一种负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的制备方法与流程

本发明涉及一种负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的制备方法，属于生物医用材料制备技术领域。

背景技术：

近年来，随着我国国民经济快速发展、人民生活水平提高、人口日益老龄化以及医疗卫生水平的显著提高，由于工伤、交通事故、骨肿瘤、骨结核等疾病导致的骨科患者越来越多。目前临床上应用的骨材料主要是自体骨和同种异体骨。自体骨是最为理想的骨材料，但自体骨存在来源不足和供骨区并发症（如感染、皮肤坏死及供骨区永久缺损）等问题；同种异体骨虽然在某种情况下也是临床上首选的骨材料，但其存在移植排异反应、疾病传播及融合时间较长等问题。因而迫切需要研究和开发人工骨材料来弥补自体骨和同种异体骨临床应用方面存在的问题。

目前已取得医疗器械注册证并在临床上应用的人工骨材料产品主要有：百美特骨填充用多孔生物陶瓷（β-磷酸三钙）、ceravital生物活性玻璃陶瓷（cao-na2o-sio2-p2o5）、bongold人工骨修复材料（羟基磷灰石和ⅰ型胶原）、xccollagen骨胶原骨膜（α-磷酸三钙）、steobone骨科修复材料（羟基磷灰石/磷酸三钙和骨多形蛋白）、瑞福纳米晶胶原基骨修复材料（纳米晶胶原和磷酸盐）、bam骨诱导人工骨（磷酸钙）、纳艾康医用纳米羟基磷灰石/聚酰胺66复合骨填充材料（纳米羟基磷灰石和聚酰胺66）等。还是存在植骨延迟愈合或不愈合、人工骨的降解与成骨速率不匹配、植骨材料碎裂变形、植骨后塌陷致骨块高度丢失、植骨后感染、长期窦道形成、植骨部位长期疼痛等问题。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提出一种负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷的制备方法；将具有促进成骨作用的纳米锌负载于羟基磷灰石，利用放电等离子烧结制备方法具有升温速度快、烧结时间短、烧结温度低、制备过程洁净等优点；获得成分纯净、孔隙率可控、具有良好成骨诱导能力的多孔生物陶瓷，满足临床上对用于机体硬组织再生或重建的人工骨材料的性能要求，实现其临床应用。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

（1）将纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末球磨混合均匀后烘干得到负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末，复合粉末中纳米锌的质量百分比为1%～7%，纳米羟基磷灰质量百分比为99%～93%；

（2）将步骤（1）得到的负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末与造孔剂碳酸氢铵粉末均匀混合后得到混合粉末，混合粉末中复合粉末的质量百分比为50%～75%，碳酸氢铵粉末的质量百分比为50%～25%；

（3）在不锈钢模具内表面均匀的涂覆医用凡士林后，将步骤（3）得到的混合粉末放入模具中，压制成圆柱状坯体；

（4）将步骤（3）得到的圆柱坯体装入石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，将系统抽2～6pa真空后，持续充入纯度99.999%、流速60ml/min～80ml/min的氩气进行保护烧结，先以100℃/min的升温速率，从室温加热至100～150℃后保温1～2min，随后以50℃/min的升温速率升温至700℃，最后以25℃/min的升温速率，升温至750～850℃后保温5～10min，烧结完成后随炉冷却至室温，退模得到负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷。

优选的，本发明所述纳米锌的纯度≥99.9%、粒径为50～60nm，纳米羟基磷灰石粉末纯度≥99.7%、粒径80～100nm。

优选的，本发明步骤（1）中球磨的条件为：将纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末原料放入真空球磨罐中，加入不锈钢磨球、无水乙醇和分散剂聚乙二醇（纯度为分析纯，分子量为400，加入量为粉末质量的0.5%）后抽真空至10～20pa，再充入纯度为99.999%的氩气，放置于行星球磨机上，以200～300r/min的转速球磨6～8h；其中不锈钢磨球的球料质量比为3:1～3:2，大小球质量比1:5～2:5。

优选的，本发明步骤（1）中烘干的条件为：在真空干燥箱，烘干温度为40～60℃。

优选的，本发明步骤（2）碳酸氢铵粉末的纯度为分析纯，平均粒径为100～500μm。

优选的，本发明步骤（3）中施加的压力为25～30kn。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法选择的材料成分纯净，选择的碳酸氢铵在较低的烧结温度下就完全挥发，不存在任何残留；采用放电等离子烧结技术可以降低烧结温度，避免温度过高而造成锌元素的流失，还能减少保温时间，避免煅烧时间过长而造成羟基磷灰石的分解。

（2）材料可以根据需求的不同，通过调整复合粉末与造孔剂的比例，可以得到不同孔隙率、不同强度的生物陶瓷，可用于骨支架、填充和修复材料；多孔材料的孔隙率为40～70%，孔隙尺寸为20～500μm，大小孔并存，独特的孔隙结构与粗糙的内外表面有利于成骨细胞的粘附、增殖，促使骨组织的长入，提高材料的成骨活性。

（3）具有良好的成骨诱导能力；将具有促进成骨作用的可降解活性纳米金属锌负载于多孔羟基磷灰石，使材料不仅能提高生物陶瓷的成骨诱导能力，而且还具有一定的抗菌性；可以满足临床上对用于机体硬组织再生或重建的人工骨材料的性能要求，实现其临床应用。

附图说明

图1实施例4制备的负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷的x射线衍射图谱；

图2实施例4制备的负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的表面形貌；

图3实施例4制备的负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的矿化形貌图；

图4实施例4制备的负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的降解性能；

图5实施例4制备的负载纳米的锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的锌离子释放性能。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

（1）以纯度≥99.9%、粒径为50～60nm的纳米锌和纯度≥99.7%、粒径80～100nm的纳米羟基磷灰石粉末为原料，按质量比1:99分别称取纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末。

（2）将步骤（1）称取的粉末原料放入真空球磨罐中，加入不锈钢磨球、无水乙醇和分散剂聚乙二醇后抽真空至10pa，再充入纯度为99.999%的氩气，放置于行星球磨机上，以300r/min的转速球磨8h，在真空干燥箱中使用60℃烘干研磨后得到负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末。

（3）将步骤（2）得到的负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末与纯度ar、平均粒径500μm造孔剂碳酸氢铵粉末按质量比75:25均匀混合后得到混合粉末。

（4）将步骤（3）得到的混合粉末放入自制的不锈钢模具中，施加25kn的压力，冷等静压制成圆柱状坯体。

（5）将步骤（4）得到的圆柱坯体装入石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，将系统抽2pa真空后，持续充入纯度99.999%、流速60ml/min的氩气进行保护烧结，首先以100℃/min的升温速率，从室温加热至150℃后保温1min，随后以50℃/min的升温速率升温至700℃，最后以25℃/min的升温速率，升温至750℃后保温5min，烧结完成后随炉冷却至室温，退模得到负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷。

实施例2

以纯度≥99.9%、粒径为50～60nm的纳米锌和纯度≥99.7%、粒径80～100nm的纳米羟基磷灰石粉末为原料，按质量比3:97分别称取纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末，其他的工艺步骤与参数跟实施例1一致。

实施例3

以纯度≥99.9%、粒径为50～60nm的纳米锌和纯度≥99.7%、粒径80～100nm的纳米羟基磷灰石粉末为原料，按质量比5:95分别称取纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末，其他的工艺步骤与参数跟实施例1一致。

实施例4

以纯度≥99.9%、粒径为50～60nm的纳米锌和纯度≥99.7%、粒径80～100nm的纳米羟基磷灰石粉末为原料，按质量比5:95分别称取纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末，其他的工艺步骤与参数跟实施例1一致。

对制备的负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷进行x射线衍射仪（xrd）分析（如图1所示）；从图中可以看出，材料以ha为主体，zn加入并未对峰位产生影响，物质的基本组成并未发生改变，主相仍然是ha；图谱中没有发现ha分解产物cao与β–ca3(po4)2，说明750℃下，ha没有产生分解；另外xrd物相分析中未见nh4hco3的特征峰，所以其在烧结过程中已完全挥发，所制备得到的陶瓷成分明确，安全性得到保障。

利用陶瓷孔隙率分析仪对材料的孔隙率进行测定；根据gb/t4740-1999标准在力学试验机上测试了材料的抗压强度；具体结果见表1；材料的抗压强度能满足临床上的需要。

表1不同锌含量下多孔生物陶瓷的孔隙率与抗压强度

利用扫描电镜（sem）对制备的负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷形貌进行分析（如图2所示）；观察孔隙形貌（如图2所示），制备材料的均具有相互连通的大小孔结构，孔径在50～500μm且分布较均匀；不管是骨支架材料，还是骨填充材料应该具有适当尺寸并占有一定体积分数的孔隙（一般希望孔隙率大于40%，大孔与微孔并存，大孔孔径100～300μm，小孔孔径10μm以上）能为细胞、纤维组织和骨组织的长入提供通道和生长空间，增大组织液与ha接触表面积，并通过影响代谢、营养传输和血管生长而决定骨长入的程度和速度，加快骨修复过程；同时多孔结构使材料比表面积增加，可增加zn²⁺在局部的释放浓度，加速新骨生长，增强成骨的能力。

负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷浸泡在sbf溶液中，置于37℃的恒温水浴箱中，测试材料的降解性能（如图3所示），发现材料的降解速率一直加快；结合其锌离子释放性能（如图4所示），负载纳米锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷的zn²⁺释放随着浸泡时间逐步增加，从zn²⁺曲线上可以看出，第1dzn²⁺的释放速度最快，随着浸泡时间的增加，释放速度逐渐平缓，直到第7d仍然有zn²⁺释放到模拟体液中，说明出zn²⁺以缓慢、可持续的方式释放。负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷以这种体外缓慢、可持续的zn²⁺释放特征与材料的多孔结构有关。

1%锌含量的生物陶瓷的抗菌率为83.18%，3%锌含量的抗菌率为91.30%，5%锌含量的抗菌率为97.68%，7%锌含量的抗菌率高达99.13%；随着锌含量的增加，材料的抗菌率逐渐增大。

通过相同的分析方法，其他实施例所制备的负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷也具有类似的性质。

实施例5

（1）以纯度≥99.9%、粒径为50～60nm的纳米锌和纯度≥99.7%、粒径80～100nm的纳米羟基磷灰石粉末为原料，按质量比7:93分别称取纳米锌和纳米羟基磷灰石粉末。

（2）将步骤（1）称取的粉末原料放入真空球磨罐中，加入不锈钢磨球、无水乙醇和分散剂聚乙二醇后抽真空至10pa，再充入纯度为99.999%的氩气，放置于行星球磨机上，以300r/min的转速球磨8h，在真空干燥箱中使用60℃烘干研磨后得到负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末。

（3）将步骤（2）得到的负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末与纯度ar、平均粒径500μm造孔剂碳酸氢铵粉末按质量比25:75均匀混合后得到混合粉末。

（4）将步骤（3）得到的混合粉末放入自制的不锈钢模具中，施加25kn的压力，压制成圆柱状坯体。

（5）将步骤（4）得到的圆柱坯体装入石墨模具中，放入放电等离子烧结炉中进行烧结，将系统抽2pa真空后，持续充入纯度99.999%、流速80ml/min的氩气进行保护烧结，首先以100℃/min的升温速率，从室温加热至100℃后保温2min，随后以50℃/min的升温速率升温至700℃，最后以25℃/min的升温速率，升温至850℃后保温5min，烧结完成后随炉冷却至室温，退模得到负载纳米锌的羟基磷灰石多孔生物陶瓷。

实施例6

负载纳米锌的羟基磷灰石复合粉末与纯度ar、平均粒径500μm造孔剂碳酸氢铵粉末按质量比50:50均匀混合后得到混合粉末，其他的工艺步骤与参数跟实施例5一样。

结果表明实施实例5和6所制备得到的负载纳米锌羟基磷灰石多孔生物陶瓷孔隙率和抗压强度见表2，可以根据用途的不同，改变材料的孔隙率，满足不同的临床需求。

表27%锌多孔生物陶瓷不同孔隙率下的抗压强度