Ca-P生物微晶玻璃复合的纳米生物陶瓷及其制备方法

摘要

本发明提供了Ca-P生物微晶玻璃复合的纳米生物陶瓷，它是由下列重量配比的氧化铝粉体和氧化锆粉体制备成基体，与Ca-P生物微晶玻璃粉体高温液相渗透制备而成：氧化铝粉体1-7份、氧化锆粉体1-8份；其中基体与Ca-P生物微晶玻璃的重量配比为：基体62-72份、Ca-P生物微晶玻璃28-38份。本发明还提供了该纳米生物陶瓷的制备方法。本发明纳米复合生物陶瓷机械性能高、加工性能高、三维尺寸适合性好、生物相容性及生物活性良好的特点，可作为优良的骨替代材料用于骨缺损修复，特别适用于长骨、关节等高负载、易磨损条件下的骨缺损修复。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ca-P生物微晶玻璃复合的氧化铝-氧化锆基纳米生物陶瓷及其制备方法，属于高强度生物陶瓷材料的制备技术领域。

背景技术

骨缺损修复一直是一个世纪以来不断深入研究的重要的热门课题之一，就骨移植材料的应用而言，除应能修复骨缺损区域，并最终达到结构和机械性能上同宿区的骨组织一致外，还应有足够的强度、潜在的活力，且在组织中无不良反应(无毒，无免疫原性，不致癌，不致畸)等。自体松质骨一向是用于填充骨缺损的所谓金标准。就目前而言，一般采用新鲜自体骨和同种异体骨，但自体骨移植区易发生疼痛和感染并发症(8--10％)；异体移植骨可出现免疫排斥反应并传染疾病，并且二者来源均有限。因此，寻找理想的骨移植替代材料用于骨缺损的修复具有重要的意义。骨替代材料的作用是修复骨组织的缺陷，目前主要有羟基磷灰石、生物玻璃、微晶玻璃等，及其与胶原蛋白、有机高分子等有机材料的复合材料。无机的替代材料主要作为植入人体的骨架，骨细胞和胶原纤维在其上生长，最终成为活体骨的一部分。由于骨替代材料在植入人体后要受到动态载荷的作用，所以除了生物相容性以外，对材料有较高的力学性能要求。

目前的单一材料都有其一定的优点和缺点，如，羟基磷灰石(HA)是天然骨组织主要的无机成分，可以用作天然骨的替代物植入人体，具有良好的生物相容性与骨传导性。但是由于致密的羟基磷灰石机械强度较低，抗压强度400MPa-917MPa，抗弯强度80MPa-150MPa，且加工性能比较差，机械性能与天然骨不能完全匹配，一定程度上限制了其应用范围。

生物玻璃(Bioglass)具有良好的化学稳定性、生物相容性，但与人体骨组织相比，弹性模量很高、脆性大、断裂韧性与机械强度较低，抗压强度和抗弯强度与羟基磷灰石基本相似，单一作为骨置换材料应用还很困难，因此常采用和高强度材料复合的方式在临床上应用。此外生物玻璃还常用作金属表面涂层材料和骨充填材料。

生物微晶玻璃(Bioglass Ceramics)是在生物玻璃基础上发展起来的一种新材料，生物玻璃通过结晶化处理得到的生物微晶玻璃既保持了良好的生物相容性和生物活性，还显著改善了力学性能。生物微晶玻璃材料中最典型的是以A-W生物微晶玻璃，致密型的多用于骨置换，但鲜见成功用于人工脊椎骨，椎间盘、人工肋骨等的报道。多孔型烧结体常用来修复颅颌部骨质缺损和矫正畸形以及外科整容术。颗粒型的材料则一般用于牙槽嵴萎缩的防治，牙窝填塞，骨缺损修补以及护髓，盖髓等。而氧化锆-羟基磷灰石复合陶瓷虽然强度高于纯羟基磷灰石，但耐磨性仍难于满足关节、长骨的强度需求；关节头或长骨在三维尺寸方面有着很高的精度要求，而采用普通烧结成型的方法，其收缩率高达15％～20％左右，精度难于控制。氧化铝、氧化锆陶瓷虽然强度较高，但属于生物惰性材料，不具有生物活性。上述几种生物活性材料，基本上仅适用于骨缺损部位的骨充填修复，未见应用于长骨或骨关节的缺损修复的报导。

综上所述，现有的生物陶瓷(羟基磷灰石、生物玻璃、微晶玻璃等)机械强度低、韧性差，不耐磨损，加工性能差，在长骨、关节等高负载及力学相容性要求高的条件下应用受限。

发明内容

本发明的技术方案是提供了一种氧化铝-氧化锆基Ca-P生物微晶玻璃复合的生物陶瓷及其制备方法。

本发明提供了一种Ca-P生物微晶玻璃复合的纳米生物陶瓷，它是由下列重量配比的氧化铝粉体和氧化锆粉体制备成基体，与Ca-P生物微晶玻璃粉体高温液相渗透制备而成：

氧化铝粉体1-7份、氧化锆粉体1-8份；

其中基体与Ca-P生物微晶玻璃的重量配比为：

基体62-72份、Ca-P生物微晶玻璃28-38份。

进一步优选地，它是由下列重量配比的氧化铝粉体和氧化锆粉体制备成基体，与Ca-P生物微晶玻璃粉体高温液相渗透制备而成：

氧化铝粉体1份、氧化锆粉体1份；

其中基体与Ca-P生物微晶玻璃的重量配比为：

基体72份、Ca-P生物微晶玻璃28份。

它是由氧化铝粉体、氧化锆粉体为基体，经成型、干燥、烧结，Ca-P生物微晶玻璃粉体高温液相渗透，制得Ca-P生物微晶玻璃渗透的纳米复合生物陶瓷。

其中，所述的生物玻璃的组份为Na₂O-Cao-La₂O₃-TiO₂-ZrO₂-P₂O₅-SiO₂-B₂O₃，其中，Na₂O和CaO的量占生物玻璃总量的38％-42％；TiO₂和ZrO₂的量占生物玻璃总量的4％-8％；La₂O₃的量占生物玻璃总量的9％-15％，P₂O₅占生物玻璃总量的19％-21％，SiO₂、B₂O₃的量占生物玻璃总量的23％-34％，铂金坩埚1450℃-1500℃熔融，经粉碎制作成玻璃粉体，其粒度为50目-100目。

进一步优选地，所述的生物玻璃的组份中Na₂O和CaO占生物玻璃总量的40％；TiO₂和ZrO₂占生物玻璃总量的6％；La₂O₃占生物玻璃总量的12％，P₂O₅、SiO₂和B₂O₃占生物玻璃总量的42％。

本发明还提供了一种制备所述的纳米生物陶瓷的方法，它包括如下步骤：

a、制备氧化铝粉体、氧化锆粉体，按比例配制，加入分散剂制备成均匀料浆；

其中氧化铝粉体、氧化锆粉体包括有微米、亚微米、纳米级的α-Al₂O₃、ZrO₂，纳米氧化铝粉体制备：以Al(NO₃)₃为前驱体，配制成溶液，以NH₃水溶液控制pH≈9，经水热法处理，醇洗涤，冷冻干燥，烧结；纳米氧化锆粉体制备：以ZrOCl₂.8H₂O为前驱体，加入6％-8％MolY(NO₃)₃，配制成摩尔浓度范围0.8mol～1.2mol/L的混合溶液，以NH₃水溶液作沉淀剂，控制pH≈9，使锆、钇胶体经水热法处理，醇洗涤，冷冻干燥，烧结，获得稳定的纳米氧化锆粉体；

b、将a步骤所述的料浆在人工骨模型中注浆成型；1110℃-1350℃预烧结；制备成纳米微孔骨架基体；

c、将Ca-P生物玻璃与纳米微孔骨架进行纳米组装，在1100℃-1300℃温度下Ca-P生物玻璃以液相渗透于微孔骨架孔隙之中形成纳米级的微晶薄膜，在850℃保温0.5小时，进行微晶化处理，即得纳米生物陶瓷。

其中，a步骤所述的氧化铝粉体、氧化锆粉体中含有纳米级氧化铝和纳米级氧化锆粉体的量占粉体总量15％～25％。

其中，a步骤所述的均匀料浆中α-Al₂O₃、ZrO₂的重量百分含量为85％～90％；所述的分散剂由聚乙烯醇、聚乙二醇、阿拉伯胶、聚丙烯酸、柠檬酸、柠檬酸钠、聚丙烯酰胺中的一种或数种组成的水溶液，分散剂总量占料浆总量的0.1％-2％。

其中，b步骤所述的烧结温度为1100℃～1350℃预烧。

本发明还提供了该纳米生物陶瓷在制备长骨或骨关节的缺损修复材料中的运用。

本发明采用渗透陶瓷成型技术，将氧化锆、氧化铝的高强度、高耐磨性与Ca-P生物微晶玻璃的生物活性相结合，克服了Ca-P生物微晶玻璃在力学性能上的缺陷，使材料既能保持良好的生物活性，又具有良好的机械性能，抗弯强度可达500MPa-700MPa，韧性达4MPa/m^-1/2-5.6MPa/m^-1/2，烧结成型收缩率可小于0.5％，具有优良的加工性能，可作为长骨、关节等高负载、易磨损条件下的骨替代材料。该材料主要特点在于利用生物微晶玻璃以薄膜形式包覆基体颗粒表面，可与骨组织形成生物相容性良好的结合界面。

本发明采用纳米复合及陶瓷制作技术，制作一种高生物活性、高强度、高耐磨性、高精度且具可加工性的生物活性人工骨替代材料。本发明整体均一的复合体，同时具有高强度、韧性的组分均匀分布的生物陶瓷，可作为骨修复材料直接用于骨缺损修复。制备的纳米复合生物陶瓷由纳米晶粒组成，利用纳米技术，具有良好的力学性能、可作为骨替代料用于骨缺损修复。

附图说明

图1本发明生物陶瓷制备工艺技术路线流程

图2氧化铝、氧化锆基体孔隙分布

图3生物玻璃渗透前基体断面形貌

图4生物玻璃基体渗透后复合体断面形貌

具体实施方式

实施例一：本发明纳米复合生物陶瓷的制备

以Al(NO₃)₃为前驱体，配制成一定浓度的溶液，以NH₃水溶液控制pH，经水热法处理，醇洗涤，冷冻干燥，1400℃烧结，制备得α-Al₂O₃粉体，平均粒径2.5μm。以ZrOCl₂.8H₂O或Zr(NO₃)₄.12H₂O为前驱体，加入9％MolY(NO₃)₃，配制成一定浓度的混合溶液，以NH₃水溶液作沉淀剂，控制PH≈9，使锆、钇胶体经水热法处理，醇洗涤，冷冻干燥，1250℃烧结，获得部分稳定的氧化锆粉体，其平均粒经40nm。添加部分呈弥散分布的纳米氧化铝、纳米氧化锆粉体，其微米、亚微米粒子共同构成刚性骨架，其添加纳米粉体占粉体的总量15％～25％。α-Al₂O₃粉体及PZT-ZrO₂按照紧密堆积的原则进行多级级配，氧化铝∶氧化锆的重量比为7∶3；加入有机分散剂聚乙二醇、聚丙烯酸及柠檬酸钠，其加入质量依次为基体料的1.5％，0.3％，0.15％；利用其位阻效应改善料浆均匀性、分散性及悬浮性，料浆制备以后，即按照使用目的预成素坯体，经1200℃保温2小时形成连续的彼此连通的纳米微孔为主的骨架。经1230℃预烧，即制作成微孔基体。图2为氧化铝、氧化锆基体孔隙分布。选用生物玻璃系统，其组份为Na₂O-CaO-La₂O₃TiO₂-ZrO₂-P₂O₅-SiO₂-B₂O₃，筛选玻璃生成范围，铂金坩埚1450℃-1500℃熔融，经粉碎制作成玻璃粉体，其粒度为50目-100目。Na₂O、CaO的总量40％；TiO₂、ZrO₂物的总量为6％；La₂O₃的总量为12％，P₂O₅、SiO₂、B₂O₃的总量为42％。在1200℃，将Ca-P生物玻璃以液相方式渗入彼此连通的微孔之中，并对玻璃渗透复合体进行微晶化处理，即将其在850℃保温0.5小时，即制作成Ca-P生物微晶玻璃渗透的纳米复合生物陶瓷。经测定，基体相为65％，Ca-P生物微晶玻璃35％(质量比)。(图3及图4分别为玻璃渗透前后的扫描电镜观察图示。

实施例二：本发明纳米复合生物陶瓷的制备

以实施例一的方法制备氧化铝及氧化锆粉体，氧化铝及氧化锆粉体按照质量比为1∶1配制，粉体粒度按紧密堆积的原则进行多级级配，选用聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺为有机分散剂，其加入质量依次为基体料的0.5％，0.2％，0.7％；利用其位阻效应改善料浆均匀性、分散性及悬浮性，料浆制备以后，即按照使用目的预成素坯体，经1210℃预烧，即制作成微孔基体。经测定，基体相为72％，Ca-P生物微晶玻璃28％(质量比)。在1190℃，将Ca-P生物微晶玻璃以液相方式渗入彼此连通的微孔之中，即制作成Ca-P生物微晶玻璃渗透的纳米复合生物陶瓷。

实施例三：本发明纳米复合生物陶瓷的制备

以实施例一的方法制备氧化铝及氧化锆粉体，氧化铝及氧化锆粉体按照质量比为2∶8配制，粉体粒度按紧密堆积的原则进行多级级配，选用阿拉伯胶、柠檬酸钠为有机分散剂，其加入质量依次为基体料的0.7％，0.2％；利用其位阻效应改善料浆均匀性、分散性及悬浮性，料浆制备以后，即按照使用目的预成素坯体，经1220℃预烧，即制作成微孔基体。经测定，基体相为62％，Ca-P生物微晶玻璃38％(质量比)。在1200℃，将Ca-P生物微晶玻璃以液相方式渗入彼此连通的微孔之中，即制作成Ca-P生物微晶玻璃渗透的纳米复合生物陶瓷。

分别测定实施例1-3制备的纳米生物陶瓷的抗弯强度和断裂韧性，具体结果如下：

表1不同实施方式的Ca-P生物微晶玻璃复合的纳米生物陶瓷抗弯强度和断裂韧性

  实施例一  实施例二  实施例三  抗弯强度(MPa)  615  635  590  断裂韧性  (MPa/m^-1/2)  5.12  5.45  5.14

综上所述，本发明采用渗透陶瓷成型技术，将氧化锆、氧化铝的高强度、高耐磨性与Ca-P生物微晶玻璃的生物活性相结合，克服了Ca-P生物微晶玻璃在力学性能上的缺陷，使材料既能保持良好的生物活性，又具有良好的机械性能，抗弯强度可达500MPa-700MPa，韧性达4MPa/m^-1/2-5.6MPa/m^-1/2，烧结成型收缩率可小于0.5％，具有优良的加工性能，可作为长骨、关节等高负载、易磨损条件下的骨替代材料。