CN1709829A - 羟基磷灰石－二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种羟基磷灰石－二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。本发明是以二氧化锆为基体中心层，并在其上下面分别铺上按不同比例混合的二氧化锆和羟基磷灰石的混合中间层，最外面铺上一层纯羟基磷灰石的表面层，形成一种梯度叠层复合结构；在钢模中，在压力为10～30MPa下干压成形，再在1500～1600℃高温下无压烧结，就可得到羟基磷灰石－二氧化锆复合生物陶瓷材料。本发明方法制得的复合材料，其抗弯强度为900～1100MPa，断裂韧性(K_1C)为7～10MPa·m^1/2，粗糙度为0.50～5.0μm；该复合材料的生物相容性好，可以满足人体不同部位的承载种植体的需要。

Description

羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料及其制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术

羟基磷灰石(HA)，具有与人体硬组织相似的化学成分和结构，具有良好的生物活性，但其力学性能较差，强度低、韧性差，如抗弯强度为50～150MPa，断裂韧性(K_1C)不超过1.0MPa·m^1/2，而人体骨骼在2～12MPa·m^1/2。所以，作为人工种植体，即骨替换材料，其使用的可靠性较差。

二氧化锆(ZrO₂)，具有良好的耐磨性和抗生物腐蚀性。故其力学性能优于其他陶瓷材料。据试验报道，掺有3mol％Y₂O₃的ZrO₂陶瓷，也即3mol％Y₂O₃部分稳定的ZrO₂陶瓷在室温下的抗弯强度为1200MPa，断裂韧性(K_1C)达15MPa·m^1/2。

因此，将二者材料复合，制备出兼具二者优点的复合材料成为科研人员的研究重点。

过去传统的制备羟基磷灰石与二氧化锆复合的复合材料的方法是：首先制备纯的羟基磷灰石及二氧化锆粉体，然后按一定比例将两者球磨混合，随后成型、烧结而成。但该种混料烧结法制备的复合陶瓷材料其抗弯强度为160～310MPa，K_1C为1.0～3.0MPa·m^1/2，尚不能用作人体承载种植体在人体负重较大的部位使用。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述传统的制备羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料的不足之处，提出一种新型的羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料的制备方法。

本发明一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料，其特征在于：以二氧化锆材料为中心层，其上下两面分别覆有羟基磷灰石表面层的单纯复合结构形式的复合材料；或者以二氧化锆材料为中心层，其上下两面由表及里分别对称覆有羟基磷灰石表面层及几种按不同比例混合的羟基磷灰石和二氧化锆混合物的中间层，形式梯度复合结构形式的复合材料。

梯度复合结构形式的复合材料，其结构形式为：以二氧化锆材料为中心层，其上下两面由表及里分别对称有羟基磷灰石表面层-50wt％羟基磷灰石+50wt％二氧化锆-30wt％羟基磷灰石+70wt％二氧化锆-10wt％羟基磷灰石+90wt％二氧化锆的三个中间层。

上述使用的二氧化锆材料是3％wol Y₂O₃部分稳定的二氧化锆。

本发明一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

(1)首先制备3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂超细粉末以及羟基磷灰石(简称HA)粉体；

a.3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂粉末的制备：按规定的Y₂O₃/ZrO₂比率配料，将Y₂O₃溶解于盐酸中，另将含结晶水的氯氧化锆ZrOCl₂·8H₂O溶解于去离子水中，将上述两种溶液混合，并搅拌均匀；随后将氨水徐徐加入该混合溶液中，不断搅拌，保持体系PH值大于9.5；静置沉淀，得到共沉淀物；将共沉淀物过滤、洗涤，去除氯离子，使氯离子＜10mmp，再用无水乙醇洗涤去除H₂O，使H₂O含量小于4vol％；再经干燥后得到疏松的氢氧化物前驱体；将前驱体于750℃温度下煅烧2小时后，得3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂超细粉末；

b.羟基磷灰石(称简HA)粉体的制备：将含结晶水的硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O溶解在95％的乙醇中，另将磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄溶解在去离子水中，均配制成0.5mol/L的溶液；用氨水调节两种溶液的PH值为10；随后加入数滴乙醇胺；在剧烈搅拌下先将少量的(NH₄)₂HPO₄加入到Ca溶解中，使溶液中产生HA晶核，然后将(NH₄)₂HPO₄溶液全部倒入Ca溶液中，保持反应温度为25℃，控制PH值为10，搅拌一段时间后，陈化12小时；经抽滤后用无水乙醇洗涤，再抽滤、再洗涤，如此反复3次，随后用微波炉快速干燥，然后在700℃温度大焙烧1小时，得到羟基磷灰石(即HA)粉体；

(2)制备羟基磷灰石-二氧化锆(即HA-ZrO₂)复合生物陶瓷材料：

a.制备HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料：该HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料的结构是HA-ZrO₂夹心迭层结构。首在HA粉体和ZrO₂粉体中分别加入1.5wt％PVA，并经喷雾干燥造粒。在钢模底部先铺上一层HA料粉，随后再铺上一层ZrO₂粉料；最后在ZrO₂料粉表面再对称平铺一层HA料粉；然后在压力10～30MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料；

b.制备HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料：该种材料为梯度叠层复合结构。首先在HA和ZrO₂及其经球磨的混合粉体中分别加入1.5wt％PVA，并经喷雾干燥造粒。在铜模中平铺各料粉层；在ZrO₂基体中心层上下表面由表及里分别对称铺设纯HA料粉表面层-50wt％HA+50wt％ZrO₂-30wt％HA+70wt％ZrO₂-10wt％HA+90wt％ZrO₂混合粉体中间层，共三层中间层；随后在压力10～30MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料。

本发明的优点及其积极效果如下：

(1)本发明采用高强度、高韧性的Y₂O₃部分稳定的二氧化锆作为基体材料，并用干铺法在其表面复合生物活性良好的羟基磷灰石粉体，经烧结后所得的HA-ZrO₂复合材料，能达到人体承重部位的使用要求。

(2)采用化学共沉淀法制备羟基磷灰石与二氧化锆粉体，其粉粒分布均匀，粒度能达到纳米级，从而在后续烧结过程中，利用纳米材料的特点，优化复合陶瓷材料提高其综合性能。

(3)采用干铺法制备的复合生物陶瓷材料，可以通过控制料粉干铺的过程，得到不同的表面粗糙度，如0.50～5.00μm。

(4)本发明方法所制备的复合生物陶瓷材料，其生物相容性实验结果表明，对体外激活末梢单个核细胞(PBMC)的激活程度较轻，具有良好的免疫相容性、生物相容性。

(5)本发明方法制得的羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料，经测试，其抗弯强度为900～1100MPa，断裂韧性(K1C)为7～10MPa·m^1/2。

具体实施方式

现将本发明的实施例详细叙述于后。

实施例1

本实施例的HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料的制备过程和步骤如下：

(1)制备3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂粉末：按规定的Y₂O₃/ZrO₂比率配料，称取分析纯的Y₂O₃ 6.78g，溶解在36％浓度的盐酸中；称取含结晶水的氯氧化锆ZrOCl₂·8H₂O 340g，溶解在去离子水中，均制成0.2mol/L的溶液。将两种溶液混合，并搅拌均匀；用去离子水将25％的商用氨水稀释10倍，随后将氨水徐徐加入上述混合溶液中，并不断搅拌，保持体系PH值大于9.5；静置沉淀，得共沉淀物；将共沉淀物过滤、洗涤，去除氯离子，使氯离子＜10ppm，再用无水乙醇洗涤去除H₂O，使H₂O含量小于4vol％；再经干燥后得到疏松的氢氧化物前驱体；将前驱体于750℃温度下煅烧2小时后。得3％mol Y₂O₃稳定的ZrO₂超细粉末。

(2)制备羟基磷灰石(简称HA)粉体：称取含结晶水的硝酸钙Ca(NO₃)₂·4H₂O16.7g，溶解在95％的乙醇中；称取磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄6.7g，溶解于去离子水中；均配制成0.5mol/L的溶液。用浓度为25％的商用氨水稀释调节两种溶液的PH值为10；随后各加入5滴分析纯的乙醇胺；在剧烈搅拌下先将少量(NH₄)₂HPO₄加入用Ca溶解中，使溶液中产生HA晶核，然后将(NH₄)₂HPO₄溶解全部倒入Ca溶液中，保持反应温度为25℃，控制PH值为10，搅拌一段时间后，陈化12小时；经抽滤后用无水乙醇洗涤，再抽滤、再洗涤，如此反复3次，随后用微波炉快速干燥，然后在700℃温度下焙烧1小时，得到羟基磷灰石(即HA)粉体。

(3)在制得的ZrO₂和HA粉体中分别加入1.5wt％的聚乙烯醇PVA，并经喷雾干燥造粒。

(4)在钢模底部先铺上一层HA料粉，随后再铺上一层ZrO₂料粉，最后在ZrO₂料粉表面再对称平铺-层HA料粉；形成HA-ZrO₂-HA夹心迭层结构；然后在压力15MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料。

经测试，该单纯复合生物陶瓷材料的平均抗弯强度1000MPa，断裂韧性(K_1C)平均值为8.5MPa·m^1/2，表面粗糙度为3.00～5.00μm。

实施例2

本实施例的HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料的制备过程和步骤如下：

(1)制备3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂粉末(该步骤与上述实施例1中所述内容完全相同)。

(2)制备羟基磷灰石(简称HA)粉体(该步骤与上述实施例1中所述内容完全相同)。

(3)在制备所得的ZrO₂和HA粉体中分别加入1.5wt％的聚乙烯醇PVA，并经喷雾干燥造粒。

(4)在钢模中平铺各料粉层；在ZrO₂基体中心层上下表面由表及里分别对称平铺纯HA料粉表面层-50wt％HA+50wt％ZrO₂-30wt％HA+70wt％ZrO₂-10wt％HA+90wt％ZrO₂混合粉体中间层，共有三层中间层；随后在压力15MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂梯度叠层复合结构的复合生物陶瓷材料。

经测试，该梯度复合生物陶瓷材料的平均抗弯强度为1050MPa，断裂韧性(K_1C)平均为9.0MPa·m^1/2，表面粗糙度为0.50～2.50μm。

实施例3

本实施例的HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料的制备过程和步骤如下：

(1)制备掺有3％mol Y₂O₃的ZrO₂粉末：

该步骤与上述实施例1的内容完全相同。

(2)制备羟基磷灰石(简称HA)粉体：

该步骤与上述实施例1完全相同。

(3)在制得的ZrO₂和HA粉体中分别加入1.5wt％的聚乙烯醇PVA，并经喷雾干燥后造粒。

(4)制得HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料：

此步骤与上述实施例1完全相同，不同的是：在压力为25MPa下干压成型，再在1500℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料。

经测试，该单纯复合生物陶瓷材料的平均抗弯强度为850MPa，断裂韧性(K_1C)平均为6.5MPa·m^1/2，表面粗糙度为3.00～5.00μm。

实施例4

本实施例的HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料的制备过程和步骤如下：

(1)制备掺有3％mol Y₂O₃的ZrO₂粉末：

该步骤与上述实施例1的内容完全相同。

(2)制备羟基磷灰石(简称HA)粉体：

该步骤与上述实施例1的内容完全相同。

(3)在制得的ZrO₂和HA粉体中分别加入1.5wt％的聚乙烯醇PVA，并经喷雾干燥后造粒。

(4)制得HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料：

此步骤与上述实施例2完全相同，不同的是：在压力为25MPa下干压成型，再在1500℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂梯度叠层复合结构的复合生物陶瓷材料。

经测试，该梯度复合生物陶瓷材料的平均抗弯强度为800MPa，断裂韧性(K_1C)平均为7MPa·m^1/2，表面粗糙度为0.50～2.50μm。

对所制得的HA-ZrO₂复合生物陶瓷材料作有关生物活性试验，其结果如下：

以羟基磷灰石-二氧化锆单纯复合生物材料和梯度复合生物材料为对照，首先用环氧乙烷将两种材料灭菌后，按照1g材料/5ml液体的比例，将其放入生理盐水中，于37℃恒温箱中静置浸提72h，过滤除菌，制成两种材料的浸提液。

然后提取30名健康青年人的肝素抗凝静脉血，每人50ml。等量磷酸盐缓冲液(PBS)稀释后，缓慢加到1/2体积的淋巴细胞分离液上，2000r/min离心分离20min，吸取界面的末梢血单个核细胞(PBMC)层，RPMI-1640细胞培养液洗涤3次后备用。

(1)用MTT法(四甲基偶氮唑盐微量酶反应比色法)检测两种材料浸提液对PBMC转化作用。PHA(非特异性有丝***原)作用72小时后，梯度复合生物材料组对PBMC的增殖作用高于单纯复合生物材料组(P＜0.05)。

(2)用FMC(流式细胞术)检测两种材料浸提液培养PBMC后淋巴细胞活化抗原CD69、CD25的表述。PHA作用24小时后两组材料在CD69和CD25阳性表达率上差异均有统计学意义(P＜0.01)。

(3)透射电镜下可见单纯复合材料组中激活的淋巴细胞较多。说明羟基磷灰石-二氧化锆梯度复合生物陶瓷材料对PBMC的激活程度较轻，具有较好的免疫相容性。

当概率P＜0.05(或P＜0.01)时，表明对比组之间的差异具有显著性(或非常显著性)意义。

Claims (4)

1.一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料，其特征在于：以二氧化锆材料为中心层，其上下两面分别覆有羟基磷灰石表面层的单纯复合结构形式的复合材料；或者以二氧化锆材料为中心层，其上下两面由表及里分别对称覆有羟基磷灰石表面层及几种按不同比例混合的羟基磷灰石和二氧化锆混合物的中间层，形成梯度复合结构形式的复合材料。

2.如权利要求1所述的一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料，其特征是所述的梯度复合结构形式的复合材料，其结构形式为：以二氧化锆材料为中心层，其上下两面由表及里分别对称覆有羟基磷灰石表面层-50wt％羟基磷灰石+50wt％二氧化锆-30wt％羟基磷灰石+70wt％二氧化锆-10wt％羟基磷灰石+90wt％二氧化锆的三个中间层。

3.如权利要求1所述的一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料，其特征是所述的二氧化锆材料是3％wol Y₂O₃部分稳定的二氧化锆。

4.如权利要求1所述的一种羟基磷灰石-二氧化锆复合生物陶瓷材料的制备方法，其特征在于具有以下的工艺过程和步骤：

(1)首先制备3％mol部分稳定的Y₂O₃的ZrO₂超细粉末以及羟基磷灰石(简称HA)粉体；

a.3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂粉末的制备：按规定的Y₂O₃/ZrO₂比率配料，将Y₂O₃溶解于盐酸中，另将含结晶水的氯氧化锆ZrOCl₂·8H₂O溶解于去离子水中，将上述两种溶液混合，并搅拌均匀；随后将氨水徐徐加入该混合溶液中，不断搅拌，保持体系PH值大于9.5；静置沉淀，得到共沉淀物；将共沉淀物过滤、洗涤，去除氯离子，使氯离子＜10mmp，再用无水乙醇洗涤去除H₂O，使H₂O含量小于4vol％；再经干燥后得到疏松的氢氧化物前驱体；将前驱体于750℃温度下煅烧2小时后，得3％mol Y₂O₃部分稳定的ZrO₂超细粉末；

b.羟基磷灰石(称简HA)粉体的制备：将含结晶水的硝酸钙Ca(NO₃)2·4H₂O溶解在95％的乙醇中，另将磷酸氢二铵(NH₄)₂HPO₄溶解在去离子水中，均配制成0.5mol/L的溶液；用氨水调节两种溶液的PH值为10；随后加入数滴乙醇胺；在剧烈搅拌下先将少量的(NH₄)₂HPO₄加入到Ca溶解中，使溶液中产生HA晶核，然后将(NH₄)₂HPO₄溶液全部倒入Ca溶液中，保持反应温度为25℃，控制PH值为10，搅拌一段时间后，陈化12小时；经抽滤后用无水乙醇洗涤，再抽滤、再洗涤，如此反复3次，随后用微波炉快速干燥，然后在700℃温度大焙烧1小时，得到羟基磷灰石(即HA)粉体；

(2)制备羟基磷灰石一二氧化锆(即HA-ZrO₂)复合生物陶瓷材料：

a.制备HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料：该HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料的结构是HA-ZrO₂夹心迭层结构；首先在HA粉体和ZrO₂粉体中分别加入1.5wt％PVA，并经喷雾干燥造粒，在钢模底部先铺上一层HA料粉，随后再铺上一层ZrO₂粉料；最后在ZrO₂料粉表面再对称平铺一层HA料粉；然后在压力10～30MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂单纯复合生物陶瓷材料；

b.制备HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料：该种材料为梯度叠层复合结构。首先在HA和ZrO₂及其经球磨的混合粉体中分别加入1.5wt％PVA，并经喷雾干燥造粒；在铜模中铺设各料粉层；在ZrO₂基体中心层上下表面由表及里分别对称铺设纯HA料粉表面层-50wt％HA+50wt％ZrO₂-30wt％HA+70wt％ZrO₂-10wt％HA+90wt％ZrO₂混合粉体中间层，共三层中间层；随后在压力10～30MPa下干压成型，再在1600℃高温下无压烧结，最后制得HA-ZrO₂梯度复合生物陶瓷材料。