CN107117956A - 一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料及其制备方法，以蛋清为发泡剂、稳泡剂和固化剂，采用发泡法制备多孔铌酸锂钠钾/羟基磷灰石（LNK‑HA）生物压电复合材料。所述特征在于LNK与HA粉体质量比为(3:7)~(9:1)；LNK‑HA与去离子水的质量比为1：(0.5~1)，发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的20%~35%。当LNK与HA粉体质量比为9:1，LNK‑HA与去离子水的质量比为1:0.5，发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的25%时，所得产物孔结构均匀、完整性好，压电常数d33值为16.3pC/N，相对介电常数为52.9。该种压电复合材料兼具优良的生物相容性，对细胞的增殖与分化将会产生刺激作用，其多孔结构则有助于细胞组织的长入，促进骨更好的形成，可作为骨修复或骨替代材料用于生物医学等领域。

Description

一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料及其制备工艺，具体为采用发泡法制备多孔铌锂钠钾(LNK)-羟基磷灰石(HA)复合材料的一种新方法。
背景技术
进入21世纪以来，生物学和生命科学都得到了飞速的发展，同时由于日趋严重的人口老龄化和交通事故的频繁发生，人们对生物医用材料的需求越来越多，质量要求也越来越高。目前，主要的生物医用材料分为：医用金属材料、医用无机材料、医用高分子材料、医用复合材料等。上述材料拥有较好的生物相容性和物理相容性，但是生物活性较差，有时需要对材料进行表面改性，加工工艺复杂且成本较高。因此，探索出一种拥有良好的生物活性材料已成为研究热点。
生物陶瓷材料由于其化学稳定性好、化学亲和性好、无毒性、无致癌作用，受到了广泛关注。但当前的常用生物陶瓷材料普遍为烧结致密的产品，比表面积小，开口气孔极少，与生物体内组织接触面积小，内部环境相对封闭，细胞增殖和生长的空间受到限制，从而抑制了生物材料修复的效率。相比而言，多孔材料则具有较大的比表面积，孔隙结构有利于人体内营养物质和细胞的进入，可呈现出更加优异的修复效果。
无铅压电陶瓷铌酸锂钠钾（LNK）由于其压电性能优异、生物相容性好、组分均无毒性，在生物材料领域受到了越来越多的关注。当前研究表明：生物体骨内产生的微电流有利于骨细胞的增殖和分化，促进基质的形成和成熟，从而增加骨形成，有效地进行生物体修复。羟基磷灰石(HA)已经被证明具有良好的生物相容性、骨传导性，被视为骨缺损修复的理想材料，同时羟基磷灰石能协调成骨、破骨细胞的相互作用，有效促进成骨。在体液的作用下，其会发生部分降解，游离出钙和磷，并被人体组织吸收、利用、生长出新的组织，从而产生骨传导作用。
目前，制备多孔陶瓷材料的方法主要有挤压成型法、发泡法、有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法、溶胶凝胶法等。如Colombot利用甲基羟基硅氧烷浸渍聚氨酯泡沫制备出SiOC多孔陶瓷，孔径在300-600μm。吴皆正用十二烷基磺酸钠和碳酸钙为发泡剂，以石英砂为原料，制成了气孔率为35%-55%，孔径分布窄的微米级多孔陶瓷。王建以萘粉为致孔剂，以β-磷酸三钙和生物活性玻璃为主要原料制成了气孔率为75%的多孔β-磷酸三钙。Jin将正硅酸乙酯加入酚醛树脂中进行水解，硝酸镍作为孔调节剂，形成凝胶后经碳热还原反应生成孔径为10nm的介孔SiC陶瓷。
以上方法能制备出各类多孔陶瓷材料，但是在制备工艺中均部分使用了高分子材料，此类材料大多在使用中有刺激性味道，对人体会产生不适感，不适于用作医用材料。例如十二烷基磺酸钠在使用中就要避免吸入、避免与皮肤和眼睛接触；萘粉为易挥发并有特殊气味的多环烃晶体，萘会造成溶血性贫血、肝脏和神经系统损伤、白内障和视网膜出血等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料及其制备方法，以杜绝有毒物质，提高骨修复或骨替代的压电性能、孔洞分布均匀性、孔洞大小对细胞生长的适合性，更利于骨修复。
为了解决以上技术问题，本发明使用无毒、对人体无害且生物相容性好的原料，采用发泡法制备一种可用于骨修复或骨替代的压电性能优异、孔洞分布均匀、孔洞大小适合细胞生长的多孔铌酸锂钠钾/羟基磷灰石（LNK-HA）生物压电复合材料。本发明使用蛋清为发泡剂，将压电性能优良且对人体无害的无铅铌酸锂钠钾压电陶瓷（LNK）与生物相容性优异的羟基磷灰石（HA）复合，制备出生物压电复合材料。其中蛋清中的蛋白质为高分子化合物，具有很高的表面活性，它可通过分子内和分子间氢键的作用形成稳定的二维网状结构，使通过机械搅拌产生的气泡能够稳定地保留在陶瓷浆料中。另外蛋白质在高于一定温度时会发生凝固，从而促使整个多孔陶瓷浆料固化成型，并使得成型后陶瓷配体具有较高的强度。因此，蛋白质是一种绿色、兼具发泡、稳泡、固化为一体的发泡剂具体技术方案如下地：
一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料的制备方法，其特征在于：以天然蛋清为发泡剂、稳泡剂和固化剂，采用发泡法制备多孔铌锂钠钾/羟基磷灰石(LNK-HA)生物压电复合材料，具体包括以下步骤：
步骤一，制备LNK粉体：以五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料后球磨，取出后预烧粉末；所述预烧制度为以3℃/min升温至250℃，保温30min；再以3℃/min升温至600℃，保温120min；然后以3℃/min升温至890℃，保温2h，得到预烧好的LNK陶瓷粉体；
步骤二，制备HA粉体：按照羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)的n(Ca)：n(P) =1.67比例分别称量四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液；将五氧化二磷的醇溶液缓慢滴加到四水硝酸钙的醇溶液中，配制成混合液；在混合液中加入聚乙二醇作为分散剂，加入量为HA粉体质量分数的0.5%；在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入100℃的鼓风干燥箱内干燥18 h，将所得粉末置入瓷舟放到焙烧炉中，进行焙烧，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体；
步骤三，制备LNK-HA陶瓷浆料：将预烧好的LNK陶瓷粉体、HA粉体、去离子水、适量D3005分散剂一起倒入球磨罐中，加入ZrO2小球，球磨12h得到LNK-HA陶瓷浆料，备用；D3005分散剂与LNK-HA复合陶瓷粉末的比例为0.005ml/g，LNK陶瓷粉末与ZrO2小球的重量比为1:2；
步骤四，提取纯净的蛋清液：从新鲜鸡蛋中提取蛋清，去除蛋清中杂物后磁力搅拌5min，除去上层的浮沫和杂质，获得纯净的蛋清液，备用；
步骤五，发泡：在所述LNK-HA陶瓷浆料中加入所述纯净的蛋清液作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡，得发泡后的浆料；
步骤六，固化：将所述发泡后的浆料注入模具中，放入水浴中80℃加热，对所述发泡后的浆料进行固化，得固化后的浆料；待固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，从模具中取出，得到坯体；
步骤七，烧结：将所述坯体置于高温炉中烧结；所述烧结制度为以2℃/min升温到600℃，分别在300、600℃保温30min，此过程为蛋清烧除过程；随后以5℃/min升温到1050℃，并在1050℃保温2h；烧结后得多孔陶瓷；
步骤八，上电极与极化：将所述多孔陶瓷两面贴上导电胶布，在空气中以1KV/mm电压极化30min，最终制备得多孔生物压电复合材料即多孔生物压电陶瓷。
所述LNK-HA陶瓷浆料由LNK陶瓷粉体、HA粉体与去离子水组成，其中LNK与HA粉体质量比为(3:7)~(9:1)；LNK-HA复合陶瓷粉体与去离子水的质量比为1:(0.5~1)；发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的20%~35%。
当LNK与HA粉末质量比为9:1；LNK-HA复合陶瓷粉末与去离子水的质量比为1:0.5，发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的25%时，所制备的多孔LNK-HA生物压电复合材料的孔结构均匀、完整性好，拥有最佳压电性，压电常数d33值为16.3 pC/N，相对介电常数为52.9。
一种用于骨修复或骨替代的多孔生物压电复合材料，其特征在于：采用以上所述的制备方法制备而得。
本发明具有有益效果。
本发明所采用的实验原料均为无毒、无刺激性气味，对人体的健康不会产生影响，同时将生物陶瓷材料设计成多孔型，复合型并具有压电性，充分发挥压电材料的压电效应、HA的生物相容性和多孔材料三者的优势，制备出更有利于骨修复的材料，这将开拓骨修复与骨替代材料在医学上的更广阔应用。本发明具有有益效果，具体体现在：
①本发明采用纯天然材料蛋清为发泡剂、稳泡剂和固化剂制备多孔LNK-HA生物压电复合材料，制备过程中杜绝任何有毒物质，且蛋清在烧结工艺中易被烧除，不会残留在复合材料内部，影响材料性能。
②本发明以蛋清为发泡剂，采用发泡法制备多孔LNK压电陶瓷，发泡效果优异，气孔率高，孔径分布均匀，孔径为100μm~500μm，气孔率最高可达71%，且孔洞之间相互连通。对于生物组织，20μm~50μm的孔径纤维组织可以长入，且150μm~500μm的孔径复合骨细胞的成长要求。因此采用本发泡工艺制备的多孔LNK-HA生物复合材料符合生物体内组织生长的基本要求。
③本发明发现：当LNK与HA粉末质量比为9:1；LNK-HA复合陶瓷粉末与去离子水的质量比为1:0.5，发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的25%时，多孔LNK-HA复合材料孔结构均匀、完整性好，拥有最佳压电性，压电常数d33值为16.3 pC/N，相对介电常数为52.9。优异的压电效应产生的电荷将会对细胞产生刺激作用，促进人体细胞增殖与分化，能加速骨修复效率，促进骨形成。
附图说明
图1为本发明烧结温度为1050℃时不同LNK/HA质量比时LNK-HA陶瓷XRD图谱；
图2为本发明多孔LNK-HA生物压电复合材料表面形貌图；
图3为本发明多孔LNK-HA生物压电复合材料孔壁图；
图4为本发明多孔LNK-HA生物压电复合材料孔壁微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
本发明设计的一种多孔LNK-HA生物压电复合材料的制备工艺，其特征在于以蛋清为发泡剂，采用发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料。其中陶瓷浆料中LNK与HA粉体质量比为(3:7)~(9:1)；LNK-HA复合陶瓷粉体与去离子水的质量比为1:(0.5~1)；发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的20%~35%。
本发明涉及的多孔LNK-HA生物压电复合材料的制备方法按下列工艺进行：
步骤一，制备LNK粉体：以五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料后球磨，取出后预烧粉末；所述预烧制度为以3℃/min升温至250℃，保温30min；再以3℃/min升温至600℃，保温120min；然后以3℃/min升温至890℃，保温2h，得到预烧好的LNK陶瓷粉体；
步骤二，制备HA粉体：按照羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)的n(Ca)：n(P) =1.67比例分别称量四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液；将五氧化二磷的醇溶液缓慢滴加到四水硝酸钙的醇溶液中，配制成混合液；在混合液中加入聚乙二醇作为分散剂，加入量为HA粉体质量分数的0.5%；在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入100℃的鼓风干燥箱内干燥18 h，将所得粉末置入瓷舟，放到焙烧炉中，进行焙烧，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体；
步骤三，制备LNK-HA陶瓷浆料：将预烧好的LNK陶瓷粉体、HA粉体、去离子水、适量D3005分散剂一起倒入球磨罐中，加入ZrO2小球，球磨12h得到LNK-HA陶瓷浆料，备用；D3005分散剂与LNK-HA复合陶瓷粉末的比例为0.005ml/g，LNK陶瓷粉末与ZrO2小球的重量比为1:2；
步骤四，提取纯净的蛋清液：从新鲜鸡蛋中提取蛋清，去除蛋清中杂物后磁力搅拌5min，除去上层的浮沫和杂质，获得纯净的蛋清液，备用；
步骤五，发泡：在所述球磨后的LNK-HA浆料中加入蛋清液作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡，得发泡后的浆料；
步骤六，固化：将所述发泡后的浆料注入模具中，放入水浴中80℃加热，以便于所述发泡后的浆料固化，得固化后的浆料；待固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，从模具中取出，得到坯体；
步骤七，烧结：将所述坯体置于高温炉中烧结；所述烧结制度为以2℃/min升温到600℃，分别在300、600℃保温30min，此过程为蛋清烧除过程，随后以5℃/min升温到1050℃，并在1050℃保温2h；烧结后得多孔陶瓷；
步骤八，上电极与极化：将多孔陶瓷两面贴上导电胶布，在空气中以1KV/mm电压极化30min，最终制备得多孔生物压电复合材料。
本发明发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料，所用原料均为常见氧化物、碳酸盐等，蛋清从新鲜鸡蛋中提取。
本发明发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料所述LNK与HA质量比为(3:7)~(9:1)；LNK-HA陶瓷浆料中粉水质量比为1:（0.5~1）。最优LNK与HA质量比为9:1，最佳LNK-HA陶瓷浆料的粉水比为1:0.5。随着浆料中LNK-HA固相含量的提高，多孔LNK-HA生物压电复合材料的气孔率降低、密度升高、孔洞较小、孔径分布均匀、孔壁变厚，材料的压电性能和介电性能均得到提高。
本发明发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料所述发泡剂加入量为去离子水质量的20%~35%。当逐渐提高发泡剂加入量时，实验发现多孔陶瓷气孔率提高，密度降低，孔径降低且分散均匀，相对介电常数大大降低。在相同固相含量加入不同发泡剂时，多孔陶瓷孔洞的完整性和孔径分布均匀，使得多孔材料整体性提高，有利于提高多孔陶瓷压电性。
本发明发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料所述多孔LNK-HA生物压电复合材料烧结过程：烧结温度为1050℃，烧结制度：以2℃/min升温到600℃，分别在300、600℃保温30min，此过程为蛋清烧除过程。随后以5℃/min升温到1050℃，并在1050℃保温2h。
本发明发泡法制备多孔LNK-HA生物压电复合材料所述极化过程：本发明采用在多孔陶瓷两面贴上导电性优异的导电胶布，在空气中以1KV/mm电压极化30min。
以下给出本发明的几个具体实施例。
实施例1
采用五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料，在890℃下预烧成LNK粉体。以四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)为原料，按照羟基磷灰石分子式中Ca/P比称量原料，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液。两种醇溶液混合后，加入聚乙二醇，加入量为预合成HA粉体所需质量的0.5%。在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24 h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入干燥箱内干燥18 h，将所得粉末放到焙烧炉中，进行热处理，加热速度控制在5℃/min，加热到650℃时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体。蛋清从鸡蛋中提取，去除蛋清中杂物后磁力搅拌2h，除去上层浮沫，获得纯净的蛋清液备用。按照LNK与HA质量比为3:7称取原料粉末，按LNK-HA粉和去离子水质量比1:0.52（固相含量为65%）配置LNK-HA陶瓷浆料，放入球磨罐中球磨12h。在球磨后的LNK-HA浆料中加入20%质量分数的蛋清作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡。将充分发泡的浆料注入自制的模具中，放入水浴中80℃加热，以便于浆料固化。固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，取出模具中多孔陶瓷坯体，按烧结制度最终在1050℃下烧结。烧结好的陶瓷片贴上导电胶布极化。制备出的多孔LNK-HA生物压电复合材料XRD图谱如图1曲线(c)，由图所示HA衍射特征峰极为明显。该样品孔径分布范围较广，约为200-500μm，且均为开气孔，气孔率为37.3%，密度为0.9g/cm3，其孔壁厚度约为25μm。但该多孔LNK-HA复合材料的压电性能差，其压电常数d33值仅为0.5，相对介电常数为4.3。
实施例2
采用五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料，在890℃下预烧成LNK粉体。以四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)为原料，按照羟基磷灰石分子式中Ca/P比称量原料，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液。两种醇溶液混合后，加入聚乙二醇，加入量为预合成HA粉体所需质量的0.5%。在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24 h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入干燥箱内干燥18 h，将所得粉末放到焙烧炉中，进行热处理，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体。蛋清从鸡蛋中提取，去除蛋清中杂物后磁力搅拌2h，除去上层浮沫，获得纯净的蛋清液备用。按照LNK与HA质量比为7:3称取原料粉末，按LNK-HA粉和去离子水质量比1:0.52（固相含量为65%）配置LNK-HA陶瓷浆料，放入球磨罐中球磨12h。在球磨后的LNK-HA浆料中加入30%质量分数的蛋清作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡。将充分发泡的浆料注入自制的模具中，放入水浴中80℃加热，以便于浆料固化。固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，取出模具中多孔陶瓷坯体，按烧结制度最终在1050℃下烧结。烧结好的陶瓷片贴上导电胶布极化。制备出的多孔LNK-HA生物压电复合材料XRD图谱如图1曲线(b)，此时出现了LNK和HA的混合衍射峰。孔径尺寸约为150-250μm，气孔率为39.3%，密度为0.84g/cm3，孔径尺寸均匀性较好，均为开气孔且孔洞之间相互连通，孔洞上裂缝较少。孔壁厚度约为15~18μm。该多孔LNK-HA生物压电复合材料的压电常数d33值为为8.1pC/N，相对介电常数为10.1。
实施例3
采用五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料，在890℃下预烧成LNK粉体。以四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)为原料，按照羟基磷灰石分子式中Ca/P比称量原料，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液。两种醇溶液混合后，加入聚乙二醇，加入量为预合成HA粉体所需质量的0.5%。。在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24 h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入干燥箱内干燥18 h，将所得粉末放到焙烧炉中，进行热处理，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体。蛋清从鸡蛋中提取，去除蛋清中杂物后磁力搅拌2h，除去上层浮沫，获得纯净的蛋清液备用。按照LNK与HA质量比为9:1称取原料粉末，按LNK-HA粉和去离子水质量比1:0.52（固相含量为65%）配置LNK-HA陶瓷浆料，放入球磨罐中球磨12h。在球磨后的LNK-HA浆料中加入25%质量分数的蛋清作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡。将充分发泡的浆料注入自制的模具中，放入水浴中80℃加热，以便于浆料固化。固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，取出模具中多孔陶瓷坯体，按烧结制度最终在1050℃下烧结。烧结好的陶瓷片贴上导电胶布极化。制备出的多孔LNK-HA生物压电复合材料XRD图谱如图1曲线(a)，此时材料呈现出明显的LNK衍射峰和HA衍射峰。孔洞结构如图2所示，孔径约为250-400μm，气孔率为42.3%，密度为1.4g/cm3。孔壁如图3所示，其放大图后的微观形貌图如图4，由图可见孔壁厚度约为10-25μm，并在图4中能够清晰看到HA晶粒（箭头所指）分布在LNK陶瓷内部。该多孔LNK-HA生物压电复合材料的压电常数d33值为16.3pC/N，相对介电常数为52.9。
实施例4
采用五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料，在890℃下预烧成LNK粉体。以四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)为原料，按照羟基磷灰石分子式中Ca/P比称量原料，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液。两种醇溶液混合后，加入聚乙二醇，加入量为预合成HA粉体所需质量的0.5%。在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24 h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入干燥箱内干燥18 h，将所得粉末放到焙烧炉中，进行热处理，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体。蛋清从鸡蛋中提取，去除蛋清中杂物后磁力搅拌2h，除去上层浮沫，获得纯净的蛋清液备用。按照LNK与HA质量比为9:1称取原料粉末，按LNK-HA粉和去离子水质量比1:1（固相含量为50%）配置LNK-HA陶瓷浆料，放入球磨罐中球磨12h。在球磨后的LNK-HA浆料中加入35%质量分数的蛋清作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡。将充分发泡的浆料注入自制的模具中，放入水浴中80℃加热，以便于浆料固化。固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，取出模具中多孔陶瓷坯体，按烧结制度最终在1050℃下烧结。烧结好的陶瓷片贴上导电胶布极化。制备出的多孔LNK-HA生物压电复合材料孔洞约为300-500μm，气孔率为71.0%，密度为0.45g/cm3。此时浆料黏度降低会出现孔洞的“兼并现象”，导致孔径增大，造成孔径不均匀。孔壁较薄，厚度约为8-10μm。该多孔LNK-HA生物压电复合材料的压电常数d33值为0.7pC/N，相对介电常数为5.9。

Claims (4)

1.一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料的制备方法，其特征在于：以天然蛋清为发泡剂、稳泡剂和固化剂，采用发泡法制备多孔铌锂钠钾/羟基磷灰石((LNK-HA)生物压电复合材料，具体包括以下步骤：
步骤一，制备LNK粉体：以五氧化二铌(Nb2O5)、碳酸钾(K2CO3)、碳酸钠(Na2CO3)、碳酸锂(Li2CO3)为原料，按化学式(Li0.06Na0.5K0.44)NbO3配料后球磨，取出后预烧粉末；所述预烧制度为以3℃/min升温至250℃，保温30min；再以3℃/min升温至600℃，保温120min；然后以3℃/min升温至890℃，保温2h，得到预烧好的LNK陶瓷粉体；
步骤二，制备HA粉体：按照羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2)的n(Ca)：n(P) =1.67比例分别称量四水硝酸钙(Ca(NO3)2•4H2O)和五氧化二磷(P2O5)，并分别溶于无水乙醇中配置成3mol/L和2mol/L的醇溶液；将五氧化二磷的醇溶液缓慢滴加到四水硝酸钙的醇溶液中，配制成混合液；在混合液中加入聚乙二醇作为分散剂，加入量为HA粉体质量分数的0.5%；在室温条件下将混合液进行磁力搅拌2 h，得到无色透明溶液；将色透明溶液取出静置，放置24 h后变成白色透明凝胶；再将白色透明凝胶放入100℃的鼓风干燥箱内干燥18 h，将所得粉末置入瓷舟放到焙烧炉中，进行焙烧，加热速度控制在5℃•min-1，加热到650℃的温度时恒温2 h，再经自然冷却，取出再次进行研磨，得到HA粉体；
步骤三，制备LNK-HA陶瓷浆料：将预烧好的LNK陶瓷粉体、HA粉体、去离子水、适量D3005分散剂一起倒入球磨罐中，加入ZrO2小球，球磨12h得到LNK-HA陶瓷浆料，备用；D3005分散剂与LNK-HA复合陶瓷粉末的比例为0.005ml/g，LNK陶瓷粉末与ZrO2小球的重量比为1:2；
步骤四，提取纯净的蛋清液：从新鲜鸡蛋中提取蛋清，去除蛋清中杂物后磁力搅拌5min，除去上层的浮沫和杂质，获得纯净的蛋清液，备用；
步骤五，发泡：在所述LNK-HA陶瓷浆料中加入所述纯净的蛋清液作为发泡剂，磁力搅拌2h充分发泡，得发泡后的浆料；
步骤六，固化：将所述发泡后的浆料注入模具中，放入水浴中80℃加热，对所述发泡后的浆料进行固化，得固化后的浆料；待固化后的浆料在室温下静置24h后放入烘箱彻底烘干，从模具中取出，得到坯体；
步骤七，烧结：将所述坯体置于高温炉中烧结；所述烧结制度为以2℃/min升温到600℃，分别在300、600℃保温30min，此过程为蛋清烧除过程；随后以5℃/min升温到1050℃，并在1050℃保温2h；烧结后得多孔陶瓷；
步骤八，上电极与极化：将所述多孔陶瓷两面贴上导电胶布，在空气中以1KV/mm电压极化30min，最终制备得多孔生物压电复合材料即多孔生物压电陶瓷。
2.根据权利要求1所述一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料的制备方法，其特征在于：所述LNK-HA陶瓷浆料由LNK陶瓷粉体、HA粉体与去离子水组成，其中LNK与HA粉体质量比为(3:7)~(9:1)；LNK-HA复合陶瓷粉体与去离子水的质量比为1:(0.5~1)；发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的20%~35%。
3.根据权利要求2所述的一种用于骨修复的多孔生物压电复合材料的制备方法，其特征在于：当LNK与HA粉末质量比为9:1；LNK-HA复合陶瓷粉末与去离子水的质量比为1:0.5，发泡剂加入量为浆料中去离子水质量的25%时，所制备的多孔LNK-HA生物压电复合材料的孔结构均匀、完整性好，拥有最佳压电性，压电常数d33值为16.3 pC/N，相对介电常数为52.9。
4.一种用于骨修复或骨替代的多孔生物压电复合材料，其特征在于：采用权利要求1-3所述的制备方法制备而得。
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