CN105481466A - 一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物医用材料领域，具体公开了一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：在模具内均匀涂上脱模剂后将磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中，加热固化，脱模，然后将制得的陶瓷坯体干燥、烧结，得到所述ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料；其中所述的磷酸钙生物陶瓷浆料主要由5～30质量份ZrO2粉体与95～70质量份磷酸钙生物陶瓷的混合粉体制得，该浆料的固相含量高、粘度低，通过特定的处理方法可以控制浆料和制品的孔隙率。本发明通过凝胶注模成型，利用微米级ZrO2的相变增韧和微裂纹增韧作用，可以制备具有不同孔隙率和力学强度的多孔材料，扩大生物陶瓷在生物医学领域的应用范围。

Description

一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，具体涉及一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用。
背景技术
现代社会中，由于各种原因造成的骨缺损，特别是大节段骨缺损已经成为世界性难题，而骨组织工程的提出和应用是解决这一难题的有效办法。磷酸钙生物陶瓷材料作为人体硬组织的重要组成部分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以和骨组织形成化学结合，是骨组织工程支架的理想材料。但多孔材料的孔隙率达到应用要求时会严重影响材料的力学性能，而且陶瓷本身属于脆性材料，限制了其在骨修复中的应用。
通过复合/添加增韧相是提高多孔材料的力学性能和韧性的有效方法，常用的增韧相有纳米级的增强粒或晶须。专利CN1256153C通过在羟基磷灰石中掺入纳米氧化锆颗粒，使用泡沫浸渍的方法，制备了一种可用于体外细胞培养、药物释放载体和骨修复的支架材料，但是该支架的生物活性和力学性能不能完美结合。专利CN102517636A将发明的原位生长的纳米羟基磷灰石(nHA)晶须与生物玻璃混合，通过聚氨酯泡沫浸渍法制备了nHA晶须增韧的多孔陶瓷材料，这种支架材料的孔隙率和孔隙分布取决于泡沫的结构。专利CN203777373U使用双氧水发泡法制备了微孔磷酸钙陶瓷，支架材料烧结后置于酸性环境下水热处理后，可在支架表面获得微纳米晶须的改性层，提高生物活性，但同时也提高了这种多孔材料的降解速度。
相变增韧也是陶瓷材料增韧的一种方法。专利CN1515519A用Y2O3部分稳定的ZrO2为基体，添加α-Al2O3，利用两者的相变增韧和颗粒弥散增强机理，制备了机械性能优化的陶瓷刀具材料。专利CN102850042A以Al2O3为基体，微米级的亚稳态四方相ZrO2呈弥散分布，通过注塑成型，利用相变增韧、微裂纹增韧和弥散增韧，提高了陶瓷材料的韧性和强度。目前相变增韧这一原理主要应用于惰性陶瓷的制备中，而对于磷酸钙生物活性陶瓷增韧主要是添加纳米级的增强粒、晶须或与其他材料复合。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法。该方法通过凝胶注模成型，利用微米级ZrO2的相变增韧和微裂纹增韧作用，可以制备具有不同孔隙率和力学强度的多孔材料，扩大生物陶瓷在生物医学领域的应用范围。
本发明的另一目的在于提供一种上述制备方法制得的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料。本发明还提供了一种孔隙率可控的磷酸钙生物陶瓷浆料，该浆料的固相含量高、粘度低，通过特定的处理方法可以控制浆料和制品的孔隙率。
本发明的另一目的在于提供上述ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的应用，该材料可应用在骨缺损修复中。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将5～30质量份ZrO2与95～70质量份磷酸钙生物陶瓷组成的混合粉体球磨混合制得陶瓷粉体；将水、保水剂、分散剂、单体和交联剂混合均匀制成溶剂，调节溶剂的pH值；然后在搅拌的条件下向溶剂中分批加入陶瓷粉体制得浆料，再向浆料中加入引发剂和催化剂，最后通过后处理控制浆料和最终样品的孔隙率，制得磷酸钙生物陶瓷浆料；
(2)在无孔金属模具内均匀涂上脱模剂，然后将步骤(1)制得的磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中；再将模具加热固化，最后脱模，得到具有机械支撑的陶瓷坯体；所述机械支撑是指生物陶瓷坯体在脱模、移动的过程中不会发生断裂或有明显的裂纹；
(3)将步骤(2)制得的陶瓷坯体干燥、烧结，得到所述ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料。
步骤(1)中所述的磷酸钙生物陶瓷为羟基磷灰石、β-磷酸三钙和双相磷酸钙中的至少一种。
步骤(1)中所述球磨方式为干法球磨，转速为500～750r/min，球磨时间为10～50min，最终达到的球磨效果是陶瓷粉体的粒径为微米级。
步骤(1)中所述保水剂包括丙二醇、甘油和山梨醇中的至少一种，加入量为水的质量的2～50％。
步骤(1)中所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸三钠、甲基丙烯酰胺或硬脂酸，加入量为陶瓷粉体质量的0.5～2％。
步骤(1)中所述单体为丙烯酰胺，加入量为陶瓷粉体质量的1～6％。
步骤(1)中所述交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，加入量为陶瓷粉体质量的0.2～0.5％。
步骤(1)中所述溶剂的pH值调节为9～11，优选用氨水调节；分批加入陶瓷粉体制得的浆料的固相含量为40～70vol％。
步骤(1)中所述引发剂为过硫酸铵，加入量为陶瓷粉体质量的0.7～1.1％。
步骤(1)中所述催化剂为四甲基乙二胺，加入量为陶瓷粉体质量的0.1～0.4％。
步骤(1)中所述后处理为通过搅拌或添加造孔剂的方法增加样品的孔隙率，通过低速离心、超声震荡和真空除泡的方式降低浆料和样品的孔隙率；
所述造孔剂包括碳酸氢铵、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯微球等中的至少一种。
所述低速离心，是指离心机的转速控制在200～800r/min。
步骤(2)中所述加热固化的温度为30～80℃，时间为30～120min。
步骤(3)中所述陶瓷坯体干燥过程为：先常温干燥24h，然后50℃条件下鼓风干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全。
步骤(3)中所述烧结过程为：先以1～3℃/min的速率升温到300～400℃，保温1～3h；然后以1～3℃/min的速率升温到700～800℃，保温1～3h，最后以2～5℃/min的速率升温到1100～1190℃，保温2～4h；烧结完成后，降温速率为1～3℃/min。
本发明还提供了一种由上述制备方法制得的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料。
上述ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料可作为骨组织修复材料应用于骨缺损修复中。
本发明将凝胶注模成型制备多孔陶瓷与微米级ZrO2烧结过程中的相变增韧和微裂纹增韧结合起来。混合粉体中的ZrO2在高温下由单斜相转化为亚稳态的四方相，陶瓷高温烧结后冷却时，这两种相转变有逆转的倾向，但陶瓷基体的束缚使相转变受到限制，而四方相得以保存，从而提高了陶瓷的韧性。在外力作用下，基体束缚力的消除使ZrO2发生马氏体相变，这种相变导致体积膨胀而诱发的微裂纹可以分散主裂纹的尖端能量，提高断裂能。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明通过对配制的高固相含量浆料的不同后处理，可以控制浆料和制品的孔隙率，对于制备具有特定孔隙率的支架提供理论依据。
(2)本发明利用微米级ZrO2的相变增韧和微裂纹增韧机理，大大的提高了多孔生物陶瓷材料的韧性，扩大了该材料的使用范围。
(3)本发明中使用的ZrO2和磷酸类粉体都属于生物陶瓷，具有良好的生物相容性，可用作骨修复材料。
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
步骤一：磷酸钙生物陶瓷浆料的制备
(1)取普通化学沉淀法合成的类球形β-磷酸三钙(β-TCP)粉体90质量份，市售的不定形的ZrO2粉体10质量份，使用行星球磨机球磨20min(频率为25Hz)，得到混合均匀的微米级陶瓷粉体；
(2)将去离子水和甘油按质量比7:3混合，加入分散剂聚丙烯酸铵(加入量为陶瓷粉体的1.5wt％)、单体丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的3.5wt％)和交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的0.3wt％)，混合均匀制得溶剂；调节溶剂的pH值为9；在高速搅拌的条件下分批添加步骤(1)混合均匀的陶瓷粉体，使浆料的固相含量为55vol％；
(3)向步骤(2)制得的浆料中加入引发剂过硫酸铵和催化剂四甲基乙二胺，加入量分别为陶瓷粉体质量的0.9％和0.2％，并搅拌均匀；为了降低支架的孔隙率，使支架中的气孔皆是由添加剂挥发造成，对搅拌均匀的浆料进行超声震荡和真空除泡处理，得到所述磷酸钙生物陶瓷浆料。
步骤二：多孔生物陶瓷支架坯体的制备
(1)在无孔金属模具内均匀涂一层甲基硅油作为脱模剂，将步骤一制得的磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中，并确保浆料的表面平整，将溢出的浆料擦除干净；
(2)将模具放入鼓风干燥箱中加热固化进行单体聚合，固化温度为50℃，时间为40min，随后自然冷却；
(3)鼓风干燥箱自然冷却至室温后取出模具，并拆除模具得到具有机械支撑的陶瓷支架坯体。
步骤三：陶瓷支架坯体的干燥和烧结
(1)将步骤二脱模后的陶瓷支架坯体先常温干燥24h，然后在50℃条件下鼓风干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉烧结，烧结过程为：首先以2℃/min的速率升温到400℃，保温1h；然后以2℃/min的速率升温到700℃，保温1.5h，最后以4℃/min的速率升温到1180℃，保温3h；烧结完成后，降温速率为2℃/min。
实施例2
步骤一：磷酸钙生物陶瓷浆料的制备
(1)取普通化学沉淀法合成的不定形羟基磷灰石(HA)粉体80质量份，市售的不定形的ZrO2粉体20质量份，使用行星球磨机球磨20min(频率为25Hz)，得到混合均匀的微米级陶瓷粉体；
(2)将去离子水和山梨醇按质量比为1:1混合，加入分散剂柠檬酸三钠(加入量为陶瓷粉体的2wt％)、单体丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的3.0wt％)、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的0.15wt％)，混合均匀制得溶剂；调节溶剂的pH值为10，在高速搅拌的条件下分批添加步骤(1)混合均匀的陶瓷粉体，使浆料的固相含量为60vol％；
(3)向步骤(2)制得的浆料中加入引发剂过硫酸铵和催化剂四甲基乙二胺，加入量分别为陶瓷粉体质量的0.8％和0.2％，并搅拌均匀；为了增加支架的孔隙率，添加碳酸氢铵为造孔剂，并搅拌均匀，得到所述磷酸钙生物陶瓷浆料。
步骤二：多孔生物陶瓷支架坯体的制备
(1)在无孔金属模具内均匀涂一层甲基硅油作为脱模剂，将步骤一制得的磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中，并确保浆料的表面平整，将溢出的浆料擦除干净；
(2)将模具放入鼓风干燥箱中加热固化进行单体聚合，固化温度为40℃，时间为60min，随后自然冷却；
(3)鼓风干燥箱冷却至室温后取出模具，并拆除模具得到具有机械支撑的陶瓷支架坯体。
步骤三：陶瓷支架坯体的干燥和烧结
(1)将步骤二脱模后的陶瓷支架坯体先常温干燥24h，然后在50℃条件下鼓风干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉烧结，烧结过程为：首先以2℃/min的速率升温到300℃，保温2h；然后以2℃/min的速率升温到700℃，保温1.5h，最后以4℃/min的速率升温到1200℃，保温3h；烧结完成后，降温速率为2℃/min。
实施例3
步骤一：磷酸钙生物陶瓷浆料的制备
(1)取普通化学沉淀法合成的不定形β-TCP和HA粉体各45质量份，市售的不定形的ZrO2粉体10质量份，使用行星球磨机球磨30min(频率为25Hz)，得到混合均匀的微米级陶瓷粉体；
(2)将去离子水和丙二醇按质量比为8:2混合，加入分散剂硬脂酸(加入量为陶瓷粉体的2wt％)、单体丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的4.0wt％)、交联剂N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(加入量为陶瓷粉体的0.4wt％)，混合均匀制得溶剂；调节溶剂的pH值为10，在高速搅拌的条件下分批添加步骤(1)混合均匀的陶瓷粉体，使浆料的固相含量为40vol％；
(3)向步骤(2)制得的浆料中加入引发剂过硫酸铵和催化剂四甲基乙二胺，加入量分别为陶瓷粉体质量的1.1％和0.4％，并搅拌均匀；为了增加浆料的固相含量，对浆料进行低速离心(800r/min，2min)，移去部分上清液，使浆料的最终固相含量为70vol％；最后对浆料进行超声震荡和真空除泡处理，得到所述磷酸钙生物陶瓷浆料。
步骤二：多孔生物陶瓷支架坯体的制备
(1)在无孔金属模具内均匀涂一层甲基硅油作为脱模剂，将步骤一制得的磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中，并确保浆料的表面平整，将溢出的浆料擦除干净；
(2)将模具放入鼓风干燥箱中加热固化进行单体聚合，固化温度为50℃，时间为60min，随后自然冷却；
(3)鼓风干燥箱冷却至室温后取出模具，并拆除模具得到具有机械支撑的陶瓷支架坯体。
步骤三：陶瓷支架坯体的干燥和烧结
(1)将步骤二脱模后的陶瓷支架坯体先常温干燥24h，然后在50℃条件下鼓风干燥，每隔4h取出样品称重，直至前后质量不再改变则干燥完全；
(2)使用1400℃高温炉烧结，烧结过程为：首先以2℃/min的速率升温到300℃，保温1.5h；然后以2℃/min的速率升温到700℃，保温1.5h，最后以4℃/min的速率升温到1180℃，保温3h；烧结完成后，降温速率为2℃/min。
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并不受上述实施例的限制，其他的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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将5～30质量份ZrO2与95～70质量份磷酸钙生物陶瓷组成的混合粉体球磨混合制得陶瓷粉体；将水、保水剂、分散剂、单体和交联剂混合均匀制成溶剂，调节溶剂的pH值；然后在搅拌的条件下向溶剂中分批加入陶瓷粉体制得浆料，再向浆料中加入引发剂和催化剂，最后进行后处理，制得磷酸钙生物陶瓷浆料；
(2)在无孔金属模具内均匀涂上脱模剂，然后将步骤(1)制得的磷酸钙生物陶瓷浆料注入模具中；加热固化，最后脱模，得到具有机械支撑的陶瓷坯体；
(3)将步骤(2)制得的陶瓷坯体干燥、烧结，得到所述ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的磷酸钙生物陶瓷为羟基磷灰石、β-磷酸三钙和双相磷酸钙中的至少一种；
所述球磨方式为干法球磨，转速为500～750r/min，球磨时间为10～50min。
3.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述保水剂包括丙二醇、甘油和山梨醇中的至少一种，加入量为水的质量的2～50％；
所述分散剂为聚丙烯酸铵、柠檬酸三钠、甲基丙烯酰胺或硬脂酸，加入量为陶瓷粉体质量的0.5～2％；
所述单体为丙烯酰胺，加入量为陶瓷粉体质量的1～6％；
所述交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺，加入量为陶瓷粉体质量的0.2～0.5％。
4.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂的pH值调节为9～11；分批加入陶瓷粉体制得的浆料的固相含量为40～70vol％。
5.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述引发剂为过硫酸铵，加入量为陶瓷粉体质量的0.7～1.1％；
所述催化剂为四甲基乙二胺，加入量为陶瓷粉体质量的0.1～0.4％；
所述后处理为对浆料进行搅拌、添加造孔剂、200～800r/min低速离心、超声震荡或真空除泡。
6.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述加热固化的温度为30～80℃，时间为30～120min。
7.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述陶瓷坯体干燥过程为：先常温干燥24h，然后50℃条件下鼓风干燥至恒重。
8.根据权利要求1所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述烧结过程为：先以1～3℃/min的速率升温到300～400℃，保温1～3h；然后以1～3℃/min的速率升温到700～800℃，保温1～3h，最后以2～5℃/min的速率升温到1100～1190℃，保温2～4h；烧结完成后以1～3℃/min的速率降温。
9.一种ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料，其特征在于，其由权利要求1至8任一项所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的ZrO2增韧多孔磷酸钙生物陶瓷材料作为骨组织修复材料的应用。
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