增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其制備方法和應用
【技術領域】
[0001]本發明屬于生物醫用材料領域，具體涉及一種Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料及其制備方法和應用。
【背景技術】
[0002]現代社會中，由于各種原因造成的骨缺損，特別是大節段骨缺損已經成為世界性難題，而骨組織工程的提出和應用是解決這一難題的有效辦法。磷酸鈣生物陶瓷材料作為人體硬組織的重要組成部分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以和骨組織形成化學結合，是骨組織工程支架的理想材料。但多孔材料的孔隙率達到應用要求時會嚴重影響材料的力學性能，而且陶瓷本身屬于脆性材料，限制了其在骨修復中的應用。
[0003]通過復合/添加增韌相是提高多孔材料的力學性能和韌性的有效方法，常用的增韌相有納米級的增強粒或晶須。專利CN1256153C通過在羥基磷灰石中摻入納米氧化鋯顆粒，使用泡沫浸漬的方法，制備了一種可用于體外細胞培養、藥物釋放載體和骨修復的支架材料，但是該支架的生物活性和力學性能不能完美結合。專利CN102517636A將發明的原位生長的納米羥基磷灰石(nHA)晶須與生物玻璃混合，通過聚氨酯泡沫浸漬法制備了 nHA晶須增韌的多孔陶瓷材料，這種支架材料的孔隙率和孔隙分布取決于泡沫的結構。專利CN203777373U使用雙氧水發泡法制備了微孔磷酸鈣陶瓷，支架材料燒結后置于酸性環境下水熱處理后，可在支架表面獲得微納米晶須的改性層，提高生物活性，但同時也提高了這種多孔材料的降解速度。
[0004]相變增韌也是陶瓷材料增韌的一種方法。專利CN1515519A用Y203部分穩定的Zr02為基體，添加α-Α1203，利用兩者的相變增韌和顆粒彌散增強機理，制備了機械性能優化的陶瓷刀具材料。專利CN102850042A以Α1203為基體，微米級的亞穩態四方相Zr02呈彌散分布，通過注塑成型，利用相變增韌、微裂紋增韌和彌散增韌，提高了陶瓷材料的韌性和強度。目前相變增韌這一原理主要應用于惰性陶瓷的制備中，而對于磷酸鈣生物活性陶瓷增韌主要是添加納米級的增強粒、晶須或與其他材料復合。
【發明內容】
[0005]為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的制備方法。該方法通過凝膠注模成型，利用微米級Zr02的相變增韌和微裂紋增韌作用，可以制備具有不同孔隙率和力學強度的多孔材料，擴大生物陶瓷在生物醫學領域的應用范圍。
[0006]本發明的另一目的在于提供一種上述制備方法制得的Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料。本發明還提供了一種孔隙率可控的磷酸鈣生物陶瓷漿料，該漿料的固相含量高、粘度低，通過特定的處理方法可以控制漿料和制品的孔隙率。
[0007]本發明的另一目的在于提供上述Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的應用，該材料可應用在骨缺損修復中。
[0008]本發明目的通過以下技術方案實現:
[0009]一種Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料的制備方法，包括以下步驟:
[0010](1)將5?30質量份Zr02與95?70質量份磷酸鈣生物陶瓷組成的混合粉體球磨混合制得陶瓷粉體;將水、保水劑、分散劑、單體和交聯劑混合均勻制成溶劑，調節溶劑的pH值;然后在攪拌的條件下向溶劑中分批加入陶瓷粉體制得漿料，再向漿料中加入引發劑和催化劑，最后通過后處理控制漿料和最終樣品的孔隙率，制得磷酸鈣生物陶瓷漿料；
[0011](2)在無孔金屬模具內均勻涂上脫模劑，然后將步驟(1)制得的磷酸鈣生物陶瓷漿料注入模具中；再將模具加熱固化，最后脫模，得到具有機械支撐的陶瓷坯體;所述機械支撐是指生物陶瓷坯體在脫模、移動的過程中不會發生斷裂或有明顯的裂紋；
[0012](3)將步驟(2)制得的陶瓷坯體干燥、燒結，得到所述Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料。
[0013]步驟(1)中所述的磷酸鈣生物陶瓷為羥基磷灰石、β-磷酸三鈣和雙相磷酸鈣中的至少一種。
[0014]步驟(1)中所述球磨方式為干法球磨，轉速為500?750r/min，球磨時間為10?50min，最終達到的球磨效果是陶瓷粉體的粒徑為微米級。
[0015]步驟(1)中所述保水劑包括丙二醇、甘油和山梨醇中的至少一種，加入量為水的質量的2?50%。
[0016]步驟(1)中所述分散劑為聚丙烯酸銨、檸檬酸三鈉、甲基丙烯酰胺或硬脂酸，加入量為陶瓷粉體質量的0.5?2%。
[0017]步驟(1)中所述單體為丙烯酰胺，加入量為陶瓷粉體質量的1?6%。
[0018]步驟(1)中所述交聯劑為Ν,Υ-亞甲基雙丙烯酰胺，加入量為陶瓷粉體質量的0.2?0.5%。
[0019]步驟(1)中所述溶劑的pH值調節為9?11，優選用氨水調節;分批加入陶瓷粉體制得的漿料的固相含量為40?70vol%。
[0020]步驟(1)中所述引發劑為過硫酸銨，加入量為陶瓷粉體質量的0.7?1.1%。
[0021]步驟(1)中所述催化劑為四甲基乙二胺，加入量為陶瓷粉體質量的0.1?0.4%。
[0022]步驟(1)中所述后處理為通過攪拌或添加造孔劑的方法增加樣品的孔隙率，通過低速離心、超聲震蕩和真空除泡的方式降低漿料和樣品的孔隙率；
[0023]所述造孔劑包括碳酸氫銨、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯微球等中的至少一種。
[0024]所述低速離心，是指離心機的轉速控制在200?800r/min。
[0025]步驟(2)中所述加熱固化的溫度為30?80°C，時間為30?120min。
[0026]步驟(3)中所述陶瓷坯體干燥過程為:先常溫干燥24h，然后50°C條件下鼓風干燥，每隔4h取出樣品稱重，直至前后質量不再改變則干燥完全。
[0027]步驟(3)中所述燒結過程為:先以1?3°C/min的速率升溫到300?400°C，保溫1?3h;然后以1?3°C/min的速率升溫到700?800°C，保溫1?3h，最后以2?5°C/min的速率升溫到1100?1190°C，保溫2?4h ；燒結完成后，降溫速率為1?3°C/min。
[0028]本發明還提供了一種由上述制備方法制得的Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料。
[0029]上述Zr02增韌多孔磷酸鈣生物陶瓷材料可作為骨組織修復材料應用于骨缺損修復中。
[0030]本發明將凝膠注模成型制備多孔陶瓷與微米級Zr02燒結過程中的相變增韌和微裂紋增韌結合起來。混合粉體中的Zr02在高溫下由單斜相轉化為亞穩態的四方相，陶瓷高溫燒結后冷卻時，這兩種相轉變有逆轉的傾向，但陶瓷基體的束縛使相轉變受到限制，而四方相得以保存，從而提高了陶瓷的韌性。在外力作用下，基體束縛力的消除使Zr02發生馬氏體相變，這種相變導致體積膨脹而誘發的微裂紋可以分散主裂紋的尖端能量，提高斷裂能。
[0031]與現有技術相比，本發明具有以下優點及有益效果:
[0032](1)本發明通過對配制的高固相含量漿料的不同后處理，可以控制漿料和制品的孔隙率，對于制備具有特定孔隙率的支架提供理論依據。
[0033](2)本發明利用微米級Zr02的相變增韌和微裂紋增韌機理，大大的提高了多孔生物陶瓷材料的韌性，擴大了該材料的使用范圍。
[0034](3)本發明中使用的Zr02和磷酸類粉體都屬于生物陶瓷，具有良好的生物相容性，可用作骨修復材料。
【具體實施方式】
[0035]下面結合實施例對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。
[0036]實施例1
[0037]步驟一:磷酸鈣生物陶瓷漿料的制備
[0038](1)取普通化學沉淀法合成的類球形β-磷酸三鈣(β-TCP)粉體90質量份，市售的不定形的Zr02粉體10質量份，使用行星球磨機球磨20min(頻率為25Hz)，得到混合均勾的微米級陶瓷粉體；
[0039](2)將去離子水和甘油按質量比7:3混合，加入分散劑聚丙烯酸銨(加入量為陶瓷粉體的1.5wt%)、單體丙烯酰胺(加入量為陶瓷粉體的3.5wt%)和交聯劑Ν，Υ-亞甲基雙丙烯酰胺(加入量為陶瓷粉體的0.3wt%)，混合均勻制得溶劑;調節溶劑的pH值為9;在高速攪拌的條件下分批添加步驟(1)混合均勻的陶瓷粉體，使漿料的固相含量為55vol%;
[0040](3)向步驟(2)制得的漿料中加入引發劑過硫酸銨和催化劑四甲基乙二胺，加入量分別為陶瓷粉體質量的0.9%和0.2%，并攪拌均勻;為了降低支架的孔隙率，使支架中的氣孔皆是由添加劑揮發造成，對攪拌均勻的漿料進行超聲震蕩和真空除泡處理，得到所述磷酸鈣生物陶瓷漿料。
[0041 ]步驟二:多孔生物陶瓷支架坯體的制備
[0042](1)在無孔金屬模具內均勻涂一層甲基硅油作為脫模劑，將步驟一制得的磷酸鈣生物陶瓷漿料注入模具中，并確保漿料的表面平整，將溢出的漿料擦除干凈；
[0043](2)將模具放入鼓風干燥箱中加熱固化進行單體聚合，固化溫度為50°C，時間為40min，隨后自然冷卻；
[0044](3)鼓風干燥箱自然冷卻至室溫后取出模具，并拆除模具得到具有機械支撐的陶瓷支架坯體。
[0045]步驟三:陶瓷支架坯體的干燥和燒結
[0046](1)將步驟二脫模后的陶瓷支架坯體先常溫干燥24h，然后在50°C條件下鼓風干燥，每隔4h取出樣品稱重，直至前后質量不再改變則干燥完全；