專利名稱：一種β-TCP多孔材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物材料領(lǐng)域，特別涉及e -Tcp多孔材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
生物活性陶瓷類材料主要由鈣、磷元素組成，顯示出良好的生物相容性，并且具有一定的成骨引導性以及可有效促進成骨細胞的粘附、迀移、增殖和基質(zhì)分泌。磷酸鈣生物陶瓷在骨修復方面受到重視，除了鈣成分以外，還在于磷在生命化學中的地位，無機磷酸鹽在生命細胞中經(jīng)生物活化而直接參與生命過程，這是其它酸根所不能比擬的。
目前鈣磷系統(tǒng)陶瓷類材料主要包括羥基磷灰石(HA) 、 a-磷酸鈣(a-TCP) 、 {3-磷酸鈣(e-TCP)等，羥基磷灰石在空氣氣氛中80(TC便開始分解，分解產(chǎn)物主要為e-TCP，隨著燒結(jié)溫度的升高，在115(TC發(fā)生e-TCP向a-TCP的相轉(zhuǎn)變，其生物活性與生物降解性能依次為e-TCP 〉HA〉a-TCP。因此，P -TCP的生物活性與生物降解性能在鈣磷系統(tǒng)陶瓷類材料最為優(yōu)良，當植入人體后，e-TCP能在體內(nèi)降解，降解下來的Ca、 P進入活體循環(huán)系統(tǒng)形成新生骨，直接參與宿主生命過程，因而是理想的硬組織替代材料。
對于骨折或良性骨腫瘤產(chǎn)生的骨缺損，多孔e-TCP可作為支架引導骨組織向孔隙內(nèi)部攀附生長，同時e-TCP逐漸發(fā)生降解，而骨組織長滿多孔e-TCP支架的空間，達到引導成骨修
復的目的。相比較于金屬植入物的二次手術(shù)取出問題、同種異體骨與異種異體骨植入的免疫
與排異問題、自體髂骨或自體肋骨植入的創(chuàng)傷問題，e-TCP多孔材料具有明顯的優(yōu)勢。但由于e-TCP多孔材料在燒結(jié)時存在強度與活性的矛盾，即燒結(jié)溫度較低時(低于
115(TC)，材料生物活性和生物降解性較好，但由于燒結(jié)不夠徹底，力學強度偏低；而燒結(jié)溫度較高時(高于115(TC)，材料力學強度得以提高，但由于發(fā)生相轉(zhuǎn)變，生物活性和生物
降解性會明顯降低。
現(xiàn)在的解決方法是在e-TCP中添加5-20wt。/。的低熔點生物玻璃作為燒結(jié)粘結(jié)相，使多
孔e -Tcp材料在較低溫度時就完成較為徹底的燒結(jié)進程，同時保持其生物活性和生物降解性。這種方法在一定程度上緩解了e-TCP多孔材料在強度與活性之間的矛盾，但沒有從根本上
解決問題， 一則因為5-20wt。/。的生物玻璃不能完全降解，降低了e-TCP材料的降解性能；二
則因為多孔e -Tcp材料要求一定的孔隙度才能滿足其降解能力，使得其強度不會有太大提高目前認為，骨修復行為是由一系列細胞分子共同發(fā)動和相繼參與的連續(xù)過程，各種成骨現(xiàn)象在不同影響因素下存在差異。誘導刺激物、間充質(zhì)細胞及有利于骨痂生長的微量元素等是加速骨愈合的必要條件。血清堿性磷酸酶(ALP)是由成骨細胞產(chǎn)生，是骨形成活性的標志物。而鋅離子是ALP活性中心的成分，當體內(nèi)的鋅離子濃度過低時，酶活性降低。因此，微量提高骨缺損局部Zn的濃度，有助于提高ALP的活性，從而加速骨缺損區(qū)域的成骨行為；若在多孔e-TCP中摻雜微量元素鋅，可促進多孔e-TCP材料的降解行為，同時加速骨愈合的進程。反過來，摻Zn多孔e-TCP材料在較低孔隙度時即可滿足其降解能力，較低孔隙度大大
提高了強度，從而可望從根本上解決e -Tcp多孔材料在強度與活性之間的矛盾。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種摻雜微量元素zn的多孔e -Tcp材料及其制備方法。針對傳統(tǒng)e -tcp多孔
材料在強度與活性之間的矛盾難以緩和的情況，提出在e -TCP多孔材料中加入微量元素Zn，通過微量元素Zn提高ALP活性的行為來促進多孔6 -TCP材料在較低孔隙度時的降解，從而使
多孔e-TCP材料提高強度。
本發(fā)明的技術(shù)方案為
本發(fā)明的e -TCP多孔材料是以天然植物纖維或聚氨酯海綿為造孔材料，通過浸漬在摻雜有微量元素Zn的e-TCP粉制成的漿料中，制成具三維網(wǎng)狀骨架坯體，烘干后，經(jīng)燒結(jié)制成
摻雜微量元素Zn的{3 -TCP多孔材料內(nèi)有貫通整個材料體的連通孔隙，孔隙率為58-80%。所述摻雜微量元素Zn的{3 -TCP粉末平均粒徑為1-100 y m。80-90%的孔隙孔徑在500 y m以內(nèi)。
鋅與e-TCP粉中的鈣的摩爾比在l: 100和1: 10000之間變化。
鋅與e-TCP粉中的鈣的優(yōu)選的摩爾比在i: 100和1: IOOO之間。
所述的e -TCP多孔材料的制備方法為
將摻雜微量元素Zn的{3 -TCP粉末與聚乙烯醇(分子量優(yōu)選為3-5萬)溶液混合制成漿料，
用聚氨酯海綿或天然植物纖維浸漬漿料，制成具有三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的坯體，將坯體在
60-9(TC下烘干，然后在1000-IIO(TC燒結(jié)而成。
優(yōu)選的燒結(jié)條件為為防止升溫速率過快造成坯體塌陷，以5'C.min—工升至80(TC保溫lh以去除有機骨架，然后以l(TC. min—工升至1000-110(TC保溫1-2h完成燒結(jié)。
燒結(jié)后材料經(jīng)冷卻后，煮沸l(wèi)-2h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的e-TCP多孔材將聚乙烯醇溶于去離子水中制成15-30%的聚乙烯醇溶液。
所述摻雜微量元素Zn的{3 -TCP粉末可以通過濕化學法制得，該法具有原子尺度混合均勻的特點。
本發(fā)明的摻雜微量元素Zn的e-TCP粉末制備過程為反應原料選擇可溶性磷酸銨鹽(如磷酸銨、磷酸氫銨或磷酸二氫銨等)、可溶性鈣鹽(如硝酸鈣或氯化鈣等)、可溶性鋅鹽(如硝酸鋅或氯化鋅等)及氨水，經(jīng)溶解，攪拌反應，陳化，洗滌，干燥，過篩，煅燒，濕磨，二次過篩而制得。
所述攪拌反應為可溶性鈣+鋅鹽溶液與氨水同時滴加到磷酸銨鹽溶液中進行反應，攪拌時間4-12h。
陳化時間不低于24h，洗滌3-5次得摻Zn的{3 -TCP前體。
所述的過篩，煅燒是指過80-100目篩后裝入氧化鋁舟中溫煅燒1-2h。
所述的濕磨，二次過篩是指將煅燒后的粉末在濕磨器中用無水乙醇或丙酮進行濕磨分散
4-12h，再經(jīng)真空干燥，二次破碎，過篩，得摻Zn的e-TCP粉末。
將摻Zn的e-TCP粉末與聚乙烯醇水溶液混合均勻，制成料漿。將造孔劑小塊或團粒(艮卩
聚氨酯海綿或天然植物纖維)與料漿充分混合得料漿塊，置于真空干燥箱中60-9(TC干燥(艮卩
烘干)。干燥后的料漿塊于氧化鋁舟中，連續(xù)預燒后高溫燒結(jié)，冷卻。冷卻后的樣品煮沸
l-2h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的多孔{3 -TCP材料。
本發(fā)明可以采用濕化學法制取摻Zn鈣磷基活性粉末(e-TCP粉)，以天然植物纖維或聚
氨酯海綿為造孔材料，經(jīng)混合、浸漬成形、燒結(jié)等工藝過程，即可制成摻雜微量元素Zn的e
-TCP多孔材料，用作人體骨修復、填補時的填充材料，該多孔材料具有良好的生物活性和生
物降解性及力學強度。
本發(fā)明以e-TCP為基體，通過摻雜微量元素Zn的方法來改善其力學性能與降解性能。通過加入微量元素Zn提高了ALP活性并促進了多孔6 -TCP材料在較低孔隙度時的降解，從而大
大提高了 e -Tcp材料的抗壓強度和降解能力，解決了 e -tcp多孔生物陶瓷植入材料力學性能與生物降解性能不匹配的問題。
本發(fā)明的材料兼具優(yōu)越的降解性能和力學性能，有望改善骨缺損修復與重建材料的不足，并在臨床上獲得廣大應用。
且發(fā)明申請之前，發(fā)明人也未見相關(guān)的研究和報道。這是發(fā)明人首次嘗試此種以摻雜微
量元素Zn的方式得到的{3 -TCP多孔材料，材料抗壓強度可以在20-40MPa間變化，材料體內(nèi)降解時間為6-9個月，對材料的力學性能與降解性能產(chǎn)生了實質(zhì)性提高。
6摻Zn的6 -TCP材料孔隙結(jié)構(gòu)為連通孔隙，且其孔隙結(jié)構(gòu)能基本滿足人體骨組織Haversian系統(tǒng)0-500 y m孔隙尺寸的要求，滿足了材料降解和骨組織爬行生長的需要。本發(fā)明的材料兼具優(yōu)越的降解性能和力學性能，有望改善骨缺損修復與重建材料的不足，并在臨床上獲得廣大應用。


圖1是實施例1制備工藝流程示意圖；圖2是實施例1孔隙結(jié)構(gòu)示意圖3是實施例1臨床降解示意圖；左股骨頸股骨上段囊腫刮除后進行摻Zn的6 -TCP多孔材料植入手術(shù)(a:術(shù)后一月；b為術(shù)后六個月，摻Zn的e-TCP多孔材料已基本吸收)；圖4是實施例2孔隙結(jié)構(gòu)示意圖5是實施例2臨床降解示意圖。右肱骨中上段動脈瘤樣骨囊腫刮除后進行摻Zn的6-TCP多孔材料植入手術(shù)(a:術(shù)后一月；b:術(shù)后九個月，摻Zn的{3-TCP多孔材料與宿主骨密度基本一致)
具體實施例方式
以下實施例旨在說明本發(fā)明而不是對本發(fā)明的進一步限定。實施例l
按圖l進行摻Zn的e-TCP多孔材料的濕化學法制備。將磷酸銨、硝酸鋅、硝酸鈣分別以去離子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液應清晰、透明，其中硝酸鋅與硝酸鈣的摩爾比為1: 200，磷酸銨與氨水的含量按相應的化學配比配料。將磷酸銨溶液注入反應釜中，室溫及攪拌條件下將硝酸鈣與硝酸鋅溶液緩慢滴入磷酸銨溶液中，與此同時，氨水亦緩慢滴注入反應釜，反應完全后，繼續(xù)攪拌4h，陳化24h。陳化后的溶膠為白色，去掉上層清液，于攪拌條件下，加入等量去離子水，反復洗滌3次后經(jīng)濾斗用濾布過濾，得到摻Zn的e-TCP前體。摻Zn的e-TCP前體真空條件8(TC下干燥，去除水分。團聚粉末在破碎機中干磨破碎，然后過80目篩，篩上物返回繼續(xù)破碎。過篩后的粉末，裝入氧化鋁舟中溫煅燒lh。煅燒后的粉末在濕磨器中用無水乙醇進行濕磨分散，然后將球粉經(jīng)不銹鋼篩分離，再經(jīng)真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，過200目篩，得摻Zn的e-TCP粉末。將聚乙烯醇溶于去離子水中配成15%的溶液。將摻Zn的e-TCP粉末與聚乙烯醇(分子量3萬)水溶液混合均勻，制成料漿。將造孔劑小塊或團粒與料漿充分混合制得料漿塊，并置于真空干燥箱中8(TC干燥。干燥后的料漿塊于氧化鋁舟中，以5r.min—工升至80(TC保溫lh以脫除造孔劑，然后以l(TC. min—工升至100(TC保溫2h完成燒結(jié)，隨爐冷卻后的樣品煮沸2h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的多孔e-TCP材料，經(jīng)萬能材料試驗機測試，其抗壓強度為28. 4MPa。材料的孔隙結(jié)構(gòu)如圖2示，顯示為連通孔隙，孔徑多數(shù)在0-500ym以內(nèi)，孔隙率為66%。植入人體后6個月完全降解，如圖3示。圖3為左股骨頸股骨上段囊腫刮除后進行摻Zn的e-TCP多孔材料植入手術(shù)照片，a為術(shù)后一月，b為術(shù)后六個月，表示六個月后摻Zn的e-TCP多孔材料已基本吸收。實施例2
將磷酸銨、硝酸鋅、硝酸鈣分別以去離子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液應清晰、透明，其中硝酸鋅與硝酸鈣的摩爾比為l: 800，磷酸銨與氨水的含量按相應的化學配比配料。將磷酸銨溶液注入反應釜中，室溫及攪拌條件下將硝酸鈣與硝酸鋅溶液緩慢滴入磷酸銨溶液中，與此同時，氨水亦緩慢滴注入反應釜，反應完全后，繼續(xù)攪拌8h，陳化48h。陳化后的溶膠為白色，去掉上層清液，于攪拌條件下，加入等量去離子水，反復洗滌4次后經(jīng)濾斗用濾布過濾，得到摻Zn的e-TCP前體。摻Zn的e-TCP前體真空條件9(TC下干燥，去除水分。團聚粉末在破碎機中干磨破碎，然后過100目篩，篩上物返回繼續(xù)破碎。過篩后的粉末，裝入氧化鋁舟中溫煅燒2h。煅燒后的粉末在濕磨器中用無水乙醇進行濕磨分散，然后將球粉經(jīng)不銹鋼篩分離，再經(jīng)真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，過200目篩，得摻Zn的e-TCP粉末。將聚乙烯醇(分子量5萬)溶于去離子水中配成25%的溶液。將摻Zn的e-TCP粉末與聚乙烯醇水溶液混合均勻，制成料漿。將造孔劑小塊或團粒與料漿充分混合制得料漿塊，并置于真空干燥箱中9(TC干燥。干燥后的料漿塊于氧化鋁舟中，以5'C.min—工升至80(TC保溫lh以脫除造孔劑，然后以10。C.min—工升至110(TC保溫2h完成燒結(jié)，隨爐冷卻后的樣品煮沸l(wèi). 5h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的多孔e-TCP材料，經(jīng)萬能材料試驗機測試，其抗壓強度為22.6MPa。材料的孔隙結(jié)構(gòu)如圖4示，顯示為連通孔隙，孔徑多數(shù)在(T500 y m以內(nèi)，孔隙率為58%。植入人體后9個月完全降解，如圖5示。圖5為右肱骨中上段動脈瘤樣骨囊腫刮除后進行摻Zn的e-TCP多孔材料植入手術(shù)照片，a為術(shù)后一月，b為術(shù)后九個月，表示九個月后摻Zn的{3 -TCP多孔材料與宿主骨密度基本一致。
實施例3
將磷酸銨、硝酸鋅、硝酸鈣分別以去離子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液應清晰、透明，其中硝酸鋅與硝酸鈣的摩爾比為l: 8000，磷酸銨與氨水的含量按相應的化學配比配料。將磷酸銨溶液注入反應釜中，室溫及攪拌條件下將硝酸鈣與硝酸鋅溶液緩慢滴入磷酸銨溶液中，與此同時，氨水亦緩慢滴注入反應釜，反應完全后，繼續(xù)攪拌10h，陳化36h，去掉上層清液，加入等量去離子水，反復洗滌5次后經(jīng)濾斗用濾布過濾，得到摻Zn的e-TCP前體。摻Zn的e-TCP前體真空條件8(TC下干燥，去除水分。團聚粉末在破碎機中干磨破碎，然后過100目篩，篩上物返回繼續(xù)破碎。過篩后的粉末，裝入氧化鋁舟中溫煅燒l. 5h。煅燒后的粉末在濕磨器中用無水乙醇進行濕磨分散，然后將球粉經(jīng)不銹鋼篩分離，再經(jīng)真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，過200目篩，得摻Zn的e-TCP粉末。將聚乙烯醇(分子量4萬)溶于去離子水中配成30%的溶液。將摻Zn的e-TCP粉末與聚乙烯醇水溶液混合均勻，制成料漿。將造孔劑小塊或團粒與料漿充分混合制得料漿塊，并置于真空干燥箱中7(TC干燥。干燥后的料漿塊于氧化鋁舟中，以5。C.min—工升至80(TC保溫lh以脫除造孔劑，然后以l(TC. min—工升至110(TC保溫1.5h完成燒結(jié)，隨爐冷卻后的樣品煮沸l(wèi)h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的多孔e-TCP材料，經(jīng)萬能材料試驗機測試，其抗壓強度為19.5MPa。材料具有與人體骨匹配的孔隙結(jié)構(gòu)和力學性能，可引導骨組織爬行生長的同時自身逐漸降解。
權(quán)利要求
1.一種β-TCP多孔材料，其特征在于，以天然植物纖維或聚氨酯海綿為造孔材料，通過浸漬在摻雜有微量元素Zn的β-TCP粉制成的漿料中，制成具三維網(wǎng)狀骨架坯體，烘干后，經(jīng)燒結(jié)制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種e-TCP多孔材料，其特征在于，摻雜微量元素Zn的{3 -TCP多孔材料內(nèi)有貫通整個材料體的連通孔隙，孔隙率為58-80%。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種e-TCP多孔材料，其特征在于，所述摻雜微量元素Zn的{3 -TCP粉末平均粒徑為1-100 y m。
4.根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的一種e-TCP多孔材料，其特征在于，鋅與e-TCP粉中的鈣的摩爾比在i: ioo和i: ioooo之間變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的一種e-TCP多孔材料，其特征在于，鋅與e-TCP粉中的鈣的摩爾比在i: 100和1: IOOO之間。
6. 一種e-TCP多孔材料的制備方法，其特征在于，將摻雜微量元素Zn的e-TCP粉末與聚乙烯醇溶液混合制成漿料，用聚氨酯海綿或天然植物纖維浸漬漿料，制成具有三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的坯體，將坯體在60-9(TC下烘干，然后在1000-110(TC燒結(jié)而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種e-TCP多孔材料的制備方法，其特征在于，所述的燒結(jié)條件為為防止升溫速率過快造成坯體塌陷，以5'C.min-l升至80(TC保溫lh以去除有機骨架，然后以l(TC. min-1升至1000-110(TC保溫1-2h完成燒結(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種e-TCP多孔材料的制備方法，其特征在于，燒結(jié)后材料經(jīng)冷卻后，煮沸l(wèi)-2h后干燥，真空包裝即得摻雜微量元素Zn的e-TCP多孔材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種e-TCP多孔材料的制備方法，其特征在于，摻雜微量元素Zn的e-TCP粉末制備過程為反應原料為可溶性磷酸銨鹽、可溶性鈣鹽、可溶性鋅鹽及氨水，經(jīng)溶解，攪拌反應，陳化，洗滌，干燥，過篩，煅燒，濕磨，二次過篩而制得。
10 根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種e-TCP多孔材料的制備方法，其特征在于，所述攪拌反應為可溶性鈣+鋅鹽溶液與氨水同時滴加到磷酸銨鹽溶液中進行反應，攪拌時間4-12h。
全文摘要
一種β-TCP多孔材料及其制備方法，以天然植物纖維或聚氨酯海綿為造孔材料，通過浸漬在摻雜有微量元素Zn的β-TCP粉制成的漿料中，制成具三維網(wǎng)狀骨架坯體，烘干后，經(jīng)燒結(jié)制成。本發(fā)明摻雜Zn的β-TCP材料較好地滿足了材料降解和骨組織爬行生長的需要。本發(fā)明通過在β-TCP多孔材料中加入微量元素Zn提高了ALP活性并促進了多孔β-TCP材料在較低孔隙度時的降解，從而大大提高了β-TCP材料的抗壓強度和降解能力，解決了β-TCP多孔生物陶瓷植入材料力學性能與生物降解性能不匹配的問題。本發(fā)明的材料兼具優(yōu)越的降解性能和力學性能，有望改善骨缺損修復與重建材料的不足，并在臨床上獲得廣大應用。
文檔編號C04B35/447GK101560092SQ20091030311
公開日2009年10月21日 申請日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者鄒儉鵬 申請人:中南大學