专利名称：一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料的制作方法
技术领域：
一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，属于医用层状复合材料领域。
背景技术：
骨组织损伤是临床上常见的多发病，由于外伤、炎症、骨肿瘤摘除等各种病变造成的骨缺损是临床上经常遇到的问题，其中有些病变导致骨的大面积缺损，超过了骨自身修复能力的极限，或者由于病变引起骨组织功能的丧失等。此时需要通过手术，借助于生物材料来修复、替换缺损或病变的组织。
骨移植方式主要有自体骨移植和异体骨移植。自体骨移植无免疫排斥反应，移植骨中的细胞和生物活性分子能在受体部位继续存活，并发挥相应功能，促进骨缺损的愈合，这是其他材料所无法比拟的，但这种方法取骨量有限，其尺寸和形状常常受到限制，且供骨区容易发病，增加病人痛苦。异体骨能提供大量不同形状、尺寸的皮质骨或松质骨，但它容易引起免疫排斥反应，在骨缺损边缘与宿主骨的连接速度很慢，并有传播病毒性疾病的危险，而且制样、处理和存贮的成本高，因此应用受到很大限制。为了克服这些局限，人们开始研究骨修复材料。目前，临床使用的人工骨修复材料各有利弊，尚不能达到修复骨缺损理想材料的要求，如缺少均匀的孔结构、其降解速度与骨组织生长替代速度不协调及力学强度性能不匹配等。为了提高材料力学性能及新骨形成速度，常引入生长因子或有机高分子来改善其性能。因此，以羟基磷灰石为基础构建与天然骨类似的复合骨替代材料已成为当前研究的执占。与羟基磷灰石复合的增强体可分为陶瓷材料和金属材料，如A1203、ZrO2, TiO2和生物玻璃等，与羟基磷灰石复合的有机高分子有硅橡胶、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、胶原、聚己内酯和壳聚糖等。近几年来，人们开展了用金属颗粒、金属化合物、纳米颗粒、晶须、长纤维及氧化锆增强羟基磷灰石生物陶瓷复合材料的研究工作。结果表明，颗粒与纤维的加入可以提高材料的硬度和强度，但是第二相的引入往往会导致材料的生物相容性降低，甚至加速羟基磷灰石分解。镁是人类身体中一种重要的微量元素，与生物组织的矿化作用有密切的联系，并间接地影响矿物代谢。同时，人的骨骼含有O. 72wt. %的镁，镁在骨生长和骨修复中也扮演重要角色。有研究表明镁取代羟基磷灰石中的钙所得的镁取代磷灰石材料有优良的生物相容性和骨传导性。2006年，H. Liang等利用以MEVVA为镁离子源利用离子注入机将镁离子注入15% A1A/3YSZ制备复相陶瓷，研究表明，镁离子的注入提高了氧化锆陶瓷的生物活性，而且生物活性提高的程度与镁离子注入的量相关。磷酸镁作为一种含有镁离子的磷酸盐，在温度高于1300°C时可出现分解，因此如果将其添加到氧化锆陶瓷中，经高温烧结后，复相陶瓷中会出现磷酸镁分解的气孔，这种含有镁离子的气孔有诱导骨形成的作用和能力，能使界面的软硬组织都长入孔内，形成纤维组织和新生骨组织交叉结合的状态，并保持正常的代谢关系。
综上所述，羟基磷灰石具有很好的生物相容性，镁离子有诱导成骨的效果，氧化锆陶瓷材料具有良好的力学性能，将三种原料复合制备出一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，可用于骨缺陷修复。
发明内容
本发明提出了在氧化钇稳定的氧化锆陶瓷表层，通过物理涂覆的方式依次包覆氧化锆、羟基磷灰石二组分浆料层和氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁三组分浆料层，制备具有较高力学性能、良好生物相容性和诱导骨生长能力的氧化锆基复合材料。通过调整内层氧化锆的加入量，增加材料的抗弯强度和断裂韧性，调整外层羟基磷灰石、磷酸镁的加入量，提高材料的骨生长诱导能力。一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于该复合材料可用于人体骨残缺修复，总厚度为3mm-4. 5mm，共分为三层，内层为氧化锆陶瓷层；中层为氧化锆、羟基磷灰石复合层；外层为氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁复合层。其中，内层氧化锆陶瓷层 厚度为I. 5mm-2. 5mm，为主要受力层，可承载人体上肢躯体的压力及运动中骨头所承受的冲击力；中层氧化锆、羟基磷灰石复合层的厚度为O. 4mm-0. 5mm，为粘结层，其中含有的与内、外两层相同的成分，可在烧结过程中相互紧密结合，提高复合材料层间的结合力；外层氧化错、轻基磷灰石、磷酸镁复合层厚度为O. 4mm-0. 5mm,为骨诱导层,其中含有的磷酸镁在高于1300°C时出现熔融分解，在复合材料外层形成气孔，能诱导界面的软硬组织长入孔内，形成纤维组织和新生骨组织交叉结合的状态。上述一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，内层氧化锆陶瓷层是以2-8mol%氧化钇稳定的氧化锆粉体为原料，然后球磨3h-48h，球磨后经干燥处理得到粉体，采用干压或者注浆成型法得到坯体，再经过100MPa-300MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1500°C -1700°C保温1-80小时进行烧结，自然冷却到室温得到内层氧化锆陶瓷层。中层氧化锆、羟基磷灰石复合层主要以2-8mol%氧化钇稳定的氧化锆粉体、羟基磷灰石粉体、高分子粘结剂为原料，按照55wt. % -85wt. %氧化错粉体、IOwt. % -40wt. %轻基磷灰石粉体、lwt. % -5wt. %高分子粘结剂进行配料,然后球磨3h-48h得到涂层楽;料,将此楽;料均勻地涂覆于内层氧化锆陶瓷表面，然后在1000°C -1600°C保温1-80小时，自然冷却到室温，得到一次处理复合陶瓷材料。外层氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁复合层是以40wt. %-60wt. %氧化错、20wt. % -30wt. %轻基憐灰石、20wt. % -30wt. %憐酸续、lwt. % -5wt. %高分子粘结剂进行配料，然后球磨3h-48h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于上述一次处理复合陶瓷表面，然后在1000°C -1600°C保温1-80小时，自然冷却到室温，得到最终的氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。上述一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料中，所述的磷酸镁粉体是以磷酸和轻质碳酸镁为原料(均为化学分析纯)，按照化学计量比进行配料，将两者加水至完全混合后干燥，在1100°c -1350°c保温30min-180min合成得到。上述一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料中，所述的高分子粘结剂为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或一种以上。采用本发明制备得到的氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料生物相容性良好，诱导成骨效果显著，而且力学性能抗弯强度最高达到480MPa，断裂韧性最高可达6. IMPa · m1/2，可用于骨缺损修复，临床应用前景广阔。
图I所示为一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料截面图。
具体实施例方式实施例I :用分析纯的H3PO4、4MgC03 · Mg (OH) 2 · χΗ20作为实验原料，按Mg3 (PO4) 2化学计量比设计配料，将两者加水至完全混合后干燥，在1100°c保温45min合成后，将合成后的粉体破碎磨细，得到磷酸镁粉体。将制备得到的Mg3 (PO4) 2 粉体、3mol % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、CalO (PO4) 6 (OH) 2 粉体、聚乙烯为原料，按照以下方法制备一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。 将3mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体球磨12h，经干燥处理得到粉体，采用干压或注浆成型法得到坯体，再经过IOOMPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1550°C保温3h进行烧结，自然冷却到室温，得到内层氧化锆陶瓷层，其厚度为2. 5mm。将35wt. % Caltl (PO4) 6 (OH) 2 粉体、60wt. %, 3mol % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、5wt. %聚乙烯球磨12h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于内层氧化锆陶瓷表面，然后在1400°C保温3h，自然冷却到室温，得到一次处理复合陶瓷材料。其中，中层羟基磷灰石、氧化锆层的厚度为O. 4mm。将20wt. % Mg3(PO4)2 粉体、15wt. % Ca10(PO4)6(OH)2 粉体、6Owt. %,3mol% Y2O3 稳定的ZrO2粉体、5wt. %聚乙烯球磨12h得到涂层衆料,将此衆料均勻地涂覆于上述一次处理复合陶瓷表面，然后在1300°C保温3h，自然冷却到室温，得到氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。其中，外层磷酸镁、羟基磷灰石和氧化锆层的厚度为O. 4mm，复合陶瓷材料总厚度为4. 1mm。所制的氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料的主要性能指标为抗弯强度436MPa，断裂韧性最高可达5. 6MPa · m1/2，满足骨缺陷修复材料要求。实施例2 用分析纯的H3PO4、4MgC03 · Mg (OH) 2 · χΗ20作为实验原料，按Mg3 (PO4) 2化学计量比设计配料，将两者加水至完全混合后干燥，在120(TC保温90min合成后，将合成后的粉体破碎磨细，得到磷酸镁粉体。将制备得到的Mg3 (PO4) 2 粉体、3mol % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、Ca IO (PO4) 6 (OH) 2 粉体、聚丙烯为原料，按照以下方法制备一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。将3mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体球磨24h，经干燥处理得到粉体，采用干压或注浆成型法得到坯体，再经过200MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1550°C保温3h进行烧结，自然冷却到室温，得到内层氧化锆陶瓷层，其厚度为2. 0mm。将30wt. % Caltl(PO4)6(OH)2 粉体、67wt. %, 3mol % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、3wt. %聚丙烯球磨24h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于内层氧化锆陶瓷表面，然后在1500°C保温3h，自然冷却到室温，得到一次处理复合陶瓷材料。其中，中层羟基磷灰石、氧化锆层的厚度为O. 42mm。
将25wt. % Mg3(PO4)2 粉体、22wt. % Ca10(PO4)6(OH)2 粉体、50wt. %,3mol% Y2O3 稳定的ZrO2粉体、3wt. %聚乙烯球磨24h得到涂层衆料,将此衆料均勻地涂覆于上述一次处理复合陶瓷表面，然后在1400°C保温3h，自然冷却到室温，得到氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。其中，外层磷酸镁、羟基磷灰石和氧化锆层的厚度为O. 45_，复合陶瓷材料总厚度为3. 74mm。所制的氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料的主要性能指标为抗弯强度480MPa，断裂韧性最高可达6. IMPa · m1/2，满足骨缺陷修复材料要求。实施例3 用分析纯的H3PO4、4MgC03 · Mg(OH)2 · χΗ20作为实验原料，按Mg3 (PO4) 2化学计量比设计配料，将两者加水至完全混合后干燥，在130(TC保温60min合成后，将合成后的粉体破碎磨细，得到磷酸镁粉体。
将制备得到的Mg3(PO4)2 粉体、3moI % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、Caltl (PO4) 6 (OH) 2 粉体、聚苯乙烯为原料，按照以下方法制备一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。将3mol % Y2O3稳定的ZrO2粉体球磨48h，经干燥处理得到粉体，采用干压或注浆成型法得到坯体，再经过300MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1600°C保温3h进行烧结，自然冷却到室温，得到内层氧化锆陶瓷层，其厚度为2. 2mm。将40wt. % Ca10 (PO4) 6 (OH) 2 粉体、56wt. %, 3mol % Y2O3 稳定的 ZrO2 粉体、4wt. %聚苯乙烯球磨48h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于内层氧化锆陶瓷表面，然后在1500°C保温3h，自然冷却到室温，得到一次处理复合陶瓷材料。其中，中层羟基磷灰石、氧化锆层的厚度为O. 43mm。将30wt. % Mg3(PO4)2 粉体、25wt. % Ca10(PO4)6(OH)2 粉体、4lwt. %,3mol% Y2O3 稳定的ZrO2粉体、4wt. %聚乙烯球磨48h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于上述一次处理复合陶瓷表面，然后在1500°C保温3h，自然冷却到室温，得到一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。其中，外层磷酸镁、羟基磷灰石和氧化锆层的厚度为O. 42_，复合陶瓷材料总厚度为3. 90mm。所制的氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料的主要性能指标为抗弯强度465MPa，断裂韧性最高可达5. 8MPa · m1/2，满足骨缺陷修复材料要求。
权利要求
1.一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于该复合材料用于人体骨残缺修复，总厚度为3mm-4. 5mm，共分为三层，内层为氧化锆陶瓷层；中层为氧化锆、羟基磷灰石复合层；外层为氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁复合层。
2.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于内层氧化锆陶瓷层厚度为I. 5mm-2. 5mm，为主要受力层，可承载人体上肢躯体的压力及运动中腿骨所承受的冲击力。
3.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于中层氧化锆、羟基磷灰石复合层的厚度为O. 4mm-0. 5mm，为粘结层，其中含有的与内、外两层相同的成分，可在烧结过程中相互紧密结合，提高复合材料层间的结合力。
4.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于外层氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁复合层厚度为O. 4mm-0. 5mm，为骨诱导层，其中含有的磷酸镁在高于1300°C时出现熔融分解，在复合材料外层形成气孔，能诱导界面的软硬组织长入孔内，形成纤维组织和新生骨组织交叉结合的状态。
5.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于内层氧化锆陶瓷层的制备方法是以2-8mol%氧化钇稳定的氧化锆粉体为原料，然后球磨3h-48h，球磨后经干燥处理得到粉体，采用干压或者注浆成型法得到坯体，再经过100MPa-300MPa冷等静压处理得到生坯，生坯在1500°C -1700°C保温1_80小时进行烧结，自然冷却到室温，得到内层氧化锆陶瓷层。中层氧化锆、羟基磷灰石复合层的制备方法是以2-8mol%氧化钇稳定的氧化锆粉体、羟基磷灰石粉体、高分子粘结剂为原料，按照55wt. % -85wt. %氧化错粉体、IOwt. % -40wt. %轻基憐灰石粉体、lwt. % -5wt. %高分子粘结剂进行配料，然后球磨3h-48h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于内层氧化锆陶瓷表面，然后在1000°C -1600°C保温1-80小时，自然冷却到室温，得到一次处理复合陶瓷材料。外层氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁复合层的制备方法是以40wt. % -60wt. %氧化锆、20wt. % -30wt. %轻基憐灰石、20wt. % -30wt. %憐酸续、lwt. % -5wt. %高分子粘结剂进行配料，然后球磨3h-48h得到涂层浆料，将此浆料均匀地涂覆于上述一次处理复合陶瓷表面，然后在1000°C -1600°C保温1-80小时，自然冷却到室温，得到氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料。
6.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于所述的磷酸镁粉体是以磷酸和轻质碳酸镁(纯度> 99% )为原料，按照化学计量比进行配料、混料，然后在1100°C -1350°C保温30min-180min制备得到的。
7.根据权利要求书I所述的一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，其特征在于所述的高分子粘结剂为聚乙烯醇、聚丙烯、聚苯乙烯中的一种或两种以上。
全文摘要
一种氧化锆、羟基磷灰石及磷酸镁层状复合材料，属于医用层状复合材料领域。该材料的制备方法是在氧化钇稳定的氧化锆陶瓷表层外，通过物理涂覆的方法依次包覆氧化锆、羟基磷灰石二组分浆料层和氧化锆、羟基磷灰石、磷酸镁三组分浆料层，通过调整内层氧化锆的加入量，增加材料的抗弯强度和断裂韧性，调整外层羟基磷灰石、磷酸镁的加入量，提高材料的骨生长诱导能力。制备得到的多层复合陶瓷材料抗弯强度和断裂韧性优于现有骨修复材料，且具有较好的生物相容性和诱导成骨能力，可用于腿骨、股关节等部分的骨缺陷修复。
文档编号C04B35/447GK102824656SQ20121032159
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者刘书跃, 房明浩, 闵鑫, 黄朝晖, 刘艳改, 唐浩, 文瑞龙, 唐潮 申请人:中国地质大学(北京)