本发明涉及医用材料制备技术领域，尤其涉及一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料及制备方法和用途。
背景技术：
硫酸钙在骨缺损修复中用作填充材料已有百年之久的历史，但是由于以前的制备方法受多种因素限制，硫酸钙的纯度不够高，在医疗中的使用受到了限制。
由于科学的进步，医疗条件的发展，硫酸钙越来越被广泛运用于医疗中。目前硫酸钙被运用于医疗各方面治疗中，取得很好的成就。
总体来说，硫酸钙成骨的机理可以分为两个方面：
(1)硫酸钙本身就是骨传导物质，它的作用很多，首先可以在缺损的地方进行填充；其次可以使被破坏的骨头，形状得以恢复；最后还可以防止软组织长大进入新骨。硫酸钙降解过程中可以实现降解和支持作用同时进行。
(2)硫酸钙具有骨诱导活性，其机理为硫酸钙降解吸收过程中局部形成微酸环境，引起局部脱钙、骨基质成骨诱导因子释放。硫酸钙被不断地进行研究，因为其不可替代的机械性能和生物活性从而形成了以硫酸钙为基体的各种医用材料，并且这些复合材料在治疗骨缺损方面也起到了让人震惊的效果。
硫酸钙颗粒在医疗中被广泛运用于骨科，主要由于医用硫酸钙颗粒具有骨诱导活性，其降解吸收过程中局部形成微酸环境，从而引起局部脱钙、骨基质成骨诱导因子的释放，进而促进成骨细胞增殖、分化。硫酸钙的这些优点，磷酸钙是没有办法去比拟的，所以硫酸钙作为治疗骨缺损的重要材料是无可厚非的。研究发现硫酸钙的降解吸收曲线接近于骨生长曲线，况且硫酸钙与自体骨修复骨缺损取得的效果大相径庭。硫酸钙既可以单独使用，在修复大块缺损时，也可以和自体骨复合，增强其成骨性能，与抗生素复合可治疗感染性骨缺损。硫酸钙本身也可以做成支架，也可以和一些生物活性好的，与骨头相容性好的材料一起做成支架，修复骨缺损。骨组织工程研究中，磷、硫、硅酸钙等钙基无机材料是骨组织工程的主要支架或基础支架。很多材料，我们因为知识的不足，所以对存在的毒性以及对人体伤害的程度也不了解，但是硫酸钙是一种对人体无毒的材料。体外细胞培养研究证实，硫酸钙对成骨细胞无毒性作用，有利于成骨细胞贴附，还能刺激成骨细胞的增殖和分化。硫酸钙之所以这么适用于骨缺损治疗和其自身这些特点是不可分离的。目前，硫酸钙的运用已经很广泛，在各种科技前沿，入们在一次又一次地探究其在各个领域的改进，不断对其进行改性研究，而且也取得令人惊喜的成绩。
目前最常用的双相磷酸钙是不同比例的β-tcp/ha两相复合材料，其作为一种重要的骨组织工程支架材料，具有比单一钙磷陶瓷材料更好的可控降解性能和成骨性能，因而受到人们的广泛关注。该复合材料结合了β-tcp和两者ha的优点，使β-tcp的易吸收性和ha的支架作用产生协同效应，同时可通过改变β-tcp/ha两相复合材料ca/p比来调控材料的晶体微结构，使材料的成骨性能大为改善。研究表明，具有三维多孔结构的双相磷酸钙陶瓷支架，可通过调节hap/β-tcp的比例使得该支架材料在一定条件下具有骨诱导性。
wepener等用静电纺丝技术制备n-hap/β-tcp支架材料，通过扫描结果分析可知该复合材料具有网状结构，通过与成骨细胞共培养发现该材料可促进细胞黏附及增殖，具有良好的生物相容性。reddy等直接在聚乙烯醇(polyvinylalcohol，pva)中将n-hap与β-tcp按不同比例混合，制备了n-hap/β-tcp复合材料，筛选成骨效果最佳的ca/p比值，并通过体内植入实验证实该复合材料具有良好的成骨性能。聂伟、何伟将制备了纳米hap/β-tcp双相陶瓷生物支架材料，将其植入兔子左侧挠骨缺损模型，同时与单一的纳米hap人工骨相对比，结果发现纳米hap/β-tcp双相陶瓷生物支架材料具有更好的成骨性能和将生物降解性能。
研究表明，当互通孔径大于50um时才有利于骨单元在孔内形成，且随着互通孔径的增大，材料的传导性能增强。然而材料的力学性能测试表明，孔隙率和孔径的增加都会降低多孔材料的力学强度，而制备方法极大的影响着多孔材料的力学强度、孔径及孔隙率。因此，人们对其进行了广泛的研究，发展了一系列的制备多孔材料的方法，具成孔原理可分为造孔剂法、有机泡沫浸渍法、化学发泡法等。其中，造孔剂法所制得的多孔材料制品孔隙率不高，一般低于50％，且孔隙分布不均匀。有机泡沫浸渍法制备的材料孔隙率较高(70％-95％)，同时具有三维开孔结构，且操作方便，制备工艺简单，被广泛应用于多孔材料的制备。然而由于孔隙率过高的原因使得泡沫浸渍法制备的多孔材料力学强度较低。化学发泡法可以通过控制发泡剂的种类和用量来制备不同形状、不同孔径的多孔陶瓷，但是该方法制备得到的多孔材料孔洞大多是封闭的，气孔贯通率较差。冷冻干燥法操作简便且设备简单，孔隙率高达90％以上，且在制备过程中有效避免了高温对生物材料活性的影响，能够有利于生物活性因子的引入。但是，在冷冻干燥过程中往往需要添加有机溶剂，且该方法的制备周期长、能源耗费大，同时需严格控制低温以避免在材料表面生成致密层，甚至引起多孔支架的溃散。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的一个方面提供一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料，目的在于提供一种具有良好生物性能和力学性能的复合陶瓷材料且具有可调节的降解速率的骨诱导材料。该材料以机体自身作为反应器，不外加细胞核生长因子，在不影响机体功能的骨或非骨环境构建形成一定体积的骨移植物，修复自体骨缺损技术。具体为：
一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料，其由caso4·2h2o和bcp(β-tcp陶瓷，即β-磷酸三钙与羟基磷灰石)组成，其中：β-tcp陶瓷与caso4·2h2o的质量比为1:5～11，bcp里面β-磷酸三钙与羟基磷灰石的质量比为7:3。
本发明的另一个方面提供一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
(6)将二水硫酸钙粉体与掺杂料按一定的质量比充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5多次。
(7)将粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架。
本发明的另一个方面通过体内骨组织工程技术能够形成与天然骨力学性能类似的骨移植物的方法，提供一种含有含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料作为骨移植物的用途，包括：
硫酸钙(calciumsulfate，cs)是一种无机陶瓷类材料，具有良好的生物相容性和降解性能，同时还具有一定的成骨性和骨诱导活性。其骨诱导性主要是由于钙离子与钙敏感受体结合后促进了细胞的有丝分裂，进而诱导骨髓间充质干细胞逐渐向成骨细胞分化。β-磷酸三钙(β-tcp)类似于人骨的天然无机构成，具有优于其他无机材料的生物相容性，植入后与基体骨接合良好，骨传导性优异；而且具有生物可降解性和生物可吸收性，当将其植入人体后，材料逐步通过溶解吸收或新陈代谢过程排出体外，最终使得骨缺损的部位被新生骨组织所替代；同时，β-磷酸三钙通过生化反应一部分排出体外，而另一部分参与新骨的形成，且降解下来的钙、磷离子能够进入人体循环系统并逐渐形成新生骨，因此，β-磷酸三钙成为一种潜在的综合性能优良的组织工程支架材料，用于构建组织工程化人工骨。分析结果表明，β-tcp多孔陶瓷不仅能够为组织生长提供一个的三维结构，有利于干细胞向成骨细胞分化，同时还能提供一个良好的微环境使得骨组织形成。
本发明的有益效果：
(1)本发明制得的骨修复材料采用生物降解性好的含有含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料；
(2)骨修复材料植入体内后，在降解吸收过程中可以带入身体活性成分；
(3)本发明制得的骨修复材料得到的复合多孔骨修复支架材料，其工艺简单，易操作，原料来源广泛且成本较低，产量稳定，不会破坏caso4和β-tcp的自身优点，并且有良好的力学强度，在软骨组织工程领域将会有很好的应用前景；
(4)制得的多孔骨修复支架材料有利于细胞的黏附与增殖，并且具有良好的生物相容性、生物可降解性。
附图说明
图1：本发明的制备方法的工艺流程图。
图2：一种纯硫酸钙样品sem形貌图。
图3：一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料sem形貌图。
图4：一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料的xrd图。
图5：不同比例复合陶瓷材料降解结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
本实施例制得的硫酸钙材料sem形貌图如图2所示。从图中可以看出，粉体呈现针状及鳞片状结构，长度均匀的分布在10μm到几十微米之间。
实施例2
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
(6)将β-tcp陶瓷与硫酸钙按照1:7的比例充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5。
(7)将粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架。
本实施例的工艺流程图如图1所示。制得硫酸钙/β-tcp复合陶瓷材料sem形貌图如图3所示，硫酸钙/β-tcp复合陶瓷材料粒径在10μm-50μm之间，对比纯硫酸钙样品sem形貌图2可以看出，晶须长径比变小，粉体表面的鳞片状结构基本消失变得光滑。xrd谱图如图4所示，可以看出特征峰与caso4和β-tcp完全吻合，从图分析可知，实验所制备的粉体的2θ角与β-tcp的pdf卡片对应良好，三强峰分别为(214)、(0，2，10)、(220)晶面位置处，相对衍射强度相当。在(112)和(300)两个晶面处出现了hap的衍射峰，通过对比硫酸钙的pdf卡片可以看出，衍射峰与caso4的三强峰完全吻合。说明本发明成功制备出了硫酸钙/β-tcp支架。
表1为cck-8细胞毒性试验,制备的硫酸钙/β-tcp陶瓷复合支架材料的浸提液与293t细胞共培养24h后的细胞增值度(rgr)值。结合国家标准gb/t14233.3-2005相关规定，细胞毒性结果表明，粉体浓度在0.05-0.2g/ml时，细胞增殖度均在110-160之间，细胞毒性为0级。由此说明本实验所制备的β-tcp粉体无细胞毒性。
实施例3
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
(6)将β-tcp陶瓷与硫酸钙按照1:5的比例充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5。
(7)将粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架。
实施例4
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
(6)将β-tcp陶瓷与硫酸钙按照1:9的比例充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5。
(7)将粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架。
实施例5
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用。
(6)将β-tcp陶瓷与硫酸钙按照1:11的比例充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5。
(7)将粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架。
不同比例复合支架材料降解结果对比图如图5所示，横坐标为降解天数，失重率为纵坐标，从图中可以看出，前5-8天为增重过程，之后逐渐失重过程，分析原因可知，增重是由于降解产物及sbf种活性物质的沉积，到浸泡5-8天后，沉积产物造成的增重小于支架降解导致的失重，因此降解曲线呈现失重态势。一周后，样品失重率开始升高，是因为样品本身发生降解，此时的降解速率大于钙磷盐的沉积速率，材料开始出现失重现象。将支架材料浸泡于sbf溶液中，可用材料是否具有诱导磷灰石沉积的能力来判断该材料的生物活性，若有磷灰石沉积，则说明具有生物活性。因此，由上述分析可知该五重比例的硫酸钙/β-tcp支架均具有良好的生物活性。
表1复合陶瓷材料细胞增殖实验结果表(β-tcp陶瓷：硫酸钙的质量比＝1:7)
1.一种含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料，其特征在于：
所述复合陶瓷材料由caso4·2h2o和β-tcp陶瓷组成，其中：所述β-tcp陶瓷与caso4·2h2o的质量比为1:5～11，所述β-tcp陶瓷里面β-磷酸三钙与羟基磷灰石的质量比为7:3。
2.一种如权利要求1所述的含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取十八水化硫酸铝粉体，充分研磨过筛，并称取该粉体0.45g；
(2)称量二水硫酸钙粉体，将其与称好的十八水化硫酸铝充分混合均匀，并装入150ml烧杯；
(3)用称量纸将滤纸扣于装有硫酸钙的烧杯上，套上橡皮筋，将烧杯放于高压锅内；
(4)控制高压锅电压保持在0.14-0.15mpa之间，保压10h后取出；
(5)80℃干燥12h后即得α-半水硫酸钙，将其装入密封袋中备用；
(6)将二水硫酸钙粉体与掺杂料按一定的质量比充分混合均匀，并装入烧杯中，重复步骤4、5多次。
(7)制得由caso4·2h2o和β-tcp陶瓷组成的复合陶瓷材料的粉料。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，十八水化硫酸铝粉体经过充分研磨且过200目筛。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于：
所述步骤(6)中，β-tcp陶瓷与caso4·2h2o的质量比为1:5～11。
5.一种如权利要求1所述的含有caso4和β-tcp的复合陶瓷材料用于构建组织工程化人工骨的用途，其特征在于：
(1)将所述的复合陶瓷材料的粉料填充进50孔板中，60℃烘箱内封口水化24h，开口干燥24h，最终制得多孔硫酸钙/β-tcp生物支架；
(2)将多孔硫酸钙/β-tcp生物支架植入人体；
(3)所述植入人体后的生物支架具有生物可降解性和生物可吸收性，该材料能够逐步通过溶解吸收或新陈代谢过程排出体外，最终使得骨缺损的部位被新生骨组织所替代。
6.一种如权利要求5所述的用途，其特征在于：
所述β-磷酸三钙通过生化反应一部分排出体外，而另一部分参与新骨的形成，降解下来的钙、磷离子能够进入人体循环系统并逐渐形成新生骨。
技术总结