本发明涉及多孔结构生物陶瓷支架的制备方法技术领域，具体涉及一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法。
背景技术：
羟基磷灰石(hydroxyapatite,ha)是脊椎动物骨骼和牙齿最重要的无机成分，被广泛用作生物医学材料；由于磷灰石结构的灵活性，银、锌、铋、铜、锶、硅酸盐、碳酸盐等各种离子在ca/p结构中被取代，以改善其抗菌性能、机械强度、溶解度；ha的微观结构已被证明在细胞行为的测定中起着至关重要的作用；然而，在ha支架表面制备微结构比较困难，因此模拟骨结构是支架设计的一个很好的选择；一般来说，纳米ha粉体可以通过多种方法合成，包括固态和湿化学方法、水热法、机械化学技术、ph激波、微波处理、谁惹微乳液和微乳化技术；在过去的几十年里，引入了许多不同的方法来制备纳米粒子，并对微结构、颗粒形状和大小进行了精确的控制。
虽然有研究表明，羟基磷灰石元素多取代比单独离子或共替代化物掺杂的掺杂量更少；但一些研究已表明，相比引入单独的掺杂离子，同时引入多于一种的掺杂元素到ha晶格中有利于他们在ha结构中的适应性；但是现有的制备方法存在多种微量元素掺入会使ha化学成分结构变得较差，ha结构或支架内离子具有局限性；用单个或共替代双重无机离子替代ha结构或支架已经足够；ha支架的表面结构与自然骨不同，表面结构可能会给细胞和组织提供合适的环境；使用一种类型的替代ha离子粉末来制备掺有元素的ha支架，实验中不能以相同比例固定ca/p相，实验中难以代替多离子；所以离子掺入支架收到很大的限制。
技术实现要素：
针对现有技术存在的问题本发明提供一种孔隙率和贯通性好的利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法。
本发明采用的技术方案是：一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
步骤2：分别称取mgha和cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
步骤3：将步骤2中的浆料b置于盛有cacl2溶液的模具中成型，加压组装后形成支架初坯；
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
进一步的，所述步骤1具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，洗涤干燥既得mgha和cuha。
进一步的，所述步骤2中的海藻酸钠溶液为3wt％的水溶液。
进一步的，所述步骤2中制备得到的浆料b中，(mgha+cuha)与海藻酸钠的质量比为7:1，mgha和cuha的质量比为1:0.25～1:5。
进一步的，步骤3中成型过程如下：
将浆料b用注射器缓慢注射至盛有cacl2溶液的模具中，其中cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
进一步的，所述步骤4中梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
本发明的有益效果是：
(1)本发明利用物理共混法制备ha支架，工艺简单、方法方便，用料经济实际；
(2)本发明与较多元素掺杂而言，能确保实际掺杂元素量与理论值相近，更能保证ha晶格稳定性；
(3)本发明采用纤维丝盘旋固化方法形成纤维状支架，结构方便调控，制备过程简单易行；
(4)本发明采用海藻酸钠作为粘合剂，在高温条件下分解，通过烧结将海藻酸钠去除；形成具有不同元素掺杂的ha粉体构成的多元素掺杂ha纤维状支架，具有较好的孔隙率和贯通性。
附图说明
图1为本发明梯度烧结曲线图。
图2为羟基磷灰石的sem图。
图3为本发明中实施例1制备的陶瓷支架的sem图。
图4为本发明中实施例2制备的陶瓷支架的sem图。
图5为本发明中实施例3制备的陶瓷支架的sem图。
图6为本发明中实施例4制备的陶瓷支架的sem图。
图7为本发明中实施例5制备的陶瓷支架的sem图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
步骤2：分别称取mgha和cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
步骤3：将步骤2中的浆料b置于盛有cacl2溶液的模具中成型，加压组装后形成支架初坯；
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
进一步的，所述步骤1具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，洗涤干燥既得mha。
进一步的，所述步骤2中的海藻酸钠溶液为3wt％的水溶液。
进一步的，所述步骤2中制备得到的浆料b中，(mgha+cuha)与海藻酸钠的质量比为7:1，mgha和cuha的质量比为1:0～1:1。
进一步的，步骤3中成型过程如下：
将浆料b用注射器缓慢注射至盛有cacl2溶液的模具中，其中cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
进一步的，所述步骤4中梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
实施例1
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；硝酸钙溶液为硝酸钙溶于缓冲液得到、硝酸镁溶液为硝酸镁溶于缓冲液得到、硝酸铜溶液为硝酸铜溶于缓冲液得到、磷酸氢二钠溶液为磷酸氢二钠溶于缓冲液得到；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤，80℃下干燥既得mgha和cuha，保存待用。
步骤2：称取cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
将海藻酸钠粉末加入去离子水中配置成质量浓度为3％的溶液，将称取得到的cuha加入上述海藻酸钠溶液中，搅拌；确保cuha与海藻酸钠的质量比为7。
步骤3：将步骤2中的浆料b搅拌12小时，用注射器取出，缓慢注射至盛有置于盛有cacl2溶液的圆形模具中成型，得到丝状纤维；随后加压使纤维组装形成支架初坯；cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
形成的陶瓷支架的sem图如图3所示。
实施例2
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；硝酸钙溶液为硝酸钙溶于缓冲液得到、硝酸镁溶液为硝酸镁溶于缓冲液得到、硝酸铜溶液为硝酸铜溶于缓冲液得到、磷酸氢二钠溶液为磷酸氢二钠溶于缓冲液得到；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤，80℃下干燥既得mgha和cuha，保存待用。
步骤2：称取mgha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
将海藻酸钠粉末加入去离子水中配置成质量浓度为3％的溶液，将称取得到的mgha加入上述海藻酸钠溶液中，搅拌；确保mgha与海藻酸钠的质量比为7。
步骤3：将步骤2中的浆料b搅拌12小时，用注射器取出，缓慢注射至盛有置于盛有cacl2溶液的圆形模具中成型，得到丝状纤维；随后加压使纤维组装形成支架初坯；cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
形成的陶瓷支架的sem图如图4所示。
实施例3
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；硝酸钙溶液为硝酸钙溶于缓冲液得到、硝酸镁溶液为硝酸镁溶于缓冲液得到、硝酸铜溶液为硝酸铜溶于缓冲液得到、磷酸氢二钠溶液为磷酸氢二钠溶于缓冲液得到；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤，80℃下干燥既得mgha和cuha，保存待用。
步骤2：称取mgha和cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
将海藻酸钠粉末加入去离子水中配置成质量浓度为3％的溶液，将称取得到的mgha和cuha加入上述海藻酸钠溶液中，搅拌；确保mgha+cuha的质量与海藻酸钠的质量比为7；mgha和cuha的质量比为1:5。
步骤3：将步骤2中的浆料b搅拌12小时，用注射器取出，缓慢注射至盛有置于盛有cacl2溶液的圆形模具中成型，得到丝状纤维；随后加压使纤维组装形成支架初坯；cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
形成的陶瓷支架的sem图如图5所示。
实施例4
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；硝酸钙溶液为硝酸钙溶于缓冲液得到、硝酸镁溶液为硝酸镁溶于缓冲液得到、硝酸铜溶液为硝酸铜溶于缓冲液得到、磷酸氢二钠溶液为磷酸氢二钠溶于缓冲液得到；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤，80℃下干燥既得mgha和cuha，保存待用。
步骤2：称取mgha和cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
将海藻酸钠粉末加入去离子水中配置成质量浓度为3％的溶液，将称取得到的mgha和cuha加入上述海藻酸钠溶液中，搅拌；确保mgha+cuha的质量与海藻酸钠的质量比为7；mgha和cuha的质量比为5:1。
步骤3：将步骤2中的浆料b搅拌12小时，用注射器取出，缓慢注射至盛有置于盛有cacl2溶液的圆形模具中成型，得到丝状纤维；随后加压使纤维组装形成支架初坯cacl2溶液的浓度为200mmol/l；。
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
形成的陶瓷支架的sem图如图6所示。
实施例5
一种利用金属元素掺杂羟基磷灰石制备3d陶瓷支架的方法，包括以下步骤：
步骤1：采用同沉淀法分别制备掺杂不同金属元素羟基磷灰石粒子mgha和cuha；
具体过程如下：
s1：分别配置浓度均为0.1mol/l的硝酸钙溶液、硝酸镁溶液、硝酸铜溶液和磷酸氢二钠溶液；硝酸钙溶液为硝酸钙溶于缓冲液得到、硝酸镁溶液为硝酸镁溶于缓冲液得到、硝酸铜溶液为硝酸铜溶于缓冲液得到、磷酸氢二钠溶液为磷酸氢二钠溶于缓冲液得到；
s2：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸镁溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中mg离子与mg+ca离子摩尔比为0.05，mg+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s3：取步骤s1中的硝酸钙溶液和硝酸铜溶液混合，将磷酸氢二钠溶液逐渐滴入上述混合溶液中，搅拌直至溶液中cu离子与cu+ca离子摩尔比为0.05，cu+ca离子与p的摩尔比为1.67；
s4：分别将步骤s2和s3中的溶液陈化后离心，用去离子水和无水乙醇洗涤，80℃下干燥既得mgha和cuha，保存待用。
步骤2：称取mgha和cuha，加入到海藻酸钠溶液中混合均匀，得到浆料b；
将海藻酸钠粉末加入去离子水中配置成质量浓度为3％的溶液，将称取得到的mgha和cuha加入上述海藻酸钠溶液中，搅拌；确保mgha+cuha的质量与海藻酸钠的质量比为7；mgha和cuha的质量比为1:1。
步骤3：将步骤2中的浆料b搅拌12小时，用注射器取出，缓慢注射至盛有置于盛有cacl2溶液的圆形模具中成型，得到丝状纤维；随后加压使纤维组装形成支架初坯；cacl2溶液的浓度为200mmol/l。
步骤4：将支架初坯梯度烧结即可获得所需要的3d陶瓷支架。
梯度烧结的过程如下：
以50℃/h的升温速率从常温升温到120℃，保温2h；以20℃/h的升温速率从120℃升温到320℃，保温2h；以38℃/h的升温速率从320℃升温到700℃，保温2h；以125℃/h的升温速率从700℃升温到1200℃，保温2h；随后随炉降温至室温。
形成的陶瓷支架的sem图如图7所示。
图2为纯羟基磷灰石按照本发明方法制备的纤维支架表面形貌，作为对照；图3为本发明中实施例1所制备的陶瓷支架的sem图，从图中可以看出材料具有很高的孔隙率；图4为本发明中实施例2所制备的陶瓷支架的sem图，从图中可以看出具有凹槽存在，凹槽的形成与mgha中镁离子的存在有关；同时改变了mgha粉体在浆料中的状态，进而使其在压缩过程中变得不稳定或粗糙；图5-7分别为实施例3-5所制备的陶瓷支架的sem图；从图中可以看出其为多孔隙率结构；这是由于cuha中铜离子的影响产生的；单纯的cuha制备的纤维支架表面存在光滑纤维形貌，当cuha粉体和mgha粉体共混形成支架后，形态变得粗糙且易脆断；这是镁和海藻酸钠之间的作用引起的，镁和铜离子在理论上应该替代钙离子位置，但根据已有结果发现在，这些离子有一部分可能替代了oh-的位置；而由铜离子引起的高孔隙率物化性质则可能是因为铜与o2形成了较强的键连接，从而使氢气蒸发释放出来，形成了多孔隙的纤维多孔支架。
本发明利用物理共混法制备支架，工艺简单、方法方便、用料经济实际；以海藻酸钠为粘合剂，固化过程常温条件下即可完成，且固化速度快捷方一般，操作简单可行；由于海藻酸钠粘合剂参与原因，固化可通过注射器形成纤维状盘旋形态支架，本身具有与人体骨和牙齿近似的形态，同时掺杂微量元素的ha更有利于骨组织重建；与现有制备方法相比，制备多种单一元素掺杂的羟基磷灰石粉体作为原料进行混合，与多元素掺杂相比更能确保实际掺杂元素量与理论值相近，更能保证ha晶格稳定性，且实验制备快捷，方法工艺简单；利用海藻酸钠作为粘合剂，包裹掺杂ha粉体，由于海藻酸钠可通过氯化钙溶液快速固化，方便构建各种形态，方法简单；使用纤维丝状盘旋固化方法形成纤维状支架，结构等方便调控，且制备过程简单易行；海藻酸钠作为粘合剂，在高温条件下会分解，通过烧结处理，可将海藻酸钠去除；剩下有不同元素掺杂的ha粉体构成多元素掺杂ha纤维状支架，具有较好的孔隙率和贯通性。