一種骨修復(fù)用材料β-磷酸三鈣及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及β -磷酸三鈣陶瓷材料的制備方法，用于填充和修復(fù)低負重骨缺損和骨空隙，屬于生物材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]長期以來，人們在不斷探索更為理想的骨缺損修復(fù)材料，人工骨材料主要有高分子合成材料如聚甲基丙烯酸甲酯、高密度聚乙烯等、無機材料如磷酸三鈣、羥基磷灰石、氧化鋁生物陶瓷等。人們相繼開發(fā)的同種骨、異種骨、生物活性陶瓷材料、可降解高分子材料及其復(fù)合材料，如膠原復(fù)合羥基磷灰石、骨形成蛋白復(fù)合人工骨等都取得很多研究進展，但也存在種種問題。目前國內(nèi)外專家都正在努力探索和開發(fā)生物相容性和親水性好，同時具有促進骨組織生長的生物材料，但在材料的三維多孔微結(jié)構(gòu)設(shè)計與構(gòu)建方面存在著較多的難題?？谇豢扑贸涮畈牧系母鞣N性能與骨科的要求又有所差異，譬如因牙槽骨血供好，一般不強調(diào)充填材料的機械強度指標，但要求材料具有相互貫通的多孔孔道，并具有良好的骨傳導(dǎo)、骨誘導(dǎo)作用，并且希望材料降解速度和新骨生成速度相匹配等。
[0003]由于磷酸鈣生物陶瓷對人體無毒、無免疫反應(yīng)，具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)甚至骨誘導(dǎo)作用，植入機體后利于骨組織的生長，因此磷酸鈣生物陶瓷在骨組織工程研究中得到廣泛的應(yīng)用。其中多孔β_磷酸三鈣人工骨修復(fù)腫瘤性骨缺損臨床效果良好。其內(nèi)部多孔三維結(jié)構(gòu)模擬人骨天然仿生“自組織”結(jié)構(gòu)，有利于募集細胞長入支架深部，達到良好的血管化并最終形成修復(fù)性新骨組織，兼具骨傳導(dǎo)和骨誘導(dǎo)的骨愈合機制，為一高效新型“結(jié)構(gòu)性”骨移植修復(fù)材料。可以廣泛應(yīng)用于骨與軟骨及其他組織的修復(fù)、缺損填充、組織的重建等。此外β -磷酸三鈣具有良好的生物降解性，其鈣磷質(zhì)量比為1.5，與正常骨組織接近，而且多孔磷酸三鈣還可以提供大的比表面積，有利于細胞的增殖、分化和代謝，將其植入生物機體中，降解下來的Ca，P進入活體循環(huán)系統(tǒng)，對形成新生骨有一定促進作用，因此，普遍認為磷酸三鈣是一種理想的骨組織工程生物陶瓷材料，具有誘人的應(yīng)用前景。
[0004]不同工藝制備的磷酸三鈣陶瓷一般可分為粉末型、顆粒型、多孔型和致密型等幾種，人工制備的多孔型β_磷酸三鈣最常用。多孔β_磷酸三鈣陶瓷具有三維立體多孔樣結(jié)構(gòu)，有理想的孔隙率和孔隙間的微孔交通。實驗證明其作為組織工程支架材料與骨髓基質(zhì)細胞復(fù)合具有有良好的組織相容性，是適宜的細胞接種的支架材料。骨形成蛋白多孔β-磷酸三鈣陶瓷材料(β-TCP)的多孔狀態(tài)結(jié)構(gòu)利于骨生長，具有良好的生物相容性和有強大的骨誘導(dǎo)能力，同時具有理想的力學(xué)強度、緩釋作用和一定的溶解度，可用于臨床骨缺損的修復(fù)。
[0005]多孔β -磷酸三鈣生物陶瓷具有良好的理化性能、生物相容性和生物降解性能。自從20世紀以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對生物降解型β-磷酸三鈣陶瓷進行了較深入的研究。磷酸鈣類生物陶瓷根據(jù)Ca/P比的不同，主要有兩種，羥基磷灰石(Ca/Pl.67)和磷酸鈣(Ca/Pl.50)。其中羥基磷灰石的降解速度緩慢，植入體內(nèi)后不能被新生骨完全替代。而磷酸鈣陶瓷具有良好的生物相容性，對宿主全身和局部無毒副作用，不會引起炎性反應(yīng)和異物反應(yīng)，能與骨形成化學(xué)鍵相結(jié)合，具有骨傳導(dǎo)作用。β-磷酸三鈣在體內(nèi)降解主要有兩種途徑:①物理化學(xué)溶解；②吞噬細胞吞噬，降解初期以理化過程的溶解降解為主。降解后釋放的鈣和磷離子參與局部代謝或體液循環(huán)，被利用或排除體外，而不會引起機體病變。降解吸收速率取決于微孔的比例。多孔材料有以下優(yōu)點:①多孔結(jié)構(gòu)增大了材料的比表面積，有助于材料與受植區(qū)組織、血管和界面的接觸。有利于加速界面結(jié)合的反應(yīng)過程；②內(nèi)部連通的孔隙有利于植入材料血管彼此連通。以保證長入材料深部的組織營養(yǎng)供應(yīng)；③能為新生骨組織植入材料提供了通道和場所；④多孔結(jié)構(gòu)使機體骨組織植入形成機械性鎖結(jié)，增強彼此結(jié)合；⑤當組織植入孔隙后形成種植體和骨組織，可以顯著改善材料的力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提出一種孔隙率及孔徑、機械強度可控、制備方法簡單的多孔磷酸三鈣生物陶瓷人工骨塊及其制備方法。通過優(yōu)化工藝、控制工藝條件，改變造孔劑的質(zhì)量分數(shù)，使其孔隙率做到可控。并通過改變原料粉末的顆粒度來改變骨塊的強度。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]該方法的主要成分是β -磷酸三鈣陶瓷粉末，有機粘合劑和造孔劑。
[0009]上述磷酸三鈣粉末為磷酸三鈣，經(jīng)素?zé)^，經(jīng)微粉化處理致顆粒度為500nm_50umo
[0010]上述造孔劑與粘合劑的質(zhì)量比為2: I。
[0011]上述磷酸三鈣原料與雙氧水、粘合劑的固液比范圍為1_2(磷酸三鈣原料的粒度不同需要的混合液的量也有所改變，液體加入量使混合液成糊狀，掛壁，稍有流動且不分層沉淀)。
[0012]具體包括如下步驟:
[0013]a、制備β -磷酸三鈣原料粉體:
[0014](I)稱量硝酸鈣、磷酸氫二銨，使Ca/P的摩爾比為1.5: I
[0015]⑵溶解
[0016](3)將磷酸氫二銨緩慢滴入硝酸鈣溶液中，40°C水浴
[0017]⑷沉淀離心
[0018](5)用乙醇進行洗滌，直至中性
[0019](6)室溫放置15h
[0020](7)90 度干燥 12h
[0021](8) 900 度焙燒 3h
[0022]b、無機粘合劑配置
[0023]取聚乙烯醇(PVA)加去離子水配成5%濃度黏合劑混合液。
[0024]C、發(fā)泡劑配置
[0025]取雙氧水加去離子水配制成2% -6%濃度溶液。
[0026]d、將上述制備的造孔劑溶液以一定比例加入磷酸三鈣粉體，混勻；
[0027]e、將上述磷酸三鈣與造孔劑的混合物進行發(fā)泡
[0028]f、上述e步驟的產(chǎn)物進行高溫煅燒。
[0029]上述e步驟具體為將混合好的液體緩慢倒入模具，置發(fā)泡箱中進行發(fā)泡。升溫速度約為0.6V /min，直至80°C并保溫16h以上充分干燥。
[0030]上述f步驟具體為將發(fā)泡好的骨塊放入高溫瓷化爐進行高溫煅燒，升溫過程為經(jīng)30分鐘從室溫升至250°C ;保溫120min ;經(jīng)120min從250°C升溫至800°C ;保溫120min ；經(jīng)120min從800°C升溫至1050°C ;保溫120min ;再經(jīng)60min從1050°C降溫至800°C，保溫60min j5 60min從800°C降至400°C，最后降至室溫。
[0031]將煅燒好的骨塊于160°C干熱滅菌3小時。
[0032]本發(fā)明的詳細說明
[0033]發(fā)明特點一:該方法的主要成分是β -磷酸三鈣微粉、造孔劑和粘合劑。造孔劑為雙氧水，粘合劑為PVA。在高溫發(fā)泡下,雙氧水和PVA揮發(fā)形成水和二氧化碳,無殘留在骨塊中，經(jīng)體外細胞實驗證明具有良好的生物安全性。
[0034]發(fā)明特點二:通過控制工藝條件，改變雙氧水的濃度使氣孔率可控在40%至80%。
[0035]發(fā)明特點三:β -磷酸三鈣粉末經(jīng)素?zé)笪⒎刍幚?，提高骨塊的力學(xué)強度。
[0036]因此，本發(fā)明的磷酸三鈣生物陶瓷作為骨缺損修復(fù)材料具有獨特優(yōu)勢。
[0037]本發(fā)明的實施方案如下:
[0038]1、材料制備
[0039]本發(fā)明的β-TCP粉末是通過化學(xué)合成的方法制備得到的。所用原材料均為分析純的Ca(NO3)2.4H20、(NH4)2ΗΡ04、氨水、去離子水、乙醇。按鈣磷摩爾為1.5: I的比例稱取 Ca(NO3)2.4H20、(NH4)2HPO4,配制 Ca(NO3)2.4Η20 和(NH4)2HPO4 溶液，同時用氨水調(diào)節(jié)(NH4) 2ΗΡ04溶液，使PH值為8-9，置于40°C水浴鍋中，將Ca2+溶液緩慢勻速加入其中，使PH值維持在8-9，兩溶液充分反映20分鐘。將充分反應(yīng)的溶液進行抽濾，并用乙醇洗滌至中性，室溫下放置15h，并于烘箱90°C下烘干13h，充分干燥后，高溫爐中90(TC下焙燒2h，得到的是P-Ca3(PO3)2粉末(見圖1)。通過微粉化處理，使其顆粒度控制在500nm-50um。將微粉化處理過的磷酸三鈣粉末和雙氧水、PVA混合溶解，磷酸三鈣與雙氧水、PVA的固液比范圍為1-2，PVA與雙氧水的體積比為1: 2，H202的濃度為2% _6%，粘合劑的濃度為5%。將上述3種混合料攪拌均勻后，倒入模具中，置于發(fā)泡箱中進行發(fā)泡，升溫速度為0.40C /min，直至80°C并保溫16h以上以便充分干燥。之后將發(fā)泡好的骨塊放入高溫瓷化爐進行高溫煅燒，升溫過程為經(jīng)30分鐘從室溫升至200°C ;保溫ISOmin ;經(jīng)120min從200°C升溫至900°C;保溫 120min ;經(jīng) 120min 從 900°C升溫至 1100°C;保溫 120min ;再經(jīng) 60min 從 1100°C降溫至900°C，保溫60min ;經(jīng)60min從900°C降至500°C，最后降至室溫，得到本發(fā)明的多孔β-TCP生物陶瓷人工骨。
[0040]2、性能評價
[0041]2.1細胞毒性評價
[0042]原材料研磨成細沙狀后用完全培養(yǎng)基，0.2g/ml，37°C浸提24小時，離心，過濾得浸提液，測得PH值為7.2-7.4 (與完全培養(yǎng)基PH值相當)。將浸提原液和以培養(yǎng)基作稀釋劑的系列浸提