一种人工骨生物活性陶瓷复合材料的制作方法
【技术领域】
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[0001]本发明属生物陶瓷材料领域，特别是一种同时具有较高力学性能和良好生物活性的人工骨生物活性陶瓷复合材料。
【背景技术】
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[0002]氧化铝陶瓷材料具有耐磨性、耐热性、化学稳定性和生物相容性等优点，且价格低廉，是目前应用最为广泛的陶瓷材料之一。但氧化铝属于惰性陶瓷材料，纯氧化铝作为人工关节等修复材料，由于没有生物活性，与机体组织不能形成骨性结合，植入一段时间后容易产生松动、下沉，导致失败，其应用效果受到很大限制。人工骨不仅要求具备高的硬度、抗弯强度、耐磨性和韧性，还要求具备高的抗疲劳性能和生物活性。羟基磷灰石陶瓷材料可与组织在界面上进行化学键组合，具有较好的生物活性，但纯羟基磷灰石陶瓷脆性大，易折断，从而限制了其广泛应用。日本京都大学Kokubo教授等开发的A/W微晶陶瓷，机械强度高达213MPa，是比较成熟的生物陶瓷材料，但力学性能仍完全不能满足致密人骨的要求。
【发明内容】
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[0003]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种生产成本低、同时具有较高力学性能和良好生物活性的人工骨生物活性陶瓷复合材料。
[0004]本发明是通过以下方式实现的:
[0005]一种人工骨生物活性陶瓷复合材料，其特征是采用以下方法制备:
[0006]1)、按氧化铝99.5 %、97 %、96 %和透辉石0.5 %、3 %、4 %的质量百分比准备原料；
[0007]2)、将步骤1)中的氧化铝、透辉石混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体；
[0008]3)、将步骤2)中混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氩气或氮气气氛下热压烧结，烧结温度1450°C，加压温度1370°C，烧结压力25_30MPa，在烧结温度保温保压30-40分钟；
[0009]4)、将烧结好的试样切割成尺寸为3.3mmX4.3mmX36mm的样条，经过粗磨、精磨以及抛光后，再超声清洗；
[0010]5)、分别放入配制好的模拟体液中，试样在恒温箱中浸泡9天，温室恒定在37°C ；浸泡后的样品用SEM分析样品表面的微观结构变化和沉积物的生成，用富里叶变换红外光谱仪(FT-1R)分析0H官能团和P043官能团是否出现，用电子探针分析试样表面生成物是否含有Ga和P,从而确定样品在t旲拟体液中表面形成类骨憐灰石的能力。
[0011]上述氧化铝基生物活性陶瓷复合材料的制备方法，其特征是:在步骤3)烧结过程中先从室温加热到1200°C，升温速度为30°C /分钟；再从1200°C加热到烧结温度，升温速度为5°C /分钟；在烧结温度保温保压30分钟，然后开始降温，降温速度为40°C /分钟，降温至1200°C ;最后，从1200°C随炉冷却至室温。
[0012]本发明采用透辉石作为增韧补强相，在烧结过程中，由于物理变化或化学反应，坯体内产生液相，在表面张力作用下，液相流动进入气孔。因为透辉石的主要成分是二氧化硅、氧化钙、氧化镁，添加透辉石的氧化铝基复合陶瓷材料在烧结过程中，氧化铝与二氧化硅、氧化钙、氧化镁等发生反应生成钙长石、铝酸镁、莫来石、铝酸钙等，从而提高了复合材料的力学性能。二氧化硅在模拟体液中吸附0H而带有微弱的负电荷，可通过库仑力吸引钙离子、通过氢键吸附磷酸根离子，使表面的过饱和度升高；基体中二氧化硅的存在为磷酸钙的异质形核提供了优先位置，提高了复合材料的生物活性。该复合材料制备工艺简单、原材料成本低，生产投资少，是一种低成本制备高性能医用生物活性陶瓷材料的方法。
【具体实施方式】
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[0013]下面给出本发明的三个最佳实施例。
[0014]实施例一:将氧化铝、透辉石按氧化铝99.5%、透辉石0.5%的质量百分比准备原料。采用氧化铝球混合球磨，球磨机中球磨53小时。球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体。将混合粉体装入石墨模具中模压成型，在氩气气氛下热压烧结，烧结温度1450°C，烧结压力30MPa，烧结时间1小时，保温30分钟。制得的氧化铝基生物陶瓷复合材料的维氏硬度为HV18.16GPa，抗弯强度356MPa，断裂韧性4.76MPa.m1/20用DMAX-YC型X射线衍射仪(XRD)对试样的相组成进行分析，测试采用Cu靶步进扫描，加速电压为40KV，工作电流为30mA。主要是A1203的衍射峰，其次是Si02、CaO、镁尖晶石的衍射峰。由此分析可知:制备的复合材料以A1203为王晶相。试样在恒温箱中浸泡9天,温室恒定在37 C。在t旲拟体液中浸泡后，用SEM分析样品表面的微观结构变化和沉积物的生成，用富里叶变换红外光谱仪(FT-1R)分析0H官能团和P043官能团是否出现，用电子探针分析试样表面生成物是否含有Ga和P。从而确定样品在模拟体液中表面形成类骨磷灰石的能力。测试结果表明:复合材料在模拟体液中浸泡后表面形成了一层类骨磷灰石-碳酸羟基磷灰石(HCA)，生成的新物质都是HAP结构。
[0015]实施例二:其它同实施例一，不同之处是氧化铝、透辉石按氧化铝97%、透辉石3%的质量百分比准备原料。球磨机中球磨58小时。烧结温度1400°C，烧结压力25MPa，保温30分钟，制得的氧化铝基陶瓷复合材料的维氏硬度HV18.04GPa，抗弯强度418MPa，断裂韧性4.44MPa.m1/2。经检测，在模拟体液中浸泡后的样品表面有大量碳酸羟基磷灰石沉积物生成，复合材料有良好的生物活性。
[0016]实施例三:其它同实施例一，不同之处是氧化铝、透辉石按氧化铝96%、透辉石4%的质量百分比准备原料。球磨机中球磨53小时。热压工艺为:在1450°C的温度下加压28Mpa，在氮气保护条件下热压烧结，保温35分钟。制得的氧化铝基生物陶瓷复合材料的维氏硬度HV17.40GPa，抗弯强度366MPa，断裂韧性4.66MPa.m1/2。在模拟体液中浸泡后的样品，用SEM分析，表面生成的沉积物为类骨磷灰石一碳酸羟基磷灰石。
【主权项】
1.一种人工骨生物活性陶瓷复合材料，其特征是采用以下方法制备: 1)、按氧化铝99.5 %、97 %、96 %和透辉石0.5 %、3 %、4 %的质量百分比准备原料； 2)、将步骤1)中的氧化铝、透辉石混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体； 3)、将步骤2)中混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氩气或氮气气氛下热压烧结，烧结温度1450°C，加压温度1370°C，烧结压力25_30MPa，在烧结温度保温保压30-40分钟。2.根据权利要求1所述的一种人工骨生物活性陶瓷复合材料，其特征是:在步骤3)烧结过程中先从室温加热到1200°C，升温速度为30°C /分钟；再从1200°C加热到烧结温度，升温速度为5°C /分钟；在烧结温度保温保压30分钟，然后开始降温，降温速度为40°C /分钟，降温至1200°C ;最后，从1200°C随炉冷却至室温。
【专利摘要】本发明属生物陶瓷材料领域，特别是一种同时具有较高力学性能和良好生物活性的人工骨生物活性陶瓷复合材料。采用以下方法制备：首先按氧化铝99.5％、97％、96％和透辉石0.5％、3％、4％的质量百分比准备原料；再将氧化铝、透辉石混合球磨，球磨后的粉料通过100目筛，制得混合粉体；将混合粉体材料装入石墨模具中模压成型，在氩气或氮气气氛下热压烧结，烧结温度1450℃，加压温度1370℃，烧结压力25-30MPa，在烧结温度保温保压30-40分钟。该复合材料制备工艺简单、原材料成本低，生产投资少，是一种低成本制备高性能医用生物活性陶瓷材料的方法。
【IPC分类】A61L27/12, C04B35/622, C04B35/10, A61L27/10
【公开号】CN105481353
【申请号】CN201410480213
【发明人】张希华, 袁建军, 张聪毅
【申请人】山东大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月18日