CN103656752B - 利用石墨烯强韧化生物陶瓷材料及其人工骨的制备方法 - Google Patents
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Abstract
针对生物活性陶瓷存在强度低、韧性差的问题，本发明提供了一种利用石墨烯强韧化生物活性陶瓷材料，并采用选择性激光烧结技术(Selective laser sintering，SLS)制备石墨烯/生物陶瓷人工骨的方法，其优点在于：将石墨烯作为纳米增强相添加到生物活性陶瓷(羟基磷灰石、磷酸钙、生物玻璃、硅酸钙等)中，利用石墨烯优异的力学性能大幅度提高陶瓷的强度和韧性；将选择性激光烧结技术应用到石墨烯/生物陶瓷人工骨的制备过程，利用激光快速加热与冷却的特点能够将烧结时间缩短到秒级甚至是毫秒级，从而避免长时间的高温作用对石墨烯带来的结构损伤。本发明涉及一种石墨烯强韧化陶瓷材料的方法，对于生物活性陶瓷在人体承重部位的应用具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明面向仿生制造科学领域，特别是在仿生陶瓷人工骨的制备过程中，提供了一种利用石墨烯强韧化生物活性陶瓷材料，并采用选择性激光烧结技术(Selective lasersintering，SLS)制备石墨烯/生物陶瓷人工骨的方法，从而有望将生物活性陶瓷的应用范围扩大到人体承重部位的骨修复和替换。
技术背景
生物活性陶瓷主要包括羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)、磷酸三钙(Tricalcium phosphate，TCP)、生物活性玻璃(Bioactive glass，BG)以及硅酸钙(Calciumsilicate，CS)等，由于具有优良的生物活性、生物相容性、骨传导甚至骨诱导作用，能够在生理环境中逐步降解和吸收，在骨组织工程领域展现出了极为广阔的发展前景。但生物陶瓷材料本身强度低、韧性差，对缺陷十分敏感，导致其使用可靠性和可重复性差，不能在人体承重部位单独使用。因此，寻求一种有效的方法解决陶瓷脆性大、韧性不足的问题，成为骨组织工程领域的研究重点与热点。
石墨烯(Graphene，GNs)是由碳原子紧密堆积成单层二维结构的炭质材料，断裂强度和杨氏模量分别达到130GPa和1100GPa，被认为是目前世界上发现的强度最高的材料，同时还具有超大的比表面积2630m2/g和高度的化学稳定性等。这些优异的力学、理化性能和固有的生物相容性使得GNs在作为纳米添加相改进生物材料的性能方面展现了巨大的潜力。另外，石墨烯能够抑制无机陶瓷晶粒的长大，从而大幅提高陶瓷材料的抗弯强度。因此，将石墨烯作为第二相添加到生物活性陶瓷中，有望起到很好的增强和增韧作用。
目前关于石墨烯纳米增强材料的大部分工作集中于聚合物基质上，在陶瓷韧化方面仅有美国亚利桑那大学对石墨烯增强氮化硅陶瓷韧性进行了初步研究，迄今还没有利用石墨烯增强生物活性陶瓷机械性能的报告。这主要是由于石墨烯的热稳定性大约为＜600℃，而生物陶瓷通常在＞1000℃时才开始烧结并致密化，使得长达数小时的传统烧结工艺很难将石墨烯作为纳米添加相复合到生物陶瓷中。选择性激光烧结是一种以激光作为热源来烧结粉末材料成型的先进快速成型技术。激光快速加热与冷却的特点能够将传统的数小时烧结时间缩短到秒级甚至是毫秒级，从而避免长时间的高温烧结对石墨烯带来的结构损伤。
综上所述，在选择性激光烧结制备人工骨过程中，利用石墨烯作为纳米相添加到生物活性陶瓷中，有望大幅度增强陶瓷的韧性和强度，这对于生物活性陶瓷在人体承重部位的应用具有重要的意义。
发明内容
针对生物活性陶瓷存在强度低、韧性差的问题，本发明提出了一种利用石墨烯强韧化陶瓷材料，并采用选择性激光烧结制备石墨烯/生物陶瓷人工骨的方法，从而使其强度和韧性满足人体承重部位的骨修复和替换要求。
本发明中利用选择性激光烧结制备石墨烯增强生物陶瓷人工骨的方法，主要包括以下步骤：
(1)原料制备：利用电子天平按比例称量一定量的生物活性陶瓷粉末和石墨烯粉末，利用机械混合法研磨30min后获得均匀混合的原始粉末，其中石墨烯的质量分数为0-5wt％。
(2)激光烧结：在成型缸的工作平台上均匀的铺设一层混合粉末，粉层厚度为0.1-0.2mm，根据人工骨二维截面信息控制激光束有选择的扫描烧结粉末，通过层层叠加技术获得三维人工骨。
(3)清粉处理：工作平台下降一定的高度，将人工骨从成型缸中取出并利用毛刷和气枪等设备去除未烧结的混合粉末后，得到具有多孔结构的石墨烯/生物活性陶瓷人工骨。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)将石墨烯作为纳米相添加到生物活性陶瓷中，利用石墨烯优异的力学性能大幅度提高陶瓷的强度和韧性，从而扩展其在人体承重部位的应用。
(2)将选择性激光烧结技术应用到石墨烯/生物陶瓷人工骨的制备过程。激光快速加热与冷却的特点能够将烧结时间缩短到秒级甚至是毫秒级，从而避免长时间的高温作用对石墨烯带来的结构损伤。
(3)涉及一种石墨烯强韧化陶瓷材料的方法，该方法的制备工艺简单、产品性能良好、适用范围广泛。
附图说明
图1是SLS技术制备石墨烯/生物陶瓷人工骨的原理图。
图2是利用SLS制备得到的石墨烯/生物陶瓷人工骨。
具体实施方式
下面通过一个实例对本发明的具体实施方式进行阐述：
采用单层石墨烯和β-磷酸三钙(β-TCP)陶瓷粉末为原料，其中单层石墨烯(JCG-2，南京吉仓纳米科技有限公司)直径为0.8～3μm，厚度为0.8～1.2nm，纯度99.8％；β-TCP(昆山华侨科技新材料有限公司)钙磷比为1.50±0.03，平均粒径200nm，纯度98％。采用机械混合的方法研磨30min后获得均匀混合的石墨烯/β-TCP混合粉末，其中石墨烯质量分数为1wt％。利用自行开发的选择性激光烧结系统，在激光功率10W、扫描速度100mm/min、光斑直径1mm、铺粉厚度0.2mm的工艺条件下进行石墨烯/β-TCP混合粉末的烧结成型。烧结完成后将人工骨从成型缸中取出并利用毛刷和气枪去除未烧结的混合粉末，得到具有多孔结构的石墨烯/β-TCP陶瓷人工骨。
对石墨烯/β-TCP陶瓷人工骨进行力学性能测试，发现添加1wt％石墨烯制备得到的陶瓷人工骨的压缩强度和断裂韧性得到明显提高，满足人体密质骨的性能要求。研究结果证实了本发明能够利用石墨烯强韧化陶瓷材料，同时采用选择性激光烧结技术制备得到石墨烯/生物陶瓷人工骨，从而为生物活性陶瓷在人体承重部位的应用提供了有效的解决方法。
Claims (1)
1.一种利用选择性激光烧结制备石墨烯增强生物陶瓷人工骨的方法，主要包括以下步骤：
(1)原料制备：利用电子天平按比例称量一定量的生物活性陶瓷粉末和石墨烯粉末，利用机械混合法研磨30min后获得均匀混合的原始粉末，其中石墨烯的质量分数为1-5wt％；
(2)激光烧结：在成型缸的工作平台上均匀的铺设一层混合的原始粉末，铺粉厚度为0.1-0.2mm，根据人工骨二维截面信息控制激光束有选择的扫描烧结粉末，通过层层叠加技术获得三维人工骨；
(3)清粉处理：工作平台下降一定的高度，将人工骨从成型缸中取出并利用毛刷和气枪去除未烧结的混合粉末后，得到具有多孔结构的石墨烯/生物活性陶瓷人工骨。
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