一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的製備方法與流程
2023-06-06 09:07:27
本發明涉及一種生物材料的製備方法，具體涉及一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的製備方法。
背景技術：
氧化鋯(zro2)陶瓷因具有優良的力學性能、生物惰性、化學穩定性、穩定的結構，故通常用於人體硬組織如骨、齒等的替換及修補材料。但是，由於zro2陶瓷與人體骨組織的成分和結構存在差異，導致其生物相容性差，影響其在醫學上的廣泛應用。
羥基磷灰石(ha)作為一種和人體骨組織的成分和結構相似的、具有優良生物相容性的陶瓷材料，ha材料植入人體後，在體液的作用下，會發生部分降解，游離出鈣和磷，並被人體組織所吸收和利用，生長出新的組織，使植入人體的生物材料和人體組織獲得良好的生物結合，促進骨細胞的人工修復材料的生長。但是，由於羥基磷灰石(ha)力學性能低，其應用時需要須和其他生物材料複合。
近年來，人們開展了用金屬顆粒、金屬間化合物、納米顆粒、晶須、長纖維及氧化鋯增強ha生物陶瓷複合材料的研究工作，其中顆粒與纖維的加入可以提高材料的硬度和強度。但是，第二相的引入往往會導致材料的生物相容性降低，甚至加速ha的分解，同時金屬纖維及金屬間化合物增強的ha陶瓷植入人體後，存在腐蝕及生物惰性，會釋放出一些對人體有害的金屬離子。因此綜合zro2和ha各自的性能優勢，在製備zro2陶瓷表面塗覆ha的梯度複合材料無疑將具有重要的研究價值和應用前景。
技術實現要素：
針對現有技術存在的問題，本發明的目的是提供一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的製備方法。
為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：
一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的製備方法，其特徵在於,該方法具體步驟如下：
(1)配置濃度為15wt%的氫氧化鈉溶液，並將有機泡沫放入不低於60ºc的氫氧化鈉溶液中浸泡3h，然後用清水反覆揉搓、晾乾，得到浸漬後的有機泡沫體；
(2).將絮狀聚乙烯醇固體研磨成粉末，放在75℃～95℃的恆溫水浴中溶解，配置成濃度為5%的聚乙烯醇溶液，再將上述浸漬處理後的有機泡沫體浸泡在上述5%的聚乙烯醇溶液中冷卻，放置24～48h後取出，放入離心機將聚乙烯醇甩淨，室溫晾乾，得到泡沫陶瓷；
(3)稱取氧化鋯粉體置於5～15mpa的壓力下，以2～5℃/min的速率升溫至450～500℃，保溫90～100min，繼續以2～5℃/min的速率升溫至750℃，保溫90～100min，再繼續以2～5℃/min的速率升溫至1250℃，保溫90～100min，隨爐冷卻，得到預煅燒處理的氧化鋯粉體；
(4)取一定量的聚乙烯醇(pva)、羧甲基纖維素(cmc)和矽溶膠，按1：1：20的質量比加入到量取的溫度為90-100℃的水中，置於球磨機攪拌10-15min，得到攪拌均勻的混合漿料，然後，稱取質量百分含量為0.5～0.9%的聚丙烯酸銨(paa-nh4)分散劑、質量百分含量為0.6～0.9%的辛醇消泡劑和上述步驟(3)得到的氧化鋯陶瓷粉體加入至上述攪拌均勻的混合漿料中，以轉速為250-300轉/min，攪拌3-5h後取出，得到氧化鋯陶瓷漿料；
(5)配製生物活性塗層，塗層由氧化鋯陶瓷漿料、羥基磷灰石(ha)粉體和zro2粉體和添加劑製成塗層漿料，各組分的重量配比如下：第1次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為70～80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量的比例為4～6%，zro2粉體佔總量比例為10～13%、粘結添加劑佔總量比例為1～16%，各組分之和為100%；第2次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為70～80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量比例為為13～14%，zro2粉體佔總量比例為為4～5%、粘結添加劑佔總量比例為1～13%，各組分之和為100%；第3次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為70～80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量比例為15～19%、粘結添加劑佔總量比例為1～13%，然後，分別製成生物活性塗層漿料，並依次進行塗覆，得到生物活性塗層塗覆半成品；
(6).將上述塗層塗覆半成品放入燒結爐中進行燒結，以3～5℃/min的升溫速率升溫至900℃，保溫100min，繼續加熱到1250℃，保溫100～110min，然後以3～5℃/min的降溫速率隨爐冷卻至室溫，得到氧化鋯基多孔梯度複合材料。
上述步驟(5)所述的粘結添加劑為碳酸鈣、磷酸三鈣和銀粘結添加劑中的一種或幾種。
本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：
本發明採用與人體骨組織的成分和結構相似的羥基磷灰石(ha)，製備的氧化鋯基多孔梯度複合材料克服了由於含有zro2和羥基磷灰石(ha)導致收縮率不同而引起其界面強度不足的缺陷，保持其中含zro2的力學性能，並具有較好的生物相容性，經測試，其抗壓強度達到21mpa，孔隙率達到75%；該製備方法簡單易行，易於實現工業化，製備成本低。
附圖說明
圖1為實施例製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的掃描電鏡(sem)圖。
圖2為實施例製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的掃描電鏡(sem)圖。
圖3為實施例製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的x衍射(xrd)圖，圖中，縱坐標為衍射強度，橫坐標為衍射線條位置，曲線為各個物相。
圖4為實施例製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料用於犬手術6周、12周、24周後的腰椎x線圖。
具體實施方式
本發明的優選實施例詳述如下：
實施例1：
一種氧化鋯基多孔梯度複合材料的製備方法，其步驟如下：
(1).採用有機泡沫浸漬法製備泡沫陶瓷，配置濃度為15wt%的氫氧化鈉溶液，並將有機泡沫放入60ºc的氫氧化鈉溶液中浸泡3h，然後用清水反覆揉搓，晾乾，得到得到浸漬後的有機泡沫體；
(2).將絮狀聚乙烯醇固體研磨成粉末，放在95ºc的恆溫水浴中溶解，配置成濃度為5%的聚乙烯醇聚乙烯醇溶液，再將上述浸漬處理後的有機泡沫體浸泡上述5%的聚乙烯醇溶液中冷卻，放置24h後取出，放入離心機將聚乙烯醇甩淨，室溫晾乾，得到泡沫陶瓷；
(3).稱取氧化鋯粉體15mpa的壓力下，以5℃/min的速率升溫至500℃，保溫100～110min，繼續以3～5℃/min的速率升溫至750℃，保溫90～100min，再繼續以3～5℃/min的速率升溫至1250℃保溫100min，隨爐冷卻，得到預煅燒處理的氧化鋯粉體；
(4).取一定量的0.5%聚乙烯醇(pva)、0.5%羧甲基纖維素(cmc)和10%矽溶膠加入到量取的溫度95℃的水中，置於球磨機攪拌10min，得到攪拌均勻的混合漿料，然後，稱取質量百分含量為0.6%的聚丙烯酸銨(paa-nh4)分散劑、質量百分含量為0.5%的辛醇消泡劑和上述步驟(3)得到的氧化鋯陶瓷粉體加入至上述攪拌均勻的混合漿料中，以轉速為300轉/min，攪拌3h後取出，得到氧化鋯陶瓷漿料。
(5).配製生物活性塗層，塗層由氧化鋯陶瓷漿料、羥基磷灰石(ha)粉體和zro2粉體和添加劑製成塗層漿料，各組分的重量配比如下：第1次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量的比例為6%，zro2粉體佔總量的比例為13%、粘結添加劑佔總量比例為1%；第2次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量比例為為14%，zro2粉體佔總量比例為30%；第3次生物活性塗層，各組分的質量配比如下：氧化鋯陶瓷漿料佔總量比例為80%，羥基磷灰石(ha)粉體佔總量比例為19%、粘結添加劑佔總量比例為1%，然後，分別製成生物活性塗層漿料，並依次進行塗覆，得到生物活性塗層塗覆半成品；
(6).將上述塗層塗覆半成品放入燒結爐中進行燒結，以5℃/min的速率升溫至900℃，保溫100min，繼續加熱到1250℃保溫100min，然後以3～5℃/min的降溫速率隨爐冷卻至室溫。得到氧化鋯基多孔梯度複合材料，如圖1、圖2所示。從圖中可以看出，本發明製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料試樣的表面飽滿、圓潤、粗大、光滑且緻密，ha塗層與氧化鋯骨架基體融合，經sanscmt5105微機控制萬能試驗機的測試，其抗壓強度為25mpa，孔隙率為68%。如圖3所示，從圖3、圖4可以看出，本發明製備的一種氧化鋯基多孔梯度複合材料具有較好的生物相容性，該材料用於犬手術24周後，人工椎體與自體骨間隙消失，人工椎體骨融合較好。
本發明不限於上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡化，均應為等效的置換方式，都屬於本發明的保護範圍。