專利名稱：一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法及其產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)用材料領(lǐng)域，尤其涉及一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法及其產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
生物材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已有漫長的歷史，近幾年來，隨著科學(xué)的發(fā)展和外科醫(yī)療水平的提高，先后開發(fā)了不銹鋼、鈷鉻合金、工業(yè)純釷及鈦合金等一系列金屬醫(yī)學(xué)生物材料。金屬醫(yī)學(xué)生物材料具有較好的力學(xué)性能，但是當(dāng)金屬醫(yī)學(xué)生物材料植入人體后與體液及血液中的蛋白質(zhì)和氨基酸相互作用，金屬表面會發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，造成金屬離子進(jìn)入體內(nèi)，或金屬離子和生物原子結(jié)合，使人體發(fā)生中毒或過敏。這種現(xiàn)象影響了金屬醫(yī)學(xué)生物材料的進(jìn)一步發(fā)展。而陶瓷生物醫(yī)學(xué)材料的研究開發(fā)在近幾年來也得到了飛速發(fā)展，其主要分為兩類，其一是陶瓷生物醫(yī)學(xué)惰性材料，指的是在生物環(huán)境中能保持穩(wěn)定，不發(fā)生或者僅發(fā)生微弱的化學(xué)反應(yīng)的生物醫(yī)學(xué)材料，包括氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等；其二是陶瓷生物活性材料，指的是能誘導(dǎo)或調(diào)節(jié)生物活性促進(jìn)成骨的生物醫(yī)學(xué)材料，其中以羥基磷灰石為代表。羥基磷灰石(Hydroxyapte簡稱HAP)，其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)和骨頭、牙齒的相似，與機(jī)體組織的生物相容性好，在與骨相結(jié)合時在界面處能促進(jìn)骨誘導(dǎo)，骨組織在其表面生長并長入微孔內(nèi)形成生理結(jié)合，但是現(xiàn)有的生物醫(yī)學(xué)材料存在一個很大的弱點(diǎn)，就是強(qiáng)度低、脆性大，這個缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了生物陶瓷醫(yī)學(xué)材料在臨床上的應(yīng)用。針對HAP力學(xué)性能低的缺點(diǎn)，人們可通過HAP與第二相材料的復(fù)合制備強(qiáng)韌化HAP生物復(fù)合材料來克服。HAP作為基體出現(xiàn)在強(qiáng)韌化HAP復(fù)合材料中，即通過增強(qiáng)體韌化復(fù)合材料，克服整體HAP脆性高的缺點(diǎn)，這樣的HAP生物復(fù)合材料保持了較高的力學(xué)性能同時又具有一定的生物活性。
國內(nèi)外在生物復(fù)合材料的研究中，主要包含了以下幾種(1)金屬-HAP生物復(fù)合材料，一定量的延性金屬相增強(qiáng)體的HAP生物復(fù)合材料保持了HAP陶瓷較高的壓縮強(qiáng)度，而通過韌性金屬相對裂紋的截斷，即裂紋尖端尾跡處金屬相的塑性變形導(dǎo)致裂紋彌合而避免了其脆性。已報道的金屬增強(qiáng)體有FeCr合金纖維、Ti顆粒、不銹鋼纖維、Tiinconel 601纖維、Ag顆粒等。
(2)生物惰性陶瓷合HAP生物復(fù)合材料，用生物惰性材料復(fù)合HAP生物活性陶瓷制備復(fù)合材料可提高其強(qiáng)度和韌性，而不影響其生物活性。
(3)高分子聚合物-HAP生物復(fù)合材料，目前已流行的這類復(fù)合材料是HAP-聚乙烯復(fù)合材料(HAP體積分?jǐn)?shù)為40％～60％)，該復(fù)合材料具有與骨類似的彈性模量，克服其他強(qiáng)韌化HAP復(fù)合材料與骨力學(xué)性能不相容的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種生物相容性好、穩(wěn)定性高、又具有一定的強(qiáng)度和韌性的生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種由上述制備方法得到的生物陶瓷材料。
本發(fā)明一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟(1)制備二氧化鋯超細(xì)粉；(2)制備羥基磷灰石粉體；(3)將二氧化鋯超細(xì)粉和羥基磷灰石粉體混合后置于模具中，加壓制得素坯，再置于高溫爐中燒制得到。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選，在制備二氧化鋯超細(xì)粉時首先配制氯化釔和氯氧化鋯的混合溶液，將混合溶液慢慢加入氨水中，并不斷攪拌，保持PH值大于9.5，靜止沉淀后得到共沉淀物，過濾，用蒸餾水洗滌去除氯離子至氯離子含量小于10ppm，再用乙醇洗滌數(shù)次，去除水，使水含量小于4vol％，干燥后得到疏松的氫氧化物前驅(qū)劑，再經(jīng)高溫煅燒得到二氧化鋯超細(xì)粉。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，在制備羥基磷灰石粉體是在水-乙酸體系下，用化學(xué)沉淀法制備羥基磷灰石粉體，首先將Ca(NO3)2溶解在95％的乙醇中制成0.5mol/L的溶液，(NH4)2HPO4溶解在去離子水中制成0.5mol/L的溶液，調(diào)節(jié)兩種溶液的PH至10，然后各加入若干滴乙醇胺；再取少量的(NH4)2HPO4加入到Ca(NO3)2溶液中，同時攪拌，使溶液內(nèi)產(chǎn)生羥基磷灰石(HAP)晶核，然后將(NH4)2HPO4溶液全部加入到Ca(NO3)2溶液中，同時攪拌，控制溫度在25℃、PH值10，反應(yīng)完全后陳化12小時，然后用無水乙醇洗滌，再快速干燥，最后高溫焙烤得到羥基磷灰石粉體。
素坯成形采用二氧化鋯單純復(fù)合羥基磷灰石或者二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選，所述的二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石采用在二氧化鋯表面由表及里分別平鋪上HAP、5％wtHAP+ZrO2、1％wtHAP+ZrO2、0.5％wtHAP+ZrO2。
素坯成形后在高溫爐中優(yōu)選用1600℃無壓燒結(jié)3小時。
本發(fā)明還公開了一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法得到的產(chǎn)品。
羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)和人體骨頭的無機(jī)礦物質(zhì)結(jié)構(gòu)相似，可以作為骨替代物被用于骨移植，但是存在強(qiáng)度低，韌性不夠的問題，其本發(fā)明一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料，采用羥基磷灰石和二氧化鋯復(fù)合得到的生物陶瓷材料，能明顯促進(jìn)成骨細(xì)胞的增殖和分化，能和骨頭連成一體，具有較好的生物相容性以及具有較好的免疫相容性，對人體不產(chǎn)生毒副作用，同時具備較好的強(qiáng)度和韌性，可以作為一種安全的骨科內(nèi)固定材料。本發(fā)明一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料采用羥基磷灰石和二氧化鋯復(fù)合，使其具有生物相容性的同時具備較好的強(qiáng)度及韌性，解決了傳統(tǒng)內(nèi)固定材料存在的缺點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式
下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1本實(shí)施例制備羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料，包括如下步驟1、二氧化鋯(ZrO2)超細(xì)粉的制備采用的原料均為分析純，用化學(xué)共沉淀法制備。首先配制Y3+/Zr4+比率為的氯化釔(Y2O3+HCl)和氯氧化鋯的混合溶液；將混合溶液慢慢加入氨水中，并不斷攪拌，保持體系的PH值大于9.5，靜止沉淀后得到共沉淀物，將共沉淀物過濾，然后用蒸餾水洗滌，去除氯離子至氯離子濃度小于10ppm，再用乙醇洗滌8次，去除水，使水含量小于4vol/L干燥后得到疏松的氫氧化物前驅(qū)劑，最后經(jīng)750℃煅燒2小時后得到3％mol Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(Y2O3)超細(xì)粉。
2、羥基磷灰石粉體的制備本實(shí)施例采用Ca(NO3)2·4H2O和(NH4)2HPO4為原料，在水-乙酸體系下，用化學(xué)沉淀法制備出羥基磷灰石(HAP)粉體。首先將Ca(NO3)2溶解到95％的乙醇中，制得0.5mol/L的溶液，(NH4)2HPO4溶解在去離子水中，制得0.5mol/L的溶液；然后用氨水調(diào)節(jié)兩種溶液的PH值為10，再各加入5滴乙醇胺，然后在劇烈的攪拌下，先將少量的(NH4)2HPO4加入到Ca(NO3)2溶液中，使溶液產(chǎn)生HAP晶核，然后將(NH4)2HPO4溶液全部倒入Ca(NO3)2溶液中，在控制反應(yīng)溫度為25℃，PH值為10，攪拌使其反應(yīng)完全，再陳化12小時，然后用無水乙醇洗滌3次，用微波爐快速烘干，最后在700℃下焙烤1小時得到HAP粉體。
3、將上述步驟得到的HAP粉體和Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(Y2O3)分別以質(zhì)量比5∶95、1∶99、0.5∶99.5的比例混合，分別噴霧干燥造粒。素坯成形采用二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石，既在ZrO2基體表面由表及里分別對稱平鋪上HAP、5％wtHAP+ZrO2、1％wtHAP+ZrO2、0.5％wtHAP+ZrO2。將粉料置于鋼模中對稱的逐層平鋪，再使用萬能力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)機(jī)單面加壓，形成素坯，然后將素坯置于高溫爐中用4600℃無壓燒結(jié)3小時，即可得到羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料。
本實(shí)施例制得的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料，具有較好的生物相容性，無毒性反應(yīng)，是一種良好的骨科內(nèi)固定材料。
實(shí)施例2本實(shí)施例中制備羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料，在素坯成形時采用二氧化鋯單純復(fù)合羥基磷灰石，包括如下步驟1、二氧化鋯(ZrO2)超細(xì)粉的制備制備過程和實(shí)施例1相同。
2、羥基磷灰石粉體的制備制備過程和實(shí)施例1相同。
3、將上述步驟得到的HAP粉體和Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(Y2O3)采用單純復(fù)合的方式，在ZrO2基體表面對稱平鋪上HAP，然后加壓形成素坯，再置于高溫爐中用1600℃無壓燒結(jié)3小時即得。
實(shí)驗(yàn)例11、材料的準(zhǔn)備將實(shí)施例制得的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料用環(huán)氧乙烷滅菌，然后按1g材料/5ml介質(zhì)的比例，放入生理鹽水中，37℃恒溫箱中靜置浸提72小時，過濾除菌、4℃冰箱保存?zhèn)溆谩?br> 2、體外急性全身毒性試驗(yàn)選30只20g左右的健康雄性小白鼠，隨機(jī)分為3組，每組10只，記錄初始體重。試驗(yàn)組小鼠靜脈注射材料樣品的生理鹽水浸提液，每只小鼠注射量為50g/kg；對照組小鼠注射與制備浸提液同批的生理鹽水，劑量同試驗(yàn)組。注射后即刻、4、24、48及72小時觀察小鼠一般狀態(tài)及毒性表現(xiàn)和死亡數(shù)，注射后24小時、48小時和72小時觀察體重變化，并再隨后的3周內(nèi)觀察小鼠毒性表現(xiàn)及死亡數(shù)。
試驗(yàn)結(jié)果在21天觀察期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)一例小鼠死亡，72小時觀察期內(nèi)各組小鼠未見中毒癥狀或不良反應(yīng)，無死亡，體重增長正常，協(xié)方差分析表明材料浸提組與生理鹽水組小鼠體重增長均無明顯差異(P＞0.5)，這表明該材料浸提液無急性毒性作用，結(jié)果如表1所示。
表1試驗(yàn)小鼠72小時的體重變化值(g，x±s)

3、溶血試驗(yàn)各取10ml生理鹽水材料浸提液、滅菌蒸餾水(陽性對照)、0.9％生理鹽水(陰性對照)放入3支15ml離心管中，37℃水浴30分鐘后，各加入抗凝稀釋新鮮兔血0.2ml，再放入37℃水浴中繼續(xù)保溫60分鐘。然后取出離心5分鐘(1000prm)，取上清液，用722型分光光度計在545nm波長讀取光密度OD值，每組設(shè)8個平行樣品。
試驗(yàn)結(jié)果溶血性溶血率計算公式溶血率(％)＝(樣品吸光度-陰性吸光度)/(陽性吸光度-陰性吸光度)×100％。試驗(yàn)材料組的體外溶血率為1.66％，小于5％的標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。
表2溶血試驗(yàn)結(jié)果(n＝8，x±s)

4、肌肉內(nèi)及骨內(nèi)植入試驗(yàn)取健康新西蘭大白兔12只，體重2.5～3.5kg，雌雄不限。隨機(jī)分為4組，每組3只。分別為3周組、6周組、12周組和24周組。3％戊巴比妥鈉靜脈麻醉，在無菌條件下，于股骨外側(cè)髁處縱行切開皮膚，顯露股骨外側(cè)髁。用5mm的鉆頭，從外髁向內(nèi)側(cè)髁橫向鉆孔。鉆穿后，沖洗骨屑。然后將實(shí)施例1制得的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料填入骨洞內(nèi)，逐層縫合切口。在骨內(nèi)植入后，于同側(cè)肢體的臀外側(cè)部另做切口，分離肌肉成一肌袋，植入5mm的材料，觀察時間同前。術(shù)后常規(guī)喂養(yǎng)，并進(jìn)行大體觀察，觀察術(shù)后飲食、活動、切口反應(yīng)等。
分別于術(shù)后3周、6周、12周和24周處死動物，切取包括材料植入?yún)^(qū)及周圍一部分骨質(zhì)的復(fù)合組織塊。立即用2.5％戊二醛固定24小時，然后1％鋨酸固定2小時，PBS漂洗3次，梯度酒精脫水，臨界干燥儀干燥后表面噴金，掃描電鏡下觀察。材料及肌肉標(biāo)本經(jīng)反復(fù)生理鹽水沖洗后，經(jīng)10％福爾馬林固定后，常規(guī)組織切片，光鏡下觀察組織學(xué)變化。
試驗(yàn)結(jié)果體內(nèi)植入試驗(yàn)全部動物成活，傷口無感染、紅腫及裂開等不良反應(yīng)，傷口均一期愈合。從大白兔中取出材料后，可見肌肉組織緊緊包裹住復(fù)合生物陶瓷材料表面，兩者截面接觸緊密，肌組織顏色鮮紅，同正常肌組織一樣。復(fù)合生物陶瓷周圍為一層薄薄的纖維組織包繞。制成切片、HE染色后，顯微鏡下觀察，肌組織與復(fù)合生物陶瓷接觸面形成一層薄薄的纖維結(jié)締組織，肌組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)正常，未見淋巴細(xì)胞、巨噬細(xì)胞浸潤，亦未見肌組織細(xì)胞溶解、壞死跡象，即無排斥及毒性反應(yīng)，具有較好的生物相容性。
實(shí)驗(yàn)例2抗彎強(qiáng)度的測定根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB6569-86，工程陶瓷彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法，將試樣制成條狀，相對面平行度不大于0.02mm，橫截面兩相鄰?qiáng)A角為90±0.5°，沿平行于長軸反向的棱角磨成圓角或倒角。
測試時將試樣放于支座上，使兩端露出部分長度相等，用三點(diǎn)彎曲加載方式在WDW-100A電子式萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上測量材料的破壞負(fù)載。在試樣負(fù)荷點(diǎn)上，以0.5mm/min的位移速度加荷，記錄試樣斷裂時的最大負(fù)荷，按下式計算試樣的抗彎強(qiáng)度бb＝1.5(P×L)/(b×h2)式中бb——材料的三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度(MPa)；P——試樣斷裂時的最大負(fù)荷(N)；L——試樣支座間的距離(mm)；b——試樣斷口處的寬度(mm)；h——試樣斷口處的高度(mm)。
下面對二氧化鋯陶瓷在1600℃燒結(jié)保溫3小時后的抗彎強(qiáng)度測試和本發(fā)明實(shí)施例1得到的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行抗彎測試，得到如下結(jié)果表3 純二氧化鋯陶瓷在1600℃燒結(jié)保溫3小時的抗彎強(qiáng)度

表4實(shí)施例1得到的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度


將純二氧化鋯陶瓷和羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷的力學(xué)性能進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，純二氧化鋯陶瓷的最高抗彎強(qiáng)度為1112.24MPa，羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷的最高抗彎強(qiáng)度為1006.30MPa，相較復(fù)合前下降大約100MPa，羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷采用羥基磷灰石和二氧化鋯復(fù)合，小幅度降低了二氧化鋯陶瓷的力學(xué)性能，解決了羥基磷灰石材料強(qiáng)度低的問題。
權(quán)利要求
1.一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于包括如下步驟(1)制備二氧化鋯超細(xì)粉；(2)制備羥基磷灰石粉體；(3)將二氧化鋯超細(xì)粉和羥基磷灰石粉體混合后置于模具中，加壓制得素坯，再置于高溫爐中燒制得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備二氧化鋯超細(xì)粉時首先配制氯化釔和氯氧化鋯的混合溶液，然后將混合溶液慢慢加入氨水中，并不斷攪拌，保持PH值大于9.5，靜止沉淀后得到共沉淀物，過濾，用蒸餾水洗滌去除氯離子至氯離子含量小于10ppm，再用乙醇洗滌數(shù)次，去除水，使水含量小于4vol％，干燥后得到疏松的氫氧化物前驅(qū)劑，再經(jīng)高溫煅燒得到二氧化鋯超細(xì)粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于制備羥基磷灰石粉體是在水-乙酸體系下，用化學(xué)沉淀法制備羥基磷灰石粉體，首先取Ca(NO3)2溶解在95％的乙醇中制成0.5mol/L的溶液，(NH4)2HPO4溶解在去離子水中制成0.5mol/L的溶液，調(diào)節(jié)兩種溶液的PH至10，然后各加入若干滴乙醇胺；再取少量的(NH4)2HPO4加入到Ca(NO3)2溶液中，同時攪拌，使溶液內(nèi)產(chǎn)生羥基磷灰石(HAP)晶核，然后將(NH4)2HPO4溶液全部加入到Ca(NO3)2溶液中，同時攪拌，控制溫度在25℃、PH值10，反應(yīng)完全后陳化12小時，然后用無水乙醇洗滌，再快速干燥，最后高溫焙烤得到羥基磷灰石粉體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于素坯成形采用二氧化鋯單純復(fù)合羥基磷灰石或者二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述的二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石在二氧化鋯表面由表及里分別對稱平鋪上HAP、5％wtHAP+ZrO2、1％wtHAP+ZrO2、0.5％wtHAP+ZrO2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于素坯成形后在高溫爐中用1600℃無壓燒結(jié)3小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于高溫煅燒是在750℃下煅燒2小時。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于高溫焙烤是在700℃焙烤1小時。
9.根據(jù)權(quán)利要求1～8任何一項(xiàng)所述的一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法得到的產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)用材料領(lǐng)域，尤其涉及一種羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料的制備方法及其產(chǎn)品。本發(fā)明制備方法通過首先制備二氧化鋯超細(xì)粉，然后制備羥基磷灰石粉體，再將二氧化鋯超細(xì)粉和羥基磷灰石粉體混合后置于模具中，加壓制得素坯，再置于高溫爐中燒制得到。本發(fā)明制得的羥基磷灰石/二氧化鋯生物陶瓷復(fù)合材料具有良好的生物相容性以及良好的強(qiáng)度和韌性。
文檔編號C04B35/14GK1699270SQ20051005034
公開日2005年11月23日 申請日期2005年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月17日
發(fā)明者全仁夫, 吳曉春, 汪宏斌, 謝利軍, 季偉 申請人:杭州市蕭山區(qū)中醫(yī)院