專(zhuān)利名稱(chēng)：原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉、多孔陶瓷及制法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須粉及其制法，以及其制成的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料、制法及其作為人工骨支架的應(yīng)用以及作為骨組織損傷修復(fù)材料的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
各種原因造成的骨缺損、骨不連一直是外科領(lǐng)域中的老難題。目前在全球范圍內(nèi)， 對(duì)具有良好生理功能無(wú)排異反應(yīng)，用于骨缺損修復(fù)的人工骨組織，具有迫切和巨大的市場(chǎng)需求。在人工骨制造領(lǐng)域，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)近年來(lái)投入了大量資源，并取得了一系列研究成果，一些用于缺損修復(fù)的人工骨材料開(kāi)始進(jìn)入臨床應(yīng)用。與此同時(shí)，骨支架材料的核心問(wèn)題如生物相容性、孔隙率和機(jī)械強(qiáng)度等依舊存在很多問(wèn)題需要解決。
專(zhuān)利CN1256153C公開(kāi)了一種納米氧化鋯強(qiáng)韌化高孔隙率磷酸鈣生物陶瓷，并將其應(yīng)用于制備人工骨支架，該人工骨支架孔隙率高，孔徑大小適當(dāng)，不僅使氧化鋯-磷酸鈣易被降解吸收，而且骨組織易于長(zhǎng)入，融合速度快，與宿主骨牢固結(jié)合，不會(huì)產(chǎn)生明顯的排物反應(yīng)，該生物陶瓷既可用于骨組織損傷修復(fù)，還可以用于體外細(xì)胞培養(yǎng)。然而，其缺點(diǎn)是孔隙率低，強(qiáng)度低，不能達(dá)到強(qiáng)度、孔隙率和生物學(xué)特性的完美結(jié)合。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的為提供一種強(qiáng)度、孔隙率和生物學(xué)特性均令人滿意的材料。
發(fā)明人通過(guò)研究α -TCP水熱法制備具有較強(qiáng)力學(xué)性能的HA晶須，得到形貌為針狀的，直徑為80nm左右，長(zhǎng)度為1 2μπι，長(zhǎng)徑比達(dá)到10以上的晶須。通過(guò)多次試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，初始PH值、水浴溫度、反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)物(HA晶須)的形貌和尺寸有較大的影響。最終，篩選并確定了水化法制備HA晶須的工藝參數(shù)，并以此作為原位法制備HA晶須增強(qiáng)多孔生物陶瓷材料的工藝基礎(chǔ)。
本發(fā)明提供一種原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉，其通過(guò)下述制備方法得到稱(chēng)取α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11. 2 11. 8的氨水的燒杯中，隨后與鉀鹽反應(yīng)， 90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉。
優(yōu)選地，所述晶須單個(gè)直徑為50-120nm，長(zhǎng)度為1. 5-2. 0 μ m。
本發(fā)明還提供一種原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉的制備方法，包括以下步驟 稱(chēng)取等質(zhì)量的α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11. 2 11. 8的氨水的燒杯中，隨后按照(K+Ca) /P摩爾比為1. 56 1. 67加入KCl，90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉。
另一方面，本發(fā)明提供一種原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料， 使用包含有如權(quán)利要求1或2所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須粉的原料制備而成。
優(yōu)選地，所述多孔陶瓷材料的孔隙率為72%至93%，對(duì)應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度為8. 8 10.2MPa。
優(yōu)選地，所述多孔陶瓷材料還經(jīng)過(guò)表面修飾步驟將羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料浸入稀堿液中浸泡1-2天，再放入到1-2倍SBF模擬體液中，36. 5 37°C下于恒溫震蕩機(jī)中浸泡并持續(xù)震蕩，即在羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料表面生成了規(guī)則圖案。
優(yōu)選地，所述多孔陶瓷材料表面的羥基磷灰石晶須大小寬度為60 120nm，晶須間的溝紋寬度為60 80nm。
另一方面，本發(fā)明還特工所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟
(1)稱(chēng)取α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11. 2 11. 8，優(yōu)選pH值為11.5， 的氨水的燒杯中，隨后加入鉀鹽，90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉；
(2)在步驟(1)所得原位晶須粉中加入不含硅的生物玻璃，其中原位晶須粉/生物玻璃質(zhì)量比=4 5 1，優(yōu)選4 1，隨后加入增稠劑，球磨使之混合均勻，得到混合漿料；
(3)將聚氨酯支架模板剪裁成所需要的形狀后，在稀堿溶液中加熱至50 60°C浸泡后，用去離子水清洗，然后將聚氨酯支架模板浸入步驟( 所得的混合漿料中按照浸漿率0. 75 lg/cm3進(jìn)行浸漿，優(yōu)選0. 75g/cm3，將支架中的多余料漿碾出，干燥得到坯體；
(4)將步驟C3)所得坯體燒結(jié)、保溫、冷卻，得到納米羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料。
優(yōu)選地，所述步驟O)的漿料控制其粘度值為20 30mPa. s，優(yōu)選^mPa. S。
優(yōu)選的，在所述的晶須粉或陶瓷材料的制備方法中，所述α-TCP和β-TCP為等質(zhì)量的。
優(yōu)選的，在晶須粉或陶瓷材料的制備方法中，所述鉀鹽按照(K+Ca)/P摩爾比為 1. 56 1. 67 加入 KCl，優(yōu)選(K+Ca) /P 摩爾比=1. 56。
本發(fā)明還涉及所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料制成的人工骨支架。
本發(fā)明還涉及所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料作為人工骨支架的應(yīng)用或作為骨組織損傷修復(fù)材料的應(yīng)用。
本發(fā)明通過(guò)羥基磷灰石納米晶須原位生長(zhǎng)的方法合成了的新型納米羥基磷灰石晶須多孔磷酸鈣陶瓷材料，該納米多孔陶瓷材料可用于制作人工骨支架，本發(fā)明又通過(guò)納米晶須原位生長(zhǎng)的方法對(duì)納米羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料或骨支架進(jìn)行表面納米化和增強(qiáng)修飾，合成了具有高力學(xué)強(qiáng)度的多孔人工骨支架，骨支架的孔徑大小、孔隙率可調(diào)節(jié)、 孔隙相互貫通，骨支架內(nèi)部和外表面全孔壁表面具有納米圖案化的人工骨支架。通過(guò)對(duì)其生物學(xué)性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)該骨支架不僅具有高孔隙率、高力學(xué)強(qiáng)度，經(jīng)萬(wàn)能力學(xué)測(cè)試機(jī)檢測(cè)孔隙率在89%時(shí)支架強(qiáng)度約為9. 2Mpa，而且具有良好的生物相容性，無(wú)細(xì)胞毒性和急慢性生物毒性，無(wú)過(guò)敏、溶血反應(yīng)、無(wú)免疫源性，體外細(xì)胞學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)骨支架表面納米圖案化后對(duì)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的黏附具有明顯的促進(jìn)作用，培養(yǎng)過(guò)程中有利于促進(jìn)骨髓基質(zhì)干細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化，并對(duì)細(xì)胞的分泌功能具有促進(jìn)功能，體內(nèi)降解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該骨支架具有降解性，成功修復(fù)了犬脛腓骨大段骨缺損。其力學(xué)性能和對(duì)細(xì)胞響應(yīng)能力均明顯強(qiáng)于目前的同類(lèi)產(chǎn)品。并且由于表面的納米顆?；共牧蠈?duì)細(xì)胞和周?chē)慕M織具有了明顯的正效應(yīng)。


圖1為經(jīng)過(guò)表面修飾納米羥基磷灰石晶須多孔磷酸鈣陶瓷人工骨支架的大體圖像。
圖2-1為實(shí)施例1-1的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉的掃描電鏡照片。
圖2- 和圖2_2b為實(shí)施例1-1的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉的投射電鏡圖片。
圖3為實(shí)施例1-1制備的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架的顯微結(jié)構(gòu)圖。
圖4為實(shí)施例1-4得到的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架的低倍顯微結(jié)構(gòu)。
圖5為實(shí)施例1-4的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架的斷口顯微結(jié)構(gòu)圖。
圖6為實(shí)施例1-4的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架的原料、坯體與人工骨支架的XRD圖譜。
圖7為實(shí)施例1-4的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架表面的納米圖紋掃描電鏡圖像。
圖8為生物試驗(yàn)的1. 1 (1)的正常培養(yǎng)的MC-3T3細(xì)胞形態(tài)。
圖9為實(shí)施例1-4納米羥基磷灰石晶須人工骨支架浸提液組細(xì)胞形態(tài)。
圖10為生物試驗(yàn)的1. 1 (1)的陰性對(duì)照組細(xì)胞形態(tài)。
圖11為掃描電鏡下成骨細(xì)胞在實(shí)施例1-4原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架表面的生長(zhǎng)情況。
圖12A及12B為實(shí)施例1_4的原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)3天的細(xì)胞圖像。
圖12C及12D為普通人工骨支架骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)3天的圖像。
圖13A及13B為實(shí)施例1_4原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)7天的細(xì)胞圖像.
圖13C及13D為普通人工骨支架骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)7天的圖像。
圖14A及14B為實(shí)施例1_4原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷支架間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)14天的細(xì)胞圖像。
圖14C及14D為普通人工骨支架骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞培養(yǎng)14天的圖像。
具體實(shí)施方式
以下通過(guò)具體描述或舉例的方式闡述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是， 不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
具體的，制備該納米羥基磷灰石晶須多孔磷酸鈣陶瓷材料基本工藝為
(1)首先稱(chēng)取一定質(zhì)量的α -TCP/β -TCP，優(yōu)選等質(zhì)量的，可使晶須在β -TCP中均勻分布，加入到裝有pH值為11. 2 11. 8，優(yōu)選11. 5的IOOOml氨水的燒杯中，隨后加入鉀鹽，該鹽的選取標(biāo)準(zhǔn)是保證溶液不產(chǎn)生變化并能引入鉀離子，優(yōu)選按照(K+Ca)/P摩爾比為1. 56 1. 67加入KCl，優(yōu)選1. 56，水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，優(yōu)選Mh，優(yōu)選在水浴鍋中進(jìn)行，水浴溫度90 95°C，攪拌器轉(zhuǎn)速380 410轉(zhuǎn)/分，優(yōu)選400轉(zhuǎn)/分，然后放入干燥箱中干燥，得到原位生長(zhǎng)晶須粉。
(2)在步驟(1)所得原位晶須粉中加入生物玻璃，加入生物玻璃的目的是降低燒結(jié)溫度，一般選擇不含硅的生物玻璃，其中原位晶須粉/生物玻璃為4 5 1，優(yōu)選4 1， 隨后加入增稠劑，其中增稠劑可選用常規(guī)試劑，可選的方案是糊精、MgO、PVA、聚乙二醇的混合試劑，加入量一般按照原料糊精MgO PVA 聚乙二醇=63 5 3 1 1計(jì)算，然后球磨4 6小時(shí)使上述物質(zhì)混合均勻，控制漿料粘度值在20 30mPa. s左右，優(yōu)選 26mPa. s，停止球磨，得到混合漿料。
(3)將孔徑為300 400 μ m的聚氨酯支架為模板剪裁成所需要的形狀后，在8 10% NaOH溶液中加熱至50 60°C浸泡4 6小時(shí)后，優(yōu)選10% NaOH加熱60°C浸泡4小時(shí)，用去離子水清洗，然后將聚氨酯支架模板浸入步驟(2)所得的混合漿料中按照0. 75 lg/cm3(浸漿率=聚氨酯支架浸漿后的質(zhì)量/聚氨酯支架體積)進(jìn)行浸漿，優(yōu)選0. 75g/cm3, 將支架中的多余料漿碾出，該浸潤(rùn)和擠出操作可能需經(jīng)過(guò)多次，即反復(fù)浸潤(rùn)并擠出多余料漿，置于恒溫恒濕箱中干燥成坯體。
(4)將步驟(3)所得坯體燒結(jié)，燒結(jié)可置于電爐中進(jìn)行，燒結(jié)溫度優(yōu)選為1000°C， 保溫時(shí)間優(yōu)選2h，然后隨爐冷卻至室溫，制成納米羥基磷灰石晶須多孔陶瓷支架。
通過(guò)對(duì)本發(fā)明方法制得的多孔陶瓷材料測(cè)孔隙率，孔隙率為72%至93%，并通過(guò)顯微鏡觀察，其包含有原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須，單個(gè)晶須直徑為50-120nm，長(zhǎng)度為1.5-2. 0 μ m0
通過(guò)對(duì)本發(fā)明制得的多孔陶瓷材料測(cè)力學(xué)強(qiáng)度，可得出不同空隙率下的力學(xué)強(qiáng)度均可達(dá)到8. 8 10. 2MPa，且在相同孔隙率下其強(qiáng)度比未加晶須的多孔磷酸鈣材料平均高2.2 3. 4MPa。利用相同浸漿率控制的相近孔隙率下的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)的多孔陶瓷材料(HAw/β-TCP)，和現(xiàn)有的β-TCP的磷酸鈣材料的力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果，如下表所示(現(xiàn)有制備方法如具體實(shí)施方式
的對(duì)照例所示，力學(xué)強(qiáng)度測(cè)定方法如性能測(cè)試部分所示)
權(quán)利要求
1.一種原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉，其通過(guò)下述制備方法得到稱(chēng)取α-TCP和 β-TCP，加入到裝有PH值為11. 2 11.8的氨水的燒杯中，隨后加入鉀鹽，90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉。
2.如權(quán)利要求1所述的晶須粉，其特征在于，所述晶須單個(gè)直徑為50-120nm，長(zhǎng)度為 1. 5-2. 0 μ m0
3.—種原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉的制備方法，包括以下步驟稱(chēng)取等質(zhì)量的 α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11. 2 11. 8的氨水的燒杯中，隨后加入鉀鹽，90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉。
4.一種原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料，使用包含有如權(quán)利要求1 或2所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須粉的原料制備而成。
5.如權(quán)利要求4所述的陶瓷材料，其特征在于，所述材料的孔隙率為72%至93%，對(duì)應(yīng)的力學(xué)強(qiáng)度為8.8 10. 2MPa。
6.如權(quán)利要求4或5所述多孔磷酸鈣陶瓷材料，其特征在于，所述材料還經(jīng)過(guò)表面修飾步驟將羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料浸入稀堿液中浸泡1-2天，再放入到1-2倍SBF模擬體液中，36. 5 37°C下于恒溫震蕩機(jī)中浸泡并持續(xù)震蕩，即在羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料表面生成了規(guī)則圖案。
7.權(quán)利要求6所述多孔磷酸鈣陶瓷材料，其特征在于，所述材料表面的羥基磷灰石晶須大小寬度為60 120nm，晶須間的溝紋寬度為60 80nm。
8.—種權(quán)利要求4或5所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟(1)稱(chēng)取α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11.2 11. 8，優(yōu)選pH值為11. 5，的氨水的燒杯中，隨后加入鉀鹽，90 95°C水浴并持續(xù)攪拌12 ^h，干燥得到原位生長(zhǎng)晶須粉；(2)在步驟(1)所得原位晶須粉中加入不含硅的生物玻璃，其中原位晶須粉/生物玻璃質(zhì)量比=4 5 1，優(yōu)選4 1，隨后加入增稠劑，球磨使之混合均勻，得到混合漿料；(3)將聚氨酯支架模板剪裁成所需要的形狀后，在稀堿溶液中加熱至50 60°C浸泡后，用去離子水清洗，然后將聚氨酯支架模板浸入步驟( 所得的混合漿料中按照浸漿率 0. 75 lg/cm3進(jìn)行浸漿，優(yōu)選0. 75g/cm3，將支架中的多余料漿碾出，干燥得到坯體；(4)將步驟C3)所得坯體燒結(jié)、保溫、冷卻，得到納米羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料。
9.如權(quán)利要求8所述的陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)的漿料控制其粘度值為20 30mPa. s，優(yōu)選26mPa. s。
10.如權(quán)利要求1所述的晶須粉、權(quán)利要求3所述的晶須粉的制備方法或權(quán)利要求8所述的陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述α-TCP和β-TCP為等質(zhì)量的。
11.如權(quán)利要求1所述的晶須粉、權(quán)利要求3所述的晶須粉的制備方法或權(quán)利要求8所述的陶瓷材料的制備方法，其特征在于，所述鉀鹽按照(K+Ca)/P摩爾比為1. 56 1. 67加入KCl，優(yōu)選(K+Ca)/P摩爾比=1.56。
12.—種由權(quán)利要求4-7，10或11所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料制成的人工骨支架。
13.—種權(quán)利要求4-7，10或11所述的原位生長(zhǎng)的納米羥基磷灰石晶須增強(qiáng)多孔陶瓷材料作為人工骨支架的應(yīng)用或作為骨組織損傷修復(fù)材料的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉、多孔陶瓷及制法和應(yīng)用。原位生長(zhǎng)納米羥基磷灰石晶須粉通過(guò)下述制備方法得到稱(chēng)取α-TCP和β-TCP，加入到裝有pH值為11.2～11.8的氨水的燒杯中，隨后與鉀鹽反應(yīng)，90～95℃水浴并持續(xù)攪拌12～28h。多孔陶瓷材料的制備方法包括制備原位生長(zhǎng)晶須粉；在其中加入生物玻璃以及增稠劑，球磨使之混合均勻，得到混合漿料；用聚氨酯支架模板在0.75～1g/cm3進(jìn)行浸漿，干燥得到坯體，將所得坯體燒結(jié)、保溫、冷卻，得到納米羥基磷灰石晶須多孔陶瓷材料。本發(fā)明的陶瓷材料，在同樣孔隙率下的力學(xué)性能明顯強(qiáng)于目前的同類(lèi)產(chǎn)品，并且生物性能同樣好，因此可適用于人工骨材料。
文檔編號(hào)C30B29/14GK102517636SQ20111043744
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者葉曉健, 昝青峰, 胡紅濤, 許國(guó)華 申請(qǐng)人:許國(guó)華