硅、银双置换羟基磷灰石材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种羟基磷灰石材料，具体涉及一种硅、银双置换羟基磷灰石材料，以及硅、银双置换羟基磷灰石材料的晶型，该硅、银双置换羟基磷灰石材料或其晶型的制备方法。该材料可作为医用生物材料及其他植入类医疗器械的生产和改性材料、作为植入物或填充物等很好的运用于人体骨骼、牙齿等器官。
【背景技术】
[0002]羟基磷灰石是磷灰石家族中的一种。由于羟基磷灰石(HA)是一种在化学组成和结构上都与骨骼中的矿物相相似的材料，它以其良好的生物相容性与生物活性成为了骨骼等硬器官替换材料的首选。羟基磷灰石在植入体内后能与植入体组织相结合，形成植入物与骨骼的紧密结合(骨结合)。然而，羟基磷灰石的骨结合速度相比其他生物陶瓷，如生物玻璃却相对较慢。这是由于羟基磷灰石中释放钙离子与磷离子与体液反应的速度太慢，从而影响了骨骼与羟基磷灰石的对位与整合。所以，符合化学配比的羟基磷灰石显现了有限的骨骼生物活性。
[0003]一种增强羟基磷灰石与骨骼结合速度的方法是改变它的化学成分，使其更接近于自然骨骼的矿物相。经研宄证明，硅元素在骨骼中的出现能刺激特定家族的基因，从而促进成骨细胞的增殖和骨细胞外基质的产生。硅元素同时也是骨架成长和发育过程中的必要要素。该理论被Carlisle用含有硅元素的食品喂鸡论证过。在不含硅元素饲料喂养的鸡中，鸡骨架的发育受到阻碍，生长减慢，羽毛也发育不良。这些研宄揭示了硅元素在结缔组织代谢，特别是骨骼和软骨发育中的重要作用。为了更好地模拟骨骼的成分，硅置换羟基磷灰石(SiHA)已经被许多研宄者广泛地进行了研宄。
[0004]目前，湿沉积法是高纯度硅置换羟基磷灰石最普遍和最稳定的合成路线。在这种合成方法中硅置换羟基磷灰可以用氢氧化钙和包含硅前体的正磷酸合成，硅的来源也可以采用硅脂、原硅酸四乙酯(TEOS)等。SiHA的形成可以用以下反应式表示:
反应式 1:1OCa2+ + (6- x)P043- + xSi044- + (2 - x)0H_— Ca10(PO4) (6_ x) (S14)x(OH)
(2- x)°
[0005]专利(W01998008773A1)描述了一种硅置换羟基磷灰石的合成技术。该生物材料含有0.1~5%质量百分比的硅元素。该羟基磷灰石的运用激发了比普通羟基磷灰石更快且质量更高的骨骼恢复功能。专利US8545895B2 (2013),US20100173009A1 (2010)也描述了一种可用作生物材料的无机硅酸盐置换的磷酸钙羟基磷灰石，其Ca/P摩尔比在2.05到2.55间，且Ca/(P+Si)摩尔比小于1.66。该材料拥有相对较高的溶解度，可以释放硅离子到溶液中。
[0006]专利W02009087390 (即 EP2238091A2、US20110021338、W02009087390A2)描述了一种合成SiHA的方法，该SiHA的化学式为Caltl (PO4)4 (S14) 2。这种方法合成的SiHA中可能含有不定晶型的磷酸钙及磷酸三钙、磷酸四钙等晶型的第二相磷酸钙，但SiHA占该合成产物的主要成分。
[0007]专利W02009126054A1 (即 EP2271376A1、US20110040389A1)描述了一种由 HA、生物相容性玻璃(P2O5-CaO)和硅元素复合的骨骼替换材料。该材料在最终合成后变为含有硅元素的ΗΑ、α -磷酸三钙(a -TCP)、β -磷酸三钙(β -TCP)复合磷酸钙。
[0008]专利EP0951441B1中描述了一种硅置换的HA及其制备方法。该HA中含有0.5到
1.6%质量百分比的硅元素，且该硅元素被置换到HA的晶格中。该制备方法更倾向于使用0.5到1%质量百分比的硅元素，且可以避免在合成中其他氧化钙和三磷酸钙的产生。
[0009]但目前仍需解决的问题是，病人在利用生物材料进行的骨科手术中依然会面临多种并发症。与植入物相关的感染已经被列为骨科手术中引起死亡与病变最主要的并发症之一。因为具有生物兼容性，蛋白质与氨基酸等有机物质很容易被吸附到SiHA上，这项特性同时也方便了细菌在SiHA上的吸附与复制。此外，由于不受到身体免疫系统的保护，植入体内的SiHA在被细菌黏附到表面后将容易被感染。黏附性的细菌能够集聚并形成一层生物膜，这层生物膜会保护细菌不受吞噬作用和抗生素的影响，从而排斥人体内免疫系统和临床治疗的歼灭。因此，受感染的危险性将会由于植入物的出现而增加。
[0010]另一方面，银元素已成为一种应对微生物的优选的抗菌剂。银元素以其出色的广泛抗菌效果已被使用于伤口愈合等生物医学应用领域。银元素可以通过离子交换的方式被置换到HA中，置换后的HA已经在细胞试验中对金黄色葡萄球菌(S.aureus)、大肠杆菌(E.coli)、变形链球菌(S.mutans)、白色念珠菌(C.albicans)显示了优越的抗菌性能。将银离子置换到磷灰石的过程基于磷灰石化学结构的离子交换能力(请见反应式2)而定，在此过程中银离子通过HA的晶核形成从溶液中被置换到磷灰石中。类似地，不同的前体也可在银置换HA (AgHA)的合成过程中取得。AgHA可用硝酸银、硝酸钙和磷酸铵合成，也可用硝酸银、氢氧化钙和磷酸，还可用氧化银、氢氧化钙和磷酸。AgHA的形成可以用以下反应式表示:
反应式 2:(10-y) Ca2 + + yAg++ 6P043~ + (2-y)0H~- Ca (10_y) Agy(PO4)6(OH) (2_ y)。
[0011]专利CN200810152897描述了一种载银羟基磷灰石及其制备方法。但该方法是通过混合羟基磷灰石与浓度为8% ~25%的AgN03水溶液形成混合物，并没有将银离子置换到羟基磷灰石中。羟基磷灰石晶格结构并没有因银离子的置换而改变，只是在XRD图谱中显现出了大量银元素与羟基磷灰石的混合波峰。该专利着重强调了银系抗菌剂在抑制有害细菌、霉菌中的重要作用以及其在棉纱布纤维的抗菌整理中的应用。
[0012]但是，除了表现出优越的抗菌性能外，成骨细胞的铺展生长只在含少量银离子的AgHA中进行，并且AgHA被报告为具有轻微的细胞有毒性。从长远来看，AgHA将不能引导骨骼生长并阻碍对骨骼破损的自然生物修复。因此，目前还难以将AgHA应用于骨骼再生或骨骼替换手术中。
[0013]专利US20070003634A1 (2007)(即 US 7695740 B2 (2010))中还描述了一种含有硅元素和一个三价阳离子的HA合成技术。该材料拥有Ca (10_y)My (PO4) (6_ x) (S14)x(OH) (2_x+y)的化学式，其中M为三价阳离子，0〈χ〈1.3且0〈y〈l.3。该三价阳离子为铱、钪、铝和镧系元素中的一种或几种。有倾向性的，该三价阳离子是或由铱元素组成且该三价阳离子置换HA晶格中的钙离子，并没有涉银元素及其在骨骼替换手术中的抗菌效果。
[0014]因此，当前还亟需研宄一种具有良好生物兼容性且具备抗菌性能的可用于骨骼再生或替换的羟基磷灰石材料。
【发明内容】
[0015]为弥补现有生物材料技术中的空白，本发明的目的是提供一种新型的硅、银双置换羟基磷灰石材料，同时还提供了该硅、银双置换羟基磷灰石材料的晶型，以及该材料或其晶型的制备方法。该