CN107721420A - 一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体及其制备与应用 - Google Patents

一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体及其制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于抗菌植入体材料的技术领域，公开了一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体及其制备与应用。方法为：(1)将溶剂、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；(2)将溶剂、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉与粘结剂混合均匀，造粒，成型，排胶，致密烧结，得到陶瓷片；(4)将陶瓷片进行极化处理，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体。本发明的方法简单，所制备的植入体具有较好的抗菌效果和稳定性。

Description

一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体及其制备与 应用
技术领域
本发明属于抗菌植入体材料制备的技术领域，特别是涉及一种利用植入体材料自身的压电性能和其释放的金属铜离子实现双效抗菌目的压电陶瓷植入体及其制备与应用。
背景技术
医用植入在骨修复、矫形外科、人工种植牙等方面有广泛的应用，但植入物感染仍然是临床的一个棘手的问题。在植入过程中金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等可能引起骨科植入感染，植入感染一旦出现，可能引起局部组织破坏、炎症和植入物失效等，感染的反复发作，难以控制，造成再次手术，增加患者的精神、经济负担，且增加再次手术的风险。因此，制备具有抗菌功能的植入材料具有重大意义。目前，根据抗菌生物材料中有效成分不同，被分为天然、有机和无机三种抗菌生物材料。虽然天然抗菌生物材料具有对人体无毒，暂无发现的过敏反应和对霉菌、细菌有很好的抗菌效果等优点，但是该材料的推广一直存在很大的困难，因为其加工性差、抗菌性能有限，且受到自然资源的限制。有机抗菌生物材料虽说弥补了天然抗菌材料的缺点，但是该材料耐热性差、寿命较短、毒性大和易产生耐药性等劣势限制了该材料的进一步发展。而无机生物材料固有的稳定性赫尔抗菌成分的高效性、广谱性，克服了有机抗菌生物材料的缺点，得到了很广泛的研究。
众所周知，铜是人体必需的微量元素，且具有强烈的广谱杀菌能力。通过调整材料的结构和性能可以调控离子的释放，从而可以控制抗菌性能。通常将铜加入医用材料表面涂层中达到抗菌作用，但由于涂层材料在陶瓷为基底的材料上易脱落，不利于加工成型，限制其临床使用。至今未发现有关利用铜和材料自身压电性结合的双效抗菌的材料及其用于抗菌的报道。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法。
本发明的另一目的在于提供由上述制备方法得到的氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体。所述植入体抗菌性能稳定、抗菌效果好。
本发明的再一目的在于提供上述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将溶剂、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；
(2)将溶剂、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉与粘结剂混合均匀，造粒，成型，排胶，致密烧结，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片进行极化处理，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体。
步骤(1)中所述溶剂为无水乙醇或水；步骤(1)中所述静置时间为30～60min；所述干燥的温度为45～75℃；
步骤(1)中所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧的时间为1.5～3.5h；
步骤(1)中所述球磨的时间为6～12h，球磨的转速为200～450rpm；
步骤(1)中所述五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠的质量比为(4～6)：(0.8～1.5)：(0.6～1.2)；步骤(1)中所述溶剂的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量比为(5～50)mL：1g；
步骤(2)中所述溶剂为无水乙醇或水；
步骤(2)中所述静置时间为30～60min；所述干燥的温度为45～75℃；
步骤(2)中所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧的时间为1.5～3.5h；
步骤(2)中所述球磨的时间为6～12h，球磨的转速为200～450rpm；
步骤(2)中所述氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的0.3％～5％；所述溶剂的用量与氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体总质量的比为(5～50)mL：1g；
步骤(3)中所述氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉在使用前需进行研磨、过筛处理，过筛的目数为70～120目；
步骤(3)中所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，所述聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：(2～2.5)：1：25；
步骤(3)中所述成型是指将颗粒置于模具中，施压初步成型，然后静压压制成型；施压初步成型的压力为15～45MPa，静压的压力为180～220MPa；
步骤(3)中所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的2～12％；
步骤(3)中所述排胶的温度为275～600℃，步骤(3)中所述致密烧结的温度为1000～1280℃，致密烧结的时间为2～4.5h；
所述排胶可分为一步、两步或三步排胶，一步排胶是指于300～600℃进行排胶，两步排胶是指于275～300℃恒温0.5～2h，再于400～600℃恒温0.5～2h。
步骤(4)中所述极化处理为直流电压极化，电压为0.5kV～5kV，极化时间为5～30min；步骤(4)中所述极化处理为油浴高温极化处理或常温极化处理，优选为高温油浴极化，油浴的温度为40～120℃。
步骤(4)中所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的压电常数为10pC/N～200pC/N。
所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体通过上述方法制备得到。
所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体用于医用抗菌材料和/或医用植入体材料，特别是医用抗菌植入体材料。
本发明利用铌酸钾钠压电陶瓷材料自身具有的压电性，即在受到机体机械力的作用时产生电荷，从而达到抗菌的效果以提高植入材料的植入效率；同时利用掺入的氧化铜以铜离子的形式释放出来抗菌；再者氧化铜的掺入使得铌酸钾钠压电陶瓷的压电性能得以提高，从而达到更强效的抗菌效果，本发明的植入体具有双效抗菌效果。
所述抗菌压电材料铌酸钾钠陶瓷，它是正交相和四方相的转变，具有中心不对称结构，引起陶瓷内极化方向不同，产生压电性。而且它无铅、稳定性好，具有良好的生物相容性和机械性能，可促进蛋白吸附和细胞粘附，是一种良好的植入材料。同时人体内又是一个复杂的电学环境，是压电效应的根源所在，压电效应也在骨的生长、重建和损伤修复中发挥着重要的作用。因此大力发展环境友好型的无铅压电陶瓷抗菌材料，具有重大的社会和经济意义。氧化铜的加入并没有改变铌酸钾钠的晶型结构，只是处于两个铌酸钾钠晶界之间，这就说明铌酸钾钠陶瓷的压电性并没有被减弱，反而因为两个晶界被氧化铜很好的连接使得陶瓷的压电性得以提高。
另外铌酸钾钠基无铅压电陶瓷具有良好的生物相容性和良好的生物安全性，促进蛋白吸附和细胞粘附，同时其压电效应在骨的重建和损伤修复中发挥着重要的作用。生物压电陶瓷作为功能材料，植入生物体后不需要外电源，仅仅依靠机体的机械压力而产生电势，来向周围提供电信号，是良好的电活性材料。压电陶瓷经极化可获得较高的压电常数，从而达到较好的抗菌效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的方法简单、易于实现；所制备的植入体稳定性好、机械性能高、不含铅无污染及生物相容性良好；
(2)本发明的植入体具有双效抗菌，在受到机体机械力的作用时产生电势，无需外界电源就可以达到长效抗菌的效果；
(3)本发明的植入体具有缓释、控释功能，通过铌酸钾钠陶瓷植入体的压电性以及氧化铜抗菌性使得压电陶瓷植入体在较长时间内保持有效的灭菌浓度，从而达到长效强力抗菌效果；
(4)本发明将氧化铜掺杂入铌酸钾钠陶瓷中，提高了铌酸钾钠陶瓷压电性。
具体实施方式
下面结合具体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
一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中以300rpm转速球磨6h，静置30min，以70℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠质量比为5:1.0:0.8；无水乙醇的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量的比为5mL:1g；
(2)将无水乙醇、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中以300rpm转速球磨6h，静置30min，以70℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的0.5％；无水乙醇的用量与铌酸钾钠前驱粉体质量的比为5mL:1g；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉研磨，过80目筛，然后与粘结剂(所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：2：1：25)混合均匀，造粒，将颗粒置于模具中，在20MPa压力下初步成型，在200MPa压力下静压30min压制成型(直径为10mm的陶瓷坯体)，在500℃排胶1h，在1000℃致密烧结2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的8％；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片在90℃进行高温油浴极化处理，极化电压为1kV，极化时间为5min，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体(GuO-KNN)。
所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的压电常数为30pC/N。
实施例2
一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中以300rpm转速球磨8h，静置30min，以75℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠质量比为5:1.2:1；无水乙醇的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量的比为5mL:1g；
(2)将无水乙醇、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中以300rpm转速球磨8h，静置30min，以75℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的1％；无水乙醇的用量与铌酸钾钠前驱粉体质量的比为5mL:1g；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉研磨，过80目筛，然后与粘结剂(所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：2：1：25)混合均匀，造粒，将颗粒置于模具中，在25MPa压力下初步成型，在200MPa压力下静压30min压制成型(直径为10mm的陶瓷坯体)，在500℃排胶1h，在1050℃致密烧结2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的8％；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片在90℃进行高温油浴极化处理，极化电压为1kV，极化时间为5min，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体(GuO-KNN)。
所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的压电常数为50pC/N。
实施例3
一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中以300rpm转速球磨10h，静置30min，以70℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠质量比为5:1.3:1；无水乙醇的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量的比为10mL:1g；
(2)将无水乙醇、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中以300rpm转速球磨10h，静置30min，以70℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的1.5％；无水乙醇的用量与铌酸钾钠前驱粉体质量的比为10mL:1g；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉研磨，过80目筛，然后与粘结剂(所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：2：1：25)混合均匀，造粒，将颗粒置于模具中，在35MPa压力下初步成型，在200MPa压力下静压30min压制成型(直径为10mm的陶瓷坯体)，在500℃排胶1h，在1100℃致密烧结2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的8％；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片在90℃进行高温油浴极化处理，极化电压为1kV，极化时间为5min，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体(GuO-KNN)。
所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的压电常数为70pC/N。
实施例4
一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，包括以下步骤：
(1)将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中以300rpm转速球磨12h，静置30min，以65℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠质量比为5:1.5:1.2；无水乙醇的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量的比为10mL:1g；
(2)将无水乙醇、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中以300rpm转速球磨10h，静置30min，以70℃干燥至恒重，在750℃煅烧2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的2％；无水乙醇的用量与铌酸钾钠前驱粉体质量的比为10mL:1g；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉研磨，过80目筛，然后与粘结剂(所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：2：1：25)混合均匀，造粒，将颗粒置于模具中，在45MPa压力下初步成型，在200MPa压力下静压30min压制成型(直径为10mm的陶瓷坯体)，在275℃保温1h，在500℃保温1h，在1150℃致密烧结2h，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的8％；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片在90℃进行高温油浴极化处理，极化电压为1kV，极化时间为5min，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体(GuO-KNN)。所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的压电常数为90pC/N。
实施例1～4所制备的氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体具有较好的压电性和抗菌性，具有较好的稳定性。与未掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体相比，本发明的植入体压电性更强，抗菌性效果更好。
本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所举的实例，而并非是对本发明的实施方式的限定，在该领域上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，在此不一一赘述。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将溶剂、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，研磨成粉体，得到铌酸钾钠前驱粉体；
(2)将溶剂、氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体置于球磨装置中进行球磨，静置，干燥，煅烧，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉；
(3)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉与粘结剂混合均匀，造粒，成型，排胶，致密烧结，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片；
(4)将氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷片进行极化处理，得到氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体。
2.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠的质量比为(4～6)：(0.8～1.5)：(0.6～1.2)；
步骤(2)中所述氧化铜的用量为铌酸钾钠前驱粉体质量的0.3％～5％。
3.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧的时间为1.5～3.5h；
步骤(2)中所述煅烧的温度为600～800℃，煅烧的时间为1.5～3.5h；
步骤(3)中所述排胶的温度为275～600℃，步骤(3)中致密烧结的温度为1000～1280℃，致密烧结的时间为2～4.5h；
步骤(4)中所述极化处理为直流电压极化，电压为0.5kV～5kV，极化时间为5～30min。
4.根据权利要求3所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述极化处理为油浴高温极化处理或常温极化处理；高温油浴极化：油浴的温度为40～120℃。
5.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述球磨的时间为6～12h，球磨的转速为200～450rpm；
步骤(2)中所述球磨的时间为6～12h，球磨的转速为200～450rpm；
步骤(1)中所述溶剂为无水乙醇或水；步骤(2)中所述溶剂为无水乙醇或水。
6.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述静置时间为30～60min；所述干燥的温度为45～75℃；
步骤(2)中所述静置时间为30～60min；所述干燥的温度为45～75℃；
步骤(1)中所述溶剂的用量与五氧化二铌、碳酸钾和碳酸钠总质量比为(5～50)mL：1g；
步骤(2)中所述溶剂的用量与氧化铜和铌酸钾钠前驱粉体总质量的比为(5～50)mL：1g。
7.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述成型是指将颗粒置于模具中，施压初步成型，然后静压压制成型；施压初步成型的压力为15～45MPa，静压的压力为180～220MPa。
8.根据权利要求1所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述粘结剂由聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水混合而成，所述聚乙烯醇、丙三醇、无水乙醇和去离子水质量比为5：(2-2.5)：1：25；
步骤(3)中所述粘结剂的用量为氧化铜掺杂铌酸钾钠陶瓷粉质量的2～12％。
9.一种氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体由权利要求1～8任一项所述的制备方法得到。
10.根据权利要求9所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体的应用，其特征在于：所述氧化铜掺杂铌酸钾钠抗菌压电陶瓷植入体用于医用抗菌材料和/或医用植入体材料。
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