CN102229494B - 一种大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法。首先配制均匀的粘结剂聚乙烯醇水溶液，使用浓盐酸调节聚乙烯醇的pH值至4～5.5后，将HA粉体和聚乙烯醇水溶液按质量比为2～5∶10～20混合，形成均匀浆料，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠；将浆料加入到聚丙烯罐中，并按球料比1.5∶1加入刚玉小球后密封聚丙烯罐，缓慢混料至均匀；然后均匀振荡或机械搅拌浆料，引入气泡；将振荡均匀的浆料转移到-17℃的容器中，冷冻4～12个小时后，室温或冷冻条件下萃取冷冻后的浆料中的水，再对其干燥；最后在在空气中完成烧结，烧结温度为1000～1200℃，保温时间为0.5～2h。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷材料技术领域，具体涉及一种大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法。
背景技术
生物材料是以医疗为目的，用于与组织接触以形成功能的的材料。生物陶瓷，作为一种重要的生物材料，通常是指用于人工齿制作、骨与软骨及其它组织的修复、缺损填充、脊柱外科等的骨组织工程的陶瓷。其中,羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)等由于具有与自然骨组织相似的无机成分，表现出优良的生物相容性和生物安全性，植入体内后能够与骨组织形成骨键合，被称为生物活性材料，己经被用作骨修复的材料。张兴栋院士研究组利用多孔活性生物陶瓷治疗40例骨缺损取得满意效果(张聪等,多孔生物活性陶瓷治疗骨缺损(附40例临床应用报告)，西南国防医药，2003,13,274-276)，赵红卫等利用多孔TCP生物陶瓷治疗胫骨平台骨折16例，取得良好效果(多孔生物陶瓷在胫骨平台骨折治疗中的应用，临床外科杂志，2006,14, 608-609)。因此，生物陶瓷，特别是羟基磷灰石具有巨大的潜在应用价值。
虽然羟基磷灰石的机械强度和杨氏模量要比人骨高出几倍，但致密羟基磷灰石的表面在生理环境中和周围组织不利于形成化学键合，影响其生物活性的发挥。我们知道人体骨内部结构含有许多的相互连通孔隙，呈三维网状互联结构，能促进组织的向内生长。受此启发，大孔羟基磷灰石的制备是生物材料研究一个重要方向，即通过模仿人体骨的结构，其内部通道，实现对孔隙率及内部孔隙结构的控制并满足力学性能的要求。具有类骨结构的大孔羟基磷灰石将更加有利于在植入后与所结合组织的相容以及营养物质的扩散、孔隙内物质迁移、血液流动及控制细胞的生长等功能，从而有助于新生骨的生长（P. K. Yarlagadda等, Recent advances and current developments in tissue scaffolding, Biomed. Mat. Eng. 2005, 3, 159-177）。
大孔羟基磷灰石要有较大孔径的连通结构，较大的孔隙度和表面积。对大孔生物陶瓷的研究显示，孔径在150μm时，已能为骨组织长入提供理想场所（这也是人体骨的孔尺寸）。除了较大的孔径，孔隙之间的相互连通性同样重要，因为闭孔不仅损害材料的力学性能，也无助于组织液的微循环及组织的生长。而对于连通孔结构来说，新生组织可从人工骨表面长入内部各部分，经过相互结合，不仅能获得良好的界面结合，还由于新生组织的长入既能降低多孔羟基磷灰石的脆性，又提高了抗折强度。
目前的大孔羟基磷灰石的制备主要采用以下3种方法：
1. 气体发泡法: 即在陶瓷浆料中添加发泡剂(可以是有机或无机化学物质)，其在制备所涉及的干燥和烧结过程中，通过化学反应生成气体，进而在羟基磷灰石坯体中形成气泡，经烧结即可得到具有大孔结构的羟基磷灰石。比如Li et al. (Synthesis of macroporous hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering, J. Biomedi. Mater. Res. 2002, 61, 109-120)使用NaHCO3,CaCO3,NH4HCO3与柠檬酸的复合发泡剂,制备了孔隙率达到70%的大孔羟基磷灰石。对于发泡法制备大孔羟基磷灰石, 需要对发泡过程进行较复杂的控制，而且得到的大孔孔径分布较宽。另外，由于发泡剂的使用，特别是无机盐类，容易引入杂质（如一些重金属盐或氧化物），将不利于生物陶瓷的实际应用；
2. 造孔剂法: 该方法中采用固体颗粒或纤维等作为造孔剂,添加到陶瓷配料或初坯中,经过挥发、溶解、熔融、分解等过程去除造孔剂，则造孔剂所占空间在陶瓷基体中就形成孔隙。朗美东研究组(Y. Wang等，Improved mechanical properties of hydroxyapatite-poly(caprolactone) scaffolds by surface modification hydroxyapatite, Appl. Surf. Sci. 2010，256，6107–6112)则通过使用NaCl作为造孔剂制备出羟基磷灰石/PCL的大孔复合材料。而江东亮院士研究组(姚秀敏等 ,孔径可控的多孔轻基磷灰石的制备工艺研究, 功能材料与器件学报，2001,6,152-156)则使用PMMA作为造孔剂制备出气孔率介于20-50%的羟基磷灰石。类似发泡法，一方面造孔剂的使用可能导致不必要的杂质的引入；另一方面，大孔ＨＡ的孔径要受到造孔剂尺寸的限制，连通孔的生成过程也需进一步控制；
3. 模板法: 早在1963年，Ｓehwartzwalder (K. Schwartzwalder等 , Method of making porous ceramic articles: USA,30900941[P]1963-05-21.)就发明了有机泡沫浸渍工艺，该工艺通过将陶瓷浆料或者前驱体均匀地涂覆在有机泡沫体的三维网状骨架，经干燥、热处理烧掉有机泡沫以及进一步烧结后，可获得网状大孔陶瓷。比如,翁杰研究组(J. Zhao等, Improving mechanical and biological properties of macroporous HA scaffolds through composite coatings, Colloids Surf. B: Biointerfaces, 2009,74, 159-166)使用聚氨酯海绵为模板制备大孔羟基磷灰石，并研究了其在制备羟基磷灰石复合材料方面的应用[10]。 虽然此法容易得到连通度优异的大孔羟基磷灰石，但是此法也有一个不可避免的缺点，那就是有机泡沫分解后留下的筋孔，对提高大孔羟基磷灰石的力学性能不利。比如，热等静压烧结工艺（80Mpa）相较于常压烧结有利于提高大孔羟基磷灰石的抗压强度，但总体仍然偏低，只有0.23Mpa (J. Zhao, 等, A study on improving mechanical properties of porous HA tissue engineering scaffolds by hot isostatic pressing, Biomed. Mater. 2006, 1, 188-192.)。
基于以上对目前大孔羟基磷灰石制备现状的分析与总结可以看出：目前其制备主要依赖于造孔剂和模板剂的使用，存在容易引入杂质、孔结构控制不灵活等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法，实现对孔径、孔型控制的同时，降低生产成本，简化生产工艺。
实现本发明目的的技术方案是按以下工艺步骤进行：首先配制均匀的粘结剂聚乙烯醇水溶液，使用质量浓度为37%的浓盐酸调节聚乙烯醇水溶液的pH值至4～6后，将羟基磷灰石粉体和聚乙烯醇水溶液按质量比为4~5:16~38混合，形成均匀浆料，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠；将浆料加入到聚丙烯罐中，并按球料比1.5:1加入刚玉小球后密封聚丙烯罐，缓慢混料至均匀；然后均匀振荡或机械搅拌浆料，引入气泡；将振荡均匀的浆料转移到-17oC的容器中，冷冻4~12个小时后，室温或-17oC条件下使用乙醇萃取冷冻后浆料中的水，再对其干燥；最后在空气中完成烧结，烧结温度为1150~1350oC，保温时间为0.5~3h。
所述的粘结剂聚乙烯醇水溶液，采用聚乙烯醇的聚合度为2000,醇解度为99%，溶液浓度为6.0~9.0wt%；或采用聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为99%，溶液浓度为7.0~10.0wt%；
所述的羟基磷灰石粉体的颗粒尺寸为80~200nm；
上述萃取所使用的是无水乙醇或工业乙醇，萃取时间为4~12小时，萃取过程重复1~3次；
所述的表面活性剂十二烷基硫酸钠的加入量为浆料总重量的0～3‰。
与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
（l）本法采用聚乙烯醇作为粘结剂，对振荡引入的气泡具有较长时间的稳定作用；其冷冻凝胶特性则在固定气泡方面发挥了作用，使得不用很苛刻的冷冻条件即可实现凝胶；
比如：采用液氮冷却，虽然冷却速度快，但缺点是在成本提高的同时，样品尺寸受限，孔径较小，且孔的联通度不尽理想等；
（2）在中性条件下， 由于聚乙烯醇与羟基磷灰石的强作用力，导致絮凝的发生；加入浓盐酸将聚乙烯醇水溶液的pH值从7调至4-6区间，即可有效地避免絮凝的产生，有利于形成均匀的浆料；
（3）采用乙醇萃取样品中水，无需使用昂贵的冷冻干燥设备和较长的干燥时间即可实现孔结构的保持与样品的干燥。这使得此法易组织生产，而且萃取后的乙醇及水的混合物可以经过简单的蒸馏后重新利用；
（4）由于聚乙烯醇很容易获得，并且除烧结过程，制备路径外不涉及复杂的化学反应和牺牲性的模板剂的使用，使得本发明易组织生产，成本较低；
（5）表面活性剂十二烷基硫酸钠的乳化作用可以方便地降低大孔孔径；
（6）采用机械搅拌的方法可以增大大孔孔径；
（7）整个反应过程不涉及成孔剂，模板剂或发泡剂的使用，降低了成本,简化了工序；
（8）除烧结过程外，制备过程中不涉及复杂的化学反应，易于控制。
附图说明
图1为实施例1制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜放大100倍的照片；
图2为实施例1制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜放大3000倍的照片；
图3为实施例2制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜照片；
图4为实施例2制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的激光共聚焦照片；
图5为实施例3制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜照片；
图6为实施例4制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜放大50倍的照片；
图7为实施例4制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜放大200倍的照片；
图8为实施例4制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜放大1000倍的照片；
图9为实施例5制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜照片(x50)；
图10为实施例5制备的大孔羟基磷灰石陶瓷的扫描电镜照片(x200)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。
实施例1：采用浓度为6.75wt%的聚乙烯醇2099(聚合度为2000,醇解度为99%)的均匀水溶液作为粘结剂，使用浓盐酸(37%,质量分数)调节聚乙烯醇的pH值至6后,将羟基磷灰石，粒径为100纳米的粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比为4:22加入到聚丙烯罐中，不加表面活性剂十二烷基硫酸钠；按球料比球料比为1.5:1加入刚玉小球，密封，缓慢混料至均匀，再振荡0.5小时，振荡均匀后的浆料转移至事先冷却至-17oC的容器中，放入冷冻室继续冷冻9个小时。将冷冻后的样品直接转移至无水或工业乙醇中萃取出样品中的水，萃取时间为5小时，此萃取过程再重复一次，然后取出样品放入80oC的烘箱中干燥4小时，最后在空气中进行烧结，烧结温度为1250oC，保温时间为2h；
由图1，图2可知，本实施例制备大孔羟基磷灰石陶瓷的大孔孔径为80～110μm。在烧结后，羟基磷灰石细颗粒已经通过烧结连接起来，XRD结果证明没有杂质峰的出现。
实施例2：制备过程同实例1，不同之处是羟基磷灰石，粒径为100纳米粉体与聚乙烯醇水溶液按质量比为4.5:22混合；
由图3可知，本实施例制备大孔羟基磷灰石陶瓷的大孔孔径为120μm，当聚乙烯醇含量一定时，羟基磷灰石量的增多引起孔径增加，连通性较好；图4的激光共聚焦光学照片清晰显示了大孔之间的联通孔孔径为30～70μm。
实施例3：制备过程同实例1不同之处是在振荡0.5小时后,再进行机械搅拌10分钟,转速为1200rpm。
由图5可知，本实施例制备大孔羟基磷灰石陶瓷的大孔孔径为150-200μm，当羟基磷灰石含量一定时，聚乙烯醇的增多使得孔径尺寸逐渐增大孔壁逐渐变薄，连通性较好。
实施例4：制备过程同实例1，不同之处是在形成的均匀浆料中加入重量为0.8‰的表面活性剂十二烷基硫酸钠；
由图6，图7，图8可知，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠的量为浆料总重量的0.8‰可以显著降低孔径，从100μm 降到30μm，大孔之间通过大量的小孔相连。
实施例5：制备过程同实例1，不同之处是在形成的均匀浆料中加入重量为1.6‰的表面活性剂十二烷基硫酸钠；
由图9，图10可知，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠的量为浆料总重量的1.6‰可以进一步降低孔径，得到约20μm的大孔羟基磷灰石陶瓷。
实施例6：制备过程同实例1,不同之处是羟基磷灰石，粒径为100纳米粉体与粘结剂聚乙烯水溶液按质量比为4:38混合；
实施例7：制备过程同实例1,不同之处是羟基磷灰石，粒径约100纳米粉体与粘结剂聚乙烯水溶液按质量比为5:38混合；
实施例8：制备过程同实例1,不同之处是羟基磷灰石，粒径约100纳米粉体与粘结剂聚乙烯水溶液按质量比为5:16混合；
实施例9：制备过程同实例1,不同之处是所用羟基磷灰石粒径为80纳米；
实施例10：制备过程同实例1,不同之处是所用羟基磷灰石粒径为200纳米；
实施例11：制备过程同实例1,不同之处是所用聚乙烯醇为聚合度为2000,醇解度为99%,水溶液浓度为6wt%；
实施例12：制备过程同实例1,不同之处是所用聚乙烯醇为聚合度为2000,醇解度为99%,水溶液浓度为9wt%；
实施例13：制备过程同实例1,不同之处是所用聚乙烯醇为聚合度为1799,醇解度为99%,水溶液浓度为7wt%；
实施例14：制备过程同实例1,不同之处是所用聚乙烯醇为聚合度为1799,醇解度为99%,水溶液浓度为8.5wt%；
实施例15：制备过程同实例1,不同之处是所用聚乙烯醇为聚合度为1799,醇解度为99%,水溶液浓度为10wt%；
实施例16：制备过程同实例1,不同之处是烧结温度为1150oC, 保温2h；
实施例17：制备过程同实例1,不同之处是烧结温度为1350oC, 保温2h；
实施例18：制备过程同实例1,不同之处是烧结温度为1250oC, 保温0.5h；
实施例19：制备过程同实例1,不同之处是烧结温度为1250oC, 保温3h；
实施例20：制备过程同实例1,不同之处是乙醇的萃取过程共进行了3次；
实施例21：制备过程同实例1,不同之处是将振动均匀浆料转移到-17oC容器中，冷冻4小时；
实施例22：制备过程同实例1,不同之处是将振动均匀浆料转移到-17oC容器中，冷冻12小时；
实施例23：制备过程同实例1,不同之处是乙醇的萃取过程是在冷冻后的乙醇中进行的；
实施例24：制备过程同实例1, 不同之处是乙醇的萃取过程是在室温解冻后再在室温下进行的；
实施例25：制备过程同实例1,不同之处是在形成的均匀浆料中加入重量为3‰的十二烷基硫酸钠；
实施例26：制备过程同实例1,不同之处是将所用的聚乙烯醇2099的均匀水溶液的pH值采用浓盐酸（37%质量分数）调节到4；
综上可见，通过本发明能够成功制备出大孔羟基磷灰石陶瓷，并且通过调整羟基磷灰石粉及聚乙烯醇的用量，以及表面活性剂的使用实现孔结构的连通性和孔径的控制，此方法简单，可靠，不需要使用模板剂等，制备过程不涉及化学反应，具有良好的应用前景。
Claims (2)
1.一种三维互联大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：
首先配制均匀的聚乙烯醇水溶液，使用质量浓度为37%的浓盐酸调节聚乙烯醇水溶液的pH值至4～6后，将颗粒尺寸为80~200nm的羟基磷灰石粉体和聚乙烯醇水溶液按质量比为4~5:16~38混合，形成均匀浆料，加入表面活性剂十二烷基硫酸钠，表面活性剂十二烷基硫酸钠的加入量为浆料总重量的0～3‰；将浆料加入到聚丙烯罐中，并按球料比1.5:1加入刚玉小球后密封聚丙烯罐，缓慢混料至均匀；然后均匀振荡浆料，引入气泡；将振荡均匀的浆料转移到-17oC的容器中，冷冻4~12个小时后，室温或-17 oC条件下使用乙醇萃取冷冻后浆料中的水，萃取所使用的乙醇是无水乙醇或工业乙醇，萃取时间为4~12小时，萃取过程重复1~3次；再对其干燥；最后在空气中完成烧结，烧结温度为1150~1350oC，保温时间为0.5~3h。
2.根据权利要求1所述的三维互联大孔羟基磷灰石陶瓷的制备方法，其特征在于所述的聚乙烯醇水溶液，采用聚乙烯醇的聚合度为2000，醇解度为99%，溶液浓度为6.0~9.0wt%，或采用聚乙烯醇的聚合度为1700，醇解度为99%，溶液浓度为7.0~10.0wt%。
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