CN106630646A - 一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法 - Google Patents

一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法 Download PDF

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潘明华
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Abstract

本发明公开了一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法，其多孔生物玻璃陶瓷由以下原料制备而成：生物活性玻璃、聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、壳聚糖纤维、聚乙酰谷氨酸、桉油精、醋酸纤维素、造孔剂。本发明所提供的多孔生物玻璃陶瓷的孔隙率为35‑39%，同时保持良好的力学性能，其抗弯强度达44.8‑47.2MPa，弹性模量达6.1‑6.8GPa，断裂韧性达1.76‑1.88 MPa·m1/2，综合性能优秀，可扩大其应用领域。

Description

一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于生物材料技术领域，尤其涉及一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法。
背景技术
生物玻璃是一种硅酸盐类的异质骨移植材料，能与骨组织形成骨性键合，并促进新骨形成。当生物玻璃植入骨缺损部位，在生物玻璃与体液之间会发生迅速的离子交换反应，在生物玻璃表面形成含碳酸根的羟基磷灰石层，通过该类骨羟基磷灰石层使材料与骨形成牢固的化学键合。与生物惰性陶瓷相比，生物玻璃具有独特的生物相容性、成骨作用和骨传导作用，但是其机械强度低，脆性大，在一定程度上限制其应用领域。
生物玻璃陶瓷复合材料是由生物陶瓷和生物玻璃所制备而成的复合材料，可以通过调节材料的组成和配比来获得性能更优的生物材料，越来越受关注。常见的生物玻璃陶瓷复合材料多为由生物玻璃和羟基磷灰石所组成，本发明提供一种新型的多孔生物玻璃陶瓷，以期获得更佳的应用性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种多孔生物玻璃陶瓷及其制备方法，以解决上述至少一种技术问题。
本发明的技术方案来如下：
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃20-38份、聚磷酸钙15-32份、硅化钽2-6份、硅酸锶1-4份、纳米钛酸镁1-7份、多聚磷酸钠3-8份、壳聚糖纤维2-5份、聚乙酰谷氨酸3-9份、桉油精1-2.4份、醋酸纤维素1-4份、造孔剂2-6份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 15-30%、P2O5 8-22%、Na2O2.8-10%、B2O3 2.1-5%、MgO 0.8-3.4%、SrO 1.6-4.7%、和PdO 2.3-8%，余量为SiO2。
上述技术方案中，所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置5-10小时，烘干，先在600-850℃下煅烧2-4小时，然后在1280-1370℃下煅烧1-3小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
上述技术方案中，所述造孔剂为淀粉、聚乙二醇、聚乙烯醇、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛和碳粉中的至少两种。
上述技术方案中，所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述技术方案中，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃22-35份、聚磷酸钙17-30份、硅化钽2.3-5份、硅酸锶1.8-3.4份、纳米钛酸镁1.2-6.4份、多聚磷酸钠3.3-7.4份、壳聚糖纤维2.8-4.5份、聚乙酰谷氨酸3.5-8.7份、桉油精1.3-2.2份、醋酸纤维素1.8-3.7份、造孔剂2.4-5.5份。
本发明的另一技术方案来如下：
多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在380-450℃下保温1-4小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，即得多孔生物玻璃陶瓷。
上述技术方案中，在步骤（2）中，烧结条件为：450-650℃，40-90分钟。
上述技术方案中，在步骤（3）中，烧结条件为：1050-1200℃，1-3小时。
由于采用了以上技术方案，本发明的有益效果为：
本发明所提供的多孔生物玻璃陶瓷的孔隙率为35-39%，同时保持良好的力学性能，其抗弯强度达44.8-47.2MPa，弹性模量达6.1-6.8GPa，断裂韧性达1.76-1.88 MPa·m1/2，综合性能优秀，可扩大其应用领域。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃20份、聚磷酸钙15份、硅化钽2份、硅酸锶1份、纳米钛酸镁1份、多聚磷酸钠3份、壳聚糖纤维2份、聚乙酰谷氨酸3份、桉油精1份、醋酸纤维素1份、造孔剂2份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 15%、P2O5 8%、Na2O 2.8%、B2O3 2.1%、MgO 0.8%、SrO 1.6%、和PdO 2.3%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置5小时，烘干，先在600℃下煅烧2小时，然后在1280℃下煅烧1小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为1:3的淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在380℃下保温1小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨4小时，在-20℃下保温10小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：450℃，40分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1050℃，1小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
实施例2
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃38份、聚磷酸钙32份、硅化钽6份、硅酸锶4份、纳米钛酸镁7份、多聚磷酸钠8份、壳聚糖纤维5份、聚乙酰谷氨酸9份、桉油精2.4份、醋酸纤维素4份、造孔剂6份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 30%、P2O5 22%、Na2O 10%、B2O3 5%、MgO 3.4%、SrO 4.7%、和PdO 8%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置10小时，烘干，先在850℃下煅烧4小时，然后在1370℃下煅烧3小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为1:3:5的聚乙烯醇、石蜡和聚乙烯醇缩丁醛。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在450℃下保温4小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨24小时，在-20℃下保温20小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：650℃，90分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨24小时，在-20℃下保温20小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1200℃，3小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
实施例3
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃22份、聚磷酸钙17份、硅化钽2.3份、硅酸锶1.8份、纳米钛酸镁1.2份、多聚磷酸钠3.3份、壳聚糖纤维2.8份、聚乙酰谷氨酸3.5份、桉油精1.3份、醋酸纤维素1.8份、造孔剂2.4份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 17%、P2O5 15.2%、Na2O4.6%、B2O3 3.9%、MgO 2.2%、SrO 3.5%、和PdO 4.7%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置8小时，烘干，先在750℃下煅烧3小时，然后在1330℃下煅烧2小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为2:1:4的淀粉、聚乙烯醇缩丁醛和碳粉。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在420℃下保温3小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨18小时，在-20℃下保温15时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：550℃，55分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨16小时，在-20℃下保温16小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1180℃，2小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
实施例4
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃35份、聚磷酸钙30份、硅化钽5份、硅酸锶3.4份、纳米钛酸镁6.4份、多聚磷酸钠7.4份、壳聚糖纤维4.5份、聚乙酰谷氨酸8.7份、桉油精2.2份、醋酸纤维素3.7份、造孔剂5.5份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 18%、P2O5 9.5%、Na2O4.7%、B2O3 4.3%、MgO 2.1%、SrO 3.8%、和PdO 5.4%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置9小时，烘干，先在720℃下煅烧4小时，然后在1350℃下煅烧3小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为1:1:2的聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯和碳粉。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在420℃下保温3小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨16小时，在-20℃下保温18小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：580℃，65分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨15小时，在-20℃下保温18小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1180℃，3小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
对比例1
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃20份、聚磷酸钙15份、硅酸锶1份、纳米钛酸镁1份、多聚磷酸钠3份、壳聚糖纤维2份、桉油精1份、醋酸纤维素1份、造孔剂2份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 15%、P2O5 8%、Na2O 2.8%、B2O3 2.1%、MgO 0.8%、SrO 1.6%、和PdO 2.3%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置5小时，烘干，先在600℃下煅烧2小时，然后在1280℃下煅烧1小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为1:3的淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在380℃下保温1小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体和醋酸纤维素混合，然后加水球磨4小时，在-20℃下保温10小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：450℃，40分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1050℃，1小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
对比例2
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃20份、聚磷酸钙15份、硅化钽2份、多聚磷酸钠3份、壳聚糖纤维2份、聚乙酰谷氨酸3份、醋酸纤维素1份、造孔剂2份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 15%、P2O5 8%、Na2O 2.8%、B2O3 2.1%、MgO 0.8%、SrO 1.6%、和PdO 2.3%，余量为SiO2。所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置5小时，烘干，先在600℃下煅烧2小时，然后在1280℃下煅烧1小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
所述造孔剂为质量比为1:3的淀粉和聚甲基丙烯酸甲酯。所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
上述多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在380℃下保温1小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨4小时，在-20℃下保温10小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A，其烧结条件为：450℃，40分钟；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，其烧结条件为：1050℃，1小时，即得多孔生物玻璃陶瓷。
对比例3
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃18份、聚磷酸钙13份、硅化钽1.5份、硅酸锶1.2份、纳米钛酸镁0.7份、多聚磷酸钠2.3份、壳聚糖纤维1.6份、聚乙酰谷氨酸2.4份、桉油精0.7份、醋酸纤维素0.5份、造孔剂1.6份。
其他内容和制备步骤同实施例1，在此不再赘述。
对比例4
一种多孔生物玻璃陶瓷，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃42份、聚磷酸钙35份、硅化钽7.5份、硅酸锶4.3份、纳米钛酸镁7.2份、多聚磷酸钠8.4份、壳聚糖纤维5.7份、聚乙酰谷氨酸9.2份、桉油精2.8份、醋酸纤维素4.3份、造孔剂6.4份；
其他内容和制备步骤同实施例2，在此不再赘述。
性能测试
对以上实施例和对比例所制备的多孔生物玻璃陶瓷进行如下性能测试，其测试结果如下表所示：
抗弯强度/MPa 弹性模量/GPa 断裂韧性/MPa·m1/2 孔隙率/%
实施例1 44.8 6.1 1.76 36
实施例2 46.3 6.4 1.85 35
实施例3 45.7 6.5 1.88 37
实施例4 47.2 6.8 1.86 39
对比例1 41.5 5.2 1.67 33
对比例2 39.4 5.5 1.65 35
对比例3 37.6 5.3 1.61 32
对比例4 35.4 5.1 1.58 34
通过以上测试结果可知，本发明所提供的多孔生物玻璃陶瓷的孔隙率为35-39%，同时保持良好的力学性能，其抗弯强度达44.8-47.2MPa，弹性模量达6.1-6.8GPa，断裂韧性达1.76-1.88 MPa·m1/2，综合性能优秀，可扩大其应用领域。

Claims (8)

1.一种多孔生物玻璃陶瓷，其特征在于，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃20-38份、聚磷酸钙15-32份、硅化钽2-6份、硅酸锶1-4份、纳米钛酸镁1-7份、多聚磷酸钠3-8份、壳聚糖纤维2-5份、聚乙酰谷氨酸3-9份、桉油精1-2.4份、醋酸纤维素1-4份、造孔剂2-6份；
所述生物活性玻璃由以下质量百分数的组分制备而成：CaO 15-30%、P2O5 8-22%、Na2O2.8-10%、B2O3 2.1-5%、MgO 0.8-3.4%、SrO 1.6-4.7%、和PdO 2.3-8%，余量为SiO2。
2.根据权利要求1所述的多孔生物玻璃陶瓷，其特征在于，所述生物活性玻璃的制备步骤为：按上述配比取料后混合均匀，投入60℃，20wt.%硝酸溶液，静置5-10小时，烘干，先在600-850℃下煅烧2-4小时，然后在1280-1370℃下煅烧1-3小时，冷却，粉碎并过200目筛，制成玻璃微粉。
3.根据权利要求1所述的多孔生物玻璃陶瓷，其特征在于，所述造孔剂为淀粉、聚乙二醇、聚乙烯醇、石蜡、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩丁醛和碳粉中的至少两种。
4.根据权利要求1所述的多孔生物玻璃陶瓷，其特征在于，所述壳聚糖纤维为经过氢氧化钠处理的改性壳聚糖纤维。
5.根据权利要求1所述的多孔生物玻璃陶瓷，其特征在于，由以下原料制备而成，以重量份计为：生物活性玻璃22-35份、聚磷酸钙17-30份、硅化钽2.3-5份、硅酸锶1.8-3.4份、纳米钛酸镁1.2-6.4份、多聚磷酸钠3.3-7.4份、壳聚糖纤维2.8-4.5份、聚乙酰谷氨酸3.5-8.7份、桉油精1.3-2.2份、醋酸纤维素1.8-3.7份、造孔剂2.4-5.5份。
6.根据权利要求1至5任一所述的多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
（1）将生物活性玻璃熔融，然后加入桉油精和壳聚糖纤维，混合均匀，置于马弗炉中，在380-450℃下保温1-4小时，随炉冷却至室温，制得预处理生物活性玻璃粉体；
（2）将上述预处理生物活性玻璃粉体、聚乙酰谷氨酸和醋酸纤维素混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，制得烧结料A；
（3）将聚磷酸钙、硅化钽、硅酸锶、纳米钛酸镁、多聚磷酸钠、造孔剂和步骤（2）中烧结料A混合，然后加水球磨4-24小时，在-20℃下保温10-20小时，置于马弗炉中烧结，即得多孔生物玻璃陶瓷。
7.根据权利要求6所述的多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，烧结条件为：450-650℃，40-90分钟。
8.根据权利要求6所述的多孔生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，烧结条件为：1050-1200℃，1-3小时。
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