一种仿生结构人工骨及其制备方法[0002]以磷酸三钙为主要成份的生物陶瓷与动物骨骼矿物组成类似，具有良好的生物相容性，植入人体后能够自然降解，并被组织吸收，因此在生物医学领域具有非常广阔的应用前景。目前使用的磷酸三钙大多使用制备陶瓷的工艺，即经过高温烧结制备而成。煅烧制备的磷酸三钙人工骨初期强度较高，但生物活性低，植入后与新骨融合缓慢。陶瓷人工骨的另一缺陷是它的结构不同于动物骨骼。陶瓷材料内部孔隙度低，且孔隙不具有连通性，体液、血管和神经难以进入其中；而动物骨骼内部布满了具有连通性的微孔。[0003]骨移植、骨修补材料不仅在成份上需要具有生物亲和性与兼容性，并且需要具有和动物骨骼类似的连通性微孔结构。 [0004]本发明提供了一种仿生结构人工骨及其制备方法。[0005]仿生结构人工骨包括磷酸三钙，所述的仿生结构人工骨内部充满了彼此联通的微孔和孔隙。[0006]仿生结构人工骨的制备方法的步骤如下: 1)将磷酸三铵或其水合物和氢氧化钙按如下反应式的化学计量比称重并混合均匀，得到固体粉末； 2(NH4) 3P04+3Ca (OH) 2+3C02 = Ca3 (PO4) 2+3 (NH4) 2C03+3H20 2)将生物粘结剂配制成质量百分比浓度为2%至6%的水溶液，取用相当于步骤I)中固体粉末总重量5%至10%的溶液，喷洒至固体粉末中并充分搅拌使混合均匀，得到混有生物粘结剂溶液的物料；
3)将混有生物粘结剂溶液的物料在预先准备的模具中压制成人工骨胚体，将人工骨胚体转移到带有进气管和阀门的高压釜中；
4)将高压釜放入冰水浴中，将储气钢瓶中的二氧化碳气体导入高压釜，高压釜内压力达到7MPa后关闭进气阀门并维持压力12至60小时；
5)将高压釜的气体连接管路从储气钢瓶上卸下，缓慢打开高压釜上的阀门，将釜内剩余气体排出；
6)将高压釜冰水浴中的水缓慢加热，使水浴温度逐步上升到80°C，恒温3至6小时，在加热和恒温过程中，高压釜上的阀门保持打开状态，使内部气体自然排出；
7)将高压釜从水浴中取出，冷却至室温后打开，取出人工骨，室温老化40至60小时后即可使用。
[0007]所述的生物粘结剂是动物骨胶或海藻胶。
[0008]在成份上，本发明提供的仿生结构人工骨由磷酸三钙组成，它与动物骨骼矿物组成类似，具有良好的生物相容性；在制备方法上，本发明使用的是压制成型和低温固相化学反应结合的技术，避免了高温烧结，所得人工骨具有更高的生物化学活性，能更快的与自体骨组织融合，也有利于被人体吸收；在结构上，仿生结构人工骨具有和动物骨骼类似的连通性微孔，有利于体液、血管和神经进入其中。亲生物成份、生物活性和仿生结构，是本发明提供的仿生结构人工骨的三大技术优势。它的初期强度不如金属和陶瓷材料，但植入人体后能与自身骨组织较快融合，并易于被人体吸收，并最终被自体骨组织取代。是一种性能优良的骨移植、骨修复材料。
[0009]本发明提供的制备方法简便、技术可靠，成本远低于金属钛、金属钽等骨缺损修复材料。

[0010]本发明的目的是提供一种价格较低、性能优良的骨移植、骨修复材料。
[0011]本发明提供了一种仿生结构人工骨及其制备方法。仿生结构人工骨包括磷酸三钙，内部充满了彼此联通的微孔和孔隙。
[0012]仿生结构人工骨的制备方法步骤如下:
I)将磷酸三铵或其水合物和氢氧化钙按(I)的化学计量比称重并混合均匀；
2(NH4) 3P04+3Ca (OH) 2+3C02 = Ca3 (PO4) 2+3 (NH4) 2C03+3H20 (I)
由于缺少磷酸三铵的热力学数据，还无法计算(I)式的反应自由能。以下(2)式的反应自由能可供参考:
2Na3P04+3Ca (OH) 2+3C02 = Ca3 (PO4) 2+3Na2C03+3H20 (2)
(2)式在0° C时的反应自由能是-70.68 ;30° C为-67.96，正向进行的趋势十分强烈。从化学反应动力学角度看，(I)式在低温、高压下能够正向进行。
[0013]2)将生物粘结剂配制成浓度为2%至6%的溶液，取用相当于第I步固体粉末总重量5%至10%的溶液，喷洒至粉末中并充分搅拌使混合均匀；
所述的生物粘结剂指的是动物骨胶、海藻胶，或其它临床使用的生物粘结剂。其作用是使(I)式的反应物能被压制成型，并且在后续工序中能保持形态稳定。
[0014]选择粘结剂需考虑的因素包括:优良的生物亲和性，在体内能被人体组织吸收；水溶液中呈中性至弱碱性；具有化学稳定性，与(I)式中的反应物、生成物不会发生化学反应。
[0015]3)将混有生物粘结剂溶液的物料在预先准备的模具中压制成人工骨胚体，将胚体转移到带有进气管和阀门的高压釜中；
在模具中压制成型的人工骨胚体初期强度不高，但在(I)式完成后，随着磷酸三钙的结晶将会明显提闻。
[0016]4)将高压釜放入冰水浴中，将储气钢瓶中的二氧化碳气体导入高压釜，高压釜内压力达到7MPa后关闭进气阀门并维持压力12至60小时；
使用冰水浴是为提高二氧化碳的活度。储气钢瓶中二氧化碳气体的压力是7.376MPa(二氧化碳的气/液平衡压力)，由于钢瓶上装有减压阀，高压釜内的压力会略低于这一数值。反应过程应保持高压釜上阀门处于开启状态，以便(I)式反应所消耗的二氧化碳气体随时得到补充。设定反应时间不仅应考虑(I)式反应的进行程度，也要考虑生物粘结剂固化所需时间。设定的最佳时间应该是生物粘结剂完全固化所需时间的三分之一至二分之一。高压釜内压力达到7MPa后关闭进气阀。[0017]也可以用干冰作为CO2气源，即将干冰与人工骨胚体一起放入高压釜中并密封。干冰的用量可根据(I)式的化学计量比计算，应过量20%至50%，以保证反应进行彻底。需注意避免干冰与人工骨胚体直接接触，以免其冻裂。此外，使用干冰作为CO2气源时，高压釜也必需置于冰水浴中，以确保高压釜的安全。，维持高压釜内压力的时间均视生物粘结剂的类型而定，需保持压力到粘结剂完全固化所需时间的三分之一至二分之一。
[0018]5)将高压釜的气体连接管路从储气钢瓶上卸下，缓慢打开高压釜上的阀门，将釜内剩余气体排出；
高压釜和储气钢瓶内的高压二氧化碳气体具有一定危险，需严格按步骤操作。高压釜内的剩余气体最好排出至室外，或排入通风柜中，防止二氧化碳气体在室内聚集。
[0019]排气结束后可以将排气管接至真空泵上对高压釜抽真空，以便人工骨胚体内部的气体排出，并形成连通性孔隙。
[0020]6)将高压釜冰水浴中的水缓慢加热，使水浴温度逐步上升到80° C，恒温3至6小时，在加热和恒温过程中，高压釜上的阀门保持打开状态，使内部气体自然排出；
加热的目的是让(I)式生成的副产物碳酸铵分解:
3(NH4)2CO3 = 6NH3+3C02 + 3H20 (3)
干燥的碳酸铵在58°C开始分解，放出氨及二氧化碳。70°C时水溶液中的碳酸铵开始分解。加热应缓慢，加热 的同时可以对高压釜抽真空，有利于形成连通性孔隙。
[0021]7)将高压釜从水浴中取出，冷却至室温后打开，取出人工骨，室温老化40至60小时后即可使用。
[0022]室温老化的目的是使生物粘结剂完全固化。
[0023]实施例1
I)将磷酸三铵晶体与氢氧化钙按摩尔比2:3的比例称重并混合均匀。
[0024]2)将生物粘结剂配制成浓度为6%的水溶液，取用相当于第I步固体粉末总重量5%的溶液，喷洒至粉末中并充分搅拌使混合均匀。
[0025]3)将混有生物粘结剂溶液的物料在预先准备的模具中压制成人工骨胚体，将胚体转移到带有进气管和阀门的高压釜中。
[0026]4)将高压釜放入冰水浴中，将储气钢瓶中的二氧化碳气体导入高压釜，高压釜内压力达到7MPa时关闭进气阀，维持压力12小时。反应中保持高压釜的进气阀处于开启状态。
[0027]5)关闭进气管阀门，将高压釜的气体连接管路从储气钢瓶上卸下，缓慢打开高压釜上的阀门，将釜内剩余气体排出。
[0028]6)排气结束后将排气管接至真空泵上对高压釜抽真空，使人工骨胚体内部的气体排出，并形成连通性孔隙。
[0029]7)将高压釜冰水浴中的水缓慢加热，使水浴温度逐步上升到80° C，恒温3小时，在加热和恒温过程中，高压釜上的阀门保持打开状态，使内部气体自然排出。加热应缓慢，加热的同时对高压釜抽真空，有利于形成连通性孔隙。
[0030]8)将高压釜从水浴中取出，冷却至室温后打开，取出人工骨，室温老化40小时后即可使用。
[0031]实施例2I)将磷酸三铵晶体与氢氧化钙按摩尔比2:3的比例称重并混合均匀。
[0032]2)将生物粘结剂配制成浓度为2%的水溶液，取用相当于第I步固体粉末总重量10%的溶液，喷洒至粉末中并充分搅拌使混合均匀。
[0033]3)将混有生物粘结剂溶液的物料在预先准备的模具中压制成人工骨胚体，将胚体转移到带有进气管和阀门的高压釜中。
[0034]4)将高压釜放入冰水浴中，将储气钢瓶中的二氧化碳气体导入高压釜，高压釜内压力达到7MPa时关闭进气阀，维持密封48小时。
[0035]5)关闭进气管阀门，将高压釜的气体连接管路从储气钢瓶上卸下，缓慢打开高压釜上的阀门，将釜内剩余气体排出。
[0036]6)排气结束 后将排气管接至真空泵上对高压釜抽真空，使人工骨胚体内部的气体排出，并形成连通性孔隙。
[0037]7)将高压釜冰水浴中的水缓慢加热，使水浴温度逐步上升到80° C，恒温6小时，在加热和恒温过程中，高压釜上的阀门保持打开状态，使内部气体自然排出。加热应缓慢，加热的同时对高压釜抽真空，有利于形成连通性孔隙。
[0038]8)将高压釜从水浴中取出，冷却至室温后打开，取出人工骨，室温老化60小时后即可使用。
[0039]实施例3
I)将磷酸三铵晶体与氢氧化钙按摩尔比2:3的比例称重并混合均匀。
[0040]2)将生物粘结剂配制成浓度为4%的水溶液，取用相当于第I步固体粉末总重量10%的溶液，喷洒至粉末中并充分搅拌使混合均匀。
[0041]3)将混有生物粘结剂溶液的物料在预先准备的模具中压制成人工骨胚体，将胚体转移到带有进气管和阀门的高压釜中。
[0042]4)将干冰放入高压釜中，并避免与人工骨直接接触。将高压釜放入冰水浴中，维持密封24小时。
[0043]5)关闭进气管阀门，将高压釜的气体连接管路从储气钢瓶上卸下，缓慢打开高压釜上的阀门，将釜内剩余气体排出。
[0044]6)排气结束后将排气管接至真空泵上对高压釜抽真空，使人工骨胚体内部的气体排出，并形成连通性孔隙。
[0045]7)将高压釜冰水浴中的水缓慢加热，使水浴温度逐步上升到80° C，恒温5小时，在加热和恒温过程中，高压釜上的阀门保持打开状态，使内部气体自然排出。加热应缓慢，加热的同时对高压釜抽真空，有利于形成连通性孔隙。
[0046]8)将高压釜从水浴中取出，冷却至室温后打开，取出人工骨，室温老化50小时后即可使用。