[发明专利]生物活性磷酸钙/硅酸三钙复合自固化材料、方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物活性磷酸钙/硅酸三钙复合自固化材料、制备方法及用途，所提供的材料作为人体硬组织缺损填充修复材料，即作为人体骨和牙缺损填充修复的生物活性材料，在骨科、牙科和微创治疗中的用途。属于医用生物材料领域。

背景技术

80年代中期Brown和Chow发明了新型的自固化生物活性骨修复材料——磷酸钙骨水泥(Calcium Phosphate Cement；CPC)。CPC是指几种磷酸盐粉末与调和液混合，在室温或者人体的温度下发生水化反应并能自发凝固的磷酸钙(Calcium Phosphate，CP)材料。CPC不同于陶瓷材料，其制备成型、临床试用一体化，可根据骨缺损部位任意塑形，手术操作方便。初期研究成功的CPC水化产物主要以羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)为主，这种CPC凝固之后强度较高，并且生物相容性也较好，但由于HA的降解性较差，导致这类CPC在临床应用上存在降解速度过慢的问题(K Ohura等，J Biomed Mater Res 1996；30：193-200)。针对这个问题，自1987年Mirtchi和Lemaitre等人提出了一种水化产物为磷酸氢钙(Dicalcium PhosphateDihydrate，DCPD)的磷酸钙骨水泥，这种骨水泥的组成主要为β-磷酸三钙(β-Tricalcium Phosphate，β-TCP)、α-磷酸三钙(α-Tricalcium Phosphate，α-TCP)、酸性磷酸钙(Monocalcium Phosphate Monohydrate，MCPM)和微量的缓凝剂(J Lemaitre等，Silicates Industriels 1987；10：141-146)。由于在体内环境下DCPD的溶解度高于HA，因此这类CPC的降解性相比于HA磷酸钙骨水泥有显著的提高，并且这类材料在植入后还具有良好的骨传导性，即能够传导成骨性细胞迁移和骨组织内生长。但是，这种材料在应用上仍然存在着一些缺陷，这主要体现在以下几个方面：首先，这类磷酸钙骨水泥虽然凝固较快，但凝固之后强度很低，只能用于非承重(non-load beared)骨缺损的修复；其次，这种材料与磷酸钙类陶瓷相似，诱导类骨磷灰石沉积能力差，新生组织只能沿CPC表面或内部微孔表面爬行替代，结合强度和骨传导能力强度较差。

硅酸三钙(Ca₃SiO₅，Tricalcium Silicate，C₃S)是波特兰水泥中的主要成分之一，加入适量的调和液制备的糊状物具有任意塑形、自行固化等特点。当硅酸三钙粉体与水接触，微粒表层溶解并伴随离子迁移，具有纳米孔结构的钙硅酸盐水合物凝胶沉积在粉体微粒表面，同时氢氧化钙晶粒在水合物凝胶毛细孔区成核并长大；随着反应的进行，钙硅酸盐水合物凝胶聚合硬化，形成具有一定微孔和强度的块体材料钙硅水合物(C-S-H)(Barnes著，Structure and performance of cements.London：Applied Science Publishers.1983)。研究表明，与生物活性玻璃和陶瓷类似，硅酸三钙也具有优良的生物活性(Zhao等，Mater Lett 2004；58：2350-2353)。硅酸三钙粉体与模拟体液接触，材料表面首先溶解，Ca²⁺和SiO₄^4-进入溶液；溶液中SiO₄^4-稳定性下降并发生聚合反应，富集在材料表面，在材料表面形成富硅的Si-O网络凝胶层；随着上述反应的进行和Ca²⁺持续溶解，材料表面附近溶液中的Ca²⁺、OH^-浓度提高，随后通过静电吸引Ca²⁺、PO₄^3-、HPO₄^2-与富硅活性表面作用并吸附在表面，沉积形成钙磷酸盐，它们再与溶液中的HPO₄^2-、CO₃^2-、OH^-相互作用，钙磷酸盐转化形成碳酸羟基磷灰石晶核，这种晶核不断长大，形成纳米级的类骨磷灰石层。硅酸三钙粉体表面诱导沉积的碳酸羟基磷灰石具有人体骨中纳米级针状磷灰石晶体相同的结构，从而保证了与人体骨组织中的胶原键合和外延生长。此外，硅酸三钙不仅具有优良的生物活性，还具有适度的硅离子释放和降解性能。