CN105603286B - 一种在体内环境中具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在体内环境中具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料制备方法，原料质量百分比为：氧化锆粉(或者氧化铝粉)90％～99％、金属粉1％～10％，原料放入行星式球磨机中湿法混合均匀并干燥后，在1100℃‑1800℃下进行惰性气体保护热压烧结0.5‑3小时即可。制得的陶瓷生物材料其中金属掺杂质量比例在1％‑10％，本发明生物材料在人体内作为摩擦配副(例如人工关节、人工椎间盘等)服役时，由于摩擦磨损及腐蚀，会在摩擦界面形成一层蛋白生物膜，随着摩擦的不断进行，该蛋白生物膜可以转变成石墨层，可有效地降低陶瓷生物材料摩擦、阻止材料的磨损。实现对陶瓷生物材料的磨损修复，使陶瓷生物材料在人体内具有良好的磨损自修复功能。

Description

一种在体内环境中具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料制备 方法
技术领域:
本发明属于生物医学工程及生物医用材料领域，尤其是在体内环境中具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料制备方法。
背景技术：
人工关节置换术是目前治疗骨关节炎等疾病最有效的手段,人工关节在体内服役时间长(10年以上，甚至可能达30年以上)，服役过程中头-臼结构相对摩擦运动可达数千万次，摩擦导致的磨损不仅仅会使头-臼结构尺寸发生改变，最主要的危害是磨损过程中产生各种磨屑会导致炎症反应及假体失效【1.Matevz Topolovec,Andrej C,IngridMilos.Metal-on-metal vs.metal-on-polyethylene total hip arthroplastytribological evaluation of retrieved components and periprosthetictissue.journal of the mechanical behavior of biomedical materials 34(2014)243–252.】。陶瓷材料具有高硬度、良好的耐磨损特性以及生物相容性。为了减少磨屑的产生，研究者开发出了陶瓷-陶瓷(COC)类型摩擦配副的人工关节，已经被成功应用于临床。但是，由于陶瓷材料韧性低，目前临床应用的陶瓷-陶瓷(COC)类型摩擦配副的人工关节，存在着脆性断裂和摩擦噪声大等缺点，这使得陶瓷关节在服役过程中存在较大的隐患(断裂失效)，会给患者的生活质量造成较大影响。
研究者采用各种方法提高陶瓷材料的韧性，其中在陶瓷中掺杂金属元素对陶瓷韧性的提高有显著的促进作用：Ni、Mo、V、W、Fe等金属元素掺杂到氧化铝陶瓷内部后，氧化铝复合陶瓷的韧性明显增强【2.何柏林,熊光耀,缪燕平.金属间化合物/Al2O3陶瓷基复合材料的研究进展.粉末冶金工业.Vo l.18No.3June 2008：31-35；3.张玉军,尹衍升,王德云,等.FeAl/Al2O3陶瓷基复合材料——一种新型刀具材料.机械工程材料,2000,24(2):30-31.】。虽然通过在Al2O3陶瓷中掺杂金属元素能增加Al2O3陶瓷的断裂韧性，但是其摩擦系数依然较大，摩擦噪声并没有减小，应用于人工关节或者人工椎间盘的制造，临床植入后，服役过程中，这些人工器官会产生异响，使患者不适，影响患者的生活质量。
研究发现，摩擦界面在人体内服役时，磨损释放出的金属(Co、Cr、Mo等)能够有效地催化人体生理环境中的蛋白质(球蛋白、白蛋白、糖蛋白等)降解，形成含碳的“蛋白生物膜”【4.Martin EJ,Pourzal R,Mathew MT,Shull KR.Dominant role of molybdenum inthe electrochemical deposition of biological macromolecules on metallicsurfaces.Langmuir:the ACS journal of surfaces and colloids.2013；29:4813-22.】，并且该蛋白生物膜在摩擦力的剪切作用下能转化为石墨润滑层，进而对摩擦界面起到良好的润滑作用，同时这层石墨层能够对摩擦界面起到良好的保护作用，降低材料的腐蚀，减少摩擦产生的噪声。【5.Wimmer MA,Laurent MP,Mathew MT,Nagelli C,Liao Y,Marks LD,etal.The effect of contact load on CoCrMo wear and the formation and retentionof tribofilms.Wear.2015；332-333:643-9.】。
本发明基于金属离子可以促进摩擦界面生物分子的吸附、变性及分解，在摩擦界面形成一层蛋白生物膜，随着摩擦的不断进行，进一步这层蛋白生物膜可以转变成石墨层，提出制备掺杂金属的陶瓷材料。掺杂金属的陶瓷材料在人体内服役(摩擦磨损)过程中，释放出的金属离子可以促进摩擦界面生物分子的吸附、变性及分解，在摩擦界面形成一层蛋白生物膜，随着摩擦的不断进行，进一步这层蛋白生物膜可以转变成石墨层，蛋白生物膜、石墨层可以有效地降低陶瓷生物材料摩擦系数、阻止陶瓷生物材料的磨损，同时形成的蛋白生物膜、石墨层覆盖在陶瓷生物材料的表面，实现对陶瓷生物材料的磨损修复，使陶瓷生物材料具有磨损自修复功能。掺杂金属的陶瓷生物材料应用于制造人工关节、人工椎间盘等人工医疗器械，可以有效地降低人工器官的磨损及摩擦噪声，显著提高人工器官的使用寿命，提高患者生活质量。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在体内环境中具有磨损自修复功能、掺杂金属的陶瓷生物材料制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种在体内环境中具有磨损自修复功能、掺杂金属的陶瓷生物材料制备方法，使掺杂金属元素的陶瓷生物材料在人体内具有磨损自修复功能,包含如下主要制备步骤:
A、原料准备：金属粉、氧化锆粉(或者氧化铝粉)作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉(或者氧化铝粉)90％～99％、金属粉1％～10％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1100℃-1800℃，热压烧结时间为0.5-3小时，热压烧结的压力为20-40MPa，制得在体内具有磨损自修复功能、掺杂金属的陶瓷生物材料，其中金属掺杂质量比例在1％～10％之间，陶瓷致密度达到90％以上。
进一步的，所述的金属粉纯度为99.9％，粒径分布在50nm-10μm之间。金属粉为以下种类任意一种或者多种：铜、银、钴、铬、钼、钽、镍等。
进一步的，所述的氧化锆(或者氧化铝)陶瓷粉末纯度为99.9％，粒径分布在100nm-40μm之间，也可用同样级别的碳化硅、氮化硅等粉末代替。
进一步的，步骤B中向烧结室通入的气体，可以是氩气、氦气等不与材料反应的气体。
采用本发明方法制备具有体内磨损自修复功能、掺杂金属的陶瓷生物材料，陶瓷生物材料在体内摩擦磨损服役过程中，释放出金属离子，金属离子催化体内环境中生物分子变性、吸附到摩擦界面形成蛋白生物膜，蛋白生物膜在摩擦界面剪切力作用下发生降解，成为碳薄膜(石墨层)覆盖在发生磨损的陶瓷生物材料表面，实现对陶瓷生物材料的修复。随着磨损的进行，蛋白生物膜降解形成的碳薄膜(石墨层)磨损完成，裸露出新鲜的陶瓷生物材料，再次利用陶瓷生物材料磨损释放出金属离子促进陶瓷生物材料表面蛋白吸附、变性、分解，形成蛋白生物膜及碳薄膜(石墨层)，覆盖在发生磨损的陶瓷生物材料表面。在不断的摩擦过程中，通过金属离子释放、催化生物分子的降解，不断形成蛋白生物膜及碳薄膜(石墨层)对陶瓷生物材料进行修复，使陶瓷生物材料在体内具有自修复功能。在不断的摩擦过程中，蛋白生物薄膜及石墨层对陶瓷生物材料进行修复，在陶瓷摩擦界面起到了良好的润滑作用，有效降低了陶瓷摩擦噪声的产生，增加了陶瓷人工器官的使用寿命，提高了患者的生活质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、上述掺杂金属的陶瓷生物材料通过金属离子的释放，催化体内蛋白分解形成碳薄膜(石墨层)实现对掺杂金属的陶瓷生物材料的修复，降低陶瓷生物材料的磨损，得到具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料。
二、上述掺杂金属的陶瓷生物材料通过金属离子的释放，催化体内蛋白分解形成碳薄膜(石墨层)覆盖在摩擦界面，降低了陶瓷生物材料的摩擦系数，陶瓷生物材料的摩擦噪声问题得到明显改善。
三、上述陶瓷生物材料，可以根据服役条件所需，将掺杂的金属元素质量分数控制在1％～10％之间。通过热压烧结制备的掺杂金属的耐磨陶瓷生物材料的抗断裂韧性强度比未掺杂金属元素陶瓷生物材料的抗断裂韧性强度高。通过对比可以发现本发明制备的掺杂金属的陶瓷生物材料具有优良的力学性能。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
A、原料准备：铜粉、氧化锆粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉99％、铜粉1％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1100℃，热压烧结时间为2小时，热压烧结的压力为25MPa，制得掺杂金属铜的具有体内磨损自修复功能的氧化锆陶瓷生物材料，其中金属铜掺杂比例为1％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例2
A、原料准备：铜粉、氧化锆粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉90％、铜粉10％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1100℃，热压烧结时间为3小时，热压烧结的压力为30MPa，制得掺杂金属铜的具有体内磨损自修复功能的氧化锆陶瓷生物材料，其中金属铜掺杂比例为10％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例3
A、原料准备：铬粉、氧化锆粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉99％、铬粉1％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1400℃，热压烧结时间为3小时，热压烧结的压力为25MPa，制得掺杂金属铬的具有体内磨损自修复功能的氧化锆陶瓷生物材料，其中金属铬掺杂比例为1％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例4
A、原料准备：铬粉、氧化锆粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉90％、铬粉10％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1450℃，热压烧结时间为2小时，热压烧结的压力为20MPa，制得掺杂金属铬的具有体内磨损自修复功能的氧化锆陶瓷生物材料，其中金属铬掺杂比例为10％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例5
A、原料准备：铜粉、氧化铝粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化铝粉90％、铜粉10％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1200℃，热压烧结时间为2小时，热压烧结的压力为30MPa，制得掺杂金属铜的具有体内磨损自修复功能的氧化铝陶瓷生物材料，其中金属铜掺杂比例为10％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例6
A、原料准备：铜粉、氧化铝粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化铝粉99％、铜粉1％。将粉体原料在行星式球磨机中混合均匀。
B、将干燥的原料粉末装入石墨模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1200℃，热压烧结时间为2小时，热压烧结的压力为25MPa，制得掺杂金属铜的具有体内磨损自修复功能的氧化铝陶瓷生物材料，其中金属铜掺杂比例为11％，陶瓷致密度达到90％以上。
实施例7～18中各自工艺参数具体数值如表1所示。

Claims (4)

1.一种在体内环境中具有磨损自修复功能的陶瓷生物材料制备方法，包含如下主要制备步骤:
A、原料准备：金属粉、氧化锆粉作为原料,其配比按照质量百分比记为：氧化锆粉90％～99％、金属粉1％～10％，将粉体原料在行星式球磨机中混合分散均匀；
B、将干燥的粉末原料装入模具中，在氩气保护下进行热压烧结，反应热压烧结温度为1100℃-1800℃，热压烧结时间为0.5-3小时，热压烧结的压力为20-40MPa，制得金属掺杂质量比例在1％～10％之间，陶瓷致密度达到90％以上的目标陶瓷生物材料；
所述的金属粉纯度为99.9％，粒径分布在50nm-10μm之间,金属粉为以下种类任意一种或者一种以上：铜、银、钴、铬、钼、钽、镍。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的氧化锆粉末纯度为99.9％，粒径分布在100nm-40μm之间，也可用同样级别的氧化铝、碳化硅、氮化硅粉末代替。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的原料氧化锆粉可为相同质量比的氧化铝粉。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤B的制备方法中运用到的保护气体，为不与材料发生反应的保护气体，比如：氩气、氦气。
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