镁橄榄石陶瓷材料作为生物力学材料的应用

摘要

本发明涉及镁橄榄石陶瓷材料作为生物力学材料的应用，其特征在于以硝酸镁和硅溶胶为原材料，采用溶胶—凝胶法合成了纯度高的镁橄榄石(Mg2SiO4)粉体。对合成的粉体成形，并在1350－1450℃温度下烧结，得到了镁橄榄石陶瓷。烧成的镁橄榄石陶瓷具有较好的力学性能。其抗弯强度达到203.4MPa，断裂韧性达到2.4MPa m1/2。其抗弯强度高于烧结的羟基磷灰石及人体致密骨，断裂韧性高于烧结的羟基磷灰石并接近人体致密骨。所制备的镁橄榄石陶瓷具有优良的细胞相容性，支持成骨细胞的贴壁，并促进成骨细胞增殖，因此镁橄榄石陶瓷是一种潜在的生物陶瓷，可用作硬组织修复和植入材料。

说明书

技术领域

本发明涉及镁橄榄石陶瓷材料作为生物力学材料的应用，包括镁橄榄石(Mg₂SiO₄)陶瓷材料的制备及体外生物相容性评价，属生物材料领域。

背景技术

骨缺损是临床上常见的疾病之一，骨缺损的修复仍然是临床上难以解决的问题。在众多的生物材料中，生物陶瓷由于价廉易得及良好的生物相容性而成为理想的修复材料之一。目前研究较多的钙磷类生物陶瓷具有良好的生物相容性，然而由于其力学性能较差而限制了其在临床上的应用。因此，研究和开发性能优良的新型生物陶瓷具有重要的意义。近年来的研究表明，硅离子能够诱导成骨细胞增殖、分化和相关蛋白表达(Bioceramics，1998，11：265-268)。镁离子是人体必须的微量元素之一，适量的镁能促进成骨细胞的繁殖，并直接调控骨代谢(Biomaterials，2003，24：1389-1398)。镁橄榄石(Mg₂SiO₄)是硅酸盐体系中一种重要的化合物，在耐火材料和高频隔音材料等领域已有广泛的研究和应用(J.Am.Ceram.Soc，1999，82：22-26)。已报道的顽火辉石(MgSiO₃)陶瓷被发现具有优良的力学性能和良好的生物相容性(Biomaterials，1999，20：184-1849)，可用作齿科填充材料(J.Eur.Ceram.Soc，1998，18：2045-2056)。镁橄榄石具有与其相似的化学组成，也可能具有良好的力学性能和生物相容性。从而引导出本申请人的发明构思。

发明内容

本发明的目的在于提供以镁橄榄石陶瓷材料作为生物力学材料的应用，具体是通过溶胶一凝胶法合成出纯度高的镁橄榄石粉体，并在一定的温度下烧结成镁橄榄石陶瓷，然后通过对陶瓷的力学性能，体外成骨细胞相容性等性能的评价来确定其是否能够用作新型的生物陶瓷植入材料。

本发明实施方案包括：

1.作为生物力学材料应用的镁橄榄石粉体和陶瓷的制备工艺过程：

(1)硅溶胶作为Si源，用硝酸调节pH值为1-2搅拌后，在室温下加入作为镁源的六水合硝酸镁或氢氧化镁，Mg和Si的摩尔比为2∶1，搅拌成均匀溶液；

(2)加入柠檬酸和乙二醇的混合溶液逐滴加入到步骤a所得到含硅和镁溶液中再搅拌、密封；加入质量百分比为合成镁橄榄石粉体质量的30-45％；

(3)步骤b所得的溶液，在60℃陈化24-48小时，并在120℃中干燥36-56小时，使之凝胶化；

(4)步骤c所得凝胶化物料经球磨、过筛，在1150-1250℃煅烧3小时，得到纯镁橄榄石粉体；

(5)球磨粉碎，先干压成型再冷热等压成型，干压压力10-20MPa，等静压为100MPa；

(6)最后压块，在1350-1450℃烧结6-8小时制成。

所述的柠檬酸和乙二醇的混合溶液中柠檬酸和乙二酸的重量比为3∶2。

所述的步骤(1)中用硝酸调节硅溶胶的pH值时搅拌30分钟；步骤(2)中加入镁源后的溶液搅拌3-5小时。

所述的步骤(5)球磨所得到粉体的粒径小于50微米。

所述的成型时加入6-10％的PVA水溶液作为粘结剂。

2.作为生物力学材料应用的镁橄榄陶瓷的性能评价

2.1陶瓷的力学性能

采用多功能力学测试机对陶瓷的抗弯强度，断裂韧性进行检测。结果表明其抗弯强度达到203.4MPa，断裂韧性达到2.4MPa m^1/2。其抗弯强度高于烧结的羟基磷灰石(115-200MPa)及人体致密骨(50-150MPa)，断裂韧性高于烧结的羟基磷灰石(0.6-1.0MPa m^1/2)并接近人体致密骨(2-12MPa m^1/2)。

2.2陶瓷的生物相容性

采用成骨细胞种植在陶瓷片上，4小时及24小时后在光学显微镜下观察细胞的黏附能力。电子显微镜下观察成骨细胞的微观结构，经过1，3和7天的培养，采用MTT(二甲基噻唑二苯基四唑溴盐)比色法检测细胞的增殖能力。结果表明成骨细胞能够在材料表面进行很好的黏附和增殖。并且经过7天的培养，成骨细胞在镁橄榄石陶瓷表面的增殖率明显高于空白对照组(p＜0.05)，说明镁橄榄石陶瓷具有很好的细胞相容性。(详见附图说明和实施例)

由此可见，本发明制备出的镁橄榄石陶瓷的抗弯强度高于烧结的羟基磷灰石及人体致密骨，断裂韧性高于烧结的羟基磷灰石陶瓷并接近人体致密骨。因此镁橄榄石陶瓷具有良好的力学性能和体外细胞相容性，是一种潜在的生物植入材料和用作硬组织修复材料。

综上所述，本发明提供的生物材料的镁橄榄石，具有优良的细胞相容性，支持成骨细胞的贴壁并刺激成骨细胞增殖，可用作硬组织修复材料和植入材料。

附图说明

通过下面的结合附图对本发明做进一步详细说明，可以更好地理解上文所述内容。其中所给附图为实例1的结果。

图1为溶胶-凝胶法合成的镁橄榄石粉体XRD图，从图中可以看出只有镁橄榄石特征峰存在，没有其它杂质。

图2为镁橄榄陶瓷的XRD图。烧成后的镁橄榄石陶瓷没有杂质及第二相产生。

图3为镁橄榄陶瓷SEM图，图中看出镁橄榄石陶瓷表面较为粗糙，这种粗糙的表面有利于细胞的黏附。

图4为成骨细胞在镁橄榄石陶瓷表面培养4(a)和24(b)小时后的光学显微镜图。图中显示随培养时间的变化，成骨细胞在材料表面呈现出显著的形态差异，为典型的从黏附到铺展的过程。

图5为成骨细胞在镁橄榄石陶瓷上培养1(a)，3(b)，5(c)，7(d)天的光学显微镜图。

图6为成骨细胞在镁橄榄石陶瓷上培养1天后的SEM图。从图中显示成骨细胞与材料发生紧密的结合，并伸出丝状的伪足，成骨细胞表面光滑，体态饱满。

图7为成骨细胞在镁橄榄石陶瓷表面培养1，3，7天后的增殖情况。结果显示成骨细胞在镁橄榄石表面的增殖速度明显高于空白对照，在7天时呈现显著性差异(p＜0.05)，说明镁橄榄石陶瓷能够刺激成骨细胞的生长。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步说明，但它们并不是对本发明作任何限制。

实例1：

a)硅溶胶47.06g，并加硝酸溶液，调节pH值为1.8，在室温下充分搅拌30分钟，然后加入0.4摩尔六水合硝酸镁搅拌3小时，将柠檬酸(5.9g)和乙二醇(3.9g)的混合物滴加到上述混合液中，密封，在60℃中陈化48小时，并在120℃中干燥36小时，凝胶化。

b)将干燥后的凝胶物料球磨并过筛，在1200℃煅烧3小时，得到纯的镁橄榄石粉体，如图1所示。

c)将合成的镁橄榄石粉体球磨，过筛后使其粒度小于50微米，并加入6％的PVA水溶液，先在10MPa干压镁橄榄石粉体成型，并在200MPa下冷等静压。

d)将压成的陶瓷坯体在1450℃烧结8小时，可制得镁橄榄石陶瓷，如图2，3所示。表面较粗糙，有利于细胞的黏附。

e)制成的镁橄榄石陶瓷进行力学性能和细胞相容性的评价。成骨细胞在其上的培养及生长情况如图4-7所示，说明本发明提供的镁橄榄石陶瓷作为生物力学材料的应用是较理想的，它具有细胞相容性又具有促进成骨细胞生长的活性。图4所示，随培养时间从4小时到24小时变化，成骨细胞在材料表面从典型的黏附到铺展的过程；图6显示出成骨细胞在镁橄榄石陶瓷表面1天培养后与材料发生紧密的结合，并长出丝状的伪足，表面光滑，体态饱满。

实例2：

a)硅溶胶46.99g，加入硝酸溶液，调解pH值为1.6，在室温下充分搅拌30分钟，然后加入0.4摩尔六水合硝酸镁搅拌5小时，将柠檬酸(4.2g)和乙二醇(2.8g)的混合物滴加到上述混合液中，密封，在60℃中陈化24小时，并在120℃中干燥56小时。

b)将干燥后的凝胶物料在1250℃煅烧3小时，得到纯的镁橄榄石粉体。

c)将合成的镁橄榄石粉体球磨，过筛后使其粒度小于60微米，并加入10％的PVA水溶液，先在20MPa干压镁橄榄石粉体成型，并在200MPa下冷等静压。

d)将压成的陶瓷坯体在1400℃烧结8小时，可制得镁橄榄石陶瓷。

e)制成的镁橄榄石陶瓷进行力学性能和细胞相容性的评价，同发明内容中的性能评价。

所得到的镁橄榄石粉体和烧结后的陶瓷其基本特性与实施例1雷同。