專利名稱：用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備，是一種用于承重部位骨連接和修復(fù)(如骨板、骨釘)的高強(qiáng)度羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法。
背景技術(shù)：
骨創(chuàng)傷是外科臨床的常見疾病，在我國(guó)，由各種原因引起的骨損傷、脊柱融合、骨囊腫等患者每天高達(dá)一千萬(wàn)余例，據(jù)有關(guān)資料顯示，我國(guó)每年大約有350萬(wàn)人因交通事故出現(xiàn)不同程度的骨缺損，而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，人們生活質(zhì)量大幅提高，對(duì)健康的要求和關(guān)注程度也越來(lái)越高；人口老齡化加快；交通工具，例如汽車的大量增加，導(dǎo)致交通事故不斷增加等，我國(guó)骨移植手術(shù)還會(huì)不斷增加。從臨床上來(lái)看，大量的金屬類器械已廣泛應(yīng)用到骨科內(nèi)固定手術(shù)中，金屬類連接固定材料盡管能夠保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但由于金屬類材料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于人體骨的強(qiáng)度，一旦植入人體，產(chǎn)生應(yīng)力遮擋效應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致植入部位發(fā)生骨質(zhì)疏松、骨萎縮、植入部位塌陷等并發(fā)癥以及離子溶出，可能需要二次手術(shù)，給病人造成身心痛苦。而人工骨生物材料將是未來(lái)骨科器械的發(fā)展方向。目前臨床可供使用的可吸收骨折內(nèi)固定材料主要是聚乳酸類材料，如聚己內(nèi)酯、左旋聚乳酸共聚物等，該類材料就初始強(qiáng)度而言，基本滿足臨床要求，但其降解過(guò)快，易引發(fā)無(wú)菌性炎癥等。羥基磷灰石與骨組織的主要無(wú)機(jī)成分相似，高達(dá)50%的骨骼都是由均勻成分的無(wú)機(jī)羥基磷灰石構(gòu)成，因此具有很好的生物相容性和骨誘導(dǎo)性，植入人體后能與骨組織形成良好的骨性結(jié)合。但是，傳統(tǒng)的羥基磷灰石陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度較差，抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)低于人體致密骨，斷裂韌性低，因此應(yīng)用只限于非承重部位。氧化鋯增韌羥基磷灰石復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度比純羥基磷灰石陶瓷高，具有一定的生物相容性，但仍然不能超過(guò)人體致密骨，不能用于制備人體承重骨。申請(qǐng)?zhí)枮?00710113907. 9的中國(guó)專利申請(qǐng)公開了一種“羥基磷灰石/透輝石復(fù)合生物陶瓷材料及其制備工藝”，采用球磨混合羥基磷灰石和透輝石來(lái)制備混合粉體， 然后在氮?dú)鈿夥障聼釅簾Y(jié)制得抗彎強(qiáng)度為90MPa，斷裂韌性為1. 07MPa. m1/2的致密陶瓷， 但是由于羥基磷灰石和透輝石二者的球磨均勻性差，使燒結(jié)所需溫度高，制備工藝復(fù)雜，成本高。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種由上述方法制備的用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷。本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，該方法包括以下步驟
(1)制備粉體制備晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體，具體包括以下步驟分別配制Ca/P的摩爾濃度比為1. 67的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，用氨水分別調(diào)節(jié)溶液PH至10. 5 11. 8 ；取相同體積的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，前者置于帶攪拌裝置的反應(yīng)瓶中，后者置于容器中；開啟攪拌，用蠕動(dòng)泵將(NH4)2HPO4溶液按30 150ml/ min的流量輸送入開啟的超聲噴霧器中制成霧狀后通入Ca(NO3)2溶液中進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)向反應(yīng)瓶中滴加氨水，使反應(yīng)液PH維持在10. 5 11. 8 ； (NH4)2HPO4溶液加完后反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)液靜置后移除上層清液，清洗下層沉淀，離心分離后將沉淀冷凍干燥；將冷凍干燥后的粉體進(jìn)行低溫球磨，球料質(zhì)量比為20 1 40 1，罐內(nèi)溫度為-190 -116°C，主軸轉(zhuǎn)速為100 200r/min，球磨5 60min ；將球磨后的粉體煅燒，得到晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體；(2)制備素坯在50 IOOMPa下將步驟(1)制備的納米羥基磷灰石粉體壓制成素坯；(3)燒結(jié)將素坯燒結(jié)，燒結(jié)壓力為120 150MPa，溫度為800°C 1000°C，恒溫恒壓燒結(jié)10 60min。為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，所述步驟(1)中的溶液使用去離子水配制；所述攪拌速率為500 lOOOr/min ；所述氨水的質(zhì)量濃度為15% 25% ；所述靜置的時(shí)間為8 30h ； 所述冷凍干燥的條件為干燥時(shí)間8 16h，干燥溫度-62 -55°C ；所述低溫球磨使用的磨罐和磨球材料為氧化鋯；球磨是在液氮和無(wú)水乙醇環(huán)境下進(jìn)行，即在球磨罐中加入無(wú)水乙醇，并通過(guò)倒入液氮來(lái)控制溫度；所述煅燒的時(shí)間為1 池，溫度為550 700°C。所述步驟(3)中的燒結(jié)是采用熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。所述步驟(3)中燒結(jié)是在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障逻M(jìn)行。一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷就是通過(guò)上述制備方法制備的。 該生物陶瓷呈致密透明狀，抗彎強(qiáng)度為120 150MPa，斷裂韌性為1. 07 1. 67MPa · m1/2, 晶粒尺寸在IOOnm以下。本發(fā)明的原理是傳統(tǒng)的濕法制備的納米羥基磷灰石易團(tuán)聚，添加高分子分散劑可以改善粉體的分散性和均勻性，但容易留有殘余導(dǎo)致HAP粉體純度不夠；常溫球磨(干磨和濕磨)過(guò)程中，磨球、罐壁和粉體之間強(qiáng)烈的相互作用會(huì)伴隨大量熱量的放出，并且局部溫度可能升得很高，這將提高材料原子擴(kuò)散和位錯(cuò)活動(dòng)的動(dòng)力，發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，從而不利于晶粒細(xì)化。本發(fā)明采用的工藝中未添加任何分散劑和有機(jī)礦化劑，可得到安全無(wú)毒、純度高的羥基磷灰石粉體；采用的低溫球磨技術(shù)，由于溫度很低，球磨過(guò)程中放出的熱量得到有效的吸收，原子擴(kuò)散和位錯(cuò)活動(dòng)的能力得到抑制，使得晶粒易于細(xì)化；本發(fā)明采用的超聲噴霧和低溫球磨技術(shù)顯著促進(jìn)了粉體粒度的均勻化和納米化。同時(shí)，采用獨(dú)特的熱壓燒結(jié)技術(shù)能夠控制晶粒生長(zhǎng)并且快速致密，保持了原有納米羥基磷灰石粉體的熱學(xué)、物化特性以及生物活性，制備的羥基磷灰石生物陶瓷具有小于IOOnm微晶粒(以保持生物活性)、高致密 (擁有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度)的特性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果1、本發(fā)明制備的納米羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，增強(qiáng)了機(jī)械強(qiáng)度，尤其是抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，抗彎強(qiáng)度為120 150MPa，斷裂韌性為1. 07 1. 67MPa · m1/2，克服了傳統(tǒng)工藝制備的多孔羥基磷灰石生物陶瓷機(jī)械強(qiáng)度差，脆性大的不足，而人體正常骨的抗彎強(qiáng)度是50 80MPa，斷裂韌性為1 2MPa · m1/2,因此本發(fā)明的生物陶瓷可作為承重部位的骨連接及骨修復(fù)材料；2、本發(fā)明采用了熱(等靜)壓燒結(jié)工藝，降低燒結(jié)溫度，使制備的納米羥基磷灰石生物陶瓷保持原有納米羥基磷灰石粉體的熱學(xué)、物化特性以及生物活性；3、本發(fā)明的制備工藝簡(jiǎn)單，可批量生產(chǎn)，產(chǎn)品可以加工成骨連接修復(fù)材料，如骨板、骨釘?shù)?，避免了采用金屬等傳統(tǒng)金屬類連接固定材料時(shí)的應(yīng)力遮擋效應(yīng)和金屬碎屑問(wèn)題，無(wú)需二次手術(shù)取出；4、本發(fā)明的產(chǎn)品具有很好的生物相容性和骨誘導(dǎo)性，植入人體后能與骨組織形成良好的骨性結(jié)合，且降解速度適宜，避免了使用聚乳酸類材料會(huì)引發(fā)無(wú)菌性炎癥的問(wèn)題。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例1(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比例，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4 溶液，用質(zhì)量含量為20%的氨水分別調(diào)節(jié)溶液的pH為11.5 ；量取一定體積的Ca(NO3)2溶液置于反應(yīng)罐中，量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動(dòng)泵將(NH4)2朋04溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中， 蠕動(dòng)泵的輸液流量為70ml/min，攪拌速率為550r/min，同時(shí)滴加氨水以保持溶液的pH為 11. 5，反應(yīng)結(jié)束后靜置Mh，抽取上層清液，對(duì)下層沉淀物進(jìn)行清洗，離心分離后在-58°C 冷凍干燥12h ；對(duì)冷凍干燥后的粉體進(jìn)行低溫球磨，將粉體置于球磨機(jī)中，液氮環(huán)境下球磨 5min，主軸轉(zhuǎn)速為150r/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質(zhì)量比為20 1，罐內(nèi)溫度為-190°C ；將低溫球磨后的粉體于550°C下煅燒2. 5h，即得白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為50nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在SOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮?dú)鈿夥障聼釅簾Y(jié)，燒結(jié)壓力為120MPa，燒結(jié)溫度950°C，恒溫恒壓燒結(jié)20min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈透明玻璃般透明，密度為3. 102g/cm3,晶粒尺寸小于80nm，抗彎強(qiáng)度130MPa，斷裂韌性為1. 45MPa · mV2。實(shí)施例2(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4溶液，用質(zhì)量含量為25%的氨水分別調(diào)節(jié)溶液的pH為11.7 ；量取一定體積的Ca(NO3)2溶液置于反應(yīng)罐中，然后量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動(dòng)泵將(NH4)2HPO4 溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中，蠕動(dòng)泵的輸液流量為30ml/min，攪拌速率為700r/min，滴加氨水保持溶液的pH為 11. 7，反應(yīng)結(jié)束后靜置30h，抽取上層清液，對(duì)下層沉淀物進(jìn)行清洗，離心分離后在-58°C 冷凍干燥16h ；對(duì)冷凍干燥后的粉體進(jìn)行低溫球磨，將粉體置于球磨機(jī)中，液氮環(huán)境下球磨 30min，主軸轉(zhuǎn)速為200r/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質(zhì)量比為30 1，罐內(nèi)溫度為-190°C ；將低溫球磨后的粉體于600°C下煅燒2h，即得白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為IOnm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在IOOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮?dú)鈿夥障聼岬褥o壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為150MPa，燒結(jié)溫度900°C，恒溫恒壓燒結(jié)60min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度為3. 145g/cm3,晶粒尺寸小于30nm，抗彎強(qiáng)度150MPa，斷裂韌性為1. 67MPa · mV2。實(shí)施例3(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4溶液，用質(zhì)量含量為20%的氨水分別調(diào)節(jié)溶液的pH為10. 5 ；量取一定體積的Ca (NO3)2溶液置于反應(yīng)罐中，然后量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動(dòng)泵將(NH4)2朋04溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中， 蠕動(dòng)泵的輸液流量為150ml/min，攪拌速率為lOOOr/min，滴加氨水保持溶液的pH為10. 5， 反應(yīng)結(jié)束后靜置16h，抽取上層清液，對(duì)下層沉淀物進(jìn)行清洗，離心分離后在-62°C冷凍干燥他；對(duì)冷凍干燥后的粉體進(jìn)行低溫球磨，將粉體置于球磨機(jī)中，液氮和無(wú)水乙醇環(huán)境下球磨60min，主軸轉(zhuǎn)速為lOOr/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質(zhì)量比為40 1，罐內(nèi)溫度為_116°C ；將低溫球磨后的粉體于700°C下煅燒3h，即可得到白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為50nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在50MPa下壓制成素坯；(3)然后在空氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為130MPa，燒結(jié)溫度800°C，恒溫恒壓燒結(jié)lOmin。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度為3. 10g/cm3,晶粒尺寸小于lOOnm， 抗彎強(qiáng)度120MPa，斷裂韌性為1. 07MPa · m1/20實(shí)施例4(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟同實(shí)施例1，所得粉體晶粒尺寸為35nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在60MPa下壓制成素坯；(3)然后在空氣氣氛下熱壓燒結(jié)，燒結(jié)壓力為130MPa，燒結(jié)溫度900°C，恒溫恒壓燒結(jié)30min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度為3. 115g/cm3,晶粒尺寸小于 lOOnm，抗彎強(qiáng)度U8MPa，斷裂韌性為1. 12MPa · m1/2。實(shí)施例5(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟同實(shí)施例2，所得粉體晶粒尺寸為IOnm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在IOOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮?dú)鈿夥障聼釅簾Y(jié)，燒結(jié)壓力為150MPa，燒結(jié)溫度1000°C，恒溫恒壓燒結(jié)60min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度為3. 121g/cm3,晶粒尺寸小于lOOnm，抗彎強(qiáng)度137MPa，斷裂韌性為1. 53MPa · m1/20 上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式不受上述實(shí)施例限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1.一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)制備粉體制備晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體，具體包括以下步驟分別配制Ca/P的摩爾濃度比為1. 67的Ca (NO3) 2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，用氨水分別調(diào)節(jié)pH至10. 5 11. 8 ；取相同體積的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，前者置于帶有攪拌裝置的反應(yīng)瓶中，后者置于容器中；開啟攪拌，用蠕動(dòng)泵將(NH4)2HPO4溶液按30 150ml/min 的流量輸送入開啟的超聲噴霧器中制成霧狀后通入Ca(NO3)2溶液中進(jìn)行反應(yīng)，同時(shí)向反應(yīng)瓶中滴加氨水，使反應(yīng)液PH維持在10. 5 11. 8 ； (NH4)2HPO4溶液加完后反應(yīng)結(jié)束，將反應(yīng)液靜置后移除上層清液，清洗下層沉淀，離心分離后冷凍干燥；將冷凍干燥得到的粉體進(jìn)行低溫球磨，球料質(zhì)量比為20 1 40 1，罐內(nèi)溫度為-190 -116°C，主軸轉(zhuǎn)速為100 200r/min，球磨5 60min ；將球磨后的粉體煅燒，得到晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體；(2)制備素坯在50 IOOMPa下將步驟(1)制得的納米羥基磷灰石粉體壓制成素坯；(3)燒結(jié)將素坯燒結(jié)，燒結(jié)壓力為120 150MPa，溫度為800°C 1000°C，恒溫恒壓燒結(jié) 10 60min。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的溶液使用去離子水配制；所述攪拌速率為500 IOOOr/ min ；所述氨水的質(zhì)量濃度均為15% 25% ；所述靜置的時(shí)間為8 30h ；所述冷凍干燥的條件為干燥時(shí)間8 16h，干燥溫度-62 -55°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中低溫球磨使用的磨罐和磨球材料為氧化鋯；所述球磨是在液氮和無(wú)水乙醇環(huán)境下進(jìn)行；所述煅燒的時(shí)間為1 池，溫度為550 700°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的燒結(jié)工藝是熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中燒結(jié)在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障逻M(jìn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5任一項(xiàng)所述的方法制備的用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷，其特征在于該生物陶瓷的抗彎強(qiáng)度為120 150MPa，斷裂韌性為1.07 1. 67MPa · m1/2,晶粒尺寸在IOOnm以下。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種用于骨連接及骨修復(fù)的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法，該方法是先采用超聲噴霧法和低溫球磨技術(shù)制備晶粒尺寸為10～50nm的納米羥基磷灰石粉體，然后在50～100MPa下將粉體壓制成素坯，在氮?dú)饣蚩諝鈿夥障聦⑺嘏鳠Y(jié)，燒結(jié)時(shí)壓力為120～150MPa，溫度800℃～1000℃，燒結(jié)10～60min。該方法制備的羥基磷灰石生物陶瓷多呈透明致密狀，且抗彎強(qiáng)度為120～150MPa，晶粒尺寸在100nm以下。本發(fā)明的生物陶瓷與傳統(tǒng)工藝相比，強(qiáng)度顯著提高，力學(xué)性能良好，可加工成承重部位的骨連接修復(fù)材料，如固定螺絲、連接板和連接銷釘?shù)取?br> 文檔編號(hào)C04B35/622GK102424581SQ20111027292
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者劉玉, 李楚鈿, 江浩川, 程海梅, 陳彥文 申請(qǐng)人:廣州倍繡生物技術(shù)有限公司