一种两相磷酸钙材料及其制备方法和两相磷酸钙人工骨陶瓷

摘要

本发明公开了一种两相磷酸钙材料及其制备方法和两相磷酸钙人工骨陶瓷，属于生物陶瓷材料领域。首先利用鸡蛋壳制备β相磷酸三钙(β-TCP)与羟基磷灰石(HA)混合物(两相磷酸钙材料)，并进一步通过烧结法制得两相磷酸钙人工骨陶瓷。本发明以鸡蛋壳为原料，该原料来源丰富，仅通过一步化学合成法制得β-TCP和HA，并能通过改变水热合成中鸡蛋壳颗粒尺寸控制两相磷酸钙中β-TCP和HA的质量比例，该两相磷酸钙材料的制备成本低。可采用模板法在无压烧结条件下制得两相磷酸钙陶瓷，通过控制其中β-TCP和HA的质量比例制得降解速度不同的两相磷酸钙生物陶瓷，满足骨缺损患者因个体差异对人工骨支架材料降解周期的不同需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种两相磷酸钙材料及其制备方法和两相磷酸钙人工骨陶瓷，属 于生物陶瓷材料领域。

背景技术

骨缺损修复是骨科临床常见症状之一，仅我国每年因各类事故、疾病引起的 骨缺损或骨损伤患者约300万人。小面积的骨缺损可以依靠机体自身的再生功能 得以痊愈；较大面积的骨缺损则无法自体修复，若不治疗可能造成“骨不连”，因 此需要使用植入材料来帮助骨组织修复和痊愈。人工骨材料(包括磷酸钙陶瓷、 骨水泥以及高分子聚合物)越来越广泛用于临床上骨缺损修复；其中，磷酸钙陶 瓷包括羟基磷灰石(HA)、β相磷酸三钙(β-TCP)以及两者的混合物(两相磷酸钙材 料)，磷酸钙陶瓷与人体骨骼无机盐成分相似，具有良好的生物相容性，体内植入 后骨结合能力良好；另外，多孔磷酸钙陶瓷还具有较好的骨传导能力。在大面积 骨缺损修复中，纯相β-TCP人工骨支架在人体内降解速度较快，几个月至几年即 可完全降解，而纯相HA人工骨支架降解速度过慢，甚至几年仍无法降解，这两 种支架材料都难以与新骨再生速度相匹配。两相磷酸钙支架由β-TCP与HA的混 合物制成，可以通过控制两相的质量百分比来调节支架材料的体内降解速度，从 而解决HA陶瓷体内不降解而β-TCP陶瓷体内降解过快的问题。已报道的两相磷 酸钙材料大多配方固定，很难满足因患者个体差异对人工骨支架材料不同降解速 度的需求。

发明内容

本发明目的是针对常见磷酸钙人工骨材料中β-TCP降解速度过快而HA难降 解的问题，提供一种两相磷酸钙材料及其制备方法和两相磷酸钙人工骨陶瓷，首 先利用成本低廉的蛋壳作为原材料，制备所需β-TCP和HA组成的两相磷酸钙材 料，进一步制得可控降解速度的两相磷酸钙人工骨陶瓷材料，具有重要的临床应 用价值。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种制备两相磷酸钙材料的方法，该方法是以蛋壳为原材料，通过水热反应 制备两相磷酸钙材料，具体包括如下步骤：

(1)去除蛋壳中有机质：在蛋膜剥离后将蛋壳在去离子水中煮沸30分钟， 进一步在10wt.％的NaClO溶液中超声浸泡40分钟，以除去蛋壳中的有机质成分， 使用去离子水清洗后在真空干燥箱中100℃烘干。

(2)研磨过筛：将蛋壳在玛瑙研钵中研磨，使用标准筛(20、40、100、300 目)过筛获取所需尺寸的蛋壳颗粒。

(3)通过水热反应生成两相磷酸钙材料：将步骤(2)所得蛋壳颗粒与 (NH₄)₂HPO₄溶液(溶液浓度0.02-0.5g/ml)按照1:10～1:20的重量配比混合置于水 热反应釜中，在140-200℃温度下反应24-48小时，此时蛋壳中碳酸钙成分全部转 换成β-TCP和HA，将水热反应产物进行清洗并烘干，获得由β-TCP和HA组成 的两相磷酸钙材料。所得两相磷酸钙材料中，β-TCP的质量百分比为29-78％。

步骤(3)水热反应过程中，通过改变蛋壳颗粒的尺寸，能够调控所得两相磷 酸钙材料中β-TCP和HA的组成比例，随着蛋壳颗粒尺寸的减小，β-TCP在两相 磷酸钙材料中的含量也降低。

步骤(3)水热反应过程中，通过改变水热反应温度，能够调控所得两相磷酸 钙粉末中β-TCP和HA的组成比例。通过改变水热反应温度，还能够调控生成两 相磷酸钙材料的反应速率，随着反应温度的升高，生成速率加快。

所述的蛋壳原材料，主要成分为含镁的方解石(镁重量百分比为0.35-0.55％)。 对其研磨过筛后，所选择的蛋壳颗粒粒度范围为1-850μm。

将通过上述方法获得的两相磷酸钙材料用于制备两相磷酸钙人工骨陶瓷(包 括两相磷酸钙多孔陶瓷和两相磷酸钙致密陶瓷)，方法如下：

两相磷酸钙多孔陶瓷的制备过程如下：

将所述两相磷酸钙材料球磨10小时，将球磨所得粉体与5wt.％聚乙烯醇溶液 混合，每毫升聚乙烯醇溶液中粉体的量为0.4-1g，搅拌条件下获得均匀浆料，将 其挤压填充至1cm³的60ppi聚氨酯多孔支架内；然后在在空气氛围中600℃烧结 3小时，再升温至1100℃烧结1-2小时，制得两相磷酸钙多孔陶瓷，多孔陶瓷的 孔径～50-500μm。

两相磷酸钙致密陶瓷的制备过程如下：

将所述两相磷酸钙材料球磨10小时，将球磨所得粉体滴加5wt.％聚乙烯醇溶 液(按照1g:0.1ml比例)，研磨均匀后，放入直径为8mm的模具中，使用油压机 1kN压力下制备坯体，将坯体放入刚玉坩埚在空气氛围中900℃烧结3小时，再 升温至1100℃烧结1-2小时制得两相磷酸钙致密陶瓷。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明提出通过控制水热反应中原材料蛋壳(主要成分为含镁方解石)的 颗粒尺寸以及水热反应温度从而制备不同重量百分比的β-TCP与HA混合物(两 相磷酸钙材料)，进一步经高温烧结制备不同降解速度的两相磷酸钙陶瓷(致密或 多孔陶瓷)。

2、本发明可以实现依据骨缺损患者个体差异制备不同降解速度的两相磷酸钙 人工骨材料。

附图说明

图1为原始鸡蛋壳的X光粉末衍射图。

图2为不同尺寸鸡蛋壳颗粒200℃水热反应24小时生成产物的X光粉末衍 射结果。

图3为两相磷酸钙多孔陶瓷图。

图4为两相磷酸钙多孔陶瓷的电子显微镜结果图。

图5为两相磷酸钙致密陶瓷图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明是以蛋壳为原材料，主要成分为含镁的方解石(质量百分比～94％)， 图1为鸡蛋壳X光粉末衍射图。首先将蛋壳原材料经过去离子水中煮沸以及NaClO 溶液氧化处理去除蛋壳中的有机质，通过过筛得到不同尺寸的颗粒，进一步采用 水热合成方法制得两相磷酸钙材料，其为β相磷酸三钙(β-TCP)与羟基磷灰石(HA) 混合物，然后利用烧结法制备两相磷酸钙人工骨陶瓷。制得的两相磷酸钙材料中 β-TCP与HA的质量比例可以通过改变反应物鸡蛋壳颗粒尺寸和水热反应温度来 调控。本发明工艺流程为：蛋壳原材料→去除有机质→研磨过筛→水热反应→清 洗干燥→球磨→烧结。

具体方法如下：将蛋壳中蛋膜剥离，在去离子水中煮沸30分钟，进一步在 10wt.％NaClO溶液中超声浸泡40分钟后，使用去离子水清洗三遍后在真空干燥 箱中100℃烘干。烘干后的蛋壳在玛瑙研钵中研磨后使用标准筛过筛获取不同尺 寸的蛋壳颗粒。将蛋壳颗粒与(NH₄)₂HPO₄溶液(浓度0.02-0.5g/ml)按照1:10～1:20 的重量配比混合置于水热反应釜中，在140-200℃反应24-48小时。反应完成后 利用去离子水清洗三遍，再利用无水乙醇离心清洗一次，然后在真空干燥箱中 100℃烘干。烘干后的颗粒球磨10小时，将球磨所得粉体与5wt.％聚乙烯醇溶液 混合，每毫升聚乙烯醇溶液中粉体的量为0.4-1g，搅拌条件下获得均匀浆料，将 其挤压填充至1cm³的60ppi聚氨酯多孔支架内；然后在在空气氛围中600℃烧结 3小时，再升温至1100℃烧结1-2小时，制得两相磷酸钙多孔陶瓷。或将球磨所 得粉体滴加5wt.％聚乙烯醇溶液(按照1g:0.1ml比例)，研磨均匀后，放入直径为 8mm的模具中，使用油压机1kN压力下制备坯体，将坯体放入刚玉坩埚在空气 氛围中900℃烧结3小时，再升温至1100℃烧结1-2小时制得两相磷酸钙致密陶 瓷。

实施例1

原材料及要求：鸡蛋壳和磷酸氢二铵(分析纯)。

去除有机质：将鸡蛋壳上蛋膜剥离去除后，浸入沸水中煮沸30分钟，在10wt.％ NaClO溶液中超声震荡40分钟以除去鸡蛋壳中的有机质和表层的杂质。取出后 使用去离子水清洗三遍后在真空干燥箱中100℃烘干。

研磨过筛：将去除有机质后的蛋壳在研钵中研磨后过20和40目筛，取20-40 目的蛋壳颗粒(尺寸355-850μm)用作下一步水热反应。

水热反应：将20-40目蛋壳颗粒与(NH₄)₂HPO₄溶液按照1:15的重量配比混合 置于水热反应釜中，在200℃水热反应24小时，制得两相磷酸钙材料中β-TCP 的质量百分比约为78％(图2)。

清洗干燥：将水热反应得到的两相磷酸钙材料在去离子水中离心清洗三遍， 再在无水乙醇中离心清洗一次，在100℃真空烘干。

球磨：将烘干后的颗粒以无水乙醇为介质球磨10小时。

烧结：将球磨所得粉体与5wt.％聚乙烯醇溶液混合，每毫升聚乙烯醇溶液中 粉体的量为0.8g，搅拌条件下获得均匀浆料，将其挤压填充至1cm³的60ppi聚 氨酯多孔支架内；然后在在空气氛围中600℃烧结3小时，再升温至1100℃烧结 1小时，制得两相磷酸钙多孔陶瓷(图3，图4)，随炉冷却至室温后取出样品。

实施例2

本例将选取40和100目筛过筛获取蛋壳颗粒(尺寸150-355μm)作为原材料， 水热反应制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质量百分比约为70％(图2)。其余同 实施例1。

实施例3

本例将选取100和300目筛过筛获取蛋壳颗粒(尺寸45-150μm)作为原材料， 水热反应制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质量百分比约为45％(图2)。其余同 实施例1。

实施例4

本例将选取>300目筛过筛获取蛋壳颗粒作为原材料(尺寸<45μm)，水热反应 制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质量百分比约为29％(图2)。其余同实施例1。

实施例5

本例水热反应将在140℃反应48小时。制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质 量百分比约为67％。其余同实施例1。

实施例6

本例选取20和40目筛过筛获取蛋壳颗粒为原材料(尺寸355-850μm)，其余 烧结陶瓷前的步骤同实施例1。陶瓷烧结方法如下：将球磨后的粉体(2g)与5wt.％ 聚乙烯醇溶液(按照1g:0.1ml比例)研磨均匀后，放入直径为8mm的模具中， 使用油压机1kN压力下制备坯体。将坯体放入刚玉坩埚在空气氛围中900℃烧结 3小时，再升温至1100℃烧结1小时制得两相磷酸钙致密陶瓷(图5)。

实施例7

本例选取40和100目筛过筛获取蛋壳颗粒为原材料(尺寸150-355μm)，其余 烧结陶瓷前的步骤同实施例1，水热反应制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质量百 分比约为70％。陶瓷烧结过程及产物同实施例6。

实施例8

本例将选取100和300目筛过筛获取蛋壳颗粒作为原材料(尺寸45-150μm)， 其余烧结陶瓷前的步骤同实施例1，水热反应制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质 量百分比约为45％。陶瓷烧结过程及产物同实施例6。

实施例9

本例将选取>300目筛过筛获取蛋壳颗粒作为原材料(尺寸<45μm)，其余烧结 陶瓷前的步骤同实施例1，水热反应制得两相磷酸钙材料中β-TCP的质量百分比 约为29％。陶瓷烧结过程及产物同实施例6。