專利名稱：具有特制性能的化學(xué)結(jié)合生物材料單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于生物材料優(yōu)選用于齒科或整形外科材料的體系，包括含水的水合液體和粉末材料，大體上組成為無(wú)機(jī)水泥體系(cementsystem)，該粉末材料具有在被水合液體飽和之后形成特制微結(jié)構(gòu)的能力，結(jié)果是材料硬化和長(zhǎng)期使用時(shí)很高的尺寸穩(wěn)定性，高強(qiáng)度和優(yōu)化的光學(xué)性能和改進(jìn)的微孔隙率。本發(fā)明還分別涉及該粉末材料和該水合液體，以及生產(chǎn)該材料的過(guò)程和制備方法。
現(xiàn)有技術(shù)和問(wèn)題本發(fā)明涉及水合水泥體系類型的結(jié)合劑體系，具體涉及水泥基體系，其包括化學(xué)結(jié)合陶瓷(所謂的CBC-材料，來(lái)自英文表達(dá)“ChemicallyBonded Ceramics”)，其選自鋁酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽及其組合，以鈣作為主要陽(yáng)離子。本發(fā)明是為用于齒科應(yīng)用、整形外科應(yīng)用的生物材料而特別開(kāi)發(fā)的，所述用于齒科應(yīng)用的生物材料優(yōu)選是牙齒填充材料或齒根填充材料，對(duì)于所述整形外科應(yīng)用，骨水泥和填充物以及植入材料包括涂層和用于藥物輸送的載體材料，優(yōu)選地作為組份或者是小粒，但是也可以被用作用于電子、微機(jī)械等內(nèi)的工業(yè)應(yīng)用的填充物。
對(duì)于將與人體相互作用的材料，例如作為植入物的填充材料來(lái)說(shuō)，使材料盡可能地具有生物活性或生物相容性是有優(yōu)勢(shì)的。牙齒填充材料和植入物所需的其它性能是在腔體中具有簡(jiǎn)單適用性的良好處理能力，允許良好可成型性的模制性能，對(duì)于填充操作足夠快、且提供治療后即刻可用性的硬化/凝固性能，高硬度和強(qiáng)度，抗腐蝕性，填充材料與生物壁之間的良好結(jié)合，尺寸穩(wěn)定性，不透射線性，良好的長(zhǎng)期性能以及良好的美學(xué)性(尤其是對(duì)于牙齒填充材料來(lái)說(shuō))。為了提供達(dá)到這些所需性能中至少多數(shù)性能的材料，已經(jīng)根據(jù)例如SE463,493、SE 502,987、WO 00/21489、WO 01/76534和WO 01/76535中給出的內(nèi)容研發(fā)了材料。
本發(fā)明具體地涉及在保持良好機(jī)械、光學(xué)和生物化學(xué)性能的同時(shí)得到尺寸穩(wěn)定性(避免收縮或膨脹)的領(lǐng)域，其目的是提供在硬化和長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)具有零膨脹的材料，即，材料在凝固或長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)不改變其外部形狀或者其外部幾何形狀僅有微小改變。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供具有復(fù)合性能特性的生物材料，其中，核心在于實(shí)現(xiàn)零膨脹和機(jī)械性能，從而提供由水泥基體系組成的粉末材料，其具有被與粉末材料反應(yīng)的液體飽和后發(fā)生水合并化學(xué)反應(yīng)成化學(xué)結(jié)合材料的能力，該材料在硬化以及繼續(xù)的水合、硬化和成熟以及長(zhǎng)時(shí)間使用即在幾年期間使用時(shí)顯示出最小的尺寸改變。零膨脹是指具有最小線性改變的材料，或者表示為由施加在周圍體積上的壓力或張力定義的膨脹壓力或張力，比如＜5MPa，＜2MPa，更優(yōu)選＜1MPa。膨脹壓力或張力有利地通過(guò)光彈性方法(Ernst等Am J Dent 2000；1369-72)測(cè)量。
零膨脹——現(xiàn)象及其控制膨脹或收縮區(qū)內(nèi)的尺寸穩(wěn)定性一般由如下的不同因素控制1.顆粒尺寸2.結(jié)合劑添加劑3.致密度4.惰性材料的含量這些在前面介紹中提到的更早的專利和專利申請(qǐng)中以及在博士論文(LKraft，Calcium aluminate based cement as dental restorativematerials，Uppsala Universitet，13 Dec 2002)中有描述。
對(duì)于鈣-鋁酸鹽-水合物(CAH)、鈣-磷酸鹽-水合物(CPH)和鈣-硅酸鹽-水合物(CSH)型的化學(xué)結(jié)合陶瓷來(lái)說(shuō)，硬化機(jī)制是粉末原材料通過(guò)與水反應(yīng)的溶解，形成離子并沉積/結(jié)晶。這樣的結(jié)果是，如果化學(xué)結(jié)合陶瓷存在于完全或部分閉合的體積中，那么在體積壁上就可能發(fā)生沉積，這意味著緊密的結(jié)合時(shí)不需要膨脹。這在下面的實(shí)施例實(shí)例2中示出。因此，盡管得到緊密的結(jié)合，在生物組織中也沒(méi)有應(yīng)力出現(xiàn)。在牙齒的情況下，這意味著可以防止二次齲齒。期望在不會(huì)由壓力機(jī)械地影響周圍壁的情況下填充整個(gè)體積。在有機(jī)械影響時(shí)，周圍體積可能塑性變形或者可能斷裂，這取決于膨脹力的大小。
基于由所包含的相建立起來(lái)的平均值，通過(guò)保持決定最大偏差微結(jié)構(gòu)場(chǎng)的算法，就可以實(shí)現(xiàn)零膨脹。零膨脹被表示為由施加在周圍體積上的壓力或張力限定的膨脹壓力或張力，比如＜5MPa，＜2MPa，甚至更優(yōu)選＜1MPa。這通過(guò)最小的尺寸改變獲得。
機(jī)械性能強(qiáng)度受材料中為線性彈性(脆性)的存在最多的缺陷控制。微結(jié)構(gòu)中的最大偏差控制拉伸強(qiáng)度(σ)，其由斷裂力學(xué)基本表達(dá)式σ＝1/Y×KIC/c1/2描述，其中c是最大缺陷，KIC是斷裂韌度，Y是常數(shù)?？椎臄?shù)量減少以及孔尺寸減小都會(huì)間接地使得強(qiáng)度增加，還使得硬度和彈性模量更高。根據(jù)本發(fā)明，在控制尺寸穩(wěn)定性的同時(shí)，這些所述性能也被控制。
微孔隙率性能通過(guò)根據(jù)本發(fā)明控制微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)孔隙率的影響，根據(jù)上述內(nèi)容一般來(lái)講這將對(duì)改進(jìn)機(jī)械性能有貢獻(xiàn)。另一個(gè)影響是可以對(duì)微孔隙率進(jìn)行特定地控制——程度以及尺寸。微孔隙率將由內(nèi)部化學(xué)收縮引起?？壮叽缛Q于總體微結(jié)構(gòu)，即可以形成多大的水合物，而這反過(guò)來(lái)取決于所使用的基體體系，即，相的形成有多快，以及形成哪些相。因此，存在的相之間的平均距離是決定性的。補(bǔ)償水合相——例如磷灰石相或其它生物活性相——可以由添加到水合液體中的物質(zhì)或離子形成。這些相的形成導(dǎo)致基體體系的水合相的擴(kuò)張受到限制，從而使得所形成微孔的大小也受到限制。對(duì)于總孔隙率的90％，這些孔的大小在0.5μm以下，并且可以被控制到10到100nm的水平?？刂瓶紫堵试谒嗷w系尤其是鈣-鋁酸鹽體系的使用中、在用于藥物輸送體系的載體材料應(yīng)用中是非常重要的。材料中的擴(kuò)散是通過(guò)孔體系中的液相發(fā)生的。擴(kuò)散由孔體系控制，對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的材料來(lái)說(shuō)，其特征在于1)開(kāi)放式孔隙率，盡管總孔隙率小于10％，更優(yōu)選小于5％，最優(yōu)選小于2％?？椎闹饕糠侄家猿叽缧∮?.5μm、最優(yōu)選小于100nm(介觀結(jié)構(gòu))的微孔存在。材料可以作為小組份或者作為預(yù)壓制的小粒存在。
透明度性能根據(jù)上面的對(duì)膨脹向零值的控制、對(duì)機(jī)械性能和孔隙率的控制的部分所給出的，根據(jù)本發(fā)明控制微結(jié)構(gòu)中所含相的尺寸的重要性已經(jīng)很顯然。這對(duì)于具有光學(xué)性能例如透明度的材料尤其相關(guān)——通過(guò)控制最終產(chǎn)品的微結(jié)構(gòu)，通過(guò)將孔減小到在0.4μm到0.8μm的可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)?？紫堵士梢员豢刂频揭宰畲蟪叽鐬?.4μm的孔存在。所含相的尺寸也被保持在0.4μm以下或者約1μm以上。
化學(xué)結(jié)合材料的微結(jié)構(gòu)的一般描述微結(jié)構(gòu)組成如下·結(jié)合劑——形成水合物的材料·未反應(yīng)的結(jié)合劑·填充物顆?！た?內(nèi)部孔和與化學(xué)收縮相關(guān)的微孔)原材料是粉末狀的原材料和水，粉末狀的原材料有利地為壓制小粒的形式，最初的水具有少量的加速劑添加劑或者用于控制稠度和控制所形成水合相的試劑。
微結(jié)構(gòu)對(duì)膨脹的影響的描述化學(xué)結(jié)合材料的膨脹取決于在有限的區(qū)域中形成的水合物(反應(yīng)產(chǎn)物)。一般地，在相關(guān)的水泥體系中水合時(shí)將發(fā)生收縮，即所謂的化學(xué)收縮取決于形成水合物時(shí)發(fā)生的摩爾體積減少，其在未受限的情況下將導(dǎo)致收縮。限制區(qū)可能是不均勻的分布或者原材料，形成凹坑，導(dǎo)致剛性結(jié)構(gòu)的已經(jīng)形成的微結(jié)構(gòu)。即，如果在正被溶解的水泥顆粒附近有將被水合物填充的孔，那么主體將不會(huì)膨脹。當(dāng)孔隙率被水合物填充(主體將變得更加剛性)時(shí)，對(duì)繼續(xù)的尺寸改變的驅(qū)動(dòng)力將減小，這也是事實(shí)。細(xì)小的微結(jié)構(gòu)(初始粉末的高比表面積)將因此使膨脹減小。結(jié)果，原材料更高的致密度將降低膨脹，在溶解期間，但是在材料被認(rèn)為足夠多水合物的沉積物已經(jīng)固化之前對(duì)材料本身的壓力也會(huì)有這一效果。在實(shí)際溶解期間(初始固化)的壓制力將產(chǎn)生與正被消除或減小的化學(xué)收縮相應(yīng)的體積。材料的致密度將又被增加。
膨脹由用于形成細(xì)小的晶體狀均勻微結(jié)構(gòu)的先決條件控制。下面是很重要的水合相的尺寸和分布，未反應(yīng)水泥相的尺寸，惰性相(填充物顆粒)的尺寸，所包含相的含量，孔的尺寸和含量，所包含的所有相的總體分布，初始致密度(更高的致密度將給出更細(xì)小的微結(jié)構(gòu)，w/c比)，初始化學(xué)收縮的程度。
上述因素決定最終的微結(jié)構(gòu)。膨脹程度可以在描述所包含相之間平均距離的算法中進(jìn)行估計(jì)，見(jiàn)圖1和等式1。其越小，單個(gè)偏差因素對(duì)膨脹的影響就越小。因此，尺寸穩(wěn)定性、強(qiáng)度、光學(xué)性能由微結(jié)構(gòu)中最大的可能偏差決定。見(jiàn)圖1。
微結(jié)構(gòu)中可能的區(qū)域尺寸可以由下式描述λ=d*(1-VF)(VF)---(1)]]>其中，λ是平均尺寸為d的填充物顆粒之間的距離，VF是未反應(yīng)相和所添加惰性相的體積含量。因此，等式1描述了最大孔尺寸和所形成水合物的尺寸。等式1的數(shù)學(xué)偏差在Underwood，E.Quantitativestereology，Addison-Wesley(1970)中有描述。
小的λ將產(chǎn)生低的膨脹。因此，這可以通過(guò)小的填充物顆粒尺寸(在討論水合體時(shí)，未反應(yīng)水泥在該上下文中也被認(rèn)為是填充物)以及低含量的水合物控制。因此要注意，顆粒尺寸是在水泥部分溶解之后得到的尺寸。低含量的水合物是通過(guò)低的水與水泥比實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于實(shí)際產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，未水合材料加上所添加的惰性填充物顆粒的含量不應(yīng)該高于50％的體積比。適當(dāng)?shù)兀此喜牧霞由纤砑拥亩栊蕴畛湮镱w粒的體積含量被保持在5％到45％、更優(yōu)選15％到35％的范圍內(nèi)。
所添加的惰性填充物顆粒應(yīng)該具有小于5μm、更優(yōu)選小于2μm的平均顆粒尺寸。它們可以由例如玻璃顆粒、磷灰石、水鎂石和/或勃姆石組成。
在實(shí)施例實(shí)例1中，距離被描述為水合體中未水合材料含量的函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)低的膨脹，應(yīng)該的是λ＝10μm，優(yōu)選λ＝8μm，更優(yōu)選λ＝4μm，最優(yōu)選λ＝2μm。在更低的填充物含量下，更容易實(shí)現(xiàn)高的λ值。在λ＞10的值，不僅膨脹將變得更高，而且同時(shí)會(huì)在強(qiáng)度以及在得到高的透明度和/或不透射線性方面出現(xiàn)問(wèn)題。
λ指水合物的最大尺寸。還可以的情況是，距離λ由不同尺寸的多個(gè)水合物顆粒建立。有利的是，使用水合液體中的離子，其原位形成補(bǔ)償水合物或相，將主體系即鈣-鋁酸鹽體系的所形成水合物分開(kāi)。此外，通過(guò)具有高含量Ca的鈣-鋁酸鹽的反應(yīng)先形成的水合物，以及通過(guò)具有高含量Al的鈣-鋁酸鹽后形成的水合物，水合過(guò)程對(duì)不同水合物和不同尺寸水合物的混合有貢獻(xiàn)。參見(jiàn)如下。水合物還可以以無(wú)定型的或部分無(wú)定型的組合物的形式存在。水合物的實(shí)例如下katoite，水鋁石，磷灰石，其它鈣-鋁酸鹽的水合物，硅酸鈣水合物等。通過(guò)上述機(jī)制，從尺寸角度看，對(duì)于微結(jié)構(gòu)的偏差，水合物將變得幾乎不重要，這意味著上述等式1中的尺寸與填充物顆粒相關(guān)，而與水合物不相關(guān)。
所有存在的相的鈣-鋁酸鹽都可以用作原材料，即，具有不同相對(duì)含量的純CaO、(CaO)3Al2O3、(CaO)12(Al2O3)7、CaOAl2O3、(CaO)(Al2O3)2、(CaO)(Al2O3)6和純Al2O3。所包含相的含量可以在很寬的范圍內(nèi)改變。主相是CaOAl2O3和(CaO)(Al2O3)2。最優(yōu)選的相是CaOAl2O3?；贑a的鋁酸鹽的總含量計(jì)算，(CaO)3Al2O3、(CaO)12(Al2O3)7和(CaO)(Al2O3)6中每一個(gè)的含量低于10％的體積比。
水合體的體積平均顆粒尺寸(d)可以描述如下d=Σiαidi---(2)]]>對(duì)于αi，總有
Σiαi=ΣiViVF=1---(3)]]>其中，i對(duì)應(yīng)于水合材料中未水合相的數(shù)量。αi是相i占未水合相所占的總體積的部分，即0＜αi＜1，并且所有αi的和是1。αi與等式1中相i占據(jù)的體積(VF)分?jǐn)?shù)有關(guān)。di(體積平均顆粒大小)應(yīng)該優(yōu)選地小于10μm，更優(yōu)選小于5μm，更優(yōu)選小于3μm，特別優(yōu)選小于1μm，最優(yōu)選小于0.5μm。每一個(gè)相的d99應(yīng)該小于20μm，合適地小于10μm(基于體積的顆粒大小)也是事實(shí)。
對(duì)于基于水合鈣鋁酸鹽的材料，d被描述為d＝αC3AdC3A+αC12A7dC12A7+αCAdCA+αCA2dCA2+αCA6dCA6+αCdC+αAdA+αfillerdfiller其中，C＝CaO，A＝Al2O3，術(shù)語(yǔ)filler將所添加的惰性相(玻璃顆粒、氧化物、最初添加的磷灰石等)匯總在一起。
水合物的體積分?jǐn)?shù)由添加到粉末混合物中的水的量相對(duì)于可以反應(yīng)的相的量，以及在固化之前對(duì)粉末-水混合物的壓力控制，因此，它將取決于致密度而改變。
優(yōu)選的是，在已經(jīng)將水合液體添加到原材料中之后，在初始反應(yīng)期間，優(yōu)選地在5分鐘內(nèi)，更優(yōu)選在2分鐘內(nèi)，最優(yōu)選在1分鐘內(nèi)，對(duì)材料施加機(jī)械壓力。
膨脹補(bǔ)償劑是有效的，例如根據(jù)在前面介紹中所提專利的微-硅石和OPC，但是在小于0.2％的膨脹下這些試劑將會(huì)同樣地明顯無(wú)作用。在該區(qū)域中，膨脹/尺寸穩(wěn)定性由本申請(qǐng)中給出的算法控制。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，水泥基體系包括化學(xué)結(jié)合陶瓷，其在由鋁酸鹽、硅酸鹽、磷酸鹽、硫酸鹽及其組合組成的組中，優(yōu)選地具有由Ca、Sr和Ba組成的組中的陽(yáng)離子。水泥還可以包括一種或多種膨脹補(bǔ)償添加劑，適于使陶瓷材料具有尺寸穩(wěn)定的長(zhǎng)期屬性，如在WO00/21489中描述的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，粉末材料，優(yōu)選地為包括可選的添加劑的小粒的形式，或可能的根據(jù)上述的小粒以及非預(yù)壓制的粉末材料，可以和與結(jié)合劑相反應(yīng)的液體混合，之后所得到的懸浮體被直接注λ到將被填充的腔中。適當(dāng)?shù)?，液體包括水——除了可選的與粉末材料中的成份一起的有機(jī)形成相之外——以及加速劑、分散劑和/或超塑性劑，以得到懸浮體的適當(dāng)稠度。加速劑加快水合反應(yīng)，并且優(yōu)選地由堿金屬鹽組成。最優(yōu)選的，使用鋰鹽，例如氯化鋰、氟化鋰或碳酸鋰。超塑劑優(yōu)選地由木素磺酸鹽和/或檸檬酸鹽，EDTA和/或含羥基羧基的化合物，PEG或具有含PEG單元的物質(zhì)組成。同樣，在其中懸浮體被排出和壓縮的實(shí)施例中，加速劑、分散劑和/或超塑劑當(dāng)然可以使用，同樣在材料被壓制成生坯的實(shí)施例中，在該情況下，當(dāng)將生產(chǎn)陶瓷材料時(shí)使生坯吸收液體。在初始水合反應(yīng)之前，所使用的水合液體占材料總體積的體積分?jǐn)?shù)在0.25到0.55的范圍內(nèi)，還可以含有原位形成磷灰石或分離主體系中所形成水合物的某種其它相的離子或離子形成物質(zhì)。
水合的時(shí)間方面對(duì)于膨脹的大小非常重要。除了通過(guò)存在的那些Ca的鋁酸鹽(參見(jiàn)上文)之外，這還由加速劑組合物及其含量控制。在初始階段，水合材料存在于塑性、可模制階段，為具有低彈性模量的糊狀。這使得任何可能的尺寸改變都不會(huì)導(dǎo)致高壓力，而是會(huì)由于形狀的內(nèi)部改變而發(fā)生松弛。這可能尤其因?yàn)榕c化學(xué)收縮一起最初發(fā)生的溶解和開(kāi)始沉積。內(nèi)部化學(xué)收縮由于前面提到的摩爾體積減小而發(fā)生。該塑性時(shí)間所允許的時(shí)間段通過(guò)加速劑的幫助來(lái)控制。根據(jù)上述的塑性形變的時(shí)間段針對(duì)應(yīng)用來(lái)控制，對(duì)于牙科和整形外科應(yīng)用小于30分鐘，優(yōu)選小于20分鐘，最優(yōu)選小于10分鐘。該時(shí)間段與加速劑的含量相關(guān)，對(duì)于LiCl來(lái)說(shuō)對(duì)應(yīng)于在30到150ppm范圍內(nèi)的Li含量。
本發(fā)明還涉及用于生產(chǎn)粉末材料的化學(xué)結(jié)合陶瓷材料的體系，其結(jié)合劑相基本上由基于鈣的水泥體系組成，該體系具有原位形成磷灰石的能力。具有原位形成磷灰石的能力，意味著體系包括形成例如磷灰石，羥基磷灰石或氟-磷灰石(分別為Ca5(PO4)3OH和Ca5(PO4)3F)所必需的成份，并且可選地包括一些其它生物有利相，并且該體系允許這種相在水合反應(yīng)期間和/或之后形成。原位形成的磷灰石將主體系的鈣-鋁酸鹽分開(kāi)。特別優(yōu)選的是，水泥體系的主要結(jié)合劑相由鋁酸鈣(鈣-鋁酸鹽)組成，因?yàn)?.鈣-鋁酸鹽將給磷灰石提供堿性的局部環(huán)境，這使得該相穩(wěn)定(不分解，防止形成斑和乳酸)。
2.鈣-鋁酸鹽過(guò)量存在，并且在材料的所有孔中形成——對(duì)填充材料做出貢獻(xiàn)——例如如果只使用了磷灰石，將有太少的水被轉(zhuǎn)變，不能使水填充的孔隙率被水合物填充。
3.鈣-鋁酸鹽通過(guò)酸堿反應(yīng)沉積，其中，水與開(kāi)始溶解的粉末材料反應(yīng)。在溶液中，存在形成鋁酸鈣水合物、水鋁石和磷灰石(如果提供了某種類型的磷)所需的所有成份，以及可能地一些其它生物有利相(方解石、霰石、乳酸鹽等)。當(dāng)每種物質(zhì)達(dá)到溶度積時(shí)，沉積開(kāi)始發(fā)生。沉積在各處發(fā)生，包括填充材料與牙壁之間的微空間內(nèi)部。小的晶體沉積在牙壁或某個(gè)其它生物接觸表面的表面形貌上，并且對(duì)于填充材料-牙齒/骨骼接觸區(qū)的完全消失有貢獻(xiàn)，產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)的整合。
4.在生物液體體系中，存在作為pH穩(wěn)定緩沖劑的磷酸氫鹽。該含水體系與堿性的Ca-水泥反應(yīng)同時(shí)形成磷灰石。
添加劑材料還可以具有任何形貌或形狀，包括球形、規(guī)則或不規(guī)則形狀、纖維狀、須狀、板狀等。添加劑顆粒應(yīng)該小于10μm，優(yōu)選小于5μm，更優(yōu)選小于2μm。
關(guān)于與懸浮方法有關(guān)的其它方面，參見(jiàn)WO 01/76534，其內(nèi)容通過(guò)引用包含在內(nèi)。關(guān)于生坯的其它方面，參見(jiàn)WO 01/76535，其內(nèi)容通過(guò)引用包含在內(nèi)。
除了例如牙齒填充材料或整形外科組合物的應(yīng)用之外，還可以看到在例如用于電子、微機(jī)械、光學(xué)的基底/澆注材料領(lǐng)域內(nèi)以及在生物傳感技術(shù)中的應(yīng)用。


圖1是λ的示意圖示，圖2圖示了作為惰性材料體積含量VF的函數(shù)的、平均尺寸為d的填充物顆粒之間的距離λ，
圖3示出了材料與生物壁之間的過(guò)渡圖像，其中，在生物壁上已經(jīng)發(fā)生了水合物的沉淀。
圖4示出了用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)結(jié)合生物陶瓷的設(shè)備。
實(shí)例1在圖2中，λ是平均尺寸為d的填充物顆粒之間的距離(λ和d的單位都是μm)，VF是惰性材料的體積含量，惰性材料即未反應(yīng)的水泥材料加上所添加的惰性顆粒。小的λ將產(chǎn)生低的膨脹。因此，這可以通過(guò)小的填充物顆粒尺寸(在討論水合體時(shí)，未反應(yīng)水泥在該上下文中也被認(rèn)為是填充物)以及低含量的水合物控制。因此要注意，顆粒尺寸是在水泥部分溶解之后得到的尺寸。低含量的水合物是通過(guò)低的水與水泥比實(shí)現(xiàn)的。在圖2中，距離被描述為水合體中未水合材料加上所添加惰性顆粒的含量的函數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)低膨脹，應(yīng)該是λ＝10μm，優(yōu)選λ＝8μm，更優(yōu)選λ＝4μm，最優(yōu)選λ＝2μm。
實(shí)例2進(jìn)行測(cè)試以研究λ對(duì)化學(xué)結(jié)合陶瓷材料的硬度、膨脹壓力和剛度的影響。膨脹壓力通過(guò)光彈性方法(Ernst等.Am J Dent2000；1369-72)測(cè)量。在該方法中，材料被放在Araldite板的圓形孔中，并且被放在液體中用于水合。在該光彈性評(píng)價(jià)中，監(jiān)視牛頓環(huán)的形貌，牛頓環(huán)取決于材料傳遞給Araldite板的任何張力，而光被引導(dǎo)通過(guò)Araldite板。牛頓環(huán)的直徑與膨脹壓力相關(guān)。樣品被存放幾周的時(shí)間，以跟蹤膨脹的發(fā)展。數(shù)天后，已經(jīng)達(dá)到了最大壓力。測(cè)量被監(jiān)視數(shù)周，以確認(rèn)最大壓力。
系列試驗(yàn)a)λ為4μm的水合材料(50％體積比的水合物，不是水合物的相的顆粒尺寸為4μm)b)λ為2μm的水合材料(50％體積比的水合物，不是水合物的相的顆粒尺寸為2μm)
c)λ為0.5μm的水合材料(50％體積比的水合物，不是水合物的相的顆粒尺寸為0.5μm)d)λ為0.3μm的水合材料(50％體積比的水合物，不是水合物的相的顆粒尺寸為0.3μm)e)λ為11μm的水合材料(50％體積比的水合物，不是水合物的相的顆粒尺寸為11μm)材料的生產(chǎn)材料的生產(chǎn)是通過(guò)，將水和粉末混合物按下面的比例混合使得最終體積由50％體積比的水合物填充。混合材料的方法在下面和圖4中描述。水合體的剩余體積然后由未水合相(未反應(yīng)的水泥和惰性填充物)組成。所使用的水泥相是CaOAl2O3，其使水鋁石和katoite為水合相(如通過(guò)X射線衍射控制)。惰性填充物是不同磷灰石和牙用玻璃的混合物。將材料混合物保持在37℃的水中兩周，然后再測(cè)量硬度(維氏硬度)、膨脹壓力(光彈性方法)和剛度(彈性模量)。結(jié)果在下面的表格中示出?；瘜W(xué)結(jié)合陶瓷的顆粒尺寸被測(cè)量為在一維的線性插值顆粒尺寸。重新計(jì)算三個(gè)維度，顆粒尺寸和λ也會(huì)變得稍微更大些(根據(jù)Fullman等式)。
表1

結(jié)果顯示更小的λ將給出更高的硬度、更小的膨脹和更剛性的材料。
用于混合試驗(yàn)a至e中材料的方法參照?qǐng)D4描述。
實(shí)例3
表2.強(qiáng)度隨λ和d的變化，強(qiáng)度單位MPa。通過(guò)球盤方法(ballon disc)測(cè)量的彎曲強(qiáng)度。

實(shí)例4表3.透明度隨λ和d的變化，透明度單位為％。

圖3示出了材料與生物壁之間的過(guò)渡的圖像，其中，在生物壁上已經(jīng)發(fā)生了水合物的沉淀。左邊的區(qū)域是具有λ＜1μm的填充物顆粒的材料，中間的區(qū)域示出了在沒(méi)有填充物顆粒時(shí)的水合物沉積，示出了在生物壁上的沉積，右邊的區(qū)域是生物材料，在該情況下為牙冠。圖像中間的沉積區(qū)具有約2μm的厚度。
圖4示出了用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)結(jié)合生物陶瓷的設(shè)備。用于陶瓷材料的粉末混合物1在容器5內(nèi)處于真空下，容器5具有優(yōu)選由透明塑料制成的外殼。水合液體被保持在容器3中。在粉末容器5與液體容器3之間設(shè)置可打開(kāi)封閉物，在這里該封閉物由液體容器的壁構(gòu)成，液體容器設(shè)置在粉末容器內(nèi)部。
位于一個(gè)容器中的、且優(yōu)選地由陶瓷材料構(gòu)成的球2被手動(dòng)或通過(guò)機(jī)械振動(dòng)，然后，液體容器3被打破，粉末混合物1與液體混合。因?yàn)榉勰┗旌衔镌谌萜?中處于真空下，所以這種混合是瞬間發(fā)生的。當(dāng)已經(jīng)達(dá)到了良好的混合和粘度時(shí)，懸浮體通過(guò)可以從外面打開(kāi)的孔4排出。然后，懸浮體以被應(yīng)用到將被填充的體積中。有利的是，粉末以具有高致密度的小粒存在。
本發(fā)明不限于所示實(shí)施例，而是可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種由無(wú)機(jī)水泥組成的化學(xué)結(jié)合生物材料單元，其表現(xiàn)出在硬化和長(zhǎng)期使用時(shí)最小的尺寸改變、改進(jìn)的機(jī)械性能和增加的透明度，其特征在于用于描述微結(jié)構(gòu)的算法，其表示為λ=d*(1-VF)(VF)]]>其中，λ是平均尺寸為d的填充物顆粒之間的距離，VF是未反應(yīng)水泥和所添加填充物的體積含量，其中，λ＝10μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生物材料單元，其特征在于，λ＝8μm，更優(yōu)選地λ＝4μm，最優(yōu)選地λ＝2μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的生物材料單元，其特征在于，VF小于50％，優(yōu)選為5％到45％，更優(yōu)選為15％到35％。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，其對(duì)周圍體積施加＜5MPa，優(yōu)選＜2MPa，更優(yōu)選＜1MPa的壓力或張力。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，無(wú)機(jī)相由鈣-鋁酸鹽和/或鈣-硅酸鹽和/或鈣-磷酸鹽組成。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，無(wú)機(jī)相由CaO-Al2O3體系中的相組成，即具有不同相對(duì)含量的CaO、(CaO)3Al2O3、(CaO)12(Al2O3)7、CaOAl2O3、(CaO)(Al2O3)2、(CaO)(Al2O3)6和/或純Al2O3的，其中，優(yōu)選的主相是CaOAl2O3和(CaO)(Al2O3)2，最優(yōu)選的主相是CaOAl2O3，這些相的所形成的水合物的顆粒尺寸小于3μm，更優(yōu)選小于1μm，最優(yōu)選小于0.5μm。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，其還包括優(yōu)選為聚丙烯酸脂和/或聚碳酸酯的有機(jī)相，并且優(yōu)選為＜5％的體積含量。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，所添加的惰性填充物顆粒具有小于5μm、更優(yōu)選小于2μm的顆粒尺寸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的生物材料單元，其特征在于，所添加的填充物顆粒由玻璃顆粒、磷灰石、水鎂石和/或勃姆石組成。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，它包括原位形成的磷灰石或?qū)⒅黧w系中所形成的水合物分開(kāi)的某種其它相。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，總孔隙率小于10％，更優(yōu)選小于5％，分布在具有小于0.5μm、更優(yōu)選小于0.1μm的直徑的微孔上，含量至少為總孔隙率的90％。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，其為齒科材料，優(yōu)選地為牙齒填充材料或齒根填充材料。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，其為整形外科材料或骨水泥。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的生物材料單元，其特征在于，其是組份或者是小粒的形式，優(yōu)選地作為用于藥物輸送的載體材料。
15.一種與由粉末材料制備根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一個(gè)的化學(xué)結(jié)合生物材料單元有關(guān)的設(shè)備，所述粉末材料包括結(jié)合劑相和與該結(jié)合劑相反應(yīng)的液體，其特征在于，所述設(shè)備包括容納粉末材料的第一容器(5)，容納與結(jié)合劑相反應(yīng)的所述液體的第二容器(2)，以及在容器(5，3)之間的可打開(kāi)封閉物(3)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種由無(wú)機(jī)水泥組成的化學(xué)結(jié)合生物材料單元，其表現(xiàn)出在硬化和長(zhǎng)期使用時(shí)最小的尺寸改變、改進(jìn)的機(jī)械性能和增加的透明度。用于描述微結(jié)構(gòu)的算法被表示為(I)，其中，λ是平均尺寸為d的填充物顆粒之間的距離，V
文檔編號(hào)C04B28/06GK1723006SQ200380105508
公開(kāi)日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2003年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月31日
發(fā)明者L·赫曼森, H·恩格奎斯特 申請(qǐng)人:多克薩股份公司