一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法

文档序号:10482395阅读:502来源:国知局
一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种微结构致密、力学性能优异的医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷材料的制备方法。本发明通过对氧化铝粉体原料优选,采用化学共沉降法将Mg(NO3)2·6H2O,ZrOCl2·8H2O和YCl3三种混合物质均匀的包附在氧化铝粉体的颗粒表面;采用煅烧法使氧化铝粉体颗粒表面的Mg(NO3)2·6H2O,ZrOCl2·8H2O和YCl3分别生成MgO,ZrO和Y2O3;采用冷等静压法将氧化铝粉体模压成坯体;采用低温预烧结制备出硬度较低的氧化铝陶瓷;采用高温再烧结制备出力学性能优异的致密氧化铝陶瓷。
【专利说明】
一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料技术领域,具体涉及一种致密氧化铝陶瓷材料的制备方法,所制 备的致密氧化铝陶瓷材料用于医学领域,是一种理想的股骨头可植入假体。
【背景技术】
[0002] 氧化铝陶瓷具有很高的硬度、很好的化学惰性和亲水性,是一种理想的医用可植 入假体材料,尤其适合用作股骨头的置换(Υ·ζ· Cai, S.G. Yan, Development of ceramic on ceramic implants or total hip arthroplasty. Orthop. Surg. 2 (2010) 175-181.)。在近二十年时间里,制备氧化铝陶瓷假体的各种先进工艺和关键技术被陆续的 探索总结出来。氧化镁作为一种常用的添加剂,可显著提高氧化铝陶瓷的密度和硬度(G. Heimke, S. Leyen, G. ffillmann. Knee arthroplasty: recently developed ceramics offer new solutions. Biomaterials 2002; 23:1539-51·)。控制氧化错粉体原料的粒径 和纯度,可显著提高氧化错陶瓷的韧性和可靠性(M.N. Rahaman, A. Yao, B. Sonny Bal, J.P. Garino, M.D. Ries, Ceramics for prosthetic hip and knee joint replacement. J. Am. Ceram. Soc. 90 (2007) 1965-1988·)。向氧化错粉体原料中添加 四方相的氧化锆粉体,可改善氧化铝陶瓷的微结构,显著提高其力学性能(S. Deville,J. Chevalier, G. Fantozz i, J.F. Barto 1ome, J. Requena, J.S. Moya , R. Torrecillas, L.A. Diaz, Low-temperature ageing of zirconia-toughened alumina ceramics and its implication in biomedical implants. J. Eur. Ceram. Soc. 23 (2003) 2975-2982.)。据文献报道,氧化锆在氧化铝陶瓷假体中的含量不宜超过4%(A. Cynthia, Microstructure of 96% alumina ceramics: 1 Characterization of the As-Sintered Materials. J. Am. Ceram. Soc. 73 (1990) 3670-3676.)〇
[0003] 已有文献报道的制备工艺,均是将氧化锆粉和氧化镁粉与氧化铝粉直接混合后进 行高温烧结。这些工艺均未有效控制原料中各粉体的粒径,尤其是氧化镁粉和氧化锆粉在 原料中分布不均匀,使得氧化铝陶瓷内部的氧化铝颗粒局部生长异常,造成氧化铝陶瓷的 微结构不均匀,严重降低了氧化铝陶瓷股骨头假体的力学性能和使用寿命。

【发明内容】

[0004] 为了克服传统工艺在制备股骨头假体医用氧化铝陶瓷材料时,由于原料粉体的粒 径差异和添加剂混合不均而降低氧化铝陶瓷的力学性能,本发明提供了一种制备微结构致 密、力学性能优异的医用股骨头假体氧化铝陶瓷材料的方法。
[0005] 本发明的技术思路如下:首先,采用风选法从氧化铝粉体中优选出粒径相同的氧 化铝粉体;其次,采用化学共沉降法将Mg(N03)2 · 6H20,Zr0Cl2 · 8H20和YC13三种混合物质均 匀的包附在氧化铝粉体的颗粒表面;再次,将化学共沉降后的氧化铝粉体进行热处理,使氧 化铝粉体颗粒表面的Mg(N03)2 · 6H2〇,ZrOCl2 · 8H2〇和YC13分别生成Mg0,Zr0和Y2〇3;再次,将 氧化铝粉体倒入模具中,采用冷等静压进行模压;最后,将坯体进行高温烧结,制备出力学 性能优异的致密氧化铝陶瓷。
[0006] 本发明的技术方案如下: 一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法,包括下述步骤: (a)氧化铝粉体的粒径筛选 将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径为8 ~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时; 将高速球磨后的氧化铝粉体通过风选装置选出粒径为0.2~0.6微米的氧化铝粉体;然 后将选出的粒径为〇 . 2~0.6微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清 洗1~2小时后,用滤纸滤出并烘干; (b )表面均匀包附ZrO、MgO和Y2〇3混合物质的氧化铝粉体的制备 将1%(勵3)2,6!120、2抑(:12.8!1 20、¥(:13、氧化铝粉体和蒸馏水按(0.04~0.08):(0.02~ 0.08) : (0.002~0.006) : 1: (15~20)的比例混合,制成悬浊液; 按照0.5~0.8升/小时的流速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水,在滴 加氨水过程中,使用搅拌机对悬浊液持续快速搅拌,同时在悬浊液底部进行持续超声波振 荡; 当悬浊液的pH值达到9.0~10.0时,用滤纸虑出悬浊液中的粉体并烘干,将虑出的粉体 在1100~1250°C空气中煅烧20~60分钟; (c) 氧化铝陶瓷坯体的制备 将煅烧后的粉体平铺于振动筛,启动振动筛后,按照每100克粉体喷洒8~12克浓度为6~ 8%的聚乙烯醇; 喷洒后,将粉体过120~180目筛,然后倒入模具,采用冷等静压150~200MPa模压成坯体, 然后放入通风厨中阴干15~20小时; (d) 预烧结 将阴干的坯体放入高温炉,1120~1200°C预烧结1~3小时,得到硬度较低的预烧结氧化 铝陶瓷; (e) 再烧结 将预烧结后的氧化铝陶瓷放入高温炉,1600~1650Γ再烧结2~3小时,得到力学性能优 异的致密再烧结氧化铝陶瓷。
[0007] 优选地,步骤a的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设置风 嘴,原料漏斗口和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在漏斗 下方放置收集器,其中收集器为广口型。也可在漏斗下方将多个广口型收集器并排紧靠放 置,可同时准确收集具有不同粒径范围的氧化铝颗粒。风选装置如图2所示,将球磨后的氧 化铝粉体倒入漏斗中,通过调节风嘴的风速,漏斗中氧化铝粉体的流量,风嘴与收集器之间 的高度,以及漏斗与收集器之间的水平距离,从而可以收集具有合适粒径的氧化铝粉体。
[0008] 优选地,可对步骤d中得到的硬度较低的氧化铝陶瓷粗加工后进行步骤e。由于致 密氧化铝陶瓷的强度、韧性和硬度都很高,其加工难度很大,因此本发明中氧化铝陶瓷的烧 结采用了低温预烧结和高温再烧结两步完成。预烧结制备的氧化铝陶瓷硬度较低,采用一 般的磨削工艺便可很容易的对其进行加工,因此在实际生产中,需根据产品的最终尺寸以 及氧化铝陶瓷的收缩率对预烧结氧化铝陶瓷进行粗加工,产品加工的大部分工作均在此时 完成,最后再烧结后只需对氧化铝陶瓷进行少量的精加工即可。
[0009] 有益效果:本发明的致密氧化铝陶瓷的制备方法的技术方案,通过解决现有制备 工艺中氧化铝粉体原料的粒径差异和Mg0,Zr0和Y203等添加剂混合不均匀的技术问题,从而 制备出微结构致密均匀的氧化铝陶瓷产品。采用本发明的技术方案制备的致密氧化铝陶瓷 相比现有产品具有更好的韧性和可靠性、力学性能优异,是一种理想的股骨头可植入假体。
[0010] 本发明只保护医用股骨头假体氧化铝陶瓷的材料学制备工艺,不涉及产品制备的 具体加工过程。
【附图说明】
[0011] 附图1是本发明医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备流程图; 附图2是氧化铝粉体的风选装置示意图; 附图3是氧化铝粉体的共沉降示意图; 附图4是实施例1预烧结氧化铝陶瓷的微结构照片; 附图5是实施例1再烧结氧化铝陶瓷的微结构照片。
【具体实施方式】 [0012] 实施例1: 本实施例的医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备流程如图1所示: 1、将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径 为8~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时;然后倒入图2所示 风选装置的漏斗中。图2所示的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设 置风嘴,原料漏斗口和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在 漏斗下方放置1个收集器,其中收集器为广口型。调节风嘴的风口处风速为l.lm/s,调节漏 斗中氧化铝粉体的流量为0.1L/min,调节风嘴与收集器之间的高度为0.3m,调节漏斗与收 集器之间的水平距离为0.26m,得到粒径范围为0.1~0.3微米的氧化铝粉体。将选出的粒径 为0.1~0.3微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清洗1~2小时后,用 滤纸滤出并烘干。
[0013] 2、将Mg(N03)2 · 6H20、Zr0Cl2 · 8H20、YC13、氧化铝粉体和蒸馏水按0.05:0.08: 0.006:1:17的比例混合制成悬浊液,倒入图3所示的装置中,然后按照0.5~0.8升/小时的流 速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水。在滴加氨水的过程中,利用搅拌机 对悬浊液进行快速持续的搅拌,并在悬浊液底部进行持续超声波振荡。当悬浊液的pH值达 到10.0时,利用滤纸将悬浊液中的粉体过滤出来并置于烘箱中进行干燥,最后在1250Γ空 气中煅烧30分钟。
[0014] 3、将煅烧后的氧化铝粉体平铺于振动筛上,按照每100克粉体表面喷洒10克浓度 为6~8%的聚乙烯醇,过180目筛,然后倒入模具中,采用200MPa的压力冷等静压成坯体,放入 通风厨中阴干20小时。
[0015] 4、将阴干的坯体放入高温炉中1150 °C预烧结3小时,然后放入高温炉中1650 °C烧 结2小时。
[0016] 在室温环境下,分别测试预烧结和再烧结后氧化铝陶瓷的详细性能如表1所示。坯 体预烧结后,其收缩率为6.4%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为53MPa,硬度为4.7GPa,孔隙率为 22.4%;氧化铝陶瓷再烧结后,其收缩率为21.9%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为637MPa,硬度 为17 · 7GPa,孔隙率为0 · 3%。
[0017] 实施例2: 本实施例的医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备流程如图1所示: 1、将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径 为8~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时;然后倒入图2所示 风选装置的漏斗中。图2所示的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设 置风嘴,原料漏斗口和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在 漏斗下方放置1个收集器,其中收集器为广口型。调节风嘴的风口处风速为l.Om/s,调节漏 斗中氧化铝粉体的流量为〇.12L/min,调节风嘴与收集器之间的高度为0.28m,调节漏斗与 收集器之间的水平距离为0.21m,得到粒径范围为0.4~0.6微米的氧化铝粉体。将选出的粒 径为0.4~0.6微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清洗1~2小时后, 用滤纸滤出并烘干。
[0018] 2、将Mg(N03)2 · 6H20、Zr0Cl2 · 8H20、YC13、氧化铝粉体和蒸馏水按0.04:0.06: 0.004:1:20的比例混合制成悬浊液,倒入图3所示的装置中,然后按照0.5~0.8升/小时的流 速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水。在滴加氨水的过程中,利用搅拌机 对悬浊液进行快速持续的搅拌,并在悬浊液底部进行持续超声波振荡。当悬浊液的pH值达 到10.0时,利用滤纸将悬浊液中的粉体过滤出来并置于烘箱中进行干燥,最后在1200Γ空 气中煅烧40分钟。
[0019] 3、将煅烧后的氧化铝粉体平铺于振动筛上,按照每100克粉体表面喷洒8克浓度为 6~8%的聚乙烯醇,过150目筛,然后倒入模具中,采用150MPa的压力冷等静压成坯体,放入通 风厨中阴干15小时。
[0020] 4、将阴干的坯体放入高温炉中1180 °C预烧结2小时,然后放入高温炉中1600 °C烧 结3小时。
[0021] 在室温环境下,分别测试预烧结和再烧结后氧化铝陶瓷的详细性能如表1所示。坯 体预烧结后,其收缩率为5.9%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为48MPa,硬度为4.8GPa,孔隙率为 22.5%;氧化铝陶瓷再烧结后,其收缩率为21.2%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为596MPa,硬度 为16 · 8GPa,孔隙率为0 · 9%。
[0022] 实施例3: 本实施例的医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备流程如图1所示: 1、将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径 为8~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时;然后倒入图2所示 风选装置的漏斗中。图2所示的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设 置风嘴,原料漏斗口和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在 漏斗下方放置1个收集器,其中收集器为广口型。调节风嘴的风口处风速为l.lm/s,调节漏 斗中氧化铝粉体的流量为O.llL/min,调节风嘴与收集器之间的高度为0.32m,调节漏斗与 收集器之间的水平距离为0.25m,得到粒径范围为0.2~0.4微米的氧化铝粉体。将选出的粒 径为Ο . 2~0.4微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清洗1~2小时后, 用滤纸滤出并烘干。
[0023] 2、将Mg(N03)2 · 6H20、Zr0Cl2 · 8H20、YC13、氧化铝粉体和蒸馏水按0.07:0.04: 0.003:1:15的比例混合制成悬浊液,倒入图3所示的装置中,然后按照0.5~0.8升/小时的流 速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水。在滴加氨水的过程中,利用搅拌机 对悬浊液进行快速持续的搅拌,并在悬浊液底部进行持续超声波振荡。当悬浊液的pH值达 到9.0时,利用滤纸将悬浊液中的粉体过滤出来并置于烘箱中进行干燥,最后在1150Γ空气 中煅烧50分钟。
[0024] 3、将煅烧后的氧化铝粉体平铺于振动筛上,按照每100克粉体表面喷洒12克浓度 为6~8%的聚乙烯醇,过120目筛,然后倒入模具中,采用180MPa的压力冷等静压成坯体,放入 通风厨中阴干20小时。
[0025] 4、将阴干的坯体放入高温炉中1200 °C预烧结1小时,然后放入高温炉中1630 °C烧 结2小时。
[0026]在室温环境下,分别测试预烧结和再烧结后氧化铝陶瓷的详细性能如表1所示。坯 体预烧结后,其收缩率为6.2%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为51MPa,硬度为4.5GPa,孔隙率为 21.1%;氧化铝陶瓷再烧结后,其收缩率为20.3%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为607MPa,硬度 为17.1GPa,孔隙率为0.6%。
[0027] 实施例4: 本实施例的医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备流程如图1所示: 1、将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径 为8~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时;然后倒入图2所示 风选装置的漏斗中。图2所示的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设 置风嘴,原料漏斗口和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在 漏斗下方放置1个收集器,其中收集器为广口型。调节风嘴的风口处风速为〇.9m/s,调节漏 斗中氧化铝粉体的流量为O.llL/min,调节风嘴与收集器之间的高度为0.31m,调节漏斗与 收集器之间的水平距离为0.26m,得到粒径范围为0.3~0.5微米的氧化铝粉体。将选出的粒 径为0.3~0.5微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清洗1~2小时后, 用滤纸滤出并烘干。
[0028] 2、将Mg(N03)2 · 6H20、Zr0Cl2 · 8H20、YC13、氧化铝粉体和蒸馏水按0.04:0.02: 0.002:1:18的比例混合制成悬浊液,倒入图3所示的装置中,然后按照0.5~0.8升/小时的流 速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水。在滴加氨水的过程中,利用搅拌机 对悬浊液进行快速持续的搅拌,并在悬浊液底部进行持续超声波振荡。当悬浊液的pH值达 到9.0时,利用滤纸将悬浊液中的粉体过滤出来并置于烘箱中进行干燥,最后在1100°C空气 中煅烧60分钟。
[0029] 3、将煅烧后的氧化铝粉体平铺于振动筛上,按照每100克粉体表面喷洒8克浓度为 6~8%的聚乙烯醇,过140目筛,然后倒入模具中,采用180MPa的压力冷等静压成坯体,放入通 风厨中阴干15小时。
[0030] 4、将阴干的坯体放入高温炉中1180 °C预烧结2小时,然后放入高温炉中1630 °C烧 结2小时。
[0031] 在室温环境下,分别测试预烧结和再烧结后氧化铝陶瓷的详细性能如表1所示。坯 体预烧结后,其收缩率为5.8%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为46MPa,硬度为4.4GPa,孔隙率为 21.8%;氧化铝陶瓷再烧结后,其收缩率为20.4%,此时氧化铝陶瓷弯曲强度为572MPa,硬度 为15.6GPa,孔隙率为1.1%。
[0032] 附图4、附图5分别为实施例1预烧结氧化铝陶瓷的微结构照片和实施例1再烧结氧 化铝陶瓷的微结构照片,通过附图4和5我们可以看出采用本发明的方法制备的氧化铝陶瓷 微结构致密。实施例2、实施例3、实施例4的预烧结和再烧结氧化铝陶瓷的微结构与实施例1 的微结构极为相似,彼此很难看出差异,且均非常致密,故并未附微结构照片。以上所述,本 发明所提供的实施例均为对本发明优选实施方式的描述,并非对本发明的范围限定,在不 脱离本发明精神的前提下,所属技术领域的技术人员对本发明技术方案的变形和改进,均 落入本发明的权利保护范围。
[0033] 表1:
【主权项】
1. 一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法,其特征在于包括下述步骤: (a) 氧化铝粉体的粒径筛选 将粒径为0.2~2.0微米的氧化铝粉体,按照每100克氧化铝粉体中加入15~25颗直径为8 ~12毫米的氧化铝球的比例配制后,倒入球磨罐中高速球磨3~5小时; 将高速球磨后的氧化铝粉体通过风选装置选出粒径为0.2~0.6微米的氧化铝粉体;然 后将选出的粒径为〇 . 2~0.6微米的氧化铝粉体倒入浓度为25~30%的工业盐酸中,超声波清 洗1~2小时后,用滤纸滤出并烘干; (b) 表面均匀包附ZrO、MgO和Y2〇3混合物质的氧化铝粉体的制备 将1^0〇3)2.6!12〇、2抑(:12.8!1 2〇、¥(:13、氧化铝粉体和蒸馏水按(〇.〇4~〇.〇8):(〇.〇2~ 0.08) : (0.002~0.006) : 1: (15~20)的比例混合,制成悬浊液; 按照0.5~0.8升/小时的流速向悬浊液中持续缓慢滴加浓度为4~6摩尔/升的氨水,在滴 加氨水过程中,使用搅拌机对悬浊液持续快速搅拌,同时在悬浊液底部进行持续超声波振 荡; 当悬浊液的pH值达到9.0~10.0时,用滤纸虑出悬浊液中的粉体并烘干,将虑出的粉体 在1100~1250°C空气中煅烧20~60分钟; (c) 氧化铝陶瓷坯体的制备 将煅烧后的粉体平铺于振动筛中,启动振动筛后,向每100克粉体喷洒8~12克浓度为6~ 8%的聚乙烯醇; 喷洒后,将粉体过120~180目筛,然后倒入模具,采用冷等静压150~200MPa模压成坯体, 然后放入通风厨中阴干15~20小时; (d) 预烧结 将阴干的坯体放入高温炉,1120~1200°C预烧结1~3小时,得到硬度较低的预烧结氧化 铝陶瓷; (e) 再烧结 将预烧结后的氧化铝陶瓷放入高温炉,1600~1650Γ再烧结2~3小时,得到力学性能优 异的致密再烧结氧化铝陶瓷。2. 根据权利要求1所述的一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法,其特征在 于,步骤a的风选装置包括原料漏斗、风嘴和收集器,原料漏斗口下方设置风嘴,原料漏斗口 和风嘴处均设有控制阀,通过控制阀调节漏斗流量和风嘴风速,同时在漏斗下方放置收集 器,其中收集器为广口型。3. 根据权利要求2所述的一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法,其特征在 于,多个广口型收集器并排紧靠放置。4. 根据权利要求1或2或3所述的一种医用股骨头假体致密氧化铝陶瓷的制备方法,其 特征在于,可对步骤d中得到的硬度较低的氧化铝陶瓷粗加工后进行步骤e。
【文档编号】C04B35/628GK105837182SQ201610162154
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】李向明, 李刚, 高明军
【申请人】烟台大学
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