專利名稱：珊瑚羥基磷灰石人工骨的合成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種骨科醫(yī)療用的人工骨，特別是珊瑚羥基磷灰石(CHA)人工骨的合成方法。
骨組織工程學研究的熱點及主要內容集中在幾個方面種子細胞、支架材料、生物活性因子。其中，支架材料是十分重要的部分，因它涉及骨融合及骨生長的重要植骨材料，各國學者均從不同領域進行探索替代骨的材料，有力推動了組織工程學的發(fā)展。目前理想支架材料要求a)組織相容性；b)可降解性和降解速率可控性；c)無抗原作用；d)維持生長其上的細胞形態(tài)和表型并增進細胞的形態(tài)和表型，及增進細胞的粘附和生殖，誘導骨再生；e)有一定孔隙率；f)有一定的機械強度等。按照獲得材料的過程，支架材料可分為天然類(異種骨、異體骨、天然礦物材料、膠原蛋白類、殼聚糖、纖維蛋白類)，人工合成類(生物陶瓷類——醫(yī)用磷酸鈣、磷酸鈣/羥基磷灰石；生物高分子聚合類——PLA、PGA、POE、PHB)等不同類型，它們各有優(yōu)缺點。
以材料科學為基礎的骨組織工程學的發(fā)展，為矯形、骨科解決骨缺損、脊柱融合問題帶來希望和美好前景。以往的單一種材料、一種因素的應用逐漸為復合材料、多因素的應用所代替，而支架材料研究是組織工程學的一個基本主要載體。對比目前國內外各種支架材料，研究表明各有優(yōu)缺點，但以天然礦物材料為原料通過改造合成的人工骨是人體植骨材料中最理想的支架材料。它具有類似于人骨的色澤、微孔結構，化學成分相似，相容性好，成骨能力強，無毒無副作用等優(yōu)點。
利用天然礦物材料珊瑚作為原材料改造合成羥基磷灰石(CHA)人工骨的研究曾有一些文獻報道，但有關其具體制備工藝還未見有公開報道。
本發(fā)明是利用礦物結構中產生類質同象交代作用，原子、離子、絡離子在晶格中的相互替換而不破壞晶格構造稱類質同象。在高溫高壓條件下，選用珊瑚作原料與磷酸氫二納(NH4)2HPO4+水(H2O)體系進行交代反應，形成羥基磷灰石，并保留原材料孔隙結構；其化學反應式如下
文石 羥基磷灰石本發(fā)明方法的具體步驟如下將天然珊瑚原材料加工成所需要形狀的樣品，將樣品浸泡在去離子蒸餾水中，用超聲波清洗儀清洗干凈，然后與磷酸氫二銨水溶液一起在溫度為100～450℃(優(yōu)選180～250℃)，壓力為100～500×105Pa條件下反應240～480小時，得到CHA人工骨；將所合成得到的CHA人工骨浸泡在去離子蒸餾水中，用超聲波清洗儀清洗干凈，再于低于100℃烘干消毒，即為所需的CHA人工骨產品；所用磷酸氫二銨水溶液的濃度為2.5～3.5M(通常為飽和水溶液)，pH值8.3～8.5，用量按原材料樣品重量∶磷酸氫二銨水溶液體積＝1∶2.2以上(通常為1∶2.5～4，優(yōu)選為1∶3)。
上述本發(fā)明方法的合成過程最好在高壓釜中進行；所用高壓釜最好選用外加熱內加壓自緊式封口高壓釜。
當采用高壓釜進行合成反應時，磷酸氫二銨水溶液的用量(V溶液)可根據高壓釜筒體體積(V筒體)、固體原材料樣品的體積(V固體)以及所采用的壓力(P)和溫度(T)，首先從肯尼迪H2O的P-T-f表中查得相應的充滿度(f)，再按以下公式計算V溶液＝f×V自由＝f×(V筒體-V固體)。本發(fā)明方法所制備的珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨的物理化學性質如下由天然礦物材料珊瑚改造合成珊瑚羥基磷灰石(CHA)人工骨性能穩(wěn)定，色白，具微孔結構，無毒無副作用，具良好生物相容性，成骨能力強的特點。
(1)化學成分該CHA合成人工骨據電鏡能譜分析(％)CaO 47.91～64.45；P2O524.86～52.09；TiO 0.05～0.08；CoO 0.04～0.1；NiO 0.02～0.09；AgO20.1～0.12；Na2O 0.13～0.21；FeO 0.01～0.28。
該珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨化學成分穩(wěn)定，其CaO/P2O5比值與文獻中羥基磷灰石相似，不含有害微量元素，不含傳染病菌。
(2)X射線衍射分析該CHA合成人工骨進行X射線衍射分析，其d值如下8.169(8.102)，5.3294(5.267)，4.0919(4.063)，3.7509(3.670，3.88)，3.449(3.428，3.43)3.1684(3.160)，3.0889(3.07，3.08)，3.0763(3.070)2.8202(2.804，2.81)，2.7265(2.72)，2.6330(2.622)，1.945(1.942)，1.8915(1.892，1.885)，1.8426(1.840，1.835)，1.8097(1.80，1.801)，1.7807(1.780，1.775)，1.7214(1.7220，1.717)，1.6461(1.645，1.6390)，1.5025(1.507)，1.4771(1.474)，1.4754，1.4351(1.433)上述數據在括弧外者為該珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨分析數據(d值)，在括弧內無橫線下注者為人骨分析數據，有下劃橫線者為文獻中羥基磷灰石分析數據。說明該CHA合成人工骨其d值與羥基磷灰石及人骨相似，故具良好生物相容性，無毒無副作用。
(3)電鏡圖象處理參數為了了解原材料珊瑚與該珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨的結構構造及空隙率的變化，在電子顯微鏡下觀察并拍攝圖象，二者的結構構造相似，其電子顯微鏡圖象經計算機處理并統(tǒng)計其空隙率、空隙個數、直徑、面積等，分析結果表明CHA合成人工骨與原材料的空隙率相近似，即合成后的CHA合成人工骨保留原材料的結構構造，其主要參數如表1。
表1 珊瑚原材料及珊瑚羥基磷灰石(CHA)電鏡圖象處理參數樣品名稱空隙率/％孔隙個數 孔隙平均直徑/102μm 總孔隙面積/mm2珊瑚原材料 31.52 53 9.1525.38CHA人工骨 24.86～65.71 39～74，少數1630～6781.35～49.384 8.44～47.65(4)抗壓強度CHA合成人工骨及原材料珊瑚經抗壓強度測試該CHA合成人工骨抗壓強度為875～1187kg/cm2，原材料珊瑚為557～928kg/cm2，即該CHA合成人工骨的抗壓強度高于原材料。
(5)比重原材料珊瑚比重為1.85～2.00g/cm3，該CHA合成人工骨比重為2.00～2.40g/cm3，增幅7.6～30.4％。
(6)硬度原材料珊瑚硬度為3，該CHA合成人工骨硬度為3.7～3.8，高于原材料珊瑚硬度。
本發(fā)明方法所得產品羥基磷灰石人工骨材料的化學成分與人骨相似，故有良好的生物相容性，無排斥反應和抗原反應。由于該材料具孔隙結構，可使液體循環(huán)，因此在成骨過程對液體及物質起傳輸作用，并允許生命組織、生物因子緊附于孔隙結構中有利于骨生長融合。有利于生命組織緊附再生，故有良好的成骨能力。此外，由于該材料是在高溫高壓條件下合成，故具有不攜帶傳染病菌、無毒、無副作用等優(yōu)點。該CHA人工骨材料合成后能保持原材料的體積及形狀，臨床應用可術前造型，術中還可以按醫(yī)療需要進行修改形狀，且材料抗壓強度較高，可以起一定支撐作用。因此本發(fā)明方法所得到的珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨是理想的支架材料、骨代替物(植骨材料)。該珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨材料，在廣州軍區(qū)總醫(yī)院骨科經數十例動物實驗及二十余例臨床應用動物實驗(在狗頸椎及四肢融合、大白鼠肌帶異位實驗)效果良好，無毒無副作用，生物相容性好，骨缺融合良好，成骨能力強；臨床應用20例(頸椎前路4例、頸椎后路2例，腰椎后路5例，四肢和骨盆9例)術后進行系統(tǒng)醫(yī)學檢查，患者無排斥反應，無毒無副作用，骨愈合良好，患者愈后恢復功能，生活自理。上述動物及臨床應用證明，本發(fā)明方法所制備的珊瑚羥基磷灰石(CHA)合成人工骨是一種性能良好的植骨材料，適合于臨床應用，產品體積大，可進行骨移植范圍寬。
另外，本發(fā)明方法所需壓力和溫度條件較低，容易操作控制，且設備成本較低，；使用的原材料為海珊瑚，來源廣泛，價格便宜，可降低產品成本。
各實施例的合成CHA人工骨過程在高壓釜高溫高壓條件下進行，在熱液水體系中反應完成。所用儀器設備如下1)高壓釜選用外加熱內加壓自緊式封口高壓釜，由GH合金鋼制成，內加黃金襯套；高壓釜內徑1～20mm，內徑∶外徑近于1∶4，長200～240mm，承受最大壓力為2500×105Pa，溫度為600～850℃。2)高溫爐由爐膛、爐殼、爐絲及絕熱材料組成，用以對高壓釜加溫之用，爐膛直徑14cm，高50cm，爐膛直徑繞有高溫電阻絲，功率1000～4000w，可達850℃，爐殼直徑60cm，高75cm，爐膛與爐殼之間充填珍珠土絕熱材料。3)熱電偶作測量爐膛實驗溫度之用，一般放置爐膛內連接控溫器，常用Ni-Cr-Al熱電偶。4)溫度控制器用以控制實驗溫度之用，溫度誤差±1～5℃，該儀器可以控制輸入電壓及電流以達到調節(jié)溫度的目的，并可同時測定實驗溫度，儀器型號DWK-702型。采用本發(fā)明方法。利用上述設備裝置，一般可合成體積為(1×1×1)～(18×1.5×1.5)cm的CHA人工骨。介質溶液量的確定在實驗溫壓條件確定以后，在反應物裝入釜體內之前必需知道釜筒體之體積，自由空間和一定溫度壓力對應的充填度，并按該充填度計算所需加入的介質溶液量?？砂聪铝谐绦蜻M行計算A.高壓釜筒體體積測量?？梢該渫搀w幾何形狀用體積計算公式求得。簡便方法是利用精密量筒或滴定管將一定體積的水注滿高壓釜筒體，來獲得筒體積數據。
B.自由空間計算。所謂自由空間(或稱有效空間)是指裝入高壓釜中的氣體和液體密封以后，在加熱反應過程中的氣體和液體能自由到達的地方，如裝入高壓釜中有液體及固體樣品，則高壓釜自由空間等于高壓釜體積減去裝入高壓釜中所有固體樣品體積。如用V自表示高壓釜自由空間，V筒表示高壓釜筒體體積，V固表示加入高壓釜中固體總體積，則V自＝V筒-V固。
C.充滿度含義及計算。充滿度(或充填度)是指常溫常壓下加入高壓釜中反應溶液的體積所占高壓釜自由空間的百分比，如f表示充滿度，以V液表示加進高壓釜中的反應溶液體積，則f＝V液/V自。
D.水高溫高壓狀態(tài)下P-T-f關系高壓釜中的壓力與溶液充滿度f和高壓釜加熱溫度有關。P-T-f三者之間存在一定的函數關系，對于某一介質溶液如果f、T兩個量一定，則壓力也有定值?？夏岬嫌锰囟ǖ母邏焊獙兯芤涸诟鞣N不同的充滿度下，作了一系列對應的壓力數據，制成了純水P-T-f數據關系圖表(李兆麟主編，實驗地球化學，1988，北京地質出版社，1-250)，據此圖表可以求有關數據。例高壓釜筒體體積為15ml，實驗時固體樣的體積為0.85ml，反應時T＝300℃、P＝1500×105Pa，求需向高壓釜中加入多少反應溶液。
解首先從肯尼迪H2O的P-T-f表中查得當T＝300℃、P＝1500×105Pa時f＝0.8591，則V溶液＝f×V自由＝f×(V筒體-V固體)＝0.8591×(15-0.85)＝0.8591×14.15＝12.156ml即需加入高壓釜12.15ml，則實驗溫度為300℃時壓力為1500×105Pa。
2.將已切割好的三塊原材料樣品放置在盛有去離子蒸餾水燒杯中，在超聲波清洗儀中清洗。
3.設計合成實驗條件，壓力為100×105Pa，溫度為220℃，在高壓釜中進行合成，按原材料樣品的體積計算，加入介質液體充填度為0.75，并按該充填度計算所需加入的介質溶液量。
4.介質為磷酸氫二銨飽和水溶液，濃度為3M，用pH計測量溶液pH為8.5。
5.將原材料樣品及介質溶液一并加入高壓釜內，并按安裝高壓釜之程序放置密封塞，加上大螺蓋，在高壓釜工作臺上將螺蓋上緊、密封，并將高壓釜放置在高溫爐內。
6.啟動控溫儀使爐溫升至220℃，恒溫，溫度誤差為±2℃，恒溫240小時，使原材料樣品與磷酸氫二銨溶液充分進行交代反應，即可合成珊瑚羥基磷灰石(CHA)人工骨。
7.在控溫儀中切斷輸入高溫爐中的電流，將高壓釜從高溫爐中取出，淬火約30分鐘，待高壓釜冷卻后，置于安裝高壓釜工作臺上，將密封塞提升卸釜。
8.樣品取出前測定反應后高壓釜中溶液的pH值為8，即反應后溶液的pH值略有降低。
9.從高壓釜中取出合成產物樣品放在盛有去離子水的玻璃燒杯中清洗多次，并浸泡24小時后，在超聲波清洗儀中用去離子水清洗干凈，然后在烘箱中60℃烘干，得到所需的CHA合成人工骨產品(重為20.8g)。
10.將最后所得的CHA人工骨產品樣品進行各項物理化學性質測試X射線衍射分析；電子顯微鏡能譜分析；電子顯微鏡圖象處理分析；抗壓強度；硬度測定。各項分析結果如下a)X射線衍射分析該CRA合成人工骨其d值與文獻中羥基磷灰石，d值相近似，其特征d值與強度(括弧內數值)列于下8.1397(20)，3.8868(27)，3.5009(22)，3.4449(119)，3.1728(26)，3.0909(49)，2.8167(199)，2.7826(138)，2.7265(132)，2.6415(31)，2.6602(52)，2.1592(20)，1.9481(76)，1.8945(35)，1.8426(84)，1.7833(44)，1.7571(45)，1.7226(50)b)化學成分據電子顯微鏡能譜分析，CaO 64.45％，P2O534.94％，S 0.34％，Al 0.29％，總量100％。
c)電鏡圖象處理參數該CHA合成人工骨經在電子顯微鏡觀察拍攝結構構造圖象，該圖象經電算處理，計算其孔隙率等參數如下圖象放大率為32.16％，孔隙個數為85，總孔隙面積為13410.510μm2，平均孔隙直徑為130.671μm。
d)抗壓強度為1111kg/cm2。
e)顏色及強度色白，硬度為3.8。
f)體積保留原材料樣品大小。
g)應用效果上述所制備的CHA合成人工骨樣品中的二塊，大小為2.8×1.4×1.5cm及6.3×1.5×0.65cm，由廣州軍區(qū)總醫(yī)院骨科進行臨床應用，效果良好，患者治療過程無排斥反應，無毒無副作用，骨愈合良好，成骨能力強，愈后生活自理，恢復良好。證明該CHA人工骨植骨材料質量屬優(yōu)等。實施例2～6合成工藝過程參照實施例1。各實施例所用的工藝條件參數、所得CHA人工骨產品的化學成分及孔隙參數分別如表2至表4所示。
表2 合成CHA人工骨的不同溫壓條件實施例 原材料 重量介質成分 濃度 反應前溫度 壓力 反應時間 反應后 產物編號 (g) (M)pH (℃)(×105Pa) (小時) pH2 濱珊瑚 (NH4)2HPO4(CaCO3) 35 +H2O 3 8.3 280500168 8 CHA人工骨23 濱珊瑚5同上 2.5 8 4002500 192 7.8CHA人工骨34 濱珊瑚5同上 3.58.5 200100288 8 CHA人工骨45 濱珊瑚8同上 3 8.5 270300240 8 CHA人工骨56 濱珊瑚 21同上 3.58.5 200200360 8 CHA人工骨6表3 人骨、原材料珊瑚及CHA合成人工骨化學成分表4 不同溫壓條件下合成的CHA人工骨電鏡圖象處理孔隙參數實施例 孔隙率總孔隙面積 平均孔隙面積 平均孔隙直徑樣品名稱 放大率 孔隙個數編號(％) (μm2) (μm2)(μm)對照1a濱珊瑚a 100 44.20 29 391661.112 13505.556 131.133對照1b濱珊瑚b 50 44.20 70 1566644.444 22380.653 168.807對照2a 人骨a 100 51.55 36 193122.839 5364.80182.648對照2b 人骨b 150 49.04 97 1254733.322 12935.395 128.3352 CHA人工骨250 51.92 1630188200 1154.83 CHA人工骨350 41.97 48 140900 264.504 CHA人工骨450 42.82 38 476500 1129.845 CHA人工骨550 25.87 84 979408.459 11659.6245 121.846 CHA人工骨650 53.58 26 1899113.330 73042.820 304.961表4的結果表明，本發(fā)明方法在不同溫壓條件下合成的CHA人工骨的孔隙參數與人骨相近似，說明本發(fā)明方法制備的CHA合成人工骨對液體及物質具良好傳輸性能，是理想的植骨材料。
權利要求
1.一種珊瑚羥基磷灰石人工骨的合成方法，其特征是將天然珊瑚原材料加工成所需要形狀的樣品，將樣品浸泡在去離子蒸餾水中，用超聲波清洗儀清洗干凈，然后與磷酸氫二銨水溶液一起在溫度為100～450℃，壓力為100～800×105Pa條件下反應240～480小時，得到羥基磷灰石人工骨；將所合成得到的羥基磷灰石人工骨浸泡在去離子蒸餾水中，用超聲波清洗儀清洗干凈，再于低于100℃烘干消毒，即為所需的羥基磷灰石人工骨產品；所用磷酸氫二銨水溶液的濃度為2.5～3.5M，pH值8.3～8.5，用量按原材料樣品重量∶磷酸氫二銨水溶液體積＝1∶2.2以上。
2.按照權利要求1所述的方法，其特征是合成反應的溫度為180～250℃。
3.按照權利要求1所述的方法，其特征是所用磷酸氫二銨水溶液的濃度為飽和水溶液。
4.按照權利要求1所述的方法，其特征是所用磷酸氫二銨水溶液的用量按原材料樣品重量∶磷酸氫二銨水溶液體積＝1∶2.5～4。
5.按照權利要求1所述的方法，其特征是合成過程在高壓釜中進行。
6.按照權利要求5所述的方法，其特征是所用高壓釜為外加熱內加壓自緊式封口高壓釜。
7.按照權利要求5或6所述的方法，其特征是所用磷酸氫二銨水溶液的用量V溶液根據高壓釜筒體體積V筒體、固體原材料樣品的體積V固體，以及所采用的壓力P和溫度T，先從肯尼迪H2O的P-T-f表中查得相應的充滿度f，再按以下公式計算V溶液＝f×V自由＝f×(V筒體-V固體)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種骨科醫(yī)療用的珊瑚羥基磷灰石(CHA)人工骨的合成方法。用天然珊瑚作原材料，在高溫高壓條件下，在磷酸氫二銨+水熱液體系進行熱液交代作用，使原珊瑚化學成分CaCO
文檔編號C01B25/00GK1462638SQ0312690
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權日2003年6月18日
發(fā)明者李兆麟, 李文, 薄遵昭, 尹慶水, 張余 申請人:中山大學