一种ΒTCP多孔材料及其制备方法.pdf

一种β-TCP多孔材料及其制备方法，以天然植物纤维或聚氨酯海绵为造孔材料，通过浸渍在掺杂有微量元素Zn的β-TCP粉制成的浆料中，制成具三维网状骨架坯体，烘干后，经烧结制成。本发明掺杂Zn的β-TCP材料较好地满足了材料降解和骨组织爬行生长的需要。本发明通过在β-TCP多孔材料中加入微量元素Zn提高了ALP活性并促进了多孔β-TCP材料在较低孔隙度时的降解，从而大大提高了β-TCP材料的抗压强度和降解能力，解决了β-TCP多孔生物陶瓷植入材料力学性能与生物降解性能不匹配的问题。本发明的材料兼具优越的降解性能和力学性能，有望改善骨缺损修复与重建材料的不足，并在临床上获得广大应用。

1.  一种β-TCP多孔材料，其特征在于，以天然植物纤维或聚氨酯海绵为造孔材料，通过浸渍在掺杂有微量元素Zn的β-TCP粉制成的浆料中，制成具三维网状骨架坯体，烘干后，经烧结制成。

2.  根据权利要求1所述的一种β-TCP多孔材料，其特征在于，掺杂微量元素Zn的β-TCP多孔材料内有贯通整个材料体的连通孔隙，孔隙率为58-80％。

3.  根据权利要求2所述的一种β-TCP多孔材料，其特征在于，所述掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末平均粒径为1-100μm。

4.  根据权利要求1或2所述的一种β-TCP多孔材料，其特征在于，锌与β-TCP粉中的钙的摩尔比在1∶100和1∶10000之间变化。

5.  根据权利要求1或2所述的一种β-TCP多孔材料，其特征在于，锌与β-TCP粉中的钙的摩尔比在1∶100和1∶1000之间。

6.  一种β-TCP多孔材料的制备方法，其特征在于，将掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇溶液混合制成浆料，用聚氨酯海绵或天然植物纤维浸渍浆料，制成具有三维网状骨架结构的坯体，将坯体在60-90℃下烘干，然后在1000-1100℃烧结而成。

7.  根据权利要求6所述的一种β-TCP多孔材料的制备方法，其特征在于，所述的烧结条件为：为防止升温速率过快造成坯体塌陷，以5℃.min-1升至800℃保温1h以去除有机骨架，然后以10℃.min-1升至1000-1100℃保温1-2h完成烧结。

8.  根据权利要求6或7所述的一种β-TCP多孔材料的制备方法，其特征在于，烧结后材料经冷却后，煮沸1-2h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的β-TCP多孔材料。

9.  根据权利要求6所述的一种β-TCP多孔材料的制备方法，其特征在于，掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末制备过程为：反应原料为可溶性磷酸铵盐、可溶性钙盐、可溶性锌盐及氨水，经溶解，搅拌反应，陈化，洗涤，干燥，过筛，煅烧，湿磨，二次过筛而制得。

10.  根据权利要求9所述的一种β-TCP多孔材料的制备方法，其特征在于，所述搅拌反应为可溶性钙+锌盐溶液与氨水同时滴加到磷酸铵盐溶液中进行反应，搅拌时间4-12h。

一种β-TCP多孔材料及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料领域，特别涉及β-TCP多孔材料及其制备方法。
背景技术
生物活性陶瓷类材料主要由钙、磷元素组成，显示出良好的生物相容性，并且具有一定的成骨引导性以及可有效促进成骨细胞的粘附、迁移、增殖和基质分泌。磷酸钙生物陶瓷在骨修复方面受到重视，除了钙成分以外，还在于磷在生命化学中的地位，无机磷酸盐在生命细胞中经生物活化而直接参与生命过程，这是其它酸根所不能比拟的。
目前钙磷系统陶瓷类材料主要包括羟基磷灰石(HA)、α-磷酸钙(α-TCP)、β-磷酸钙(β-TCP)等，羟基磷灰石在空气气氛中800℃便开始分解，分解产物主要为β-TCP，随着烧结温度的升高，在1150℃发生β-TCP向α-TCP的相转变，其生物活性与生物降解性能依次为β-TCP＞HA＞α-TCP。因此，β-TCP的生物活性与生物降解性能在钙磷系统陶瓷类材料最为优良，当植入人体后，β-TCP能在体内降解，降解下来的Ca、P进入活体循环系统形成新生骨，直接参与宿主生命过程，因而是理想的硬组织替代材料。
对于骨折或良性骨肿瘤产生的骨缺损，多孔β-TCP可作为支架引导骨组织向孔隙内部攀附生长，同时β-TCP逐渐发生降解，而骨组织长满多孔β-TCP支架的空间，达到引导成骨修复的目的。相比较于金属植入物的二次手术取出问题、同种异体骨与异种异体骨植入的免疫与排异问题、自体髂骨或自体肋骨植入的创伤问题，β-TCP多孔材料具有明显的优势。
但由于β-TCP多孔材料在烧结时存在强度与活性的矛盾，即烧结温度较低时(低于1150℃)，材料生物活性和生物降解性较好，但由于烧结不够彻底，力学强度偏低；而烧结温度较高时(高于1150℃)，材料力学强度得以提高，但由于发生相转变，生物活性和生物降解性会明显降低。
现在的解决方法是：在β-TCP中添加520wt％的低熔点生物玻璃作为烧结粘结相，使多孔β-TCP材料在较低温度时就完成较为彻底的烧结进程，同时保持其生物活性和生物降解性。这种方法在一定程度上缓解了β-TCP多孔材料在强度与活性之间的矛盾，但没有从根本上解决问题，一则因为5-20wt％的生物玻璃不能完全降解，降低了β-TCP材料的降解性能；二则因为多孔β-TCP材料要求一定的孔隙度才能满足其降解能力，使得其强度不会有太大提高。
目前认为，骨修复行为是由一系列细胞分子共同发动和相继参与的连续过程，各种成骨现象在不同影响因素下存在差异。诱导刺激物、间充质细胞及有利于骨痂生长的微量元素等是加速骨愈合的必要条件。血清碱性磷酸酶(ALP)是由成骨细胞产生，是骨形成活性的标志物。而锌离子是ALP活性中心的成分，当体内的锌离子浓度过低时，酶活性降低。因此，微量提高骨缺损局部Zn的浓度，有助于提高ALP的活性，从而加速骨缺损区域的成骨行为；若在多孔β-TCP中掺杂微量元素锌，可促进多孔β-TCP材料的降解行为，同时加速骨愈合的进程。反过来，掺Zn多孔β-TCP材料在较低孔隙度时即可满足其降解能力，较低孔隙度大大提高了强度，从而可望从根本上解决β-TCP多孔材料在强度与活性之间的矛盾。
发明内容
本发明提供一种掺杂微量元素Zn的多孔β-TCP材料及其制备方法。针对传统β-TCP多孔材料在强度与活性之间的矛盾难以缓和的情况，提出在β-TCP多孔材料中加入微量元素Zn，通过微量元素Zn提高ALP活性的行为来促进多孔β-TCP材料在较低孔隙度时的降解，从而使多孔β-TCP材料提高强度。
本发明的技术方案为：
本发明的β-TCP多孔材料是：以天然植物纤维或聚氨酯海绵为造孔材料，通过浸渍在掺杂有微量元素Zn的β-TCP粉制成的浆料中，制成具三维网状骨架坯体，烘干后，经烧结制成。
掺杂微量元素Zn的β-TCP多孔材料内有贯通整个材料体的连通孔隙，孔隙率为58-80％。
所述掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末平均粒径为1-100μm。
80-90％的孔隙孔径在500μm以内。
锌与β-TCP粉中的钙的摩尔比在1∶100和1∶10000之间变化。
锌与β-TCP粉中的钙的优选的摩尔比在1∶100和1∶1000之间。
所述的β-TCP多孔材料的制备方法为：
将掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇(分子量优选为3-5万)溶液混合制成浆料，用聚氨酯海绵或天然植物纤维浸渍浆料，制成具有三维网状骨架结构的坯体，将坯体在60-90℃下烘干，然后在1000-1100℃烧结而成。
优选的烧结条件为：为防止升温速率过快造成坯体塌陷，以5℃.min^-1升至800℃保温1h以去除有机骨架，然后以10℃.min^-1升至1000-1100℃保温1-2h完成烧结。
烧结后材料经冷却后，煮沸1-2h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的β-TCP多孔材料。
将聚乙烯醇溶于去离子水中制成15-30％的聚乙烯醇溶液。
所述掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末可以通过湿化学法制得，该法具有原子尺度混合均匀的特点。
本发明的掺杂微量元素Zn的β-TCP粉末制备过程为：反应原料选择可溶性磷酸铵盐(如磷酸铵、磷酸氢铵或磷酸二氢铵等)、可溶性钙盐(如硝酸钙或氯化钙等)、可溶性锌盐(如硝酸锌或氯化锌等)及氨水，经溶解，搅拌反应，陈化，洗涤，干燥，过筛，煅烧，湿磨，二次过筛而制得。
所述搅拌反应为可溶性钙+锌盐溶液与氨水同时滴加到磷酸铵盐溶液中进行反应，搅拌时间4-12h。
陈化时间不低于24h，洗涤3-5次得掺Zn的β-TCP前体。
所述的过筛，煅烧是指过80-100目筛后装入氧化铝舟中温煅烧1-2h。
所述的湿磨，二次过筛是指将煅烧后的粉末在湿磨器中用无水乙醇或丙酮进行湿磨分散4-12h，再经真空干燥，二次破碎，过筛，得掺Zn的β-TCP粉末。
将掺Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇水溶液混合均匀，制成料浆。将造孔剂小块或团粒(即聚氨酯海绵或天然植物纤维)与料浆充分混合得料浆块，置于真空干燥箱中60-90℃干燥(即烘干)。干燥后的料浆块于氧化铝舟中，连续预烧后高温烧结，冷却。冷却后的样品煮沸1-2h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的多孔β-TCP材料。
本发明可以采用湿化学法制取掺Zn钙磷基活性粉末(β-TCP粉)，以天然植物纤维或聚氨酯海绵为造孔材料，经混合、浸渍成形、烧结等工艺过程，即可制成掺杂微量元素Zn的β-TCP多孔材料，用作人体骨修复、填补时的填充材料，该多孔材料具有良好的生物活性和生物降解性及力学强度。
本发明以β-TCP为基体，通过掺杂微量元素Zn的方法来改善其力学性能与降解性能。通过加入微量元素Zn提高了ALP活性并促进了多孔β-TCP材料在较低孔隙度时的降解，从而大大提高了β-TCP材料的抗压强度和降解能力，解决了β-TCP多孔生物陶瓷植入材料力学性能与生物降解性能不匹配的问题。
本发明的材料兼具优越的降解性能和力学性能，有望改善骨缺损修复与重建材料的不足，并在临床上获得广大应用。
且发明申请之前，发明人也未见相关的研究和报道。这是发明人首次尝试此种以掺杂微量元素Zn的方式得到的β-TCP多孔材料，材料抗压强度可以在20-40MPa间变化，材料体内降解时间为6-9个月，对材料的力学性能与降解性能产生了实质性提高。
掺Zn的β-TCP材料孔隙结构为连通孔隙，且其孔隙结构能基本满足人体骨组织Haversian系统0-500μm孔隙尺寸的要求，满足了材料降解和骨组织爬行生长的需要。本发明的材料兼具优越的降解性能和力学性能，有望改善骨缺损修复与重建材料的不足，并在临床上获得广大应用。
附图说明
图1是实施例1制备工艺流程示意图；
图2是实施例1孔隙结构示意图；
图3是实施例1临床降解示意图；左股骨颈股骨上段囊肿刮除后进行掺Zn的β-TCP多孔材料植入手术(a：术后一月；b为术后六个月，掺Zn的β-TCP多孔材料已基本吸收)；
图4是实施例2孔隙结构示意图；
图5是实施例2临床降解示意图。右肱骨中上段动脉瘤样骨囊肿刮除后进行掺Zn的β-TCP多孔材料植入手术(a：术后一月；b：术后九个月，掺Zn的β-TCP多孔材料与宿主骨密度基本一致)
具体实施方式
以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
实施例1
按图1进行掺Zn的β-TCP多孔材料的湿化学法制备。将磷酸铵、硝酸锌、硝酸钙分别以去离子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液应清晰、透明，其中硝酸锌与硝酸钙的摩尔比为1∶200，磷酸铵与氨水的含量按相应的化学配比配料。将磷酸铵溶液注入反应釜中，室温及搅拌条件下将硝酸钙与硝酸锌溶液缓慢滴入磷酸铵溶液中，与此同时，氨水亦缓慢滴注入反应釜，反应完全后，继续搅拌4h，陈化24h。陈化后的溶胶为白色，去掉上层清液，于搅拌条件下，加入等量去离子水，反复洗涤3次后经滤斗用滤布过滤，得到掺Zn的β-TCP前体。掺Zn的β-TCP前体真空条件80℃下干燥，去除水分。团聚粉末在破碎机中干磨破碎，然后过80目筛，筛上物返回继续破碎。过筛后的粉末，装入氧化铝舟中温煅烧1h。煅烧后的粉末在湿磨器中用无水乙醇进行湿磨分散，然后将球粉经不锈钢筛分离，再经真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，过200目筛，得掺Zn的β-TCP粉末。将聚乙烯醇溶于去离子水中配成15％的溶液。将掺Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇(分子量3万)水溶液混合均匀，制成料浆。将造孔剂小块或团粒与料浆充分混合制得料浆块，并置于真空干燥箱中80℃干燥。干燥后的料浆块于氧化铝舟中，以5℃.min^-1升至800℃保温1h以脱除造孔剂，然后以10℃.min^-1升至1000℃保温2h完成烧结，随炉冷却后的样品煮沸2h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的多孔β-TCP材料，经万能材料试验机测试，其抗压强度为28.4MPa。材料的孔隙结构如图2示，显示为连通孔隙，孔径多数在0-500μm以内，孔隙率为66％。植入人体后6个月完全降解，如图3示。图3为左股骨颈股骨上段囊肿刮除后进行掺Zn的β-TCP多孔材料植入手术照片，a为术后一月，b为术后六个月，表示六个月后掺Zn的β-TCP多孔材料已基本吸收。
实施例2
将磷酸铵、硝酸锌、硝酸钙分别以去离子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液应清晰、透明，其中硝酸锌与硝酸钙的摩尔比为1∶800，磷酸铵与氨水的含量按相应的化学配比配料。将磷酸铵溶液注入反应釜中，室温及搅拌条件下将硝酸钙与硝酸锌溶液缓慢滴入磷酸铵溶液中，与此同时，氨水亦缓慢滴注入反应釜，反应完全后，继续搅拌8h，陈化48h。陈化后的溶胶为白色，去掉上层清液，于搅拌条件下，加入等量去离子水，反复洗涤4次后经滤斗用滤布过滤，得到掺Zn的β-TCP前体。掺Zn的β-TCP前体真空条件90℃下干燥，去除水分。团聚粉末在破碎机中干磨破碎，然后过100目筛，筛上物返回继续破碎。过筛后的粉末，装入氧化铝舟中温煅烧2h。煅烧后的粉末在湿磨器中用无水乙醇进行湿磨分散，然后将球粉经不锈钢筛分离，再经真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，过200目筛，得掺Zn的β-TCP粉末。将聚乙烯醇(分子量5万)溶于去离子水中配成25％的溶液。将掺Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇水溶液混合均匀，制成料浆。将造孔剂小块或团粒与料浆充分混合制得料浆块，并置于真空干燥箱中90℃干燥。干燥后的料浆块于氧化铝舟中，以5℃.min^-1升至800℃保温1h以脱除造孔剂，然后以10℃.min^-1升至1100℃保温2h完成烧结，随炉冷却后的样品煮沸1.5h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的多孔β-TCP材料，经万能材料试验机测试，其抗压强度为22.6MPa。材料的孔隙结构如图4示，显示为连通孔隙，孔径多数在0~500μm以内，孔隙率为58％。植入人体后9个月完全降解，如图5示。图5为右肱骨中上段动脉瘤样骨囊肿刮除后进行掺Zn的β-TCP多孔材料植入手术照片，a为术后一月，b为术后九个月，表示九个月后掺Zn的β-TCP多孔材料与宿主骨密度基本一致。
实施例3
将磷酸铵、硝酸锌、硝酸钙分别以去离子水在溶解槽中完全充分溶解，溶解液应清晰、透明，其中硝酸锌与硝酸钙的摩尔比为1∶8000，磷酸铵与氨水的含量按相应的化学配比配料。将磷酸铵溶液注入反应釜中，室温及搅拌条件下将硝酸钙与硝酸锌溶液缓慢滴入磷酸铵溶液中，与此同时，氨水亦缓慢滴注入反应釜，反应完全后，继续搅拌10h，陈化36h，去掉上层清液，加入等量去离子水，反复洗涤5次后经滤斗用滤布过滤，得到掺Zn的β-TCP前体。掺Zn的β-TCP前体真空条件80℃下干燥，去除水分。团聚粉末在破碎机中干磨破碎，然后过100目筛，筛上物返回继续破碎。过筛后的粉末，装入氧化铝舟中温煅烧1.5h。煅烧后的粉末在湿磨器中用无水乙醇进行湿磨分散，然后将球粉经不锈钢筛分离，再经真空干燥。干燥后的粉末第二次破碎，过200目筛，得掺Zn的β-TCP粉末。将聚乙烯醇(分子量4万)溶于去离子水中配成30％的溶液。将掺Zn的β-TCP粉末与聚乙烯醇水溶液混合均匀，制成料浆。将造孔剂小块或团粒与料浆充分混合制得料浆块，并置于真空干燥箱中70℃干燥。干燥后的料浆块于氧化铝舟中，以5℃.min^-1升至800℃保温1h以脱除造孔剂，然后以10℃.min^-1升至1100℃保温1.5h完成烧结，随炉冷却后的样品煮沸1h后干燥，真空包装即得掺杂微量元素Zn的多孔β-TCP材料，经万能材料试验机测试，其抗压强度为19.5MPa。材料具有与人体骨匹配的孔隙结构和力学性能，可引导骨组织爬行生长的同时自身逐渐降解。