层状复合生物陶瓷材料界面结合力的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种生物骨架材料的制备方法，特别是涉及一种生物陶瓷材料的制备方法，应用于医用和生命健康骨替代材料和固定器技术领域。
【背景技术】
[0002]轻基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA 或 HAP)，分子式 Caltl (PO4) 6 (OH) 2，是一种生物活性材料。HA的结构与天然磷灰石相近，含有与人体组织必须的Ca和P元素，可被应用于人工骨的种植体。但羟基磷灰石的力学性能和热稳定性较差，限制了其在临床上的广泛应用。为了实现HA的临床应用，金属基体上涂覆HA和基于HA的复合材料应运而生。许多研宄者开发了金属基羟基磷灰石涂层和复合材料，但在体液环境下金属离子被置换出来进入人体会导致重金属中毒。部分惰性或者对人体无害的稀有金属价格又较昂贵，在临床应用上又会受到限制。
[0003]二氧化锆(ZrO2)惰性生物陶瓷具有良好的耐磨性、抗生物腐蚀性和生物相容性，拥有骨替代材料或者固定器所需的机械强度，但同现在大多数的骨替代材料或者固定器一样，它只能起到单纯的支撑作用，而无诱导或者促进骨生长的生物功能。将ZrOjP HA有机地结合起来，发挥双方的性能优势，以HA作为表层材料诱导骨细胞生长制备出层状复合生物材料是一个解决方案。现在常用的制备生物复合陶瓷常用的方法为先干压再常压烧结，但由于ZrOjP HA的热膨胀系数相差将近一倍，一般HA的热膨胀系数为15 X 1011，21<)2的热膨胀系数为7.33X KT6IT1,故而在冷却时收缩率相差很大会引起的界面结合强度不足的问题限制了撤/21<)2生物陶瓷的推广应用。
【发明内容】
[0004]为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服ZrOjP HA收缩率不同而引起的界面结合力不足的难题，提供一种提高撤/21<)2层状复合生物陶瓷材料界面结合力的方法，在复合材料的制备过程中，在ZrO2基体材料表面构建出具有不同纹理结构的花纹，增大ZrO2基体与HA表面层的界面接触面积，延长界面裂纹扩展长度和改变裂纹扩展的方向，从而获得高的界面结合强度。
[0005]为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案:
一种提高HA/Zr02层状复合生物陶瓷材料界面结合力的方法，在干压陶瓷片时，使用具有特定纹理结构的压膜阳模表面的压制模具，当预制HA和ZrO2结合界面时，在ZrO2基体上压制出具有特定纹理结构的结合表面，在&02基体的结合表面上形成的纹理结构包含凸台纹、沟槽纹、齿锯纹、波浪纹、交叉纹或网格纹，纹理结构的纹峰高度适应HA表面需要复合的HA厚度尺寸，然后在ZrO2S体的结合表面上平铺HA粉末，再施加设定的成型压力进行压制，成型后的素坯出模后，再经烧结成复合生物陶瓷块体。
[0006]作为本发明优选的技术方案，纹理结构的纹峰高度为0.1-2.0mm,复合生物陶瓷块体的外形制备成柱体。
[0007]作为本发明进一步优选的技术方案，当复合生物陶瓷块体的HA和Zr02g合界面采用凸台纹时，凸台高度为0.2-0.8mm，凸台直径适应复合生物陶瓷块体的HA和ZrO2结合界面尺寸，凸台的体积不超过复合生物陶瓷块体尺寸的1/3，凸台形状为圆柱体或棱柱体；当复合生物陶瓷块体的HA和ZrO2结合界面采用沟槽纹、齿锯纹或波浪纹时，沟槽纹、齿锯纹或波浪纹的波长为0.5-2.0mm,纹理间距为0.5-2.0mm0
[0008]作为本发明更进一步优选的技术方案，当复合生物陶瓷块体的HA和ZrO2结合界面采用沟槽纹、齿锯纹或波浪纹时，其中的交叉纹或网格纹的纹理间夹角为20° ~90°。
[0009]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明克服传统的ZrOjPHA收缩率不同而引起的界面结合力不足的问题，在复合材料制备过程中，通过在ZrO2基体表面制作不同纹理结构的层状生物复合陶瓷材料界面花纹，以增加层间的界面结合面积，达到提高烧结体界面结合强度的目的；
2.本发明提高HA/Zr02层状生物复合陶瓷材料界面结合力的方法简单易行，易于实现工业化，制备成本低。
【附图说明】
[0010]图1是本发明实施例一所制备的纳米Zr02粉末的透射电镜图。
[0011]图2是本发明实施例一所制备的纳米HA粉末的透射电镜图。
[0012]图3是本发明实施例一HA/Zr02生物陶瓷圆片试样的压制模具的分解结构示意图。
[0013]图4是本发明实施例一采用的具有凸台状花纹的模芯示意图。
[0014]图5是本发明实施例二采用的具有波纹状花纹的模芯示意图。
[0015]图6是本发明实施例三采用的具有网格状花纹的模芯示意图。
[0016]图7是本发明实施例一?实施例三和对比例中制备生物陶瓷界面剪切试验结果对比。
[0017]图8是本发明实施例一?实施例三和对比例中制备生物陶瓷界面拉伸试验结果对比。
[0018]图9是本发明实施例四制备的具有凸台状花纹的ZrO2基体不意图。
[0019]图10是本发明实施例五制备的具有波纹状花纹的ZrO2基体示意图。
[0020]图11是本发明实施例八制备的具有网格状花纹的ZrO2基体不意图。
【具体实施方式】
[0021]本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中，参见图1?图4，一种提高HA/Zr02层状复合生物陶瓷材料界面结合力的方法，包括如下步骤:
(1)分别用沉淀法制备纳米ZrOjPHA粉末，将纳米粉末置于干燥箱中完全烘干待用，纳米ZrO2粉末和纳米HA粉末形貌见图1 ;
(2)加工如图2所示生物陶瓷圆片试样的压制模具，在模具的阳模表面的中心加工一个凸台，参见图3和图4，使模具的阳模表面形成凸台纹的花纹，利用线切割加工成型，并在抛光机上将其表面抛光，去除毛刺，所加工的凸台高度为0.5mm,直径为5_，凸台形状为圆柱体；
(3)将在步骤(I)中制备的纳米ZrO2粉末按根据所制作的复合生物陶瓷块体厚度确定所需质量，将纳米ZrO2粉末平铺于在步骤(2)中制备的压制模具的阴模中，参见图2，用压制模具的阳模在ZrO2基体表面压印花纹，然后根据所制作的复合生物陶瓷块体中所需的HA层的厚度平铺所需质量的HA粉末；
(4)然后用微机控制的万能试验机向模具施加设定的载荷，形成素坯，出模待用；
(5)将素坯置于高温炉中按ZrO2陶瓷的烧结工艺烧结成复合生物陶瓷块体；
(6)最后按照美国标准ASTMC-633测试在步骤(5)中制备的复合生物陶瓷块体的HA/ZrO2层状复合生物陶瓷材料界面的结合强度。
[0022]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于:
在本实施例中，参见图5，一种提高HA/ZrOjl状复合生物陶瓷材料界面结合力的方法，包括如下步骤:
(1)本步骤与实施例一相同；
(2)加工如图2所示生物陶瓷圆片试样的压制模具，在模具的阳模表面加工波浪花纹，参见图5，使在模具的阳模表面加工的波浪花纹的波长为1mm，振幅为0.5mm，利用线切割加工成型，并在抛光机上将其表面抛光，去除毛刺；
(3)本步骤与实施例一相同；
(4)本步骤与实施例一相同；
(5)本步