多孔生物活性玻璃及其制备方法
本发明涉及一种特别具有机械抵抗力并可用作骨骼替代物的多孔晶 体或部分晶体合成物，或生物活性玻璃。
在合成骨骼替代物的领域中，有多种基于羟磷灰石和磷酸三钙的植 入物是公知的并已使用多年。羟磷灰石是一种磷酸钙陶瓷，它具有与天 然骨骼的无机物部分相接近的组分。这种物质能够实现从植入物的表面 开始的短期愈合。然而，羟磷灰石是不可再吸收的并且会长期存在于患 者体内。为了制约这种缺点，可将磷酸三钙添加到其中。磷酸三钙是一 种可再吸收的磷酸钙，它使骨骼能够取代它以便从长期而言使骨骼再生 于植入物中。
结合了羟磷灰石和磷酸三钙的植入物因而被看作是并不总是可用的 自体移植物的主要替代物。然而，与骨骼的自体移植相反，这些基于羟 磷灰石和磷酸三钙的植入物并不是骨诱导物(ostéoinducteur)，也就是说， 它们不会促进骨骼细胞在植入物内部的生长。
现有植入物的另一个缺点在于，它们难于以大块的形式加以操作和 应用。因此，大块的羟磷灰石/磷酸三钙陶瓷对于外科医生来说，由于它 太硬且易碎，所以难以在手术中切割成所需要的形状。
为了弥补这种缺点，基于羟磷灰石的骨骼替代物有时以颗粒的形式 来供应。外科医生利用这些颗粒填充待填充的空腔。但是，这种技术是 非常精细的，并且还需要维持罩以防止颗粒散布到待处理的区域以外。 而且，这些颗粒还会破碎(effriter)或因它们的碎屑而导致损伤。
因此，人们期望开发出一些基于多孔羟磷灰石的骨骼替代物，以便 更易于对它们进行处理和切割。但是，这些骨骼替代物的主要缺点在于 它们的脆性。实际上，由于骨胶原的存在，天然骨骼是有韧性而坚固的。 相反，基于羟磷灰石和磷酸三钙的多孔植入物易于断裂和破碎。因而， 对于外科医生来说，在不产生大量碎屑的情况下，难于将大块的基于羟 磷灰石和磷酸三钙的多孔骨骼替代物切成适当的形状。
在2000年生物医学材料研究期刊第52卷第4期的783-796页中，由 E.A.B.、艾法赫·考夫曼(Effah Kaufmann)、P.达茨尼(P.Ducheyne)、 I.M.萨皮洛(I.M.Shapiro)发表的题为《多孔并具有改进表面的生物活性 玻璃45S5的可变物理特性对于成骨细胞繁殖和成熟所产生的效应》的文 章描述一种在植入后促进骨骼细胞生长的多孔生物活性玻璃。但是，这 种多孔生物活性玻璃是极为易碎的。它不具有良好的机械强度，并且在 当试图将其切割成用于植入的特定形状时易于破碎。
同样，在2001年生物医学材料研究期刊第54卷第第3期的320-327 页中，由龚伟良(Weiliang Gong)、阿布德萨拉姆·阿布德劳艾斯 (Abdesselam Abdelouas)、沃纳·卢特茨(Wemer Lutze)发表的题为《通 过加压反应烧结制成的多孔生物活性玻璃和玻璃陶瓷》的文章描述了通 过等压烧结制备的玻璃和玻璃陶瓷。然而，这些合成物具有较低程度的 孔隙率，这导致难于对它们进行处理和切割。此外，它们并不会促进骨 骼细胞的生长。
因此，需要有这样一种多孔的大块生物活性玻璃，它能够在通过替 代天生骨骼而被植入人体后促进骨骼细胞在体内的生长，并具有能够使 这种生物活性玻璃被切割成预期的形状而不会丧失其完整性的机械特 性。
本发明的目的在于通过提供一种基于SiO2，CaO，Na2O和P2O5体系 的多孔晶体或半晶体合成物来解决上述问题，这种合成物具有分别呈特 定尺寸的微孔和大孔，并具有特定程度的孔隙率，而且具有7MPa到 70MPa的抗压强度。
本发明的第一主题涉及一种大块多孔的晶体或部分晶体合成物，该 合成物至少包括SiO2，CaO，Na2O和P2O5，并该合成物具有大孔和微孔， 其特征在于：
-利用几何法测量到的50％到80％的孔隙率；
-大孔的平均直径范围为100到1250微米，优选地为150到300微 米；
-微孔的平均直径小于或等于5微米；并且
-抗压强度为7MPa到70MPa。
本发明的另一主题涉及一种植入物，其特征在于，它由例如上述合 成物的合成物制成。
本发明的又一主题涉及一种用于制备大块多孔的、晶体合成物或部 分晶体合成物的方法，该合成物至少包括SiO2，CaO，Na2O和P2O5，并 具有大孔和微孔，利用几何法测，该合成物的孔隙率为50％到80％，这 些大孔的平均直径为100到1250微米，优选地为150微米到300微米， 这些微孔的平均直径小于或等于5微米，其特征在于，该方法包括如下 步骤：
a)使用基于SiO2，CaO，Na2O和P2O5的玻璃；
b)将步骤a)中的玻璃磨碎并过筛以制得粉末；
c)将步骤b)中制得的粉末悬浮在溶剂中，并利用分散剂加以分散， 以制得浆液；
d)将增稠剂添加到步骤c)中制得的浆液中；
e)将在步骤d)中制得的混合物注入模具中，而后将其干燥以得到 “块状物”；
f)将在步骤e)中制得的“块状物”在约600℃下加热，以制得“生 坯”；以及
g)将在步骤f)中制得的生坯在600℃到1100℃，优选地900℃到 1100℃的温度范围下进行处理，以制得合成物的部分或全部结晶物。
本发明的再一个主题在于一种可根据上述方法制得的合成物。
根据本发明所述的合成物具有这样的机械强度，无论孔隙率多高， 该强度都能够允许将大块切割成特定形状而不会使其破碎或丧失其完整 性。因而，根据本发明的合成物易于处理。外科医生可以简单且容易地 对其进行切割，并可能对其进行再次切割，以便在将其植入之前切成预 期的形状。
根据本发明的合成物能够被切割成具有任何预期形状的植入物，以 便用于例如填充骨骼缺陷。
因为由此制得的植入物是一个整块部分，所以它特别坚固且稳定。 而且它不会产生不合乎需要的碎片。
根据本发明所述的合成物具有均匀的孔隙率。这可特别从这些合成 物在抗压强度检测中表现出的良好色散特性(faible dispersion)中显示出 来。微孔的存在促进了细胞的粘连。大孔的存在促进了细胞的渗透，特 别是大尺寸细胞的渗透。
此外，由根据本发明所述合成物制成的植入物是可再吸收的。因此， 它们与作为植入物特别是作为骨骼替代物的活体内应用是相容的。此外， 它们促进了骨骼细胞的产生。因此从长远观点来看，植入物可被天然骨 骼所替代。
最后，由于它们的多孔性，由本发明所述的合成物制成的植入物特 别轻，这对于患者以及外科医生而言都是舒适的。
在本发明的上下文中，术语“生物活性玻璃”应被理解为是一种能 够与人体相容的并具有生物活性(即，它能够在所述玻璃和人体组织之 间的交界处产生生物效应，并因此在所述玻璃和所述人体组织之间产生 粘合)的部分或完全再结晶的玻璃。
在本发明的上下文中，术语“大块”合成物应被理解为是一种可从 其切割出植入物的三维固体合成物，而非粉状合成物。
本发明现将在下文中进一步详细说明。
图1、2和3是采用FEI XL30环境扫描电子显微镜分别以×101，×500 和×3000的放大倍率拍摄而成的根据本发明所述方法制得的合成物的照 片，其中所述方法在步骤g)中的处理是在1100℃下进行的。
图4、5和6是采用FEI XL30环境扫描电子显微镜分别以×101，×500 和×3000的放大倍率拍摄而成的根据本发明所述方法制得的合成物的照 片，其中所述方法在步骤g)中的处理是在900℃下进行的。
图7和8是采用FEI XL30环境扫描电子显微镜分别以×103和×5054 的放大倍率拍摄而成的根据本发明所述方法制取、而后在生理性液体的 溶液中处理24小时后得到的合成物的照片，其中所述方法在步骤g)中 的处理是在1100℃下进行的。
根据本发明的合成物至少包括SiO2，CaO，Na2O和P2O5。此外，这 种合成物还可包括从K2O，MgO，Al2O3，CaF2，B2O3及其混合物中所选 出的成分。
在本发明的一个优选实施方案中，SiO2以相对于合成物总重的重量 百分比为40％到55％的含量存在于该合成物中，CaO以相对于合成物总 重的重量百分比为15％到25％的含量存在于该合成物中，Na2O以相对于 合成物总重的重量百分比为15％到25％的含量存在于该合成物中，P2O5以相对于合成物总重的重量百分比为1％到9％的含量存在于该合成物 中。
K2O例如可以相对于合成物总重的重量百分比为0.1％到8％的含量 存在于该合成物中。MgO例如可以相对于合成物总重的重量百分比为0.1 ％到5％的含量存在于该合成物中。Al2O3例如可以相对于合成物总重的 重量百分比为0.1％到1.5％的含量存在于该合成物中。CaF2例如可以相 对于合成物总重的重量百分比为0.1％到12.5％的含量存在于该合成物 中。B2O3例如可以相对于合成物总重的重量百分比为0.1％到10％的含 量存在于该合成物中。
更为优选地，合成物由相对于该合成物总重的重量百分比为45％的 SiO2，相对于该合成物总重的重量百分比为24.5％的CaO，相对于该合 成物总重的重量百分比为24.5％的Na2O和相对于该合成物总重的重量百 分比为6％的P2O5制得。这种合成物能够显著促进骨骼细胞的生长。
根据本发明的合成物是多孔的，且其具有通过几何法测得的范围在 50％到80％，优选地为60％到75％的孔隙率。在这种方法中，孔隙率T 由以下公式给出：
T＝1-(体密度/理论密度)
式中，体密度由几何法来确定。这种密度是根据公式ρ＝m/V计算出 的，其中：
-ρ是密度(g/cm3)；
-m是试样的质量(g)；且
-V是试样的体积(cm3)。
无论采用何种氧化物，该材料的理论密度估计在约2.75g/cm3。
大孔的平均直径范围为100到1250微米，优选地为150微米到300 微米。因而，大尺寸的细胞，例如骨细胞，可通过足够大尺寸的互联渗 入植入物中。微孔的平均直径小于或等于5微米。由此，显著促进了细 胞的粘连以及生物流体的循环。
根据本发明的合成物具有7MPa到70MPa，优选地为25MPa到70MPa 的抗压强度。
贯穿本申请地，抗压强度是根据如下方法检测出来的：根据本发明 的合成物的试样被制备成直径9mm，高6mm的圆柱体。抗压强度检测是 利用具有5000N测压元件的Instron8512液压机进行的。将载荷以每分 钟1mm的应变率施加到试样上，并检测破坏试样所需要的力。这个力即 与合成物的抗压强度相对应。
在本发明的优选实施方案中，对于具有根据几何法测量到的约75％ 的孔隙率的本发明所述的合成物而言，它具有根据本方法检测到的约 7MPa的抗压强度。
在本发明的另一个优选实施方案中，对于具有根据几何法测量到的 约50％的孔隙率的本发明所述的合成物而言，它具有根据这种方法检测 到的约70MPa的抗压强度。
根据本发明的合成物优选地通过将在下文中进行说明的方法加以制 备。
在第一步中，步骤a)使用基于SiO2，CaO，Na2O和P2O5的玻璃。 此外，在步骤a)中的这种玻璃也可包括从K2O，MgO，Al2O3，CaF2， B2O3及其混合物中所选出的成分。
在本发明方法的优选实施方案中，SiO2以相对于玻璃总重的重量百 分比为40％到55％的含量存在于玻璃中，CaO以相对于玻璃总重的重量 百分比为15％到25％的含量存在于玻璃中，Na2O以相对于玻璃总重的重 量百分比为15％到25％的含量存在于玻璃中，P2O5以相对于玻璃总重的 重量百分比为1％到9％的含量存在于玻璃中。
K2O则例如可以相对于玻璃总重的重量百分比为0.1％到8％的含量 存在于玻璃中。MgO例如可以相对于玻璃总重的重量百分比为0.1％到5 ％的含量存在于玻璃中。Al2O3例如可以相对于玻璃总重的重量百分比为 0.1％到1.5％的含量存在于玻璃中。CaF2例如可以相对于玻璃总重的重量 百分比为0.1％到12.5％的含量存在于玻璃中。B2O3例如可以相对于玻璃 总重的重量百分比为0.1％到10％的含量存在于玻璃中。
优选地，这种玻璃由相对于其总重的重量百分比为45％的SiO2，相 对于其总重的重量百分比为24.5％的CaO，相对于其总重的重量百分比 为24.5％的Na2O和相对于其总重的重量百分比为6％的P2O5构成。这种 玻璃在市场上可从来自奥斯维塔(Orthovita)公司的名为“45S5”的产 品获得。
作为一个备选方案，在步骤a)中的玻璃可根据任何公知的用于制造 玻璃的方法，例如溶胶-凝胶(sol-gel)法或利用简单融化法制成。溶胶 -凝胶法通常包括将金属氧化物混合在溶液中的步骤，而后是水解步骤， 继而在通常为600℃到900℃的温度范围内发生胶凝作用并进行处理，以 制成玻璃。融化法通常包括混合氧化物粉末，将该混合物在通常为1250 ℃到1600℃的温度范围内熔化和搅匀，而后冷却，以便制得无定形玻璃。
在第二步，即步骤b)中，将步骤a)中的玻璃碾碎并过筛，以制得 粉末。优选地，这种粉末的密度为2.5g/cm3到3g/cm3，优选地为2.6g/cm3到2.8g/cm3。优选地，这些粉粒的平均尺寸范围为在0.1到100微米。优 选地，这种粉末的玻璃态转变温度为500℃至700℃。优选地，这种粉末 的结晶温度为600℃至900℃。优选地，这种粉末的熔点为900℃到1200 ℃。
在第三步，即步骤c)中，使上述步骤制得的粉末悬浮在一种溶剂中， 并通过分散剂使其分散，以获得浆液。优选地，这种溶剂是乙醇。优选 地，相对于该混悬液总重，这种混悬液的固体成分的含量的重量百分比 为50％到60％。优选地，这种分散剂为聚丙烯酸钠(sodium polyacrylate)。
在第四步，即步骤d)中，将增稠剂添加到浆液中。优选地，这种增 稠剂为丙烯酸树脂乳(acrylic emulsion)。这种增稠剂可以增加浆液的粘 度。在如下所述的将造孔剂(pore-forming agent)添加到该浆液中的情况 下，这种增稠剂还能够避免造孔剂颗粒的沉淀或漂浮。
在第五步，即步骤e)中，将在d)中制得的混合物注入模具中，而 后将其烘干以得到“块状物”。优选地，这种烘干在室温下进行。
在第六步，即步骤f)中，将在e)中制得的“块状物”在约600℃ 下加热，以获得“生坯(cru)”。这种加热处理能够将有机添加剂，例如 添加的分散剂，增稠剂和可能的造孔剂去除。这种生坯具有大孔。
在最后一步，即步骤g)中，将在f)中获得的生坯在600℃到1100 ℃，优选地900℃到1100℃的温度范围下进行处理，以便制得合成物的 部分或全部结晶物。900℃到1100℃的温度范围下的处理能够制得大块的 多孔的晶体或部分晶体，或者玻璃陶瓷的结构。
在本发明方法的一个实施方案中，在900℃下处理生坯。最终合成物 的结构可在图1至3中观察到。从图中可看到大量不同尺寸的孔。最终 合成物具有根据几何法测量到的约76％的孔隙率。
在本发明方法的另一个实施方案中，在1000℃下处理生坯。最终合 成物则具有根据几何法测量到的约64％的孔隙率。
在本发明方法的另一个实施方案中，在1100℃下处理生坯。最终合 成物的结构可在图4至6中观察到。从图中可以看出，这种结构比图1 至3所示的结构更为致密。这种最终合成物具有根据几何法测量到的约 60％的孔隙率。
在本发明方法的一个优选实施方案中，在步骤c)和步骤d)之间， 将造孔剂添加到浆液中并加以搅拌。术语“造孔剂”应理解为是一种以 颗粒形式放入混合物中的化合物，而后这些颗粒在高温下发生降解，以 在混合物的内部留下空隙，即通常所说的孔隙。优选地，这种造孔剂以 相对于浆液的总体积，其体积比例为1％到80％的剂量添加到浆液中， 更优选地为50％到80％。优选地，这种造孔剂是从蔗糖和淀粉的混合物、 聚乙二醇(polyethylene glycol)及其混合物中选出的。优选地，蔗糖和 淀粉的混合物是由相对于该混合物重量的重量百分比为80％的蔗糖和重 量百分比为20％的淀粉组成的。优选地，这种造孔剂的颗粒尺寸小于或 等于1250微米。
在本发明的一个优选实施方案中，造孔剂由包括两种颗粒尺寸群体 的混合物构成的。优选地，这种混合物是由相对于该混合物总体积的体 积百分比为70％的具有小于630微米的颗粒尺寸的造孔剂，以及相对于 该混合物总体积的体积百分比为30％的具有630到1250微米的颗粒尺寸 的造孔剂组成。
因此，优选地，根据本发明的合成物具有由造孔剂的颗粒发生降解 而产生的大孔隙。
无论获得的孔隙率的程度的高低，根据本发明的合成物的机械特性 均是格外良好的，特别是其抗压强度。实际上，由于使用制备本发明的 合成物的特定方法，所以各互联的壁面被很好地连接在一起。
特别是，根据本发明的合成物的抗压强度比现有技术中基于羟磷灰 石和磷酸三钙的合成物的抗压强度要高很多。
在加热处理后，可对生坯进行切割以便定出骨骼植入物的形状。而 后利用酒精在超声波浴中清理块状物或植入物，然后在洁净室中对其进 行包装并通过γ照射来杀菌。
本发明的另一个主题是一种利用生理性液体的溶液得到处理的例如 上述合成物的合成物，该生理性液体具有与人类血浆的离子成分相近的 离子成分，并具有7到8，优选地为7.25到7.42的pH值。
优选地，这种生理性液体的离子成分如下：
-Na+： 142.0mmol/l；
-K+： 5.0mmol/l；
-Mg2+： 1.5mmol/l；
-Ca2+： 2.5mmol/l；
-C1-： 147.8mmol/l；
-HCO3-： 4.2mmol/l；
-HPO42-： 1.0mmol/l及
-SO42-： 0.5mmol/l。
优选地，根据本发明的合成物在37℃下浸没在这种溶液中一段时间， 这段时间可为1到10天。在这一浸没过程中，观察到在合成物表面上产 生一层羟磷灰石。还借助于纳米微孔的产生观察到合成物微观结构的变 化，这些纳米微孔的平均直径小于或等于1微米，优选地为100到300 纳米。
因而，在本发明的一个优选实施方案中，合成物经过具有与人类血 浆的离子成分相近的离子成分以及7到8、优选地为7.25到7.42的pH 值的生理性液体的处理，并且在该合成物的表面上具有结晶的羟磷灰石 层。更为优选地是，这种处理过的合成物具有纳米微孔，这些纳米微孔 的平均直径小于或等于1微米，优选地为100到300纳米。
从图7和8中可以看到利用本发明方法获得的合成物的结构，其中， 步骤g)中的处理是在1100℃下进行的，而后在具有如上所述的离子成 分的生理性液体的溶液中浸泡24小时。可看到在合成物表面上形成羟磷 灰石层(图7)，并形成具有小于1微米的平均直径的纳米微孔(图8)。
现将给出说明本发明的一个实施例。
实施例1(根据本发明)：
采用常规的融化手段制备出一种合成物，该合成物包括相对于合成 物总重的重量百分比为45％的SiO2，相对于合成物总重的重量百分比为 24.5％的CaO，相对于合成物总重的重量百分比为24.5％的Na2O，以及 相对于合成物总重的重量百分比为6％的P2O5。
将100g的这种合成物磨碎，过筛以便获得粉末。这种粉末的特点在 于：
-密度(g/cm3)：2.75；
-颗粒直径(微米)：5；
-玻璃态转变温度Tg(℃)：538；
-结晶温度Tc(℃)：777；及
-熔解温度Tm(℃)：1060。
利用这种粉末制备具有如下特征的200g浆液，其特征为：
-粉末量(按照重量计算)：50％；
-分散剂：聚丙烯酸钠；
-分散剂的量(按照重量计算)：0.5％；
-增稠剂：丙烯酸树脂乳；
-增稠剂的量(按照重量计算)：2％到3％；
-造孔剂：聚乙二醇；
-造孔剂的量(按照体积计算)：80％；
-造孔剂的颗粒大小：占70％的小于630微米的颗粒与占30％的大 小为630微米到1250微米的颗粒的混合物；以及
-溶剂：乙醇。
利用乙醇制备浆液，而后分散在机械混合器(球磨机)中混合成聚 乙烯粉块。接下来，添加聚乙二醇而后添加增稠剂。
此后将混合物倒入模具中，以便在室温下干燥后，提供经过脱模的 块状物。而后将这种块状物在600℃下进行处理，以便去除有机添加剂， 即分散剂，增稠剂和造孔剂。然后将生坯在1100℃的温度下进行处理。 由此制得大块多孔的晶体合成物，该合成物具有如下特征：
根据几何法测量，最终合成物的孔隙率为75％。
根据在本申请中所说明的方法进行检测，最终合成物的抗压强度为 7MPa。
大孔的平均直径为100-1250微米。
微孔的平均直径小于5微米。
从这种大块的晶体合成物中切割出骨骼替换物或植入物，而不会使 该合成物破碎。
通过比较，由相对于该替换物总重的重量百分比为70％的羟磷灰石 和相对于替换物总重的重量百分比为30％的β-磷酸三钙构成的骨骼替换 物，在具有根据几何法测量到的73％的总体孔隙率，以及严格小于600 微米的平均孔径的情况下，具有根据在本申请中所描述的方法检测到的 约为1.5MPa的抗压强度。