專利名稱：生物活性陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種新型的具有生物活性的磷酸二正硅酸鈣(Ca7Si2P2O16)陶瓷材料的制備及用途，屬生物材料領域。
背景技術：
人體硬組織骨和牙的主要無機礦化成分是磷灰石，為了模擬人體硬組織成分，在硬組織修復中，臨床上大多使用了磷酸鈣類生物活性陶瓷，主要包括羥基磷灰石和磷酸三鈣陶瓷。研究表明，磷酸鈣類生物陶瓷具有較好的生物活性和相容性，但是近來，越來越多的研究發現羥基磷灰石和β -磷酸三鈣陶瓷的降解性偏慢，對于組織細胞也沒有明顯的促進作用。硅元素是人體的一個重要元素，據報道硅元素能夠促進骨的早期發育和礦化。 硅酸鹽生物活性陶瓷的研究在過去幾年已經成了一個研究熱點。研究發現硅酸鹽生物活性陶瓷釋放的含Si的離子產物能夠促進多種干細胞的成骨分化。為此，有很多研究利用硅摻雜磷酸鈣陶瓷來提高生物活性，但因為摻雜量有限，不能根本上解決磷酸鈣類陶瓷的降解性偏慢的問題。因此，如果能直接制備含Ca-Si-P的純相生物活性陶瓷將能夠進一步提高其理化性能和生物活性。而磷酸二正硅酸鈣是一種含有Ca、Si和P的三元組分的化合物，先前還沒有文獻報道其化學合成以及用于硬組織修復的研究，因此，磷酸二正硅酸鈣陶瓷作為生物材料的研究與應用具有一定的意義。溶膠一凝膠法合成組成比較復雜的磷酸二正硅酸鈣粉體材料，具有工藝比較簡單，條件易于控制等優點。而磷酸二正硅酸鈣生物活性陶瓷用作人體硬組織修復和植入材料具有良好的生物活性，在模擬體液中有良好誘導磷灰石礦化的能力，同時能夠促進牙周膜細胞和骨髓基質干細胞的成骨分化。因此，本發明制備了磷酸二正硅酸鈣陶瓷用作生物材料具有很強的實用意義。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新型的生物陶瓷材料，其中包括的生物活性陶瓷成份的化學組成為磷酸二正硅酸鈣(Ca7Si2P2O16X本發明的磷酸二正硅酸鈣陶瓷能夠支持骨髓基質干細胞的貼壁和增殖。相對于傳統的β -磷酸三鈣陶瓷，更能促進骨髓基質干細胞的成骨分化，而且，磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有比磷酸三鈣陶瓷更快的降解性。因此，磷酸二正硅酸鈣陶瓷是一種潛在的生物活性陶瓷，可用作硬組織修復和植入材料。本發明還提供一種生物陶瓷材料的制備方法，包括利用溶膠一凝膠法合成純的 Ca7Si2P2O16粉體的工序A ;在Ca7Si2P2O16粉體中加入聚乙烯醇造粒、干壓成型得坯體、高溫煅燒坯體得到Ca7Si2P2O16生物陶瓷材料的工序B。溶膠一凝膠法可以在很短的時間內獲得分子水平的均勻性，在形成凝膠時，反應物之間是在分子水平上被均勻地混合。與固相反應相比，化學反應容易進行，而且僅需要較低的合成溫度。本發明利用溶膠一凝膠法合成化學組成比較復雜的磷酸二正硅酸鈣，具有工藝比較簡單，條件易于控制等優點。優選地，工序A包括采用正硅酸乙酯為Si源原材料使之充分水解的工序Al ;依次加入化學計量比的磷酸三乙酯和硝酸鈣制得干凝膠的工序A2;將干凝膠在一定溫度下煅燒得純的Ca7Si2P2O16、球磨得粉體的工序A3。優選地，在工序Al中正硅酸乙酯與水的摩爾比為I :(5 8)。優選地，在工序Al中調節正硅酸乙酯水溶液的pH值為2 4。優選地，使用硝酸調節所述水溶液的pH值為2 4。優選地，在工序A3中于130(Tl550°C煅燒干凝膠3 5小時得純的Ca7Si2P2016。優選地，在工序B中干壓成型是先在l(T20MPa干壓Ca7Si2P2O16粉體與粘合相材料的混合物成坯體，并使所述坯體于200MPa下冷等靜壓處理。優選地，工序B中于140(Tl550°C煅燒坯體3 8小時得到包含Ca7Si2P2O16的生物陶瓷材料。磷酸二正硅酸鈣生物活性陶瓷用作人體硬組織修復和植入材料具有良好的生物活性，在模擬體液中有良好誘導磷灰石礦化的能力，同時能夠促進牙周膜細胞和骨髓基質干細胞的成骨分化。因此，本專利制備了磷酸二正硅酸鈣陶瓷用作生物材料具有很強的實用意義。本發明利用溶膠一凝膠法合成化學組成比較復雜的磷酸二正硅酸鈣干凝膠，再通過煅燒、球磨工藝制備純的磷酸二正硅酸鈣粉體，進而通過成型和燒結工序獲得本發明新型的生物陶瓷材料，具有工藝比較簡單，條件易于控制等優點。
圖I為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣陶瓷的XRD圖，燒成后的磷酸二正硅酸鈣陶瓷沒有雜質產生；
圖2為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣粉體在模擬體液中浸泡O (a)、l (b)、3 (c)和7(d)天后的SEM圖，從圖中可以看出磷酸二正硅酸鈣粉體誘導磷灰石礦化；
圖3為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣陶瓷在模擬體液中浸泡I (a, b)、3 (c， d)和7(e，f)后的SEM圖。其中(b，d和f)是高放大倍數圖片。從圖中可以看出磷酸二正硅酸鈣陶瓷塊體誘導磷灰石礦化；
圖4為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣陶瓷在Tris-HCl中失重結果圖，磷酸二正硅酸鈣陶瓷比磷酸三鈣陶瓷具有更快的降解性；
圖5為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞增殖的影響圖， 培養7天后，浸提液濃度為50和lOOmg/mL時，其離子產物能夠提高牙周膜細胞的增殖；
圖6為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞堿性磷酸酶的影響圖，培養7和14天后，其離子產物能夠提高牙周膜細胞堿性磷酸酶的表達；
圖7a和圖7b為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞的成骨/牙相關的基因表達的影響圖，培養7天(圖7a)和14天(圖7b)后，其離子產物能夠提聞成骨/牙相關的基因表達；
圖8為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣陶瓷片支持對骨髓基質干細胞的粘附
4圖。骨髓基質干細胞在陶瓷片上培養7天后，與陶瓷片進行了很好的粘附；
圖9a和圖9b為本發明的一個實施例的磷酸二正硅酸鈣陶瓷片顯著地促進骨髓基質干細胞的成骨分化圖。磷酸二正硅酸鈣陶瓷片相對于β-TCP陶瓷片能夠促進骨髓基質干細胞的骨鈣素(圖9a)和骨橋蛋白(圖9b)。
具體實施例方式參照說明書附圖，并結合下述實施方式進一步說明本發明，應理解，說明書附圖及下述實施方式僅用于說明本發明，而非限制本發明。本發明的目的在于通過溶膠一凝膠法合成出磷酸二正硅酸鈣粉體，并在一定的溫度下燒結成磷酸二正硅酸鈣陶瓷。然后通過對陶瓷的體外生物活性，降解性和牙周膜細胞與骨髓基質干細胞細胞相容性等性能對該新型的生物活性植入材料作出評價。下面示例性地說明本發明磷酸二正硅酸鈣陶瓷制備的步驟，并應理解以下步驟中的某個也可以省略或使用能夠達到同等效果的其他替代工藝，且每個步驟中的每個特征也不是必須或固定地而不可替換，而只是示例地說明
(1)將分析純正硅酸乙酯與水按I:(5 8)的比例混合，并用硝酸調節pH值為2 4，在室溫下充分攪拌30分鐘，然后加入四水合硝酸鈣(或氯化鈣)和磷酸三乙酯，其Ca、Si和P的摩爾比為7 2 :2。攪拌Γ5小時后，密封，在60°C中陳化f 2天，并在120°C中干燥2天；
(2)將干燥好的干凝膠在130(Tl50(rC煅燒3飛小時，得到純的磷酸二正硅酸鈣粉體；
(3)將合成的磷酸二正硅酸鈣粉體球磨，過篩后使其粒度小于30微米，并加入6 10 wt %的聚乙烯醇PVA造粒，先在l(T20MPa干壓磷酸二正硅酸鈣粉體成型，并在200MPa下冷等靜壓處理；
(4)將壓成的陶瓷坯體在135(T1550°C燒結3 8小時，可制得磷酸二正硅酸鈣陶瓷。通過XRD和SHM對合成的粉體及燒結的陶瓷片進行表征。并對制備的陶瓷的體外生物活性，降解性和牙周膜細胞以及骨髓基質干細胞相容性進行評價。本發明的一個實施例為(1)取分析純正硅酸乙酯45. 4mL，與IOOmL水和50mL乙醇混合，并加硝酸溶液，調節PH值為2，在室溫下充分攪拌5分鐘，然后加入34. I毫升磷酸三乙酯，攪拌30分鐘后，加入150克四水合硝酸鈣攪拌2小時，密封，在60°C中陳化2天，并在120°C中干燥2天；(2)將干燥好的干凝膠球磨5小時候，在1500°C煅燒3小時，得到純的磷酸二正硅酸鈣粉體；(3)將合成的磷酸二正硅酸鈣粉體球磨，過篩后使其粒度小于30 微米，并加入6%的PVA造粒，先在IOMPa干壓磷酸二正硅酸鈣粉體成型，并在200MPa下冷等靜壓；(4)將壓成的陶瓷坯體在1500°C燒結5小時，可制得磷酸二正硅酸鈣陶瓷。圖I為本發明的上述實施例制備的磷酸二正硅酸鈣陶瓷的XRD圖。參見圖I可知燒成后的磷酸二正硅酸鈣陶瓷沒有雜質產生。下面對上述實施例中制得的磷酸二正硅酸鈣的性能進行評價。磷酸二正硅酸鈣陶瓷的生物活性
采用模擬體液浸泡粉體和陶瓷片(直徑10毫米，厚度2毫米)0、1、3和7天。模擬體液含有與人體血漿相同的離子和離子團濃度，其組成為
NaCl: 7.996g/L ；
NaHCO3: O. 350g/L ；KCl: O.224g/L ；
K2HPO4. 3H20: O. 228g/L ；
MgCl2. 6H20: 0. 305g/L ；
HCl: lmol/L ；CaCl2: 0. 278g/L ；
Na2SO4: 0.071 g/L;
NH2C(CH2OH)3: 6. 057g/L ；
浸泡后，烘干樣品，采用XRD和SEM檢測形成的羥基磷灰石。圖2為磷酸二正硅酸鈣粉體在模擬體液中浸泡O (a)、I (b)、3 (c)和7 (d)天后的SEM圖，從圖中可以看出磷酸二正硅酸鈣粉體誘導磷灰石礦化。圖3為磷酸二正硅酸鈣陶瓷在模擬體液中浸泡I (a，b)、3 (c，d)和7(e，f)后的SEM圖。其中(b，d和f)是高放大倍數圖片。從圖中可以看出磷酸二正硅酸鈣陶瓷塊體誘導磷灰石礦化。圖2和圖3 的結果顯示羥基磷灰石能夠形成在粉體和陶瓷的表面，磷酸二正硅酸鈣具有良好的生物活性。磷酸二正硅酸鈣陶瓷的降解性
將制備的磷酸二正硅酸鈣陶瓷片和磷酸三鈣陶瓷片分別浸泡在三羥甲基胺基甲烷-鹽酸(Tris-HCl)緩沖溶液中0、5、7、14、21和28天，作為對照。然后測試兩種陶瓷的失重，比較其體外降解性。參看圖4，結果表明磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有比β-磷酸三鈣陶瓷更快的降解性。磷酸二正硅酸鈣陶瓷與牙周膜細胞的相互作用
采用磷酸二正硅酸鈣的浸提液，稀釋成不同梯度的浸提液濃度，然后研究磷酸二正硅酸鈣浸提液對牙周膜干細胞的增殖、堿性磷酸酶活性以及成骨/成牙相關的基因表達。圖5 為磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞增殖的影響圖，培養7天后，浸提液濃度為50和 lOOmg/mL時，其離子產物能夠提高牙周膜細胞的增殖。圖6為磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞堿性磷酸酶的影響圖，培養7和14天后，其離子產物能夠提高牙周膜細胞堿性磷酸酶的表達。圖7a和圖7b為磷酸二正硅酸鈣離子產物對牙周膜細胞的成骨/牙相關的基因表達的影響圖，培養7天(圖7a)和14天(圖7b)后，其離子產物能夠提高成骨/牙相關的基因表達。結果表明磷酸二正硅酸鈣的離子產物能夠顯著地促進牙周膜細胞的增殖和成骨分化。磷酸二正硅酸鈣陶瓷與基質干細胞的相互作用
將骨髓基質細胞種植在磷酸二正硅酸鈣陶瓷片上，7天后用掃描電鏡觀察細胞的形貌， 并采用MTT法檢測細胞的增殖能力，通過RT-PCR測試骨髓基質干細胞在陶瓷片上的基因表達。圖8為磷酸二正硅酸鈣陶瓷片支持對骨髓基質干細胞的粘附圖。骨髓基質干細胞在陶瓷片上培養7天后，與陶瓷片進行了很好的粘附。圖9a和圖9b為磷酸二正硅酸鈣陶瓷片顯著地促進骨髓基質干細胞的成骨分化圖。磷酸二正硅酸鈣陶瓷片相對于β-TCP陶瓷片能夠促進骨髓基質干細胞的骨鈣素(圖9a)和骨橋蛋白(圖9b)。結果表明骨髓基質干細胞能夠在材料上進行很好的黏附和增殖，磷酸二正硅酸鈣陶瓷相對于β -TCP瓷更能促進骨髓基質干細胞的成骨相關的基因表達。說明磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有很好的誘導骨髓基質干細胞的成骨分化能力。本發明的另一個實施例為(I)取分析純正硅酸乙酯45. 4mL，與IOOmL水混合，并加硝酸溶液，調解PH值為4，在室溫下充分攪拌5分鐘，然后加入34. I毫升磷酸三乙酯，攪拌30分鐘后，加入150克四水合硝酸鈣攪拌2小時，密封，在60°C中陳化2天，并在120°C 中干燥2天；(2)將干燥好的干凝膠球磨5小時候，在1500°C煅燒8小時，得到純的磷酸二正硅酸鈣粉體；(3)將合成的磷酸二正硅酸鈣粉體球磨，過篩后使其粒度小于30微米，并加入6%的PVA造粒，先在IOMPa干壓磷酸二正硅酸鈣粉體成型，并在200MPa下冷等靜壓；(4) 將壓成的陶瓷坯體在1450°C燒結8小時，制得磷酸二正硅酸鈣陶瓷。依據前一個實施例的方法，對本實施例制得的磷酸二正硅酸鈣陶瓷的體外生物活性，降解性和牙周膜細胞以及骨髓基質干細胞相容性進行評價。磷酸二正硅酸鈣陶瓷的降解性將制備的磷酸二正硅酸鈣陶瓷片浸泡在 Tris-HCl不同時間，并用磷酸三鈣陶瓷片作為對照。然后測試兩種陶瓷的失重，比較其體外降解性。結果表明磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有比磷酸三鈣陶瓷更快的降解性。磷酸二正硅酸鈣陶瓷與牙周膜細胞的相互作用采用磷酸二正硅酸鈣的浸提液， 稀釋成不同梯度的浸提液濃度，然后研究材料浸提液對牙周膜干細胞的增殖、堿性磷酸酶活性以及成骨/成牙相關的基因表達。結果表明磷酸二正硅酸鈣的離子產物能夠顯著地促進牙周膜細胞的增殖和成骨分化。磷酸二正硅酸鈣陶瓷與基質干細胞的相互作用將骨髓基質細胞種植在磷酸二正硅酸鈣陶瓷片上，7天后用掃描電鏡觀察細胞的形貌，并采用MTT法檢測細胞的增殖能力， 通過RT-PCR測試骨髓基質干細胞在陶瓷片上的基因表達。結果表明骨髓基質干細胞能夠在新陶瓷片上進行很好的黏附，其增殖能力和β -TCP相當，磷酸二正硅酸鈣陶瓷相對于 β-TCP瓷更能促進骨髓基質干細胞的成骨相關的基因表達，提高量約為50%。說明磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有很好的誘導骨髓基質干細胞的成骨分化能力。產業應用性本發明的磷酸二正硅酸鈣生物活性陶瓷用作人體硬組織修復和植入材料具有良好的生物活性，在模擬體液中有良好誘導磷灰石礦化的能力，同時能夠促進牙周膜細胞和骨髓基質干細胞的成骨分化。因此，本發明制備的磷酸二正硅酸鈣陶瓷用作生物材料具有很強的實用意義。
權利要求
1.一種具有降解性的生物活性陶瓷材料，其特征在于其中的生物活性陶瓷成份的化學組成為 Ca7Si2P2O16O
2.—種權利要求I所述的生物陶瓷材料的制備方法，其特征在于，利用溶膠一凝膠法合成純的Ca7Si2P2O16粉體的工序A ;在Ca7Si2P2O16粉體中加入聚乙烯醇造粒、干壓成型得坯體、高溫煅燒坯體得到Ca7Si2P2O16生物陶瓷材料的工序B。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述工序A包括采用正硅酸乙酯為Si源原材料使之充分水解的工序Al ;依次加入化學計量比的磷酸三乙酯和硝酸鈣制得干凝膠的工序A2 ;將干凝膠在一定溫度下煅燒得純的Ca7Si2P2O16、球磨制得粉體的工序A3。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于在工序Al中正硅酸乙酯與水的摩爾比為 I (5 8)。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特征在于在工序Al中調節正硅酸乙酯水溶液的 pH值為2 4。
6.根據權利要求3所述的方法，其特征在于在工序A3中于130(T155(TC煅燒干凝膠 3 5小時得純的Ca7Si2P2O16。
7.根據權利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中所述加入的聚乙烯醇的含量為 6 IOwt % ο
8.根據權利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中干壓成型是先在IOlOMPa干壓 Ca7Si2P2O16粉體與粘合相材料的混合物成坯體，并使所述坯體于200MPa下冷等靜壓處理。
9.根據權利要求2所述的方法，其特征在于在工序B中于140(Tl550°C煅燒坯體3、 小時得到包含Ca7Si2P2O16的生物陶瓷材料。
全文摘要
一種具有降解性的生物活性陶瓷材料，其中的生物活性陶瓷成份的化學組成為Ca7Si2P2O16。生物陶瓷材料的制備方法，包括利用溶膠－凝膠法合成純的Ca7Si2P2O16粉體的工序A；在Ca7Si2P2O16粉體中加入聚乙烯醇造粒、干壓成型得坯體、高溫煅燒坯體得到Ca7Si2P2O16生物陶瓷材料的工序B。本發明的磷酸二正硅酸鈣陶瓷能夠支持骨髓基質干細胞的貼壁和增殖。相對于傳統的β-磷酸三鈣陶瓷，更能促進骨髓基質干細胞的成骨分化，而且，磷酸二正硅酸鈣陶瓷具有比β-磷酸三鈣陶瓷更快的降解性。
文檔編號A61L27/12GK102584203SQ20121006997
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者吳成鐵, 常江 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所