CN102424581A - 用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于医用材料技术领域，公开了一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷及其制备方法，该方法是先采用超声喷雾法和低温球磨技术制备晶粒尺寸为10～50nm的纳米羟基磷灰石粉体，然后在50～100MPa下将粉体压制成素坯，在氮气或空气气氛下将素坯烧结，烧结时压力为120～150MPa，温度800℃～1000℃，烧结10～60min。该方法制备的羟基磷灰石生物陶瓷多呈透明致密状，且抗弯强度为120～150MPa，晶粒尺寸在100nm以下。本发明的生物陶瓷与传统工艺相比，强度显著提高，力学性能良好，可加工成承重部位的骨连接修复材料，如固定螺丝、连接板和连接销钉等。

Description

用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷及其制备方法

技术领域

本发明属于医用材料技术领域，涉及一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷及其制备，是一种用于承重部位骨连接和修复(如骨板、骨钉)的高强度羟基磷灰石生物陶瓷及其制备方法。

背景技术

骨创伤是外科临床的常见疾病，在我国，由各种原因引起的骨损伤、脊柱融合、骨囊肿等患者每天高达一千万余例，据有关资料显示，我国每年大约有350万人因交通事故出现不同程度的骨缺损，而随着我国经济的高速增长，人们生活质量大幅提高，对健康的要求和关注程度也越来越高；人口老龄化加快；交通工具，例如汽车的大量增加，导致交通事故不断增加等，我国骨移植手术还会不断增加。

从临床上来看，大量的金属类器械已广泛应用到骨科内固定手术中，金属类连接固定材料尽管能够保证足够的机械强度和稳定性，但由于金属类材料强度远高于人体骨的强度，一旦植入人体，产生应力遮挡效应，会导致植入部位发生骨质疏松、骨萎缩、植入部位塌陷等并发症以及离子溶出，可能需要二次手术，给病人造成身心痛苦。

而人工骨生物材料将是未来骨科器械的发展方向。目前临床可供使用的可吸收骨折内固定材料主要是聚乳酸类材料，如：聚己内酯、左旋聚乳酸共聚物等，该类材料就初始强度而言，基本满足临床要求，但其降解过快，易引发无菌性炎症等。

羟基磷灰石与骨组织的主要无机成分相似，高达50％的骨骼都是由均匀成分的无机羟基磷灰石构成，因此具有很好的生物相容性和骨诱导性，植入人体后能与骨组织形成良好的骨性结合。但是，传统的羟基磷灰石陶瓷的机械强度较差，抗弯强度远低于人体致密骨，断裂韧性低，因此应用只限于非承重部位。氧化锆增韧羟基磷灰石复合材料的抗折强度比纯羟基磷灰石陶瓷高，具有一定的生物相容性，但仍然不能超过人体致密骨，不能用于制备人体承重骨。申请号为200710113907.9的中国专利申请公开了一种“羟基磷灰石/透辉石复合生物陶瓷材料及其制备工艺”，采用球磨混合羟基磷灰石和透辉石来制备混合粉体，然后在氮气气氛下热压烧结制得抗弯强度为90MPa，断裂韧性为1.07MPa.m^1/2的致密陶瓷，但是由于羟基磷灰石和透辉石二者的球磨均匀性差，使烧结所需温度高，制备工艺复杂，成本高。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法。

本发明的又一目的在于提供一种由上述方法制备的用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷。

本发明通过以下技术方案实现：一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)制备粉体：制备晶粒尺寸为10～50nm的纳米羟基磷灰石粉体，具体包括以下步骤：分别配制Ca/P的摩尔浓度比为1.67的Ca(NO₃)₂溶液和(NH₄)₂HPO₄溶液，用氨水分别调节溶液pH至10.5～11.8；取相同体积的Ca(NO₃)₂溶液和(NH₄)₂HPO₄溶液，前者置于带搅拌装置的反应瓶中，后者置于容器中；开启搅拌，用蠕动泵将(NH₄)₂HPO₄溶液按30～150ml/min的流量输送入开启的超声喷雾器中制成雾状后通入Ca(NO₃)₂溶液中进行反应，同时向反应瓶中滴加氨水，使反应液pH维持在10.5～11.8；(NH₄)₂HPO₄溶液加完后反应结束，将反应液静置后移除上层清液，清洗下层沉淀，离心分离后将沉淀冷冻干燥；将冷冻干燥后的粉体进行低温球磨，球料质量比为20∶1～40∶1，罐内温度为-190～-116℃，主轴转速为100～200r/min，球磨5～60min；将球磨后的粉体煅烧，得到晶粒尺寸为10～50nm的纳米羟基磷灰石粉体；

(2)制备素坯：在50～100MPa下将步骤(1)制备的纳米羟基磷灰石粉体压制成素坯；

(3)烧结：将素坯烧结，烧结压力为120～150MPa，温度为800℃～1000℃，恒温恒压烧结10～60min。

为了更好地实现本发明，所述步骤(1)中的溶液使用去离子水配制；所述搅拌速率为500～1000r/min；所述氨水的质量浓度为15％～25％；所述静置的时间为8～30h；所述冷冻干燥的条件为干燥时间8～16h，干燥温度-62～-55℃；所述低温球磨使用的磨罐和磨球材料为氧化锆；球磨是在液氮和无水乙醇环境下进行，即在球磨罐中加入无水乙醇，并通过倒入液氮来控制温度；所述煅烧的时间为1～3h，温度为550～700℃。

所述步骤(3)中的烧结是采用热压烧结或热等静压烧结。

所述步骤(3)中烧结是在氮气或空气气氛下进行。

一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷就是通过上述制备方法制备的。该生物陶瓷呈致密透明状，抗弯强度为120～150MPa，断裂韧性为1.07～1.67MPa·m^1/2，晶粒尺寸在100nm以下。

本发明的原理是：传统的湿法制备的纳米羟基磷灰石易团聚，添加高分子分散剂可以改善粉体的分散性和均匀性，但容易留有残余导致HAP粉体纯度不够；常温球磨(干磨和湿磨)过程中，磨球、罐壁和粉体之间强烈的相互作用会伴随大量热量的放出，并且局部温度可能升得很高，这将提高材料原子扩散和位错活动的动力，发生动态回复，从而不利于晶粒细化。本发明采用的工艺中未添加任何分散剂和有机矿化剂，可得到安全无毒、纯度高的羟基磷灰石粉体；采用的低温球磨技术，由于温度很低，球磨过程中放出的热量得到有效的吸收，原子扩散和位错活动的能力得到抑制，使得晶粒易于细化；本发明采用的超声喷雾和低温球磨技术显著促进了粉体粒度的均匀化和纳米化。同时，采用独特的热压烧结技术能够控制晶粒生长并且快速致密，保持了原有纳米羟基磷灰石粉体的热学、物化特性以及生物活性，制备的羟基磷灰石生物陶瓷具有小于100nm微晶粒(以保持生物活性)、高致密(拥有较强的机械强度)的特性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明制备的纳米羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，增强了机械强度，尤其是抗弯强度和断裂韧性，抗弯强度为120～150MPa，断裂韧性为1.07～1.67MPa·m^1/2，克服了传统工艺制备的多孔羟基磷灰石生物陶瓷机械强度差，脆性大的不足，而人体正常骨的抗弯强度是50～80MPa，断裂韧性为1～2MPa·m^1/2，因此本发明的生物陶瓷可作为承重部位的骨连接及骨修复材料；

2、本发明采用了热(等静)压烧结工艺，降低烧结温度，使制备的纳米羟基磷灰石生物陶瓷保持原有纳米羟基磷灰石粉体的热学、物化特性以及生物活性；

3、本发明的制备工艺简单，可批量生产，产品可以加工成骨连接修复材料，如：骨板、骨钉等，避免了采用金属等传统金属类连接固定材料时的应力遮挡效应和金属碎屑问题，无需二次手术取出；

4、本发明的产品具有很好的生物相容性和骨诱导性，植入人体后能与骨组织形成良好的骨性结合，且降解速度适宜，避免了使用聚乳酸类材料会引发无菌性炎症的问题。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)采用超声喷雾法制备纳米羟基磷灰石粉体，步骤如下：按照Ca/P＝1.67的摩尔浓度比例，用去离子水分别配置0.167mol/L的Ca(NO₃)₂溶液和0.1mol/L的(NH₄)₂HPO₄溶液，用质量含量为20％的氨水分别调节溶液的pH为11.5；量取一定体积的Ca(NO₃)₂溶液置于反应罐中，量取相同体积的(NH₄)₂HPO₄溶液置于磨口瓶中，用蠕动泵将(NH₄)₂HPO₄溶液抽入超声喷雾器中，开启超声波发生器，将(NH₄)₂HPO₄以雾状形式喷入Ca(NO₃)₂溶液中，蠕动泵的输液流量为70ml/min，搅拌速率为550r/min，同时滴加氨水以保持溶液的pH为11.5，反应结束后静置24h，抽取上层清液，对下层沉淀物进行清洗，离心分离后在-58℃冷冻干燥12h；对冷冻干燥后的粉体进行低温球磨，将粉体置于球磨机中，液氮环境下球磨5min，主轴转速为150r/min，球磨罐和磨球材料为氧化锆，球料质量比为20∶1，罐内温度为-190℃；将低温球磨后的粉体于550℃下煅烧2.5h，即得白色的纳米羟基磷灰石粉体，所得粉体晶粒尺寸为50nm；

(2)将粉体装入合金模具中，在80MPa下压制成素坯；

(3)然后在氮气气氛下热压烧结，烧结压力为120MPa，烧结温度950℃，恒温恒压烧结20min。

制得的羟基磷灰石生物陶瓷表面呈透明玻璃般透明，密度为3.102g/cm³，晶粒尺寸小于80nm，抗弯强度130MPa，断裂韧性为1.45MPa·m^1/2。

实施例2

(1)采用超声喷雾法制备纳米羟基磷灰石粉体，步骤如下：按照Ca/P＝1.67的摩尔浓度比，用去离子水分别配置0.167mol/L的Ca(NO₃)₂溶液和0.1mol/L的(NH₄)₂HPO₄溶液，用质量含量为25％的氨水分别调节溶液的pH为11.7；量取一定体积的Ca(NO₃)₂溶液置于反应罐中，然后量取相同体积的(NH₄)₂HPO₄溶液置于磨口瓶中，用蠕动泵将(NH₄)₂HPO₄溶液抽入超声喷雾器中，开启超声波发生器，将(NH₄)₂HPO₄以雾状形式喷入Ca(NO₃)₂溶液中，蠕动泵的输液流量为30ml/min，搅拌速率为700r/min，滴加氨水保持溶液的pH为11.7，反应结束后静置30h，抽取上层清液，对下层沉淀物进行清洗，离心分离后在-58℃冷冻干燥16h；对冷冻干燥后的粉体进行低温球磨，将粉体置于球磨机中，液氮环境下球磨30min，主轴转速为200r/min，球磨罐和磨球材料为氧化锆，球料质量比为30∶1，罐内温度为-190℃；将低温球磨后的粉体于600℃下煅烧2h，即得白色的纳米羟基磷灰石粉体，所得粉体晶粒尺寸为10nm；

(2)将粉体装入合金模具中，在100MPa下压制成素坯；

(3)然后在氮气气氛下热等静压烧结，烧结压力为150MPa，烧结温度900℃，恒温恒压烧结60min。

制得的羟基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度为3.145g/cm³，晶粒尺寸小于30nm，抗弯强度150MPa，断裂韧性为1.67MPa·m^1/2。

实施例3

(1)采用超声喷雾法制备纳米羟基磷灰石粉体，步骤如下：按照Ca/P＝1.67的摩尔浓度比，用去离子水分别配置0.167mol/L的Ca(NO₃)₂溶液和0.1mol/L的(NH₄)₂HPO₄溶液，用质量含量为20％的氨水分别调节溶液的pH为10.5；量取一定体积的Ca(NO₃)₂溶液置于反应罐中，然后量取相同体积的(NH₄)₂HPO₄溶液置于磨口瓶中，用蠕动泵将(NH₄)₂HPO₄溶液抽入超声喷雾器中，开启超声波发生器，将(NH₄)₂HPO₄以雾状形式喷入Ca(NO₃)₂溶液中，蠕动泵的输液流量为150ml/min，搅拌速率为1000r/min，滴加氨水保持溶液的pH为10.5，反应结束后静置16h，抽取上层清液，对下层沉淀物进行清洗，离心分离后在-62℃冷冻干燥8h；对冷冻干燥后的粉体进行低温球磨，将粉体置于球磨机中，液氮和无水乙醇环境下球磨60min，主轴转速为100r/min，球磨罐和磨球材料为氧化锆，球料质量比为40∶1，罐内温度为-116℃；将低温球磨后的粉体于700℃下煅烧3h，即可得到白色的纳米羟基磷灰石粉体，所得粉体晶粒尺寸为50nm；

(2)将粉体装入合金模具中，在50MPa下压制成素坯；

(3)然后在空气气氛下热压烧结，烧结压力为130MPa，烧结温度800℃，恒温恒压烧结10min。

制得的羟基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度为3.10g/cm³，晶粒尺寸小于100nm，抗弯强度120MPa，断裂韧性为1.07MPa·m^1/2。

实施例4

(1)采用超声喷雾法制备纳米羟基磷灰石粉体，步骤同实施例1，所得粉体晶粒尺寸为35nm；

(2)将粉体装入合金模具中，在60MPa下压制成素坯；

(3)然后在空气气氛下热压烧结，烧结压力为130MPa，烧结温度900℃，恒温恒压烧结30min。

制得的羟基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度为3.115g/cm³，晶粒尺寸小于100nm，抗弯强度128MPa，断裂韧性为1.12MPa·m^1/2。

实施例5

(1)采用超声喷雾法制备纳米羟基磷灰石粉体，步骤同实施例2，所得粉体晶粒尺寸为10nm；

(2)将粉体装入合金模具中，在100MPa下压制成素坯；

(3)然后在氮气气氛下热压烧结，烧结压力为150MPa，烧结温度1000℃，恒温恒压烧结60min。

制得的羟基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度为3.121g/cm³，晶粒尺寸小于100nm，抗弯强度137MPa，断裂韧性为1.53MPa·m^1/2。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式不受上述实施例限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)制备粉体：制备晶粒尺寸为10～50nm的纳米羟基磷灰石粉体，具体包括以下步骤：分别配制Ca/P的摩尔浓度比为1.67的Ca(NO₃)₂溶液和(NH₄)₂HPO₄溶液，用氨水分别调节pH至10.5～11.8；取相同体积的Ca(NO₃)₂溶液和(NH₄)₂HPO₄溶液，前者置于带有搅拌装置的反应瓶中，后者置于容器中；开启搅拌，用蠕动泵将(NH₄)₂HPO₄溶液按30～150ml/min的流量输送入开启的超声喷雾器中制成雾状后通入Ca(NO₃)₂溶液中进行反应，同时向反应瓶中滴加氨水，使反应液pH维持在10.5～11.8；(NH₄)₂HPO₄溶液加完后反应结束，将反应液静置后移除上层清液，清洗下层沉淀，离心分离后冷冻干燥；将冷冻干燥得到的粉体进行低温球磨，球料质量比为20∶1～40∶1，罐内温度为-190～-116℃，主轴转速为100～200r/min，球磨5～60min；将球磨后的粉体煅烧，得到晶粒尺寸为10～50nm的纳米羟基磷灰石粉体；

(2)制备素坯：在50～100MPa下将步骤(1)制得的纳米羟基磷灰石粉体压制成素坯；

(3)烧结：将素坯烧结，烧结压力为120～150MPa，温度为800℃～1000℃，恒温恒压烧结10～60min。

2.根据权利要求1所述的一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的溶液使用去离子水配制；所述搅拌速率为500～1000r/min；所述氨水的质量浓度均为15％～25％；所述静置的时间为8～30h；所述冷冻干燥的条件为干燥时间8～16h，干燥温度-62～-55℃。

3.根据权利要求1所述的一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中低温球磨使用的磨罐和磨球材料为氧化锆；所述球磨是在液氮和无水乙醇环境下进行；所述煅烧的时间为1～3h，温度为550～700℃。

4.根据权利要求1所述的一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的烧结工艺是热压烧结或热等静压烧结。

5.根据权利要求1所述的一种用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中烧结在氮气或空气气氛下进行。

6.根据权利要求1～5任一项所述的方法制备的用于骨连接及骨修复的羟基磷灰石生物陶瓷，其特征在于：该生物陶瓷的抗弯强度为120～150MPa，断裂韧性为1.07～1.67MPa·m^1/2，晶粒尺寸在100nm以下。