專利名稱：硅酸鈉鈣生物材料、制備方法及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有生物活性的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)生物材料、制備 方法及其用途，屬于生物材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Si基的生物玻璃和生物陶瓷用作骨組織工程生物材料在近幾十年取得 了顯著的成功，例如58S， 77S等。最顯著的特點(diǎn)就是材料表面在體液環(huán)境下 形成富Si層能夠誘導(dǎo)羥基磷灰石的形成和刺激成骨細(xì)胞的增殖，體現(xiàn)了較好 的生物活性。近幾年含有堿土金屬離子的硅酸鹽陶瓷受到了廣泛關(guān)注，例如 鎂黃長石(Ca2MgSi207)，菱硅鈣鈉石(Na2Ca2Si309)等。Na是一種很活潑的元 素并且在人體大量存在，含Na的生物玻璃和生物陶瓷例如45S5生物玻璃， Ceravital玻璃陶瓷，Bioverit生物陶瓷等都已經(jīng)商業(yè)化并且應(yīng)用于臨床取 得了成功，據(jù)報(bào)道含有硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)晶相的玻璃陶瓷已經(jīng)應(yīng)用于牙 齒修復(fù)。另外，Na2CaSi04還是E1-Ghannam工作組制備的一種磷酸鈣硅復(fù)合 材茅斗(silica-calcium phosphate composite)的主晶相之一。
因此Na2CaSi04作為生物材料的研究與應(yīng)用具有一定的意義，而它的制備 鮮見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅酸鈉鈣生物材料、制備方法及其應(yīng)用。具 體地說，通過溶膠一凝膠法合成出硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體，然后燒結(jié)成 硅酸鈉轉(zhuǎn)(Na2CaSi04)陶瓷；通過體外生物活性，降解性等性能評(píng)價(jià)來確定 其是否具有用作新型的生物活性材料的能力。
本發(fā)明實(shí)施方案如下
硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體和塊體陶瓷的制備
(1) 將正硅酸乙酯與2mol/L硝酸銨4-6:1的體積比混合并加入兩倍左 右于正硅酸乙酯體積的去離子水和一倍左右于正硅酸乙酯體積的乙醇，使得 后來加入的硝酸鹽能夠溶解并且促進(jìn)兩相互溶，在室溫下充分?jǐn)嚢?0分鐘， 使得正硅酸乙酯充分水解，然后加入硝酸鈉(或氯化鈉)和四水合硝酸鈣(或 氯化鈣)，其Na、 Ca和Si的摩爾比為2: 1: 1。攪拌5-7小時(shí)后，密封，在 6(TC中陳化2 — 3天，獲得穩(wěn)定溶膠，并在12(TC中干燥得到凝膠。
(2) 將干燥后的干凝膠在80(TC煅燒2-4小時(shí)，得到硅酸鈉鈣 (Na2CaSi04)粉體。
(3) 將得到硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體在IIO(TC煅燒17小時(shí)，加以純化。
(4) 將合成純化過的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體研磨、過篩，并加入 6wtX的聚乙烯醇(PVA)造粒，加入量為5 10wt%，造粒后先在5-10MPa 下干壓硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體成型，并在150_300MPa下冷等靜壓處理。
(5) 將壓成的陶瓷坯體在100(TC-110(TC燒結(jié)l-5小時(shí)，可制得硅酸鈉 轉(zhuǎn)(Na2CaSi04)陶瓷。
綜上所述，本發(fā)明提供的硅酸鈉鈣生物材料為純的硅酸鈉鈣，化學(xué)式為 Na2CaSi04，其中Na、 Ca和Si的摩爾比為2:1:1。
所提供的生物材料為粉體狀或塊體狀，粉體的尺寸范圍為0.2pm 100pm，塊體材料的相對(duì)體積密度85% 95%。
硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體和陶瓷的性能評(píng)價(jià)
1、硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體和陶瓷的生物活性
采用模擬體液浸泡硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體和陶瓷片1一7天。模擬體 液含有與人體血漿相同的離子和離子團(tuán)濃度。其組成為
NaCl:7. 996g/L
Na線0. 350g/L
KC1:0. 224g/L
K2HP04. 3H20:0.228g/L
MgCl2. 6H20:0.305g/L
HC1:lmol/L
5
CaCl2: 0.278g/L
Na2S04 : 0 . 071g/L
NH2C(CH20H)3: 6.057g/L
浸泡后，烘干樣品，采用XRD和SEM檢測(cè)形成的羥基磷灰石。XRD結(jié)果 顯示3天羥基磷灰石就附著在粉體表面，浸泡7天時(shí)粉體表面就幾乎全部由 羥基磷灰石覆蓋。對(duì)在模擬體液中浸泡7天的塊體進(jìn)行SEM和EDS檢測(cè)，同 時(shí)檢測(cè)溶液的離子濃度變化。發(fā)現(xiàn)7天后材料表面覆蓋了很厚的一層羥基磷 灰石，EDS結(jié)果也說明證明了這點(diǎn)。另外，能譜和溶液中離子濃度結(jié)果說明， 硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)材料在模擬體液中是通過表面一層富Si層來誘導(dǎo)羥基 磷灰石形成的，這一系列實(shí)驗(yàn)說明硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)材料具有良好的生 物活性。
2、硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)陶瓷的降解性
將硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)陶瓷在磷酸鹽緩沖溶液PBS中浸泡1-28天來檢 測(cè)它的降解性。PBS的組成為-KC1 0.2g/L
NaCl 8.Og/L
KH2P04 0 . 2g/L
Na2HP04 7H20 2. 16g/L
另陶瓷片浸泡前的重量為m。，浸泡后的質(zhì)量為mn，失重率為
(m0_ mn) / m。X100%
失重曲線說明陶瓷在PBS中的降解過程受離子釋放和溶液中離子在材料 表面沉積兩因素控制，14天的時(shí)候失重最大，則在14天前降解速度大于沉 積速度，14天后反之。對(duì)浸泡28天的樣品進(jìn)行XRD測(cè)試，結(jié)果表明表面有 磷灰石的形成，進(jìn)一步證明了硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)良好的生物活性。
據(jù)此，本發(fā)明的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)材料是一種新型的生物活性骨修 復(fù)材料。該材料具有優(yōu)良的生物學(xué)性能，能夠在模擬體液中誘導(dǎo)羥基磷灰石 的形成。在磷酸鹽緩沖溶液中逐步降解并且表面亦能形成磷灰石。該材料性 能優(yōu)越，采用溶膠一凝膠法合成組成比較復(fù)雜的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)材料 的方法，具有工藝比較簡單，條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)。
由此可見，本發(fā)明提供的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體或塊體材料在模擬 體液中浸泡后，材料表面形成一層富硅層，能夠誘導(dǎo)羥基磷灰石的生成。這 種硅酸鈉轉(zhuǎn)(Na2CaSi04)陶瓷在磷酸鹽緩沖溶液中也能誘導(dǎo)磷灰石的形成。 說明硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)具有良好的生物性能，是一種很有潛力的生物活 性材料。用作骨組織工程材料、骨填充材料和齒科材料。
按照上述內(nèi)容，在不脫離本發(fā)現(xiàn)上述基本技術(shù)思想的前提下，根據(jù)本領(lǐng) 域的普遍知識(shí)和技術(shù)手段，向硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)材料添加其他生物相容 性和治療性藥物組分，都屬于本發(fā)明內(nèi)容包括的多種形式的修改、替換和變 更，均屬于本發(fā)明的范圍。


圖1為溶膠一凝膠法合成的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體XRD圖，從圖中 可以看出只有Na2CaSi04 (PDF 24-1069)峰存在，沒有其它雜質(zhì)。
圖2為硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體浸泡模擬體液1天，3天和7天的XRD 圖。從圖中可以看出生成了羥基磷灰石。
圖3為硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)塊體陶瓷浸泡模擬體液7天前(A圖)、后 (B圖)的SEM圖。顯示硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)塊體陶瓷表面覆蓋了一層厚 厚的羥基磷灰石層。
圖4為硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)塊體陶瓷浸泡模擬體液7天前后表面的能 譜圖。
圖5為硅酸鈉l丐(Na2CaSi04)塊體陶瓷浸泡模擬體液1天，3天和7天 后溶液的離子濃度變化。
圖6為硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)塊體陶瓷浸泡PBS緩沖溶液1天_28天的 失重圖。
圖7為硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)塊體陶瓷浸泡PBS緩沖溶液28天后的XRD 圖。顯示材料表面沉積了磷灰石。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不僅僅限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1
(1) 正硅酸乙酯24ml與6ml 2mol/L硝酸溶液混合，加入20ml的去離 子水和10ml的乙醇，在室溫下充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后加入0. 2摩爾硝酸鈉 和O. l摩爾四水合硝酸鈣攪拌7小時(shí)，密封，在6(TC中陳化2天，并在120 "C中干燥3天。
(2) 將干燥好的干凝膠在80(TC煅燒2小時(shí)，得到硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體。
對(duì)所制得得粉體進(jìn)行X射線衍射分析發(fā)現(xiàn)所制備的粉體為純的硅酸鈉鈣 (PDF #24-1069)(如圖1). 實(shí)施例2:
(1) 正硅酸乙酯112ml與2mol/L硝酸溶液20ml混和，并加入去離子水 200ml以及100ml的乙醇，在室溫下充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后加入1摩爾硝酸 鈉和0. 5摩爾四水合硝酸轉(zhuǎn)攪拌5小時(shí)，密封，在6(TC中陳化3天，并在120 "C中干燥3天。
(2) 將干燥好的干凝膠在IIO(TC煅燒17小時(shí)，得到純的硅酸鈉鈣 (Na2CaSi04)粉體。
(3) 將合成的粉體按1.5mg/ml的比例浸入模擬體液中，1天、3天及7 天后取出進(jìn)行X射線衍射分析。發(fā)現(xiàn)3天后材料表面就被磷灰石層覆蓋，7 天后材料表面己全部為磷灰石(圖2)。表明所合成的硅酸鈉鈣粉體具有很高 的生物活性。
實(shí)施例3:
(1) 正硅酸乙酯112ml與2mol/L硝酸溶液20ml混和，并加入去離 子水200ml以及100ml乙醇，在室溫下充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后加入1摩爾硝 酸鈉和0.5摩爾四水合硝酸鈣攪拌5小時(shí)，密封，在6(TC中陳化3天，并在 12(TC中干燥3天。
將干燥好的干凝膠在UO(TC煅燒17小時(shí)，得到純的硅酸鈉鈣(Na2CaSi04)粉體。
(2) 將合成的粉體球磨、過篩后，并加入10wt^的PVA溶液造粒， 一定壓力下(8MPa)干壓成())10腿xlmm的圓片狀試樣，再在150Mpa條件下冷
等靜壓。
(3) 將圓片狀試樣在IIO(TC燒結(jié)2小時(shí)。然后將燒結(jié)的硅酸鈉鈣陶 瓷片浸入模擬體液中評(píng)價(jià)其生物活性。7天后用掃描電鏡觀察試樣表面形貌 以及成分的變化，發(fā)現(xiàn)浸泡7天后酸鈉鈣陶瓷片表面被球形類骨磷灰石顆粒 覆蓋(圖3)，另外能譜結(jié)果及離子濃度結(jié)果聯(lián)合顯示在陶瓷表面形成了一層 富硅層(圖4和圖5)，證明硅酸鈉鈣陶瓷是通過富硅層來誘導(dǎo)磷灰石形成的。 實(shí)施例4:
(1) 正硅酸乙酯112ml與2mol/L硝酸溶液20ml混和，并加入去離 子水200ml以及100ml的乙醇，在室溫下充分?jǐn)嚢?0分鐘，然后加入1摩爾 硝酸鈉和0.5摩爾四水合硝酸鈣攪拌5小時(shí)，密封，在6(TC中陳化3天，并 在12(TC中干燥3天。將干燥好的干凝膠在IIO(TC煅燒17小時(shí)，得到純的硅 酸鈉藥(Na2CaSi04)粉體。
(2) 將合成的粉體球磨、過篩后，并加入6wt^的PVA溶液造粒， 一定壓力下(5MPa)干壓成())10mmxlmm的圓片狀試樣。然后再在200Mpa條件 下冷等靜壓。
(3) 將步驟(2)的圓片狀試樣在IIO(TC燒結(jié)2小時(shí)。然后將燒結(jié) 的硅酸鈉鈣陶瓷片浸入磷酸鹽緩沖液中評(píng)價(jià)其體外降解性能，用失重率來衡 量其降解速率。失重曲線說明陶瓷在PBS中的降解受離子釋放和溶液中離子 在材料表面沉積兩個(gè)過程控制，14天的時(shí)候失重最大，前14天降解速度大 于沉積速度，14天后離子的反沉積過程加快(圖6)。對(duì)浸泡28天的樣品進(jìn) 行XRD測(cè)試，結(jié)果表明表面有磷灰石的形成(圖7)，進(jìn)一步證明了硅酸鈉鈣
(Na2CaSi04)良好的生物活性。
權(quán)利要求
1.硅酸鈉鈣生物材料，其特征在于化學(xué)式為純的Na2CaSiO4，Na、Ca和Si的摩爾比為2:1:1；所述的硅酸鈉鈣材料為粉體狀或三維塊體狀。
2、 按權(quán)利要求1所述的硅酸鈉鈣生物材料，其特征在于所述的粉末狀硅 酸鈉鈣的粒徑為0.2~100pm。
3、 按權(quán)利要求1所述的硅酸鈉鈣生物材料，其特征在于所述的塊狀硅酸 鈉鈣的相對(duì)體積密度為85%~98%。
4、 制備如權(quán)利要求1所述的硅酸鈉鈣生物材料的方法，其特征在于采用 溶膠-凝膠法合成硅酸鈉鈣粉；A. 粉體狀硅酸鈉鈣生物材料(1) 將正硅酸乙酯與硝酸銨按4-6:1的體積比混合并加入去離子水和乙 醇混勻，攪拌使正硅酸乙酯充分水解；(2) 加入硝酸鈉和四水合硝酸鈣，Na、 Ca和Si的摩爾比為2:1:1，攪 拌、密封并陳化獲得穩(wěn)定溶膠；(3) 將步驟2所得的穩(wěn)定溶膠12(TC干燥制成凝膠；(4) 將干燥后的凝膠在80(TC煅燒得到硅酸鈉鈣粉體；或(5)將步驟4得到的硅酸鈉鈣粉體在110(TC煅燒純化；B. 塊狀硅酸鈉鈣的制備(1) 將正硅酸乙酯與硝酸銨按4-6:1的體積比混合并加入去離子水和乙 醇混勻，攪拌使正硅酸乙酯充分水解；(2) 加入硝酸鈉和四水合硝酸鈣，Na、 Ca和Si的摩爾比為2:1:1，攪 拌、密封并陳化獲得穩(wěn)定溶膠；(3) 將步驟2所得的穩(wěn)定溶膠120干燥制成凝膠；(4) 將干燥后的凝膠在800煅燒得到硅酸鈉鈣粉體；(5) 將步驟4得到的硅酸鈉鈣粉體在1100煅燒純化；(6) 步驟5純化后的Na2CaSi04粉體研磨、過篩并加入質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為6 %的聚乙烯醇溶液造粒、干壓成型后再冷等靜壓處理，制成陶瓷坯體；(7) 將步驟6制成的陶瓷坯體于1000-110(TC燒結(jié)制成Na2CaSiO4粉體。
5、 按權(quán)利要求4所述的硅酸鈉鈣生物材料的制備方法，其特征在于步驟 1中所述的加入的去離子水為正硅酸乙酯體積的2倍，加入的乙醇為正硅酸 乙酯體積的1倍。
6、 按權(quán)利要求4所述的硅酸鈉鈣生物材料的制備方法，其特征在于步驟 1中硝酸銨的濃度為2mol/L;造粒時(shí)聚乙烯醇溶液加入量為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)6 10%。
7、 按權(quán)利要求4所述的硅酸鈉鈣生物材料的制備方法，其特征在于步驟 2中所述陳化溫度為6(TC，時(shí)間為2-3天；攪拌時(shí)間為5-7小時(shí)。
8、 按權(quán)利要求4所述的硅酸鈉鈣生物材料的制備方法，其特征在于步驟 4中所述的煅燒時(shí)間為2-4小時(shí)。
9、 按權(quán)利要求4所述的硅酸鈉鈣生物材料的制備方法，其特征在于步驟 6中所述的干壓成型壓力5-10MPa，后續(xù)的冷等靜壓壓力為150-300MPa;步 驟7中陶瓷坯體燒結(jié)時(shí)間為1-5小時(shí)。
10、 權(quán)利要求l所述的硅酸鈉鈣生物材料的應(yīng)用，其特征在于用于骨組 織工程材料、骨填充材料或齒科材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅酸鈉鈣生物材料、制備方法及其用途，其特征在于采用正硅酸乙酯、水、硝酸鈉或者氯化鈉、四水合硝酸鈣或氯化鈣為原材料，以溶膠-凝膠法合成純硅酸鈉鈣(Na₂CaSiO₄)粉體，然后將粉體經(jīng)成形燒結(jié)制得硅酸鈉鈣陶瓷。硅酸鈉鈣(Na₂CaSiO₄)粉體或塊體材料在模擬體液中浸泡后，材料表面形成一層富硅層，能夠誘導(dǎo)羥基磷灰石的生成。這種硅酸鈉鈣(Na₂CaSiO₄)陶瓷在磷酸鹽緩沖溶液中也能誘導(dǎo)磷灰石的形成。說明硅酸鈉鈣(Na₂CaSiO₄)具有良好的生物性能，是一種很有潛力的生物活性材料。用作骨組織工程材料、骨填充材料和齒科材料。
文檔編號(hào)A61K6/02GK101367525SQ20081020017
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者寧聰琴, 江 常, 趙迎珂 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所