微纳孔道结构四方相BaTiO3/HA空心微球的制备方法

微纳孔道结构四方相batio3/ha空心微球的制备方法
技术领域
1.本发明涉及生物陶瓷材料领域，具体涉及一种微纳孔道结构四方 相batio3/ha空心微球的制备方法。


背景技术：

2.羟基磷灰石(ca
10
(po4)6(oh)2,ha)是人体骨骼组织的主要无机 组成成分，具有良好的生物相容性、生物活性和骨传导能力，广泛应 用于骨细胞的分化和矿化以及骨组织再生工程等生物材料领域，被誉 为人体硬组织最具潜力的替换材料之一。天然骨矿物中的ha主要以 纳米尺寸的形式存在，这些纳米ha有序排列构成骨组织的力学属 性，与常规ha相比，其具有更好的生物相容性和骨传导能力。
3.人体骨组织是一种特殊的“压电材料”，其显著的压电效应可以 促使其在应力下产生电信号，诱导骨质生长，四方相钛酸钡(batio3) 是一种强介电化合物材料，为典型的abo3钙钛矿结构，具有高介电 常数、低介电损耗以及良好的铁电性、压电性和绝缘性，可以作为压 电活性组分使用，从而刺激骨生长、增加骨形成、缩短骨组织的愈合 时间。
4.单纯的ha断裂韧性、抗弯强度等机械性能均不及人体骨骼，将 其作为骨替代材料的可靠性较差，并且制成多孔微球材料后其抗弯强 度与断裂韧性会进一步降低，无法满足人体承重部分骨代替的要求。


技术实现要素：

5.(一)解决的技术问题
6.针对现有技术的不足，本发明提供了微纳孔道结构四方相 batio3/ha空心微球的制备方法。单纯的ha断裂韧性、抗弯强度等 机械性能均不及人体骨骼，将其作为骨替代材料的可靠性较差，并且 制成多孔微球材料后其抗弯强度与断裂韧性会进一步降低，无法满足 人体承重部分骨代替的要求。
7.(二)技术方案
8.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：微纳孔道 结构四方相batio3/ha空心微球的制备方法，包括以下步骤：
9.步骤1，配制batio3前躯体溶液：以氯化钡(bacl2·
2h2o)和钛酸 丁酯(c16h
36
o4ti)为原料，以乙醇胺为反应螯合剂，在高浓度碱性条 件下反应得到batio3前躯体溶液；
10.步骤2，配制ha溶液：将商用的羟基磷灰石ha纳米粉分散在 无水乙醇中得到ha溶液；
11.步骤3，配制pva粘结剂：称取适量聚乙烯醇pva于烧杯中并 加入适量去离子水，水浴加热下搅拌，直到溶液透明均匀且无气泡；
12.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，搅拌均匀，得到batio3/ha前驱体溶液；
13.步骤5，制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的 batio3/ha前驱体溶液移
入茄形瓶中，发生旋转蒸发反应，离心洗涤 后进行液氮湿法冷冻成型，最后经过冷冻干燥，得到多孔batio3/ha 前驱体微球；
14.步骤6，将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方 相batio3/ha微球。
15.进一步，所述步骤1中bacl2·
2h2o的重量为1.8
‑
10.5g， c
16
h
36
o4ti的重量为3.5
‑
21g，乙醇胺的重量为0.6
‑
3.6g，高浓度碱 性条件选择naoh水溶液，naoh的重量为2.5
‑
25g。
16.进一步，所述步骤2中商用ha纳米粉的重量为10g，无水乙醇 的体积为50ml。
17.进一步，所述步骤3中聚乙烯醇pva和去离子水的重量比是1: 100，水浴加热的温度是70℃。
18.进一步，所述步骤4中搅拌过程使用磁力搅拌机进行，搅拌时间 为30
‑
80min。
19.进一步，所述步骤5中旋转蒸发的条件为：先在142mbar、55℃ 下旋蒸60
‑
100min，再在72mbar、60℃下旋蒸100
‑
150min；离心 洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；冷冻干燥条件 为：
‑
40℃干燥24
‑
36h。
20.进一步，所述步骤6中高温煅烧的温度为650℃，高温煅烧的时 间为120min。
21.(三)有益效果
22.本发明提供了微纳孔道结构四方相batio3/ha空心微球的制备 方法。具备以下有益效果：
23.将具备压电活性的纳米batio3陶瓷材料与具备生物活性的纳米 ha复合，可以综合二者性能上的优点，从而获得力学性能、成骨能 力、生物活性、生物相容性更优异，降解速率更理想，并且更适用于 实际医学领域的复合材料。
24.多孔微球体具有较好的表面体积比、生物相容性、生物降解性、 成骨诱导性以及递载功能，是一种极具前景的新型骨组织工程支架。 在骨再生过程中，微球体可为种子细胞的黏附、增殖与分化提供微环 境，维系一定的立体构型，从而引导血管等组织细胞的迁移生长，并 可作为干细胞、生长因子、药物等的载体，更好地调控新骨形成。
25.该方法首先在液相状态下将batio3和ha完成原子尺度的混合 并以液态前驱体形式固定下来，再将旋蒸后的前躯体粉末进行液氮湿 法冷冻成型，冷冻干燥后通过高温煅烧过程成功制备出具有特定微纳 孔道结构的四方相batio3/ha微球。本发明合成过程中主要以常见 的无机盐和简单的试剂为主，成本低，简单易行且重复性很好，合成 的微纳孔道结构四方相batio3/ha微球性能高，稳定性好，适合大 规模生产，能够推进生物陶瓷材料商业化进程。
附图说明
26.图1为本发明提供的一种微纳孔道结构四方相batio3/ha微球 的制备工艺流程图；
27.图2为本发明制备得到的微纳孔道结构四方相batio3/ha微球 的x射线衍射图谱；
28.图3为本发明实施例6制备得到的微纳孔道结构四方相 batio3/ha微球的扫描电镜图；
29.图4为本发明实施例6制备得到的微纳孔道结构四方相 batio3/ha微球的透射电镜图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
31.请参阅图1
‑
4，本发明提供技术方案：微纳孔道结构四方相 batio3/ha空心微球的制备方法，如图1工艺流程图所示，具体操作 步骤如下：
32.步骤1，配制batio3前躯体溶液：以bacl2·
2h2o和c
16
h
36
o4ti 为原料，以乙醇胺为反应螯合剂，在高浓度碱性条件下反应得到 batio3前躯体溶液；所述bacl2·
2h2o的重量为1.8
‑
10.5g，c
16
h
36
o4ti 的重量为3.5
‑
21g，乙醇胺的重量为0.6
‑
3.6g，高浓度碱性条件选择 naoh水溶液，naoh的重量为2.5
‑
25g；
33.步骤2，配制ha溶液：将商用ha纳米粉分散在无水乙醇中得 到ha溶液；所述商用ha纳米粉的重量为10g，无水乙醇的体积为 50ml；
34.步骤3，配制pva粘结剂：称取适量pva于烧杯中并加入适量 去离子水，水浴加热下搅拌，直到溶液透明均匀且无气泡；所述pva 和去离子水的重量比是1:100，水浴加热的温度是70℃；
35.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，搅拌均匀，得到batio3/ha前驱体溶液；所述搅拌过程使用磁 力搅拌机进行，搅拌时间为30
‑
80min；
36.步骤5，制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的 batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，在一定参数下发生旋转蒸发反 应，离心洗涤后进行液氮湿法冷冻成型，最后经过冷冻干燥，得到多 孔batio3/ha前驱体微球；所述旋转蒸发的条件为：先在142mbar、55℃下旋蒸60
‑
100min，再在72mbar、60℃下旋蒸100
‑
150min； 所述离心洗涤时先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；所述 冷冻干燥条件为：
‑
40℃干燥24h；
37.步骤6，将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方 相batio3/ha微球；所述高温煅烧的温度为650℃，高温煅烧时间 为120min。
38.实施例1：
39.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取1.8g bacl2·
2h2o加10 ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取0.6g乙醇胺加入其中，搅拌均 匀得到钡盐溶液；然后称取3.5g c
16
h
36
o4ti溶于5ml无水乙醇中， 搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取2.5gnaoh，逐次缓慢溶于10ml 去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液混合搅 拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
40.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
41.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
42.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌30min至溶液均匀，得到
batio3/ha前驱 体溶液；
43.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 60min，再在72mbar、60℃下旋蒸100min；再进行离心洗涤：先 用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法冷冻 成型，最后在
‑
40℃冷冻干燥24h，得到多孔batio3/ha前驱体微球；
44.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为120 min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微球。
45.实施例2：
46.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取7.5g bacl2·
2h2o加30 ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取1.8g乙醇胺加入其中，搅拌均 匀得到钡盐溶液；然后称取10.5g c
16
h
36
o4ti溶于15ml无水乙醇中， 搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取7.5gnaoh，逐次缓慢溶于30ml 去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液混合搅 拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
47.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
48.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
49.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌50min至溶液均匀，得到batio3/ha前驱 体溶液；
50.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 80min，再在72mbar、60℃下旋蒸120min；再进行离心洗涤：先 用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法冷冻 成型，最后在
‑
40℃冷冻干燥30h，得到多孔batio3/ha前驱体微球；
51.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为120 min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微球。
52.实施例3：
53.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取10.5g bacl2·
2h2o加 60ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取3.6g乙醇胺加入其中，搅 拌均匀得到钡盐溶液；然后称取21g c
16
h
36
o4ti溶于30ml无水乙 醇中，搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取15g naoh，逐次缓慢溶于 60ml去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液 混合搅拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
54.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
55.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
56.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到
的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌80min至溶液均匀，得到batio3/ha前驱 体溶液；
57.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 100min，再在72mbar、60℃下旋蒸150min；再进行离心洗涤：先 用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法冷冻 成型，最后在
‑
40℃冷冻干燥36h，得到多孔batio3/ha前驱体微球；
58.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为120 min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微球。
59.实施例4：
60.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取1.8g bacl2·
2h2o加10 ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取0.6g乙醇胺加入其中，搅拌均 匀得到钡盐溶液；然后称取3.5g c
16
h
36
o4ti溶于5ml无水乙醇中， 搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取4.2gnaoh，逐次缓慢溶于15ml 去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液混合搅 拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
61.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
62.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
63.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌30min至溶液均匀，得到batio3/ha前驱 体溶液；
64.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 60min，再在72mbar、60℃下旋蒸100min；再进行离心洗涤：先 用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法冷冻 成型，最后在
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40℃冷冻干燥24h，得到多孔batio3/ha前驱体微球；
65.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为120 min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微球。
66.实施例5：
67.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取7.5g bacl2·
2h2o加30 ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取1.8g乙醇胺加入其中，搅拌均 匀得到钡盐溶液；然后称取10.5g c
16
h
36
o4ti溶于15ml无水乙醇中， 搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取12.5g naoh，逐次缓慢溶于45ml 去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液混合搅 拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
68.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
69.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
70.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌50min至溶液均匀，得到batio3/ha前驱 体溶液；
71.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 80min，再在72mbar、60℃下旋蒸120min；再进行离心洗涤：先 用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法冷冻 成型，最后在
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40℃冷冻干燥30h，得到多孔batio3/ha前驱体微球；
72.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗炉 中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为120 min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微球。
73.实施例6：
74.步骤1，配制batio3前躯体溶液：先称取10.5g bacl2·
2h2o加 60ml去离子水搅拌至完全溶解，另称取3.6g乙醇胺加入其中，搅 拌均匀得到钡盐溶液；然后称取21g c
16
h
36
o4ti溶于30ml无水乙 醇中，搅拌均匀得到钛盐溶液；最后称取25g naoh，逐次缓慢溶于 90ml去离子水中得到强碱溶液；将钡盐溶液、钛盐溶液和强碱溶液 混合搅拌均匀，得到白色浊液，即为batio3前躯体溶液；
75.步骤2，配制ha溶液：称取10g商用ha纳米粉溶于50ml无 水乙醇中，搅拌均匀得到ha溶液；
76.步骤3，配制pva粘结剂：按照pva和去离子水的重量比是1:100 的比例，称取1g pva于烧杯中并加入100ml去离子水，70℃水浴 加热下搅拌，直到溶液透明均匀无气泡；
77.步骤4，配制batio3/ha前躯体溶液：将步骤1得到的batio3前躯体溶液与步骤2得到的ha溶液、步骤3得到的pva粘结剂混 合，使用磁力搅拌机搅拌80min至溶液均匀，得到batio3/ha前驱 体溶液；
78.步骤5：制备多孔batio3/ha前驱体微球：将步骤4得到的batio3/ha前驱体溶液移入茄形瓶中，先在142mbar、55℃下旋蒸 100min，再在72mbar、60℃下旋蒸150min；再进行离心洗涤： 先用超纯水洗涤3次，再用无水乙醇洗涤3次；然后进行液氮湿法 冷冻成型，最后在
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40℃冷冻干燥36h，得到多孔batio3/ha前驱 体微球；
79.步骤6：将步骤5得到的多孔batio3/ha前驱体微球置于马弗 炉中，在空气下进行高温煅烧，高温煅烧的温度为650℃，时间为 120min，即可得到具有特定微纳孔道结构的四方相batio3/ha微 球。
80.对本发明实施例1
‑
6所制备的微纳孔道结构的四方相 batio3/ha微球进行x射线衍射分析(xrd)(如图2所示)，图 2(a)为实施例1
‑
6所制备的复合材料的xrd图，从图中可以看出实 施例1
‑
6所制备的复合材料的衍射峰均对应于batio3和ha标准卡 片的特征峰，基本无杂质相。图2(b)为实施例6所制备的复合材料 的xrd图，从图中可以看出复合材料在2θ～45
°
左右出现了四方相 batio3的标准衍射峰，对应于(002)/(200)，并且制备的复合材料结 晶度较好，基本无杂质相，因此可得出通过本发明的方法可以成功 制备出四方相batio3/ha复合材料的结论。
81.利用扫描电镜(sem)对本发明实施例6所制备的微纳孔道结 构的四方相batio3/ha微球的形貌进行分析(如图3所示)，可以 看出复合材料是单分散的并且形貌几乎一致，
微球的直径约200nm。 放大的扫描电镜图像(图3(c)、图3(d))进一步揭示了微球表面存 在若干微纳孔道，证明通过本发明的方法可以成功制备具有特定微 纳孔道结构的四方相batio3/ha微球的结论。
82.图4为本发明实施例6制备得到的微纳孔道结构四方相 batio3/ha微球的透射电镜图，从图中揭示了复合材料微球的中空 结构，并且进一步证明了所制备的复合材料微球表面有若干个微纳 孔道存在，证明通过本发明的方法可以成功制备具有特定微纳孔道 结构的四方相batio3/ha微球的结论。
83.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅 仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定 要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺 序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设 备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是 还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多 限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包 括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
84.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术 人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这 些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权 利要求及其等同物限定。