一種梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域，具體涉及一種梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷。
【背景技術(shù)】
[0002]理想的硬組織修復(fù)生物材料應(yīng)同時(shí)兼?zhèn)淞己玫纳飳W(xué)特性和力學(xué)特性等多重功能要求。生物學(xué)性能主要是希望其具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性和可降解、吸收能力。力學(xué)性能包括抗壓、抗彎強(qiáng)度，彈性模量等多個(gè)綜合指標(biāo)應(yīng)當(dāng)最大限度地接近或與天然骨的力學(xué)性能相匹配。
[0003]現(xiàn)有研宄認(rèn)為，材料的化學(xué)組成、界面以及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其生物學(xué)特性功能具有決定意義。納米生物材料由于具有的獨(dú)特“納米效應(yīng)”和“界面特征”，如小尺寸效應(yīng)、高比表面積、表面/界面效應(yīng)等特性在硬組織工程修復(fù)領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。納米尺度的磷酸鈣與天然硬組織在化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和尺度上具有進(jìn)一步的相似性，納米生物材料中的晶粒、晶界及其結(jié)合都處于納米級(jí)水平。晶粒細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度增加，可有效提高材料與生物環(huán)境之間的界面交互作用，促進(jìn)相關(guān)蛋白、細(xì)胞的吸附與黏附，從而使得納米生物材料具的優(yōu)良的生物學(xué)性能。目前，盡管有眾多關(guān)于合成、制備和評(píng)價(jià)納米磷酸鈣材料的研宄報(bào)道，但在其具體的材料應(yīng)用中，納米磷酸鈣大多以分散形式，如溶液微粒、膠體，或者是以第二相的形式摻雜復(fù)合于其他基體材料(如高分子材料，膠原等)之中。然而制備塊體狀的納米磷酸鈣材料由于其燒結(jié)工藝制約仍是一大技術(shù)難題。在材料燒結(jié)過(guò)程中，隨著溫度升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，納米固體顆粒相互熔接，晶界逐漸合并減少，容易導(dǎo)致材料晶粒長(zhǎng)大，從而無(wú)法得到納米晶體的磷酸鈣陶瓷材料。從工藝本身看，納米陶瓷的制備流程同普通陶瓷并無(wú)太大的區(qū)別，一般遵循粉體-成型-燒結(jié)的工序，但從技術(shù)應(yīng)用層面看，納米陶瓷的制備技術(shù)極其苛刻。
[0004]在滿足硬組織修復(fù)生物材料多功能特性需求上，功能梯度材料(Funct1nallygraded materials，F(xiàn)GM)的設(shè)計(jì)具有巨大優(yōu)勢(shì)。梯度功能材料的概念是由日本新野正之與平井敏雄等學(xué)者于1987年首先提出的，功能梯度生物材料借鑒了功能梯度的材料設(shè)計(jì)思想，通過(guò)對(duì)材料的組分、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使材料不同部位具有不同的功能性能，從而使材料整體表現(xiàn)出多重的功能特性以滿足生物材料的多功能要求。迄今為止，人們已探索出一些基本的研宄方法，制備出一些梯度功能生物材料并取得了一定的效果，但是，現(xiàn)有的梯度功能生物材料基本上都是金屬-陶瓷功能梯度材料。這類金屬-陶瓷功能梯度材料在臨床應(yīng)用中，普遍存在涂層與基底結(jié)合強(qiáng)度不夠、涂層降解易使金屬基底再次裸露等問(wèn)題。因此，新一代的梯度功能生物材料尚有待于進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展，以滿足生物材料的多功能特性要求和可靠、安全的目的。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足而開(kāi)發(fā)的一種梯度結(jié)構(gòu)多功能HA磷酸鈣生物陶瓷。其特點(diǎn)是通過(guò)構(gòu)置燒結(jié)溫度梯度分布場(chǎng)獲得具有納米、微米晶體梯度變化結(jié)構(gòu)的生物陶瓷。
[0006]本實(shí)用新型通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0007]一種梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷，包括納米晶體結(jié)構(gòu)層、納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層、微米晶體結(jié)構(gòu)層。所述材料同時(shí)具有良好的生物學(xué)功能、與天然骨組織相匹配的力學(xué)功能等梯度功能特性。材料中的納米晶體結(jié)構(gòu)層賦予材料獨(dú)特的生物活性，確保材料的生物學(xué)特殊功能需求，促進(jìn)材料與生物組織界面形成，增強(qiáng)骨連接和愈合功能，微米晶體結(jié)構(gòu)層保證材料的力學(xué)性能，并且可通過(guò)調(diào)節(jié)納米晶體結(jié)構(gòu)層和微米晶體結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)組合以匹配材料與天然硬組織的力學(xué)性能，從而滿足生物材料的多功能需求目的，通過(guò)所述納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層使生物活性層與力學(xué)性能層之間結(jié)合緊密，使用過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生剝離、分層脫落等現(xiàn)象。
[0008]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，納米晶體結(jié)構(gòu)層與微米晶體結(jié)構(gòu)層之間通過(guò)納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層進(jìn)行連續(xù)梯度地過(guò)渡和連接，層與層之間無(wú)明顯界限。
[0009]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述磷酸鈣為羥基磷灰石、磷酸三鈣、雙相磷酸鈣、元素?fù)诫s改性磷酸鈣中的至少一種。
[0010]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述材料具有核殼結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別為微米晶體結(jié)構(gòu)中心層、納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層、納米晶體結(jié)構(gòu)表面層。
[0011 ] 作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述材料具有三層結(jié)構(gòu)，分別為位于兩端的微米晶體結(jié)構(gòu)層和納米晶體結(jié)構(gòu)層以及位于所述微米晶體結(jié)構(gòu)層和納米晶體結(jié)構(gòu)層之間的納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層。。
[0012]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述材料具有五層結(jié)構(gòu)，分別為位于中心的一個(gè)微米晶體結(jié)構(gòu)中心層和位于材料雙面表層的兩個(gè)納米晶體結(jié)構(gòu)表面層以及分別位于所述中心層和表面層之間的兩個(gè)納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層。
[0013]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述材料的晶體結(jié)構(gòu)分布中各層厚度的百分比為，納米晶體結(jié)構(gòu)層:1%?20%，納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層:10%?30%，微米晶體結(jié)構(gòu)層:89%?50%。
[0014]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述材料的納米晶體結(jié)構(gòu)層主要是晶粒直徑為80?10nm的磷酸鈣多晶體。進(jìn)一步的，其中納米晶的晶粒具有不規(guī)則形貌，晶粒之間無(wú)明顯晶界。
[0015]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述納米/微米晶體結(jié)構(gòu)過(guò)渡層主要是晶粒直徑為100?100nm的磷酸鈣多晶體。進(jìn)一步的，所述過(guò)渡層中納米晶與微米晶混雜，晶粒具有不規(guī)則形貌，晶粒之間無(wú)明顯晶界。
[0016]作為可選方式，在上述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷中，所述微米晶體結(jié)構(gòu)層主要是晶粒直徑為I?5 μπι的磷酸鈣多晶體。進(jìn)一步的，其中微米晶的晶粒具有不規(guī)則形貌，晶粒之間具有明顯晶界。
[0017]本說(shuō)明書中公開(kāi)的所有特征，或公開(kāi)的所有方法或過(guò)程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0018]本實(shí)用新型的有益效果:
[0019]1、本實(shí)用新型賦予生物陶瓷足夠的力學(xué)性能，材料的最大抗壓強(qiáng)度約為67?136MPa，與人體致密骨強(qiáng)度相當(dāng)，且材料的力學(xué)性能可以通過(guò)調(diào)整其梯度結(jié)構(gòu)以完美地匹配人體硬組織的生物力學(xué)要求。
[0020]2、本實(shí)用新型所述梯度結(jié)構(gòu)磷酸鈣生物陶瓷具有納米晶體結(jié)構(gòu)表面，材料的表面/界面具有較大比表面積，利于吸附成骨相關(guān)蛋白和細(xì)胞，易于材料在生物體內(nèi)快速釋放鈣、磷離子，促進(jìn)新骨生成，賦予HA生物陶瓷良好的生物相容性和生物活性，確保材料的生物學(xué)特殊功能需求，促進(jìn)材料與生物組織界面形成，增強(qiáng)骨連接和愈合功能；
[0021]3、本實(shí)用新型具有多重功能材料效果，且各功能層之間為梯度過(guò)渡結(jié)構(gòu)，生物活性層與力學(xué)性能層之間結(jié)合緊密，不存在剝離、分層的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1.實(shí)施例1中合成的納米HA微粒透射電鏡圖；
[0023]圖2.實(shí)施例1中所得梯度生物陶瓷的結(jié)構(gòu)示意圖，其中(a)為功能梯度結(jié)構(gòu)HA生物陶瓷的部分?jǐn)嗝娼Y(jié)構(gòu)示意圖，(b)為功能梯度結(jié)構(gòu)HA生物陶瓷的納米晶體結(jié)構(gòu)層SEM圖，(c)為功能梯度結(jié)構(gòu)HA生物陶瓷的微米晶體結(jié)構(gòu)層SEM圖，(d)為功能梯度結(jié)構(gòu)HA生物陶瓷的過(guò)渡層SEM圖；
[0024]圖3.實(shí)施例1中所得樣品的XRD圖譜，其中(a)為本發(fā)明的多功能HA生物陶瓷相成分鑒定XRD圖，(b)為HA晶體標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜；
[0025]圖4.多功能梯度結(jié)構(gòu)HA生物陶瓷的力學(xué)性能測(cè)試圖；
[0026]圖5.材料與細(xì)胞共培養(yǎng)的光共聚焦照片，其中(a)為常規(guī)HA陶瓷骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)體外培養(yǎng)I天激光共聚焦圖，(b)為常規(guī)HA陶瓷骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)體外培養(yǎng)4天激光共聚焦圖，(c)為常規(guī)HA陶瓷骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)體外培養(yǎng)7天激光共聚焦圖，(d)為實(shí)施例5骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(MSCs)體外培