專利名稱：用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物活性材料領(lǐng)域，涉及骨組織修復(fù)、填充及組織工程修復(fù)材料，具體涉及用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法。
背景技術(shù)：
骨骼的病損是臨床的常見病和多發(fā)病。通過研制骨修復(fù)及骨替代材料，可以幫助患者修復(fù)缺損或缺失的骨組織，更好地恢復(fù)人體組織功能。在骨組織工程中，理想的修復(fù)材料應(yīng)符合以下條件良好的生物相容性、生物降解性、可塑性，具有三維多孔且互通的孔隙結(jié)構(gòu)和一定的機(jī)械強(qiáng)度。在骨缺損修復(fù)研究領(lǐng)域上，迫切需要具有和人骨力學(xué)強(qiáng)度相匹配、 細(xì)胞相容性良好和促進(jìn)新生骨組織生長的支架材料。生物活性材料是用于對生物體進(jìn)行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進(jìn)其功能的材料。生物活性材料的典型代表有磷酸鈣骨水泥、磷灰石和生物玻璃等。這些生物活性材料在骨組織修復(fù)和骨組織工程的臨床應(yīng)用材料時，由于組成、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上都不盡相同，與人骨相比仍然具有較大的差異，導(dǎo)致其生物相容性、可降解性能不夠理想，從而直接影響骨組織的修復(fù)效果。如磷酸鈣骨水泥材料在注入體內(nèi)時會發(fā)生固化過程，產(chǎn)生大量的熱量而破壞其周圍的組織。磷灰石在臨床上以塊狀、顆粒形式被廣泛的用作硬組織修復(fù)和替換，然而，由于塊狀陶瓷的脆性，顆粒容易游走、移位等缺點(diǎn)，很難塑形，限制了其在臨床上的應(yīng)用。生物玻璃具有良好的生物活性和生物相容性，可以用作人體組織修復(fù)和再生材料，由Na2O-CaO-SiO2-P2O5四元組分的熔融生物玻璃，還有以CaO-SiO2-P2O5為組分的溶膠-凝膠生物玻璃，都已在臨床上取得了良好的骨修復(fù)效果，可以通過改變各組分的含量以調(diào)節(jié)其生物活性、降解性以及機(jī)械性能，滿足不同的臨床要求，并通過激活成骨細(xì)胞的一些基因，促進(jìn)成骨細(xì)胞的分化和增殖。但是傳統(tǒng)的生物玻璃支架一般具有脆性大，力學(xué)強(qiáng)度不高等缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前骨缺損修復(fù)材料及其制備技術(shù)方面的不足，提供用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明制備的骨缺損修復(fù)材料的形狀和孔隙尺寸可以根據(jù)根據(jù)臨床需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，形狀包括多孔圓柱體、多孔立方體及不規(guī)則塊體。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案。用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟
(1)將生物玻璃粉體過200目篩，加入聚丙烯酸胺溶液，球磨混勻，得到生物玻璃漿料； (2 )將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入高分子反模中，將高分子反模在離心機(jī)中進(jìn)行離心注漿，于7(T75°C水浴中固化廣池后，5(T70°C干燥48 7池，得到固體材料；
(3)將步驟(2)得到的固體材料在程序控溫下于90(Γ1000 煅燒除去高分子反模，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。本發(fā)明所述生物玻璃粉體為Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和/或 CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體。本發(fā)明所述Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的物質(zhì)組成質(zhì)量百分比為氧化鈣 20 25%，五氧化二磷5 7%，氧化鈉20 25%，二氧化硅43 49% ；所述CaO-SiO2-P2O生物玻璃粉體的物質(zhì)組成質(zhì)量百分比為氧化鈣14 33%，五氧化二磷0 9%，二氧化硅58、0%。本發(fā)明所述生物玻璃漿料中生物玻璃粉體的體積分?jǐn)?shù)為50飛0%。本發(fā)明所述高分子反模的孔隙尺寸為50(Γ1000微米，幾何形狀為立方體、長方體或圓柱體。本發(fā)明所述程序控溫的過程包括以下三個階段
(1)升溫階段以2 3°C/min的速率將固體材料的溫度升至90(Tl00(rC ；
(2)保溫階段將固體材料的溫度在90(Tl00(rC保持Hh；
(3)降溫階段自然降溫至1(T30°C。本發(fā)明所述聚丙烯酸胺溶液中聚丙烯酸胺的體積分?jǐn)?shù)為4、％。本發(fā)明所述離心注漿的轉(zhuǎn)速為80(Tl200r/min。本發(fā)明所述高分子反模為光敏樹脂反?；蚓酆衔锓茨?；所述光敏樹脂反模采用光固化成型技術(shù)，以光敏樹脂為原料制備；所述聚合物反模采用三維打印技術(shù)，以聚合物為原料制備。本發(fā)明所述光敏樹脂為不飽和聚酯樹脂，包括聚內(nèi)消旋乳酸或聚己內(nèi)酯；所述聚合物為聚乳酸-羥基乙酸共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(簡稱ABS樹脂)。本發(fā)明所述Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的制備過程參考了 Lefebvre L 等[Lefebvre L. , Chevalier J. , Gremillard L. Structural transformations of bioactive glass 45S5 with thermal treatments. Acta Materiala, 2007, 55(10)， 3305^3313]的文獻(xiàn)，具體包括以下步驟將分析純的碳酸鈉、碳酸鈣、磷酸三鈣和二氧化硅按比例稱量并充分混合均勻后，放入鉬金坩堝內(nèi)于1400°C熔融120min ；然后將熔融玻璃液倒入去離子水中水淬，得到非晶相生物活性玻璃；將水濾除后于60°C干燥24h，以480rpm的速度球磨汕，過200目篩，即得Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體。本發(fā)明所述CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的制備過程參考了 ^10ng J.等[Zhong J. , Greenspan D. C. Processing and properties of sol-gel bioactive glasses. J Biomed Mater Res., 2000，53 (6) : 694 701]和 Chen X.等[Chen X·，Meng Y., Li Y. , et al. Investigation on bio-mineralization of melt and sol-gel derived bioactive glasses. Applied Surface Science, 2008,. 255(2) : 562 564]的文獻(xiàn)報道，具體包括以下步驟在燒杯中加入去離子水、2mol/L的鹽酸催化劑和正硅酸乙脂，在室溫條件下攪拌水解30min后，加入磷酸三乙脂繼續(xù)攪拌30min，再加入四水硝酸鈣，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螳@得透明均一穩(wěn)定的溶膠；溶膠在室溫下靜止陳化一定時間，使水解-縮聚反應(yīng)充分進(jìn)行，形成濕凝膠；濕凝膠置于140°C干燥2天，使溶劑蒸發(fā)后得到干凝膠；將干凝膠于650°C熱處理固化工藝獲得顆粒狀溶膠-凝膠生物活性玻璃；以480rpm的速度球磨3h，過200目篩，即得CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體。本發(fā)明制備的生物活性玻璃陶瓷材料形狀可根據(jù)臨床需要決定，其內(nèi)部孔隙為500 1000 μ m,孔隙率為45 65%。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和顯著效果
(1)本發(fā)明制備的生物玻璃陶瓷骨修復(fù)材料具有多種形狀選擇，可適應(yīng)不同部位和形狀的骨缺損填充；材料化學(xué)組分可調(diào)，從而使材料的理化性能及工藝性能可在一定范圍調(diào)整；制備工藝簡單易行，工藝參數(shù)易于控制以及產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)；
(2)本發(fā)明制備的生物玻璃陶瓷骨修復(fù)材料的外形和內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有利于新生骨組織的長入和骨缺損的修復(fù)。(3)本發(fā)明制備的生物玻璃陶瓷骨缺損修復(fù)材料具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性以及一定的生物降解性能。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的生物活性玻璃陶瓷材料的顯微CT照片。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的生物活性玻璃陶瓷材料表面的掃描電鏡(簡稱SEM) 照片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不限于此。實(shí)施例1
采用Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體。(1)將58. 63g碳酸鈉52. 33g碳酸鈣、18. 36g磷酸三鈣和63. OOg 二氧化硅充分混合均勻后，放入鉬金坩堝內(nèi)于1400°C熔融120min，然后將熔融玻璃液倒入去離子水中水淬，得到非晶相生物活性玻璃，將水濾除后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中于60°C干燥Mh，以480rpm 的速度在行星球磨機(jī)中球磨3h，過200目篩，即得Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為24. 5%氧化鈣，6g五氧化二磷，24. 5%氧化鈉，45% 二氧化硅；
(2)將IOOg Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體加入IOOmL體積分?jǐn)?shù)為6%的聚丙烯酸胺溶液中，球磨3小時混勻，得到體積分?jǐn)?shù)為50%的生物玻璃漿料；
(3 )將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入不飽和聚酯樹脂反模中，將高分子反模在湘儀L550型離心機(jī)中以800r/min進(jìn)行離心注漿，置于70°C水浴中固化2h，放置于干燥箱中于50°C干燥72h，得到固體材料；
(4)將固體材料放入氧化鋯匣缽中，以2V /min的速率將固體材料的溫度升至900°C后保持池；自然降溫至10°C，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。實(shí)施例2
采用Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的混合物，其中 Na2O-CaO-P2O5-SiO2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%，CaO-P2O5-SW2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%。(1)將59. 82g碳酸鈉、53. 40 g碳酸鈣、15. 30g磷酸三鈣和63. 00 g 二氧化硅充分混合均勻后，放入鉬金坩堝內(nèi)于1400°C熔融120min，然后將熔融玻璃液倒入去離子水中水淬，得到非晶相生物活性玻璃，將水濾除后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中于60°C干燥Mh，以480rpm的速度在行星球磨機(jī)中球磨3h，過200目篩，即得Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為25%氧化鈣，5g五氧化二磷，25%氧化鈉，45% 二氧化硅；
(2)在燒杯中加入18.72mL去離子水、3. 12mL 2mol/L的鹽酸催化劑和25. 56mL正硅酸乙脂，在室溫條件下攪拌水解30min后，加入2. 6ImL磷酸三乙脂繼續(xù)攪拌30min，再加入16. 24g四水硝酸鈣，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螳@得透明均一穩(wěn)定的溶膠；溶膠在室溫下靜置陳化 48h，使水解-縮聚反應(yīng)充分進(jìn)行，形成濕凝膠；濕凝膠置于140°C干燥2天，使溶劑蒸發(fā)后得到干凝膠；將干凝膠于650°C熱處理固化工藝獲得顆粒狀溶膠-凝膠生物活性玻璃；以 480rpm的速度球磨池，過200目篩，即得CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為33% 氧化鈣、9%五氧化二磷和58% 二氧化硅；
(3)將99gNa2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和Ig CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體混合， 加入IOOmL體積分?jǐn)?shù)為6%的聚丙烯酸胺溶液中，球磨3小時混勻，得到體積分?jǐn)?shù)為50%的生物玻璃漿料；
(4)將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入ABS樹脂反模中，將反模在湘儀L550型離心機(jī)中以lOOOr/min進(jìn)行離心注漿，置于75°C水浴中固化Ih后，放置于干燥箱中于70°C 干燥48h，得到固體材料；
(5)將固體材料放入氧化鋯匣缽中，以3°C/min的速率將固體材料的溫度升至1000°C 后保持Ih ；自然降溫至30°C，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。實(shí)施例3
采用Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的混合物，其中 Na2O-CaO-P2O5-SiO2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，CaO-P2O5-SW2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%。(1))將39. 32g碳酸鈉、35. 09g碳酸鈣、13. Ilg磷酸三鈣和48. OOg 二氧化硅充分混合均勻后，放入鉬金坩堝內(nèi)于1400°C熔融120min，然后將熔融玻璃液倒入去離子水中水淬，得到非晶相生物活性玻璃，將水濾除后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中于60°C干燥Mh，以480rpm 的速度在行星球磨機(jī)中球磨3h，過200目篩，即得Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為23%氧化鈣、6%五氧化二磷、23%氧化鈉和48% 二氧化硅；
(2)在燒杯中加入93.6mL去離子水、15. 57mL 2mol/L的鹽酸催化劑和127. 80mL正硅酸乙脂，在室溫條件下攪拌水解30min后，加入13. 03mL磷酸三乙脂繼續(xù)攪拌30min，再加入81. 21g四水硝酸鈣，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螳@得透明均一穩(wěn)定的溶膠；溶膠在室溫下靜置陳化 48h，使水解-縮聚反應(yīng)充分進(jìn)行，形成濕凝膠；濕凝膠置于140°C干燥2天，使溶劑蒸發(fā)后得到干凝膠；將干凝膠于650°C熱處理固化工藝獲得顆粒狀溶膠-凝膠生物活性玻璃；以 480rpm的速度球磨3h，過200目篩，即得CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為14% 氧化鈣、9%五氧化二磷和77% 二氧化硅；
(3)將50gNa20-Ca0-Si02-P205生物玻璃粉體和50gCa0-Si02_P205生物玻璃粉體混合， 加入82mL體積分?jǐn)?shù)為6%的聚丙烯酸胺溶液中，球磨3小時混勻，得到體積分?jǐn)?shù)為55%的生物玻璃漿料；
(4)將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入聚乳酸-羥基乙酸共聚物反模中，將反模在湘儀L550型離心機(jī)中以1200r/min進(jìn)行離心注漿，置于72°C水浴中固化1.證后，放置于干燥箱中于60°C干燥60h，得到固體材料；(5)將固體材料放入氧化鋯匣缽中，以2V Mn的速率將固體材料的溫度升至950°C后保持1. 5h ；自然降溫至20°C，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。實(shí)施例4
采用Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和CaO-SW2生物玻璃粉體的混合物，其中 Na2O-CaO-P2O5-SiO2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，CaO-SiO2生物玻璃粉體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 99%。(1)將37. 6Ig碳酸鈉、33. 57g碳酸鈣、15. 30g磷酸三鈣和49. 00 g 二氧化硅充分混合均勻后，放入鉬金坩堝內(nèi)于1400°C熔融120min，然后將熔融玻璃液倒入去離子水中水淬，得到非晶相生物活性玻璃，將水濾除后在電熱鼓風(fēng)干燥箱中于60°C干燥Mh，以480rpm 的速度在行星球磨機(jī)中球磨3h，過200目篩，即得Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為2 氧化鈣、7%五氧化二磷、2 氧化鈉和49% 二氧化硅；
(2)在燒杯中加入M9.6mL去離子水、38. 40mL 2mol/L的鹽酸催化劑和400. OOmL正硅酸乙脂，在室溫條件下攪拌水解30min后，再加入103. 76g四水硝酸鈣，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝螳@得透明均一穩(wěn)定的溶膠；溶膠在室溫下靜置陳化48h，使水解-縮聚反應(yīng)充分進(jìn)行，形成濕凝膠；濕凝膠置于140°C干燥2天，使溶劑蒸發(fā)后得到干凝膠；將干凝膠于650°C熱處理固化工藝獲得顆粒狀溶膠-凝膠生物活性玻璃；以480rpm的速度球磨3h，過200目篩，即得 CaO-SiO2生物玻璃粉體，各物質(zhì)組成為20%氧化鈣和80% 二氧化硅；
(3)將IgNa2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和99gCa0-Si&生物玻璃粉體混合，加入 67mL體積分?jǐn)?shù)為6%的聚丙烯酸胺溶液中，球磨3小時混勻，得到體積分?jǐn)?shù)為60%的生物玻璃漿料；
(4)將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入不飽和聚酯樹脂高分子反模中，將反模在湘儀L550型離心機(jī)中以lOOOr/min進(jìn)行離心注漿，置于72°C水浴中固化1.證后，放置于干燥箱中于60°C干燥60h，得到固體材料；
(5)將固體材料放入氧化鋯匣缽中，以2V/min的速率將固體材料的溫度升至950°C后保持1. 5h ；自然降溫至20°C，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的生物活性玻璃陶瓷骨修復(fù)材料的顯微CT照片，可以看出，本發(fā)明的骨修復(fù)材料具有堆垛式孔道結(jié)構(gòu)，這樣的微結(jié)構(gòu)有利于組織的長入和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸與代謝。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的生物活性玻璃陶瓷骨修復(fù)材料表面的SEM照片，可以看到材料出現(xiàn)部分結(jié)晶，這使得材料具有更好的力學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將生物玻璃粉體過篩，加入聚丙烯酸胺溶液，球磨混勻，得到生物玻璃漿料； (2 )將步驟(1)得到的生物玻璃漿料逐滴加入高分子反模中，將高分子反模在離心機(jī)中進(jìn)行離心注漿，于7(T75°C水浴中固化廣池后，5(T70°C干燥48 7池，得到固體材料；(3)將步驟(2)得到的固體材料在程序控溫下于90(Γ1000 煅燒除去高分子反模，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述生物玻璃粉體為 Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體和/或CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述Na2O-CaO-SiO2-P2O5生物玻璃粉體的物質(zhì)組成質(zhì)量百分比為氧化鈣2(Γ25%，五氧化二磷5 7%，氧化鈉2(Γ25%，二氧化硅 43、9% ；所述CaO-SiO2-P2O生物玻璃粉體的物質(zhì)組成質(zhì)量百分比為氧化鈣14 33%，五氧化二磷0 9%，二氧化硅58 80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述生物玻璃漿料中生物玻璃粉體的體積分?jǐn)?shù)為50 60%。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述高分子反模的孔隙尺寸為 50(Γ1000微米，幾何形狀為立方體、長方體或圓柱體。
6.根據(jù)權(quán)利要求廣5之一所述的制備方法，其特征在于，所述程序控溫的過程包括以下三個階段(1)升溫階段以2 3°C/min的速率將固體材料的溫度升至90(Tl00(rC ；(2)保溫階段將固體材料的溫度在90(Tl00(rC保持Hh；(3)降溫階段自然降溫至1(T30°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述聚丙烯酸胺溶液中聚丙烯酸胺的體積分?jǐn)?shù)為4 8%。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，所述離心注漿的轉(zhuǎn)速為80(Γ 200ι·/min。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的制備方法，其特征在于，所述高分子反模為光敏樹脂反模或聚合物反模。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，所述光敏樹脂為不飽和聚酯樹脂， 包括聚內(nèi)消旋乳酸或聚己內(nèi)酯；所述聚合物為聚乳酸-羥基乙酸共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料的制備方法，步驟如下將生物玻璃粉體過篩，加入聚丙烯酸胺溶液，球磨混勻，得到生物玻璃漿料，通過離心注漿的方式將漿料灌注進(jìn)高分子反模中，固化，干燥，在程序控溫下于900~1000℃煅燒除去高分子反模，制得用于骨缺損修復(fù)的生物活性玻璃陶瓷材料。本發(fā)明制備的生物活性玻璃陶瓷材料形狀可根據(jù)臨床需要決定，具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性和可降解性，抗壓強(qiáng)度高，抗?jié)⑸⑿阅芎?，活性好，降解時間可以調(diào)控。本發(fā)明的制備方法工藝簡單，成本低。
文檔編號C03C10/00GK102432180SQ20111029873
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者李正茂, 趙娜如, 陳曉峰 申請人:華南理工大學(xué)