專利名稱：具有均勻多孔結(jié)構(gòu)氟化羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米材料技術(shù)領(lǐng)域的材質(zhì)及方法，具體是一種適合骨組織的滲入生長(zhǎng)、具有均勻的相互連接、尺寸在100-300微米之間的多孔結(jié)構(gòu)的氟化羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
輕基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)是人體骨骼的基本無機(jī)成分，具有良好的生物相容性及生物活性。羥基磷灰石已經(jīng)成為人體硬組織良好的生物修復(fù)和替代材料，研究新型和優(yōu)良性能的羥基磷灰石也已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。但是單純的羥基磷灰石穩(wěn)定性較差，已經(jīng)用實(shí)施方法將羥基磷灰石氟化，生成氟化磷灰石，增強(qiáng)了羥基磷灰石的穩(wěn)定性。但是對(duì)于一般的人體骨的替換，需要形成骨結(jié)構(gòu)來支撐人的機(jī)體，這就需要能夠與人體軟組織結(jié)合緊密的生物替代材料才能起到作用。合成具有多孔復(fù)合結(jié)構(gòu)的生物替代材料成為了研究的重點(diǎn)。經(jīng)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，王崧全等在《碳酸氫銨和聚乙烯醇復(fù)合造孔制備多孔陶瓷及其性能研究》中記載了 以羥基磷灰石(HA)為基體，采用添加NH4HC03晶粒并加熱去除的方法制備多孔羥基磷灰石(HA)陶瓷，制備過程中同時(shí)加入一定量的生物玻璃來增加其強(qiáng)度，添加一定量的聚乙烯醇(PVA)來提高其結(jié)合性能和改善貫通性。對(duì)制備的多孔生物陶瓷試樣進(jìn)行硬度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，討論不同組分對(duì)其性能的影響規(guī)律，采用掃描電鏡對(duì)多孔陶瓷試樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著NH4HC03含量的增加，多孔生物陶瓷試樣的孔隙率和硬度增加，抗壓強(qiáng)度下降，孔徑約為200-300 μ m ;隨著PVA含量的增加，試樣孔隙率增大，貫通性增強(qiáng)，孔道長(zhǎng)度約為I 3mm，孔徑在100 μ m以下；隨著生物玻璃含量的增加，試樣的體積收縮明顯，微孔增多，但該技術(shù)以NH4HC03為主要的造孔劑，NH4HC03在低溫下就比較容易分解，所以此技術(shù)中樣品在燒結(jié)過程中，低溫時(shí)大部分的NH4HC03很快分解產(chǎn)生氣泡，使產(chǎn)生的氣孔不均勻，并且對(duì)樣品產(chǎn)生一定的應(yīng)力，氣體的不均勻性也使樣品產(chǎn)生的多孔不均中國(guó)專利文獻(xiàn)CN1903706，
公開日20070131，記載了一種“羥基磷灰石空心微球的制備方法”，該方法以四水硝酸鈣和磷酸氫二銨為原料，采用濕法中的化學(xué)沉淀法，制備羥基磷灰石料漿；然后用蒸餾水將羥基磷灰石料漿稀釋，并加入作為添加劑的碳酸氫銨，攪拌均勻后，進(jìn)行噴霧干燥，結(jié)合后續(xù)熱處理，得到由納米晶粒組成的羥基磷灰石空心微球。利用本發(fā)明方法所得的產(chǎn)品，微球由納米晶粒組成，粉體尺寸小，粒度均勻，比表面積大，空心率高，結(jié)晶度較低；不但具有優(yōu)異的生物相容性、較好的球形度；而且，整個(gè)制備方法過程簡(jiǎn)單，成本較低。本發(fā)明所制得的羥基磷灰石空心微球，可望在可注射式藥物緩釋載體、骨缺損填充物以及分離和提純等領(lǐng)域得到應(yīng)用。但該技術(shù)不能應(yīng)用于人體骨的塊狀修復(fù)和替換中，并且均勻相連的多孔結(jié)構(gòu)為人體細(xì)胞組織生長(zhǎng)的提供了通道和空間
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種具有均勻多孔結(jié)構(gòu)氟化羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，采用了兩步發(fā)泡法，NH4HCO3不是主要發(fā)泡劑，并且在低溫緩慢烘干階段發(fā)泡，產(chǎn)生的氣孔較為均勻，在后續(xù)的高分子緩慢揮發(fā)階段能夠均勻相連的多孔；通過將氟化羥基磷灰石與PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)復(fù)合燒結(jié)成一種多孔結(jié)構(gòu)，通過控制實(shí)施條件，得到尺寸均一的，相互連通的孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)移植到人體中，可以使細(xì)胞在孔洞內(nèi)生長(zhǎng)，以此和人體組織形成緊密的結(jié)合。并且經(jīng)過氟化過程，增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性。多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槔w維細(xì)胞和骨組織向其中生長(zhǎng)提供孔道和生長(zhǎng)空間，增大組織液與羥基磷灰石接觸表面積，保持人體正常的代謝關(guān)系。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明采用碳酸氫銨和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為發(fā)泡劑，與通過溶膠凝膠法生成的氟化磷灰石進(jìn)行兩步發(fā)泡法，最終得到具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氟化磷灰石復(fù)合材料。所述方法具體步驟包括第一步、通過溶膠凝膠法生成氟化磷灰石Caltl(PO4)6(OH)2_2xF2x,將O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)Ug十二烷基硫酸鈉(SDS)和O. Sg氟化磷灰石三種粉末置于25mL、直徑約為3cm的模具中充分?jǐn)嚢杌旌希员阕尫谆沂蚉MMA充分混合形成均勻的孔結(jié)構(gòu)；以PMMA為主發(fā)泡劑，形成微米級(jí)孔洞，加入了表面活性劑，充分連接有機(jī)相和無機(jī)相，使粉末混合更充分。由前期實(shí)施證明當(dāng)X大于O. 5時(shí)，樣品熱穩(wěn)定性增強(qiáng)，在高溫?zé)Y(jié)生成多孔材料時(shí)降低了磷灰石的熱分解作用，因此優(yōu)選氟化磷灰石為Caltl(PO4)6(OH)a8F1TCa10 (PO4) 6 (OH) ο. 6Fl 4 或 Ca10 (PO4) 6 (OH) . 4FL 6。所述的溶膠凝膠法是指i)將硝酸鈣溶液、磷酸氫二銨分別用純水配成O. 2mol/L的均勻溶液，用氨水分別將溶液的PH調(diào)節(jié)為11 ；ii)將氟化銨用純水配成濃度為O. 2mL/L的均一溶液,用氨水調(diào)節(jié)pH值為11。iii)先將磷酸氫二銨溶液以O(shè). 5mL/s的速度滴加入硝酸鈣溶液中生成羥基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化銨溶液生成氟化磷灰石；反應(yīng)過程中不斷的攪拌并調(diào)節(jié)PH調(diào)節(jié)為11，攪拌過程持續(xù)5h。iv)將生成的溶液陳化24小時(shí)，倒掉上清液，對(duì)溶膠超聲，離心，洗漆，重復(fù)三次，之后在80° C溫度下烘干后在600° C-1120° C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。上述方法通過配置不同濃度的氟化銨溶液進(jìn)行反應(yīng)即可得到Ca10(PO4)6(OH)o.8Fi.2 Ca10(PO4)6(OH)Q.^1.4 或 Ca10(PO4)6(OH)Q.4FL6。第二步、將O. 2碳酸氫銨充分溶解I. 5mL純水中形成均勻溶液并與滴加入第一步中的模具中，并用玻璃棒均勻攪拌，形成均勻的溶膠；這樣做的目的是使得碳酸氫銨的發(fā)泡過程更加均勻，完全溶解均勻的碳酸氫銨不會(huì)突然產(chǎn)生大量氣體，均勻的產(chǎn)生微孔，并且均勻混合的PMMA在燒結(jié)過程中均勻的揮發(fā)形成了均勻的多孔結(jié)構(gòu)，適合骨組織的滲入生長(zhǎng)。第三步、將溶膠在空氣中放置至水分揮發(fā)形成接近固態(tài)的凝膠，之后將凝膠放在烘箱中，在70° C溫度下放置5h，直至烘干，由碳酸氫銨分解生成的氣泡使材料形成具有微孔的、內(nèi)部相連的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。第四步、將烘干的樣品放在熔融爐中進(jìn)行燒結(jié)，以10° C/min的加熱速度加熱，控制加熱速度，使PMMA均勻緩慢的揮發(fā)以避免產(chǎn)生裂紋，使溫度上升到600° C，并保持O. 5h，形成相互聯(lián)結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)。并且以相同的速度冷卻以避免產(chǎn)生裂紋。本發(fā)明通過上述方法制備得到的氟化磷灰石復(fù)合材料，具有適合人體細(xì)胞滲入生長(zhǎng)和骨骼相互連接的均一的孔洞結(jié)構(gòu)，孔洞的尺寸在100-300微米之間，并且在材料內(nèi)部之間形成了孔洞相互連接的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)細(xì)胞組織生長(zhǎng)和組織液的滲入，使組織生長(zhǎng)更致密牢固，促進(jìn)骨骼的修復(fù)。本發(fā)明通過上述方法制備得到的氟化磷灰石復(fù)合材料，可用于制備人體骨組織塊狀修復(fù)材料。本發(fā)明不僅生成了高純度的氟化羥基磷灰石，增強(qiáng)了熱穩(wěn)定性，又在發(fā)泡燒結(jié)階段產(chǎn)生了多孔結(jié)構(gòu)，為人體骨組織塊狀修復(fù)材料的應(yīng)用提供了良好的參考。
圖I為實(shí)施例2多孔氟化磷灰石復(fù)合材料的SM掃描圖。如圖可見，由0.8g Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.4FL 6、O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯、I g十二烷基硫酸鈉三種粉充分混合所得到的樣品。將O. 2g碳酸氫銨溶于I. 5mL的純水中，之后注入混合粉末中，攪拌并烘干燒結(jié)，孔的尺寸在100-300微米之間。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例I使用的是用溶膠凝膠法生成的氟化磷灰石，再與聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合生成多孔復(fù)合材料，具體實(shí)施表征方法如下。O)制備 Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.8FL 2 i)將硝酸鈣溶液、磷酸氫二銨分別用純水配成O. 2mol/L的均勻溶液，用氨水分別將溶液的PH調(diào)節(jié)為11 ；ii)將氟化銨用純水配成濃度為O. 2ml/L的均一溶液,用氨水調(diào)節(jié)pH值為11。iii)先將磷酸氫二銨溶液以O(shè). 5mL/s的速度滴加入硝酸鈣溶液中生成羥基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化銨溶液生成氟化磷灰石；反應(yīng)過程中不斷的攪拌并調(diào)節(jié)PH調(diào)節(jié)為11，攪拌過程持續(xù)5h。iv)將生成的溶液陳化24小時(shí)，倒掉上清液，對(duì)溶膠超聲，離心，洗漆，重復(fù)三次，之后在80° C溫度下烘干后在600° C-1120。C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)得到Ca10 (PO4) 6 (OH) 0.8F12。I)將0.8g Caltl(PO4)6(OH)a8F1TO. 3g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸鈉三種粉末放在小燒杯中攪拌，使其充分混合。讓PMMA產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)更加均勻。2)將O. Ig碳酸氫銨溶于I. 5mL的純水中，不斷震蕩使其完全溶解；先溶解均勻后再與粉末混合，發(fā)泡過程更加均勻，產(chǎn)生的微孔也均一。3)將得到凝膠在70°C溫度下烘干，在材料的表面和內(nèi)部形成了均勻的納米尺寸的孔結(jié)構(gòu)。
4)將烘干的材料在熔融爐中燒結(jié)，以10°C /min的速度加熱到600°C度，控制加熱速度，并在600°C溫度下保持O. 5h，得到均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。通過掃面電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌，本實(shí)施例制備形成了具有均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，孔的尺寸在100-150微米之間，樣品的孔隙率較小。
實(shí)施例2使用的是用溶膠凝膠法生成的氟化磷灰石，再與聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合生成多孔復(fù)合材料，具體實(shí)施表征方法如下。I)將0.8g Caltl(PO4)6(OH)a6F1^O. 5g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸鈉三種粉末放在小燒杯中攪拌，使其充分混合。讓PMMA產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)更加均勻。2)將O. 2g碳酸氫銨溶于I. 5mL的純水中，不斷震蕩使其完全溶解；先溶解均勻后再與粉末混合，發(fā)泡過程更加均勻，產(chǎn)生的微孔也均一。3)將得到凝膠在70°C溫度下烘干，在材料的表面和內(nèi)部形成了均勻的納米尺寸的孔結(jié)構(gòu)。4)將烘干的材料在熔融爐中燒結(jié)，以10°C /min的速度加熱到600°C度，控制加熱速度，并在600°C溫度下保持O. 5h，得到均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。通過掃面電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌，如圖I所示，本實(shí)施例形成了具有均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，孔的尺寸在100-300微米之間，樣品孔隙率適中。
實(shí)施例3使用的是用溶膠凝膠法生成的氟化磷灰石，再與聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合生成多孔復(fù)合材料，具體實(shí)施表征方法如下。I)將O. 8g Ca10 (PO4)6 (OH) ο.4FL6,0. 8g聚甲基丙烯酸甲酯、Ig十二烷基硫酸鈉三種粉末放在小燒杯中攪拌，使其充分混合。讓PMMA產(chǎn)生的多孔結(jié)構(gòu)更加均勻。2)將O. 3g碳酸氫銨溶于I. 5mL的純水中，不斷震蕩使其完全溶解；先溶解均勻后再與粉末混合，發(fā)泡過程更加均勻，產(chǎn)生的微孔也均一。3)將得到凝膠在70°C溫度下烘干，在材料的表面和內(nèi)部形成了均勻的納米尺寸的孔結(jié)構(gòu)。4)將烘干的材料在熔融爐中燒結(jié)，以10°C /min的速度加熱到600°C度，控制加熱速度，并在600°C溫度下保持O. 5h，得到均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)。通過掃面電子顯微鏡觀察產(chǎn)物的形貌，本實(shí)施例制備形成了具有均勻的相互連接的多孔結(jié)構(gòu)，孔的尺寸在200-400微米之間，樣品的孔隙率略大。
權(quán)利要求
1.一種具有均勻多孔結(jié)構(gòu)氟化羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，采用碳酸氫銨和聚甲基丙烯酸甲酯作為發(fā)泡劑，通過溶膠凝膠法生成具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氟化磷灰石復(fù)合材料；所述方法具體步驟包括第一步、通過溶膠凝膠法生成氟化磷灰石Caltl(PO4)6(OH)2_2xF2x，將聚甲基丙烯酸甲酯、十二烷基硫酸鈉和氟化磷灰石三種粉末置于模具中充分?jǐn)嚢杌旌?，以便讓氟化磷灰石和PMMA充分混合形成均勻的孔結(jié)構(gòu)；第二步、將碳酸氫銨充分溶解于純水中形成均勻溶液并與滴加入第一步中的模具中，并用玻璃棒均勻攪拌，形成均勻的溶膠；第三步、將溶膠在空氣中放置至水分揮發(fā)形成接近固態(tài)的凝膠，之后將凝膠放在烘箱中烘干，由碳酸氫銨分解生成的氣泡使材料形成具有微孔的、內(nèi)部相連的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料。第四步、將烘干的樣品放在熔融爐中進(jìn)行燒結(jié)，以10° C/min的加熱速度加熱，控制加熱速度，使PMMA均勻緩慢的揮發(fā)不產(chǎn)生裂紋；待溫度上升到600° C保持O. 5h，形成相互聯(lián)結(jié)的多孔結(jié)構(gòu)，最后以相同的速度降溫冷卻以避免產(chǎn)生微裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征是，所述的氟化磷灰石為Caltl(PO4)6(OH)a8F1TCa10 (PO4) 6 (OH) ο. 6Fl 4 或 Ca10 (PO4) 6 (OH) . 4FL 6。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征是，所述的溶膠凝膠法是指i)將硝酸鈣溶液、磷酸氫二銨分別用純水配成O. 2mol/L的均勻溶液,用氨水分別將溶液的PH調(diào)節(jié)為11 ； )將氟化銨用純水配成濃度為O. 2mL/L的均一溶液,用氨水調(diào)節(jié)pH值為11 ；iii)先將磷酸氫二銨溶液以O(shè).5mL/s的速度滴加入硝酸鈣溶液中生成羥基磷灰石，之后以相同的速度加入氟化銨溶液生成氟化磷灰石；反應(yīng)過程中不斷的攪拌并調(diào)節(jié)pH調(diào)節(jié)為11，攪拌過程持續(xù)5h;iv)將生成的溶液陳化24小時(shí)，倒掉上清液，對(duì)溶膠超聲，離心，洗滌，重復(fù)三次，之后在80° C溫度下烘干后在600° C-1120° C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)現(xiàn)。
4.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到的氟化磷灰石復(fù)合材料，其特征在于，具有適合人體細(xì)胞滲入生長(zhǎng)和骨骼相互連接的均一的孔洞結(jié)構(gòu)，孔洞的尺寸在100-300微米之間，并且在材料內(nèi)部之間形成了孔洞相互連接的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的氟化磷灰石復(fù)合材料的應(yīng)用，其特征在于，用于制備人體骨組織塊狀修復(fù)材料。
全文摘要
一種具有均勻多孔結(jié)構(gòu)氟化羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法，采用碳酸氫銨和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為發(fā)泡劑，與通過溶膠凝膠法生成的氟化磷灰石進(jìn)行兩步發(fā)泡法，最終得到具有納米級(jí)多孔結(jié)構(gòu)的氟化磷灰石復(fù)合材料。本發(fā)明通過控制實(shí)施條件，得到尺寸均一的，相互連通的孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)移植到人體中，可以使細(xì)胞在孔洞內(nèi)生長(zhǎng)，以此和人體組織形成緊密的結(jié)合。并且經(jīng)過氟化過程，增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性。多孔結(jié)構(gòu)能夠?yàn)槔w維細(xì)胞和骨組織向其中生長(zhǎng)提供孔道和生長(zhǎng)空間，增大組織液與羥基磷灰石接觸表面積，保持人體正常的代謝關(guān)系。
文檔編號(hào)C04B38/02GK102942358SQ20121047367
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者楊洪震, 饒群力 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)