本發(fā)明涉及生物活性材料技術領域，具體地說，涉及一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法。

背景技術：

生物活性材料在骨組織缺損及種植修復中的應用越來越廣泛，但其出現(xiàn)的問題也越來越多，尤其是植入物與周圍軟硬組織的界面結合直接關系到植入物的穩(wěn)定性，是治療成功的關鍵。大量的研究表明，納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-ha)具有良好的生物相容性和生物活性，將其燒結為生物陶瓷后，仍可誘導成骨細胞增殖、分化，促進骨形成，表現(xiàn)出優(yōu)良的骨結合、骨誘導和骨傳導性，是一種較理想的硬組織替代材料。但不足之處是，羥基磷灰石(hydroxyapatite,ha)生物陶瓷力學性能較差，不能承受較大的組織負荷，更無法單獨作為種植體應用，因而許多學者將其作為涂層附著于純鈦或氧化鋯(zro2)陶瓷種植體表面，從而改善種植體的生物學性能。但由于ha與純鈦或氧化鋯的熱膨脹系數(shù)相差較大，尤其是在燒結粘附時，界面處產(chǎn)生較大的熱應力，兩者結合不牢固，導致ha脫落或龜裂致使種植失敗。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，該方法采用梯度復合技術制備從純氧化鋯端連續(xù)過渡到純n-ha陶瓷端的梯度功能材料(functionallygradientmaterials,fgm)，使材料既具有氧化鋯優(yōu)良的機械性能，又具有n-ha良好的生物學性能，同時由于中間成分的連續(xù)變化，消除了兩種材料中的宏觀界面，避免了n-ha自zro2表面脫落。

其具體技術方案為：

一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)梯度功能材料粉體預備

1)氧化釔穩(wěn)定納米zr02粉體預備：將體積份數(shù)1％的聚乙烯醇(pva)添加到3mol％納米氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體(3ysz-n)中。zr02為四方晶，粒徑30-50nm，純度99％；納米氧化釔粒徑40nm，純度99.5％。

2)多孔n-ha粉體制備：將體積份數(shù)1％的pva添加到n-ha粉體中，再加入占總體積10％vol納米炭粉，球磨及超聲振蕩混合均勻。n-ha粒徑20-40nm，純度99％；pva粒徑40nm，純度99.5％。

3)各梯度層粉體制備：預實驗及理論分析證實，梯度材料中總體n-ha含量隨著梯度指數(shù)p的增大而減少，從而有利于材料力學性能的提高，但隨著p的增大，各相鄰層熱膨脹系數(shù)的差異越來越大，其力學性能隨之下降，因此，本實驗設定p的范圍為2.0、2.5、3.0、3.5，n＝3、5、7。根據(jù)公式計算每層中n-ha的體積份數(shù)f(x)＝(x/n)^p×f(s)，分別將計算好的n-ha加入到3ysz中并添加體積份數(shù)1％的pva，放入球磨機和超聲振蕩器中充分混合后備用。

4)分組：設計樣品(粉末)總厚度d＝50mm，根據(jù)氧化鋯層d1厚度的不同分為a、b、c三大組，其中a組d1＝40mm、d2＝10mm，b組d1＝30mm、d2＝20mm，c組d1＝20mm、d2＝30mm；根據(jù)層數(shù)n的不同，a組又分為a1、a2、a3組，b組分為bi、b2、b3組，c組分為c1、c2、c3組。每組各45個樣品。

(2)生坯試件制備：在直徑為30mm圓筒狀鋼制模具內(nèi)，按設計和計算結果，首先加入3ysz-n粉體，再分別加入梯度層，最后加入多孔n-ha粉體，兩種粉體之間用pva快溶薄膜相隔。在大于25℃室溫下(薄膜溶解溫度)用試驗機以250mpa壓力垂直加壓成生坯試件。

(3)試件燒結：設定9組燒結溫度，從1300℃至1700℃，相鄰兩組間相差50℃。將試件分別放入設定常壓高溫燒結爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設定溫度保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出備用。

(4)試件力學性能測試：燒結后的圓柱狀試件用低速精密切割機加工成25mm×5mm×5mm試樣條，用于力學性能檢測。

1)抗剪切強度：用萬能材料測試機分別檢測不同梯度層交界面抗剪切粘結強度，方法為加載頭接觸試件粘結處側表面，剪切速度1mm/min，施加逐漸遞增垂直向力，至粘結面分離或試件破碎停止，記錄最大剪切力值，計算公式：材料抗剪切強度(mpa)＝剪切力(n)/粘結面積(mm²)。

2)彎曲強度：測試3點彎曲強度，加載速度0.5mm/min,加力至試樣斷裂，計算公式(mpa):δ＝3pl/2bh²。

3)斷裂韌性：用壓痕法進行斷裂韌性測定。試件表面拋光至鏡面狀，施以5kg載荷，持續(xù)15s，測試10個點，斷裂韌性計算公式：kic＝0.0232pc^-3/2。

4)硬度：壓痕法測量維氏硬度，將各層打磨光滑拋光至鏡面。載荷5kg，持續(xù)15s，公式：hv＝0.01854p/(2a)²(gpa)。

(5)表面形貌和物相檢測：用體視顯微鏡觀察界面斷裂類型；rxd對樣品斷裂界面以及表面層表面行圖譜觀測，測定界面及表面物相，分析其燒結反應及反應產(chǎn)物。sme觀察斷裂界面及表面微觀形貌，測定晶粒大小和分布以及隨溫度變化的規(guī)律，

數(shù)據(jù)處理

應用sas6.13版統(tǒng)計分析軟件，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。對變量正態(tài)且方差齊的資料進行單因素方差分析并采用多個樣本均數(shù)的兩兩比較。以α＝0.05為顯著性檢驗水準。

優(yōu)選地，氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料以下的方案和參數(shù)為力學性能最佳，且表面表征為n-ha及其衍生物β-磷酸三鈣(β-tcp)：1、材料梯度設計：中間層(底層)為添加體積份數(shù)1％pva的3ysz-n粉體，厚度＝30mm，梯度層粉體厚度＝20mm，梯度指數(shù)＝2，梯度層數(shù)＝5，每層厚度＝4mm；梯度層為3ysz-n粉體與n-ha粉體混合物，混合比例(體積比)分別為第一層3ysz-n占96％、n-ha占4％，第二層3ysz-n占84％，n-ha占16％，第三層3ysz-n占64％，n-ha占36％，第四層3ysz-n占36％，n-ha占64％，第五層即表面層為100％n-ha，每層之間用pva快溶薄膜相隔。每層中均添加體積份數(shù)為1％的pva，第五層另外添加10％vol納米炭粉。2、在大于25℃室溫下將加入柱狀模具內(nèi)的粉體用試驗機以250mpa壓力垂直加壓制成坯體；3、將坯體放入常壓高溫燒結爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設定溫度1400℃-1450℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出，該新型材料制備完成。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明應用梯度復合技術，制備氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料，以純氧化鋯為基體，表面為純多孔n-ha陶瓷的梯度功能材料，該設計既充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢,又使兩者之間產(chǎn)生牢固的機械和化學結合,從而制備出機械和生物學性能都達到要求的生物活性硬組織替代材料或種植體，并為該新型氧化鋯基納米羥基磷灰石生物梯度功能材料的設計、制備和臨床應用提供理論和實驗依據(jù)。

本發(fā)明應用梯度材料復合技術，設計制作一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料，其中間層以zro2為力學承載區(qū)，周圍為梯度層狀結構，各層中n-ha含量呈梯度變化。采用直接填充法將原料粉末按計算后的比例混合，逐層填充使之呈梯度分布,干壓成形后高溫燒結制得梯度材料樣品。為便于檢測，該設計為單向梯度變化。

本發(fā)明的有益效果具體體現(xiàn)在幾個方面

(1)為硬組織缺損和種植體修復提供了新的梯度功能材料：本材料充分利用了n-ha良好的生物相容性、生物學活性和生物惰性材料zro2的力學強度高的優(yōu)點,有較強的實用性和理論意義。

(2)應用梯度復合技術將n-ha與zro2通過高溫燒結有機結合：zro2為生物惰性材料，具有優(yōu)良的力學性能，但由于缺乏骨誘導活性，因而多年來一直對其進行表面涂層等改性研究。n-ha具備優(yōu)異的生物相容性和生物學活性，應用n-ha作為表面改性的應用是近年來的熱點和難點，材料脫落和吸收的問題一直未能解決，而梯度復合與高溫燒結技術為兩者的結合提供了新的思路。

(3)將梯度功能材料應用于種植體或缺損骨的設計：梯度復合技術應用于zro2與n-ha之間，既實現(xiàn)了兩界面的同質(zhì)化學反應，又平衡了兩種材料之間熱膨脹系數(shù)的差異，從而促使zro2與n-ha形成有機性結合，有效增強zro2與n-ha的粘結強度，從機制上解決了n-ha脫落和過早吸收的缺陷。依據(jù)該技術參數(shù)和理論，據(jù)據(jù)臨床硬組織不同需要，通過對模具的設計而制備出不同的人工骨和人工牙根(種植體)。

附圖說明

圖1是氧化鋯基n-ha梯度材料結構設計示意圖，圖中d為樣品全層厚度，d1為中間層(底層)厚度，為100％氧化鋯(體積分數(shù))，d2為梯度層總厚度，d1...dn為各梯度層厚度，其中dn為表面層，其n-ha含量(f(s))為100％(體積分數(shù))；

圖2是本發(fā)明的技術路線圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方案對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細地說明。

如圖1、圖2所示，一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)梯度功能材料粉體預備

1)氧化釔穩(wěn)定納米zr02粉體預備：將體積份數(shù)1％的聚乙烯醇(pva)添加到3mol％納米氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體(3ysz-n)中。zr02為四方晶，粒徑30-50nm，純度99％；納米氧化釔粒徑40nm，純度99.5％。

2)多孔n-ha粉體制備：將體積份數(shù)1％的pva添加到n-ha粉體中，再加入占總體積10％vol納米炭粉，球磨及超聲振蕩混合均勻。n-ha粒徑20-40nm，純度99％；pva粒徑40nm，純度99.5％。

3)各梯度層粉體制備：預實驗及理論分析證實，梯度材料中總體n-ha含量隨著梯度指數(shù)p的增大而減少，從而有利于材料力學性能的提高，但隨著p的增大，各相鄰層熱膨脹系數(shù)的差異越來越大，其力學性能隨之下降，因此，本實驗設定p的范圍為2.0、2.5、3.0、3.5，n＝3、5、7。根據(jù)公式計算每層中n-ha的體積份數(shù)f(x)＝(x/n)^p×f(s)，分別將計算好的n-ha加入到3ysz中并添加體積份數(shù)1％的pva，放入球磨機和超聲振蕩器中充分混合后備用。

4)分組：設計樣品(粉末)總厚度d＝50mm，根據(jù)氧化鋯層d1厚度的不同分為a、b、c三大組，其中a組d1＝40mm、d2＝10mm，b組d1＝30mm、d2＝20mm，c組d1＝20mm、d2＝30mm；根據(jù)層數(shù)n的不同，a組又分為a1、a2、a3組，b組分為bi、b2、b3組，c組分為c1、c2、c3組。每組各45個樣品。

(2)生坯試件制備：在直徑為30mm圓筒狀鋼制模具內(nèi)，按設計和計算結果，首先加入3ysz-n粉體，再分別加入梯度層，最后加入多孔n-ha粉體，兩種粉體之間用pva快溶薄膜相隔。在大于25℃室溫下(薄膜溶解溫度)用試驗機以250mpa壓力垂直加壓成生坯試件。

(3)試件燒結：設定9組燒結溫度，從1300℃至1700℃，相鄰兩組間相差50℃。將試件分別放入設定常壓高溫燒結爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設定溫度保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出備用。

(4)試件力學性能測試：燒結后的圓柱狀試件用低速精密切割機加工成25mm×5mm×5mm試樣條，用于力學性能檢測。

1)抗剪切強度：用萬能材料測試機分別檢測不同梯度層交界面抗剪切粘結強度，方法為加載頭接觸試件粘結處側表面，剪切速度1mm/min，施加逐漸遞增垂直向力，至粘結面分離或試件破碎停止，記錄最大剪切力值，計算公式：材料抗剪切強度(mpa)＝剪切力(n)/粘結面積(mm²)。

2)彎曲強度：測試3點彎曲強度，加載速度0.5mm/min,加力至試樣斷裂，計算公式(mpa):δ＝3pl/2bh²。

3)斷裂韌性：用壓痕法進行斷裂韌性測定。試件表面拋光至鏡面狀，施以5kg載荷，持續(xù)15s，測試10個點，斷裂韌性計算公式：kic＝0.0232pc^-3/2。

4)硬度：壓痕法測量維氏硬度，將各層打磨光滑拋光至鏡面。載荷5kg，持續(xù)15s，公式：hv＝0.01854p/(2a)²(gpa)。

(5)表面形貌和物相檢測：用體視顯微鏡觀察界面斷裂類型；rxd對樣品斷裂界面以及表面層表面行圖譜觀測，測定界面及表面物相，分析其燒結反應及反應產(chǎn)物。sme觀察斷裂界面及表面微觀形貌，測定晶粒大小和分布以及隨溫度變化的規(guī)律，

數(shù)據(jù)處理

應用sas6.13版統(tǒng)計分析軟件，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。對變量正態(tài)且方差齊的資料進行單因素方差分析并采用多個樣本均數(shù)的兩兩比較。以α＝0.05為顯著性檢驗水準。

氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料以下的實施方案和參數(shù)為力學性能最佳，且表面表征為n-ha及其衍生物β-磷酸三鈣(β-tcp)，滿足骨組織替代或種植體的力學性能要求。

1、材料梯度設計：中間層(底層)為添加體積份數(shù)1％pva的3ysz-n粉體，厚度＝30mm，梯度層粉體厚度＝20mm，梯度指數(shù)＝2，梯度層數(shù)＝5，每層厚度＝4mm；梯度層為3ysz-n粉體與n-ha粉體混合物，混合比例(體積比)分別為第一層3ysz-n占96％、n-ha占4％，第二層3ysz-n占84％，n-ha占16％，第三層3ysz-n占64％，n-ha占36％，第四層3ysz-n占36％，n-ha占64％，第五層即表面層為100％n-ha，每層之間用pva快溶薄膜相隔。每層中均添加體積份數(shù)為1％的pva，第五層另外添加10％vol納米炭粉。

2、在大于25℃室溫下將加入柱狀模具內(nèi)的粉體用試驗機以250mpa壓力垂直加壓制成坯體；

3、將坯體放入常壓高溫燒結爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設定溫度1400℃-1450℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出后備用。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，本發(fā)明的保護范圍不限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。