專利名稱：用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料技術領域，涉及一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備，是一種用于承重部位骨連接和修復(如骨板、骨釘)的高強度羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法。
背景技術：
骨創(chuàng)傷是外科臨床的常見疾病，在我國，由各種原因引起的骨損傷、脊柱融合、骨囊腫等患者每天高達一千萬余例，據有關資料顯示，我國每年大約有350萬人因交通事故出現不同程度的骨缺損，而隨著我國經濟的高速增長，人們生活質量大幅提高，對健康的要求和關注程度也越來越高；人口老齡化加快；交通工具，例如汽車的大量增加，導致交通事故不斷增加等，我國骨移植手術還會不斷增加。從臨床上來看，大量的金屬類器械已廣泛應用到骨科內固定手術中，金屬類連接固定材料盡管能夠保證足夠的機械強度和穩(wěn)定性，但由于金屬類材料強度遠高于人體骨的強度，一旦植入人體，產生應力遮擋效應，會導致植入部位發(fā)生骨質疏松、骨萎縮、植入部位塌陷等并發(fā)癥以及離子溶出，可能需要二次手術，給病人造成身心痛苦。而人工骨生物材料將是未來骨科器械的發(fā)展方向。目前臨床可供使用的可吸收骨折內固定材料主要是聚乳酸類材料，如聚己內酯、左旋聚乳酸共聚物等，該類材料就初始強度而言，基本滿足臨床要求，但其降解過快，易引發(fā)無菌性炎癥等。羥基磷灰石與骨組織的主要無機成分相似，高達50%的骨骼都是由均勻成分的無機羥基磷灰石構成，因此具有很好的生物相容性和骨誘導性，植入人體后能與骨組織形成良好的骨性結合。但是，傳統(tǒng)的羥基磷灰石陶瓷的機械強度較差，抗彎強度遠低于人體致密骨，斷裂韌性低，因此應用只限于非承重部位。氧化鋯增韌羥基磷灰石復合材料的抗折強度比純羥基磷灰石陶瓷高，具有一定的生物相容性，但仍然不能超過人體致密骨，不能用于制備人體承重骨。申請?zhí)枮?00710113907. 9的中國專利申請公開了一種“羥基磷灰石/透輝石復合生物陶瓷材料及其制備工藝”，采用球磨混合羥基磷灰石和透輝石來制備混合粉體， 然后在氮氣氣氛下熱壓燒結制得抗彎強度為90MPa，斷裂韌性為1. 07MPa. m1/2的致密陶瓷， 但是由于羥基磷灰石和透輝石二者的球磨均勻性差，使燒結所需溫度高，制備工藝復雜，成本高。

發(fā)明內容
為了解決上述現有技術中存在的不足之處，本發(fā)明的首要目的在于提供一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法。本發(fā)明的又一目的在于提供一種由上述方法制備的用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷。本發(fā)明通過以下技術方案實現一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，該方法包括以下步驟
(1)制備粉體制備晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體，具體包括以下步驟分別配制Ca/P的摩爾濃度比為1. 67的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，用氨水分別調節(jié)溶液PH至10. 5 11. 8 ；取相同體積的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，前者置于帶攪拌裝置的反應瓶中，后者置于容器中；開啟攪拌，用蠕動泵將(NH4)2HPO4溶液按30 150ml/ min的流量輸送入開啟的超聲噴霧器中制成霧狀后通入Ca(NO3)2溶液中進行反應，同時向反應瓶中滴加氨水，使反應液PH維持在10. 5 11. 8 ； (NH4)2HPO4溶液加完后反應結束，將反應液靜置后移除上層清液，清洗下層沉淀，離心分離后將沉淀冷凍干燥；將冷凍干燥后的粉體進行低溫球磨，球料質量比為20 1 40 1，罐內溫度為-190 -116°C，主軸轉速為100 200r/min，球磨5 60min ；將球磨后的粉體煅燒，得到晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體；(2)制備素坯在50 IOOMPa下將步驟(1)制備的納米羥基磷灰石粉體壓制成素坯；(3)燒結將素坯燒結，燒結壓力為120 150MPa，溫度為800°C 1000°C，恒溫恒壓燒結10 60min。為了更好地實現本發(fā)明，所述步驟(1)中的溶液使用去離子水配制；所述攪拌速率為500 lOOOr/min ；所述氨水的質量濃度為15% 25% ；所述靜置的時間為8 30h ； 所述冷凍干燥的條件為干燥時間8 16h，干燥溫度-62 -55°C ；所述低溫球磨使用的磨罐和磨球材料為氧化鋯；球磨是在液氮和無水乙醇環(huán)境下進行，即在球磨罐中加入無水乙醇，并通過倒入液氮來控制溫度；所述煅燒的時間為1 池，溫度為550 700°C。所述步驟(3)中的燒結是采用熱壓燒結或熱等靜壓燒結。所述步驟(3)中燒結是在氮氣或空氣氣氛下進行。一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷就是通過上述制備方法制備的。 該生物陶瓷呈致密透明狀，抗彎強度為120 150MPa，斷裂韌性為1. 07 1. 67MPa · m1/2, 晶粒尺寸在IOOnm以下。本發(fā)明的原理是傳統(tǒng)的濕法制備的納米羥基磷灰石易團聚，添加高分子分散劑可以改善粉體的分散性和均勻性，但容易留有殘余導致HAP粉體純度不夠；常溫球磨(干磨和濕磨)過程中，磨球、罐壁和粉體之間強烈的相互作用會伴隨大量熱量的放出，并且局部溫度可能升得很高，這將提高材料原子擴散和位錯活動的動力，發(fā)生動態(tài)回復，從而不利于晶粒細化。本發(fā)明采用的工藝中未添加任何分散劑和有機礦化劑，可得到安全無毒、純度高的羥基磷灰石粉體；采用的低溫球磨技術，由于溫度很低，球磨過程中放出的熱量得到有效的吸收，原子擴散和位錯活動的能力得到抑制，使得晶粒易于細化；本發(fā)明采用的超聲噴霧和低溫球磨技術顯著促進了粉體粒度的均勻化和納米化。同時，采用獨特的熱壓燒結技術能夠控制晶粒生長并且快速致密，保持了原有納米羥基磷灰石粉體的熱學、物化特性以及生物活性，制備的羥基磷灰石生物陶瓷具有小于IOOnm微晶粒(以保持生物活性)、高致密 (擁有較強的機械強度)的特性。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果1、本發(fā)明制備的納米羥基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性，增強了機械強度，尤其是抗彎強度和斷裂韌性，抗彎強度為120 150MPa，斷裂韌性為1. 07 1. 67MPa · m1/2，克服了傳統(tǒng)工藝制備的多孔羥基磷灰石生物陶瓷機械強度差，脆性大的不足，而人體正常骨的抗彎強度是50 80MPa，斷裂韌性為1 2MPa · m1/2,因此本發(fā)明的生物陶瓷可作為承重部位的骨連接及骨修復材料；2、本發(fā)明采用了熱(等靜)壓燒結工藝，降低燒結溫度，使制備的納米羥基磷灰石生物陶瓷保持原有納米羥基磷灰石粉體的熱學、物化特性以及生物活性；3、本發(fā)明的制備工藝簡單，可批量生產，產品可以加工成骨連接修復材料，如骨板、骨釘等，避免了采用金屬等傳統(tǒng)金屬類連接固定材料時的應力遮擋效應和金屬碎屑問題，無需二次手術取出；4、本發(fā)明的產品具有很好的生物相容性和骨誘導性，植入人體后能與骨組織形成良好的骨性結合，且降解速度適宜，避免了使用聚乳酸類材料會引發(fā)無菌性炎癥的問題。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例1(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比例，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4 溶液，用質量含量為20%的氨水分別調節(jié)溶液的pH為11.5 ；量取一定體積的Ca(NO3)2溶液置于反應罐中，量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動泵將(NH4)2朋04溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中， 蠕動泵的輸液流量為70ml/min，攪拌速率為550r/min，同時滴加氨水以保持溶液的pH為 11. 5，反應結束后靜置Mh，抽取上層清液，對下層沉淀物進行清洗，離心分離后在-58°C 冷凍干燥12h ；對冷凍干燥后的粉體進行低溫球磨，將粉體置于球磨機中，液氮環(huán)境下球磨 5min，主軸轉速為150r/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質量比為20 1，罐內溫度為-190°C ；將低溫球磨后的粉體于550°C下煅燒2. 5h，即得白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為50nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在SOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮氣氣氛下熱壓燒結，燒結壓力為120MPa，燒結溫度950°C，恒溫恒壓燒結20min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈透明玻璃般透明，密度為3. 102g/cm3,晶粒尺寸小于80nm，抗彎強度130MPa，斷裂韌性為1. 45MPa · mV2。實施例2(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4溶液，用質量含量為25%的氨水分別調節(jié)溶液的pH為11.7 ；量取一定體積的Ca(NO3)2溶液置于反應罐中，然后量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動泵將(NH4)2HPO4 溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中，蠕動泵的輸液流量為30ml/min，攪拌速率為700r/min，滴加氨水保持溶液的pH為 11. 7，反應結束后靜置30h，抽取上層清液，對下層沉淀物進行清洗，離心分離后在-58°C 冷凍干燥16h ；對冷凍干燥后的粉體進行低溫球磨，將粉體置于球磨機中，液氮環(huán)境下球磨 30min，主軸轉速為200r/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質量比為30 1，罐內溫度為-190°C ；將低溫球磨后的粉體于600°C下煅燒2h，即得白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為IOnm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在IOOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮氣氣氛下熱等靜壓燒結，燒結壓力為150MPa，燒結溫度900°C，恒溫恒壓燒結60min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度為3. 145g/cm3,晶粒尺寸小于30nm，抗彎強度150MPa，斷裂韌性為1. 67MPa · mV2。實施例3(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟如下按照Ca/P = 1. 67的摩爾濃度比，用去離子水分別配置0. 167mol/L的Ca(NO3)2溶液和0. lmol/L的(NH4)2HPO4溶液，用質量含量為20%的氨水分別調節(jié)溶液的pH為10. 5 ；量取一定體積的Ca (NO3)2溶液置于反應罐中，然后量取相同體積的(NH4)2HPO4溶液置于磨口瓶中，用蠕動泵將(NH4)2朋04溶液抽入超聲噴霧器中，開啟超聲波發(fā)生器，將(NH4)2HPO4以霧狀形式噴入Ca(NO3)2溶液中， 蠕動泵的輸液流量為150ml/min，攪拌速率為lOOOr/min，滴加氨水保持溶液的pH為10. 5， 反應結束后靜置16h，抽取上層清液，對下層沉淀物進行清洗，離心分離后在-62°C冷凍干燥他；對冷凍干燥后的粉體進行低溫球磨，將粉體置于球磨機中，液氮和無水乙醇環(huán)境下球磨60min，主軸轉速為lOOr/min，球磨罐和磨球材料為氧化鋯，球料質量比為40 1，罐內溫度為_116°C ；將低溫球磨后的粉體于700°C下煅燒3h，即可得到白色的納米羥基磷灰石粉體，所得粉體晶粒尺寸為50nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在50MPa下壓制成素坯；(3)然后在空氣氣氛下熱壓燒結，燒結壓力為130MPa，燒結溫度800°C，恒溫恒壓燒結lOmin。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度為3. 10g/cm3,晶粒尺寸小于lOOnm， 抗彎強度120MPa，斷裂韌性為1. 07MPa · m1/20實施例4(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟同實施例1，所得粉體晶粒尺寸為35nm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在60MPa下壓制成素坯；(3)然后在空氣氣氛下熱壓燒結，燒結壓力為130MPa，燒結溫度900°C，恒溫恒壓燒結30min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面半透明，密度為3. 115g/cm3,晶粒尺寸小于 lOOnm，抗彎強度U8MPa，斷裂韌性為1. 12MPa · m1/2。實施例5(1)采用超聲噴霧法制備納米羥基磷灰石粉體，步驟同實施例2，所得粉體晶粒尺寸為IOnm ；(2)將粉體裝入合金模具中，在IOOMPa下壓制成素坯；(3)然后在氮氣氣氛下熱壓燒結，燒結壓力為150MPa，燒結溫度1000°C，恒溫恒壓燒結60min。制得的羥基磷灰石生物陶瓷表面呈玻璃般透明、密度為3. 121g/cm3,晶粒尺寸小于lOOnm，抗彎強度137MPa，斷裂韌性為1. 53MPa · m1/20 上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式不受上述實施例限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的精神、范圍和內容中。
權利要求
1.一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)制備粉體制備晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體，具體包括以下步驟分別配制Ca/P的摩爾濃度比為1. 67的Ca (NO3) 2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，用氨水分別調節(jié)pH至10. 5 11. 8 ；取相同體積的Ca (NO3)2溶液和(NH4) 2ΗΡ04溶液，前者置于帶有攪拌裝置的反應瓶中，后者置于容器中；開啟攪拌，用蠕動泵將(NH4)2HPO4溶液按30 150ml/min 的流量輸送入開啟的超聲噴霧器中制成霧狀后通入Ca(NO3)2溶液中進行反應，同時向反應瓶中滴加氨水，使反應液PH維持在10. 5 11. 8 ； (NH4)2HPO4溶液加完后反應結束，將反應液靜置后移除上層清液，清洗下層沉淀，離心分離后冷凍干燥；將冷凍干燥得到的粉體進行低溫球磨，球料質量比為20 1 40 1，罐內溫度為-190 -116°C，主軸轉速為100 200r/min，球磨5 60min ；將球磨后的粉體煅燒，得到晶粒尺寸為10 50nm的納米羥基磷灰石粉體；(2)制備素坯在50 IOOMPa下將步驟(1)制得的納米羥基磷灰石粉體壓制成素坯；(3)燒結將素坯燒結，燒結壓力為120 150MPa，溫度為800°C 1000°C，恒溫恒壓燒結 10 60min。
2.根據權利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中的溶液使用去離子水配制；所述攪拌速率為500 IOOOr/ min ；所述氨水的質量濃度均為15% 25% ；所述靜置的時間為8 30h ；所述冷凍干燥的條件為干燥時間8 16h，干燥溫度-62 -55°C。
3.根據權利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(1)中低溫球磨使用的磨罐和磨球材料為氧化鋯；所述球磨是在液氮和無水乙醇環(huán)境下進行；所述煅燒的時間為1 池，溫度為550 700°C。
4.根據權利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中的燒結工藝是熱壓燒結或熱等靜壓燒結。
5.根據權利要求1所述的一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中燒結在氮氣或空氣氣氛下進行。
6.根據權利要求1 5任一項所述的方法制備的用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷，其特征在于該生物陶瓷的抗彎強度為120 150MPa，斷裂韌性為1.07 1. 67MPa · m1/2,晶粒尺寸在IOOnm以下。
全文摘要
本發(fā)明屬于醫(yī)用材料技術領域，公開了一種用于骨連接及骨修復的羥基磷灰石生物陶瓷及其制備方法，該方法是先采用超聲噴霧法和低溫球磨技術制備晶粒尺寸為10～50nm的納米羥基磷灰石粉體，然后在50～100MPa下將粉體壓制成素坯，在氮氣或空氣氣氛下將素坯燒結，燒結時壓力為120～150MPa，溫度800℃～1000℃，燒結10～60min。該方法制備的羥基磷灰石生物陶瓷多呈透明致密狀，且抗彎強度為120～150MPa，晶粒尺寸在100nm以下。本發(fā)明的生物陶瓷與傳統(tǒng)工藝相比，強度顯著提高，力學性能良好，可加工成承重部位的骨連接修復材料，如固定螺絲、連接板和連接銷釘等。
文檔編號C04B35/622GK102424581SQ20111027292
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權日2011年9月15日
發(fā)明者劉玉, 李楚鈿, 江浩川, 程海梅, 陳彥文 申請人:廣州倍繡生物技術有限公司