應(yīng)-主要是氧化反應(yīng)的另一輔助劑。當(dāng)致密化通常在比陶瓷所用的溫度要低的溫度下進(jìn)行時(shí)，金屬通常是反應(yīng)性更強(qiáng)的相。在這些情況下，輔助劑有利地為金屬細(xì)小粉末，例如細(xì)鐵粉或細(xì)鈦粉，它們減少了環(huán)繞在復(fù)合材料周圍的氣體環(huán)境中的氧含量。有利起見(jiàn)，可將抗活性相分解的輔助化合物和保護(hù)金屬相的輔助劑加到在加工期間環(huán)繞在組分周圍的阻擋層或粉末墊中。為了防止磷灰石相分解，可將易于釋放出羥基和形成蒸汽以及其它物質(zhì)(碳酸鹽、磷酸鹽等)的不同類型水合物作為輔助劑加到阻擋層或粉末墊中。以該方式用作輔助劑的材料通常是具有下述功能的水合物(例如水合粘固劑或包含結(jié)晶水的鹽)在比氧化物-磷灰石體系中開(kāi)始分解反應(yīng)的溫度低的溫度、即至少低于900℃、優(yōu)選低于800℃、甚至更優(yōu)選低于600℃的溫度釋放出水。在使用時(shí)，輔助劑的濃度通常比較低，并且調(diào)節(jié)其濃度以使得與體系和加工的材料的量相適應(yīng)。在粉末墊中，輔助劑的濃度一般低于或等于10vol％，在阻擋層中一般低于約5vol％。
下面通過(guò)多個(gè)實(shí)施例描述本發(fā)明。
權(quán)利要求
1．制備包含磷灰石的牙科或整形術(shù)用生物活性復(fù)合材料的方法，所述材料包含當(dāng)將材料在高溫、一定壓力下致密化時(shí)有分解(例如汽化)傾向的基團(tuán)，所述方法的特征在于，在封閉體系中進(jìn)行致密化，其中在達(dá)到致密化的終溫度之前、和磷灰石相開(kāi)始實(shí)質(zhì)分解之前施加部分或全部壓力。
2．權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述有分解傾向的基團(tuán)是羥基、碳酸根、磷酸根、鹵素或其組合。
3．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在材料的一個(gè)相中包含結(jié)構(gòu)陶瓷，優(yōu)選是氧化物，最優(yōu)選是氧化鋁、氧化鋯、或氧化鈦，其濃度為10-95vol％、優(yōu)選為40-95vol％、更優(yōu)選為55-85vol％。
4．權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在材料的一個(gè)相中包含結(jié)構(gòu)金屬，優(yōu)選為基于Fe或Co-Cr、或者是基于Ti、Ta或Zr的結(jié)構(gòu)金屬，其濃度為為10-95vol％、優(yōu)選為40-95vol％、更優(yōu)選為55-85vol％。
5．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述復(fù)合材料包含濃度為5-80vol％、優(yōu)選為10-50vol％、更優(yōu)選為25-45vol％的羥基磷灰石和/或其它磷灰石。
6．權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述封閉體系和施加壓力在低于900℃的溫度進(jìn)行，對(duì)于基于陶瓷的復(fù)合材料，優(yōu)選在低于800℃、更優(yōu)選低于700℃的溫度進(jìn)行，對(duì)于基于金屬的復(fù)合材料，優(yōu)選在低于500℃的溫度進(jìn)行。
7．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，對(duì)于基于陶瓷的復(fù)合材料，進(jìn)行所述材料致密化的終溫度為900℃以上、優(yōu)選1000℃以上、更優(yōu)選1100℃以上，對(duì)于基于金屬的復(fù)合材料，終溫度為500-800℃、優(yōu)選600-800℃，并且終壓力為100Mpa以上、優(yōu)選高達(dá)200MPa。
8．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在達(dá)到致密化的終溫度之前、和磷灰石相開(kāi)始分解之前施加的壓力是以施加部分壓力的方式進(jìn)行的，由此施加0.2-10MPa的部分壓力。
9．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述材料的致密化是逐步式進(jìn)行的，施加第一部分壓力，優(yōu)選約0.2-5MPa部分壓力，并維持該壓力直至第一個(gè)溫度，然后施加第二個(gè)部分壓力，優(yōu)選約1-10MPa部分壓力，并維持該壓力直至第二個(gè)溫度，之后施加可能的進(jìn)一步壓力和溫度，或者施加終壓力和終溫度。
10．前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其特征在于，在通過(guò)熱等靜壓壓制進(jìn)行的致密化情況下向阻擋層中加入一種或多種輔助劑，或者在通過(guò)超壓燒結(jié)進(jìn)行的致密化情況下向粉末墊中加入一種或多種輔助劑，以進(jìn)一步抑制不需要的反應(yīng)，例如分解和氧化。
11．權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述輔助劑是細(xì)小的金屬粉末和/或易于分解的水合物。
12．包含磷灰石的牙科或整形術(shù)用生物活性復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包含有分解(例如汽化)傾向的基團(tuán)，其特征在于，所述復(fù)合材料是依據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法制得的。
全文摘要
本發(fā)明涉及制備基于磷灰石的、主要在牙科和整形術(shù)應(yīng)用中起支持功能的、改進(jìn)的生物活性復(fù)合材料的方法,包括依據(jù)在其制備過(guò)程中材料的反應(yīng)傾向調(diào)節(jié)封閉溫度和在封閉體系中的施加壓力,和通過(guò)加入輔助劑來(lái)進(jìn)一步阻礙反應(yīng)傾向和分解傾向。
文檔編號(hào)A61L27/00GK1321077SQ9981161
公開(kāi)日2001年11月7日 申請(qǐng)日期1999年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月2日
發(fā)明者E·阿道夫森, L·赫曼森 申請(qǐng)人:多克薩塞爾泰克斯股份公司