硅、銀雙置換羥基磷灰石材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種羥基磷灰石材料，具體涉及一種硅、銀雙置換羥基磷灰石材料，以及硅、銀雙置換羥基磷灰石材料的晶型，該硅、銀雙置換羥基磷灰石材料或其晶型的制備方法。該材料可作為醫用生物材料及其他植入類醫療器械的生產和改性材料、作為植入物或填充物等很好的運用于人體骨骼、牙齒等器官。
【背景技術】
[0002]羥基磷灰石是磷灰石家族中的一種。由于羥基磷灰石(HA)是一種在化學組成和結構上都與骨骼中的礦物相相似的材料，它以其良好的生物相容性與生物活性成為了骨骼等硬器官替換材料的首選。羥基磷灰石在植入體內后能與植入體組織相結合，形成植入物與骨骼的緊密結合(骨結合)。然而，羥基磷灰石的骨結合速度相比其他生物陶瓷，如生物玻璃卻相對較慢。這是由于羥基磷灰石中釋放鈣離子與磷離子與體液反應的速度太慢，從而影響了骨骼與羥基磷灰石的對位與整合。所以，符合化學配比的羥基磷灰石顯現了有限的骨骼生物活性。
[0003]一種增強羥基磷灰石與骨骼結合速度的方法是改變它的化學成分，使其更接近于自然骨骼的礦物相。經研宄證明，硅元素在骨骼中的出現能刺激特定家族的基因，從而促進成骨細胞的增殖和骨細胞外基質的產生。硅元素同時也是骨架成長和發育過程中的必要要素。該理論被Carlisle用含有硅元素的食品喂雞論證過。在不含硅元素飼料喂養的雞中，雞骨架的發育受到阻礙，生長減慢，羽毛也發育不良。這些研宄揭示了硅元素在結締組織代謝，特別是骨骼和軟骨發育中的重要作用。為了更好地模擬骨骼的成分，硅置換羥基磷灰石(SiHA)已經被許多研宄者廣泛地進行了研宄。
[0004]目前，濕沉積法是高純度硅置換羥基磷灰石最普遍和最穩定的合成路線。在這種合成方法中硅置換羥基磷灰可以用氫氧化鈣和包含硅前體的正磷酸合成，硅的來源也可以采用硅脂、原硅酸四乙酯(TEOS)等。SiHA的形成可以用以下反應式表示:
反應式 1:1OCa2+ + (6- x)P043- + xSi044- + (2 - x)0H_— Ca10(PO4) (6_ x) (S14)x(OH)
(2- x)°
[0005]專利(W01998008773A1)描述了一種硅置換羥基磷灰石的合成技術。該生物材料含有0.1~5%質量百分比的硅元素。該羥基磷灰石的運用激發了比普通羥基磷灰石更快且質量更高的骨骼恢復功能。專利US8545895B2 (2013),US20100173009A1 (2010)也描述了一種可用作生物材料的無機硅酸鹽置換的磷酸鈣羥基磷灰石，其Ca/P摩爾比在2.05到2.55間，且Ca/(P+Si)摩爾比小于1.66。該材料擁有相對較高的溶解度，可以釋放硅離子到溶液中。
[0006]專利W02009087390 (即 EP2238091A2、US20110021338、W02009087390A2)描述了一種合成SiHA的方法，該SiHA的化學式為Caltl (PO4)4 (S14) 2。這種方法合成的SiHA中可能含有不定晶型的磷酸鈣及磷酸三鈣、磷酸四鈣等晶型的第二相磷酸鈣，但SiHA占該合成產物的主要成分。
[0007]專利W02009126054A1 (即 EP2271376A1、US20110040389A1)描述了一種由 HA、生物相容性玻璃(P2O5-CaO)和硅元素復合的骨骼替換材料。該材料在最終合成后變為含有硅元素的ΗΑ、α -磷酸三鈣(a -TCP)、β -磷酸三鈣(β -TCP)復合磷酸鈣。
[0008]專利EP0951441B1中描述了一種硅置換的HA及其制備方法。該HA中含有0.5到
1.6%質量百分比的硅元素，且該硅元素被置換到HA的晶格中。該制備方法更傾向于使用0.5到1%質量百分比的硅元素，且可以避免在合成中其他氧化鈣和三磷酸鈣的產生。
[0009]但目前仍需解決的問題是，病人在利用生物材料進行的骨科手術中依然會面臨多種并發癥。與植入物相關的感染已經被列為骨科手術中引起死亡與病變最主要的并發癥之一。因為具有生物兼容性，蛋白質與氨基酸等有機物質很容易被吸附到SiHA上，這項特性同時也方便了細菌在SiHA上的吸附與復制。此外，由于不受到身體免疫系統的保護，植入體內的SiHA在被細菌黏附到表面后將容易被感染。黏附性的細菌能夠集聚并形成一層生物膜，這層生物膜會保護細菌不受吞噬作用和抗生素的影響，從而排斥人體內免疫系統和臨床治療的殲滅。因此，受感染的危險性將會由于植入物的出現而增加。
[0010]另一方面，銀元素已成為一種應對微生物的優選的抗菌劑。銀元素以其出色的廣泛抗菌效果已被使用于傷口愈合等生物醫學應用領域。銀元素可以通過離子交換的方式被置換到HA中，置換后的HA已經在細胞試驗中對金黃色葡萄球菌(S.aureus)、大腸桿菌(E.coli)、變形鏈球菌(S.mutans)、白色念珠菌(C.albicans)顯示了優越的抗菌性能。將銀離子置換到磷灰石的過程基于磷灰石化學結構的離子交換能力(請見反應式2)而定，在此過程中銀離子通過HA的晶核形成從溶液中被置換到磷灰石中。類似地，不同的前體也可在銀置換HA (AgHA)的合成過程中取得。AgHA可用硝酸銀、硝酸鈣和磷酸銨合成，也可用硝酸銀、氫氧化鈣和磷酸，還可用氧化銀、氫氧化鈣和磷酸。AgHA的形成可以用以下反應式表示:
反應式 2:(10-y) Ca2 + + yAg++ 6P043~ + (2-y)0H~- Ca (10_y) Agy(PO4)6(OH) (2_ y)。
[0011]專利CN200810152897描述了一種載銀羥基磷灰石及其制備方法。但該方法是通過混合羥基磷灰石與濃度為8% ~25%的AgN03水溶液形成混合物，并沒有將銀離子置換到羥基磷灰石中。羥基磷灰石晶格結構并沒有因銀離子的置換而改變，只是在XRD圖譜中顯現出了大量銀元素與羥基磷灰石的混合波峰。該專利著重強調了銀系抗菌劑在抑制有害細菌、霉菌中的重要作用以及其在棉紗布纖維的抗菌整理中的應用。
[0012]但是，除了表現出優越的抗菌性能外，成骨細胞的鋪展生長只在含少量銀離子的AgHA中進行，并且AgHA被報告為具有輕微的細胞有毒性。從長遠來看，AgHA將不能引導骨骼生長并阻礙對骨骼破損的自然生物修復。因此，目前還難以將AgHA應用于骨骼再生或骨骼替換手術中。
[0013]專利US20070003634A1 (2007)(即 US 7695740 B2 (2010))中還描述了一種含有硅元素和一個三價陽離子的HA合成技術。該材料擁有Ca (10_y)My (PO4) (6_ x) (S14)x(OH) (2_x+y)的化學式，其中M為三價陽離子，0〈χ〈1.3且0〈y〈l.3。該三價陽離子為銥、鈧、鋁和鑭系元素中的一種或幾種。有傾向性的，該三價陽離子是或由銥元素組成且該三價陽離子置換HA晶格中的鈣離子，并沒有涉銀元素及其在骨骼替換手術中的抗菌效果。
[0014]因此，當前還亟需研宄一種具有良好生物兼容性且具備抗菌性能的可用于骨骼再生或替換的羥基磷灰石材料。
【發明內容】
[0015]為彌補現有生物材料技術中的空白，本發明的目的是提供一種新型的硅、銀雙置換羥基磷灰石材料，同時還提供了該硅、銀雙置換羥基磷灰石材料的晶型，以及該材料或其晶型的制備方法。該