本發(fā)明涉及生物活性材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法。

背景技術(shù)：

生物活性材料在骨組織缺損及種植修復(fù)中的應(yīng)用越來越廣泛，但其出現(xiàn)的問題也越來越多，尤其是植入物與周圍軟硬組織的界面結(jié)合直接關(guān)系到植入物的穩(wěn)定性，是治療成功的關(guān)鍵。大量的研究表明，納米羥基磷灰石(nano-hydroxyapatite,n-ha)具有良好的生物相容性和生物活性，將其燒結(jié)為生物陶瓷后，仍可誘導(dǎo)成骨細(xì)胞增殖、分化，促進(jìn)骨形成，表現(xiàn)出優(yōu)良的骨結(jié)合、骨誘導(dǎo)和骨傳導(dǎo)性，是一種較理想的硬組織替代材料。但不足之處是，羥基磷灰石(hydroxyapatite,ha)生物陶瓷力學(xué)性能較差，不能承受較大的組織負(fù)荷，更無法單獨(dú)作為種植體應(yīng)用，因而許多學(xué)者將其作為涂層附著于純鈦或氧化鋯(zro2)陶瓷種植體表面，從而改善種植體的生物學(xué)性能。但由于ha與純鈦或氧化鋯的熱膨脹系數(shù)相差較大，尤其是在燒結(jié)粘附時(shí)，界面處產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，兩者結(jié)合不牢固，導(dǎo)致ha脫落或龜裂致使種植失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，該方法采用梯度復(fù)合技術(shù)制備從純氧化鋯端連續(xù)過渡到純n-ha陶瓷端的梯度功能材料(functionallygradientmaterials,fgm)，使材料既具有氧化鋯優(yōu)良的機(jī)械性能，又具有n-ha良好的生物學(xué)性能，同時(shí)由于中間成分的連續(xù)變化，消除了兩種材料中的宏觀界面，避免了n-ha自zro2表面脫落。

其具體技術(shù)方案為：

一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)梯度功能材料粉體預(yù)備

1)氧化釔穩(wěn)定納米zr02粉體預(yù)備：將體積份數(shù)1％的聚乙烯醇(pva)添加到3mol％納米氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體(3ysz-n)中。zr02為四方晶，粒徑30-50nm，純度99％；納米氧化釔粒徑40nm，純度99.5％。

2)多孔n-ha粉體制備：將體積份數(shù)1％的pva添加到n-ha粉體中，再加入占總體積10％vol納米炭粉，球磨及超聲振蕩混合均勻。n-ha粒徑20-40nm，純度99％；pva粒徑40nm，純度99.5％。

3)各梯度層粉體制備：預(yù)實(shí)驗(yàn)及理論分析證實(shí)，梯度材料中總體n-ha含量隨著梯度指數(shù)p的增大而減少，從而有利于材料力學(xué)性能的提高，但隨著p的增大，各相鄰層熱膨脹系數(shù)的差異越來越大，其力學(xué)性能隨之下降，因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定p的范圍為2.0、2.5、3.0、3.5，n＝3、5、7。根據(jù)公式計(jì)算每層中n-ha的體積份數(shù)f(x)＝(x/n)^p×f(s)，分別將計(jì)算好的n-ha加入到3ysz中并添加體積份數(shù)1％的pva，放入球磨機(jī)和超聲振蕩器中充分混合后備用。

4)分組：設(shè)計(jì)樣品(粉末)總厚度d＝50mm，根據(jù)氧化鋯層d1厚度的不同分為a、b、c三大組，其中a組d1＝40mm、d2＝10mm，b組d1＝30mm、d2＝20mm，c組d1＝20mm、d2＝30mm；根據(jù)層數(shù)n的不同，a組又分為a1、a2、a3組，b組分為bi、b2、b3組，c組分為c1、c2、c3組。每組各45個(gè)樣品。

(2)生坯試件制備：在直徑為30mm圓筒狀鋼制模具內(nèi)，按設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果，首先加入3ysz-n粉體，再分別加入梯度層，最后加入多孔n-ha粉體，兩種粉體之間用pva快溶薄膜相隔。在大于25℃室溫下(薄膜溶解溫度)用試驗(yàn)機(jī)以250mpa壓力垂直加壓成生坯試件。

(3)試件燒結(jié)：設(shè)定9組燒結(jié)溫度，從1300℃至1700℃，相鄰兩組間相差50℃。將試件分別放入設(shè)定常壓高溫?zé)Y(jié)爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設(shè)定溫度保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出備用。

(4)試件力學(xué)性能測(cè)試：燒結(jié)后的圓柱狀試件用低速精密切割機(jī)加工成25mm×5mm×5mm試樣條，用于力學(xué)性能檢測(cè)。

1)抗剪切強(qiáng)度：用萬能材料測(cè)試機(jī)分別檢測(cè)不同梯度層交界面抗剪切粘結(jié)強(qiáng)度，方法為加載頭接觸試件粘結(jié)處側(cè)表面，剪切速度1mm/min，施加逐漸遞增垂直向力，至粘結(jié)面分離或試件破碎停止，記錄最大剪切力值，計(jì)算公式：材料抗剪切強(qiáng)度(mpa)＝剪切力(n)/粘結(jié)面積(mm²)。

2)彎曲強(qiáng)度：測(cè)試3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，加載速度0.5mm/min,加力至試樣斷裂，計(jì)算公式(mpa):δ＝3pl/2bh²。

3)斷裂韌性：用壓痕法進(jìn)行斷裂韌性測(cè)定。試件表面拋光至鏡面狀，施以5kg載荷，持續(xù)15s，測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，斷裂韌性計(jì)算公式：kic＝0.0232pc^-3/2。

4)硬度：壓痕法測(cè)量維氏硬度，將各層打磨光滑拋光至鏡面。載荷5kg，持續(xù)15s，公式：hv＝0.01854p/(2a)²(gpa)。

(5)表面形貌和物相檢測(cè)：用體視顯微鏡觀察界面斷裂類型；rxd對(duì)樣品斷裂界面以及表面層表面行圖譜觀測(cè)，測(cè)定界面及表面物相，分析其燒結(jié)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物。sme觀察斷裂界面及表面微觀形貌，測(cè)定晶粒大小和分布以及隨溫度變化的規(guī)律，

數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用sas6.13版統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)變量正態(tài)且方差齊的資料進(jìn)行單因素方差分析并采用多個(gè)樣本均數(shù)的兩兩比較。以α＝0.05為顯著性檢驗(yàn)水準(zhǔn)。

優(yōu)選地，氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料以下的方案和參數(shù)為力學(xué)性能最佳，且表面表征為n-ha及其衍生物β-磷酸三鈣(β-tcp)：1、材料梯度設(shè)計(jì)：中間層(底層)為添加體積份數(shù)1％pva的3ysz-n粉體，厚度＝30mm，梯度層粉體厚度＝20mm，梯度指數(shù)＝2，梯度層數(shù)＝5，每層厚度＝4mm；梯度層為3ysz-n粉體與n-ha粉體混合物，混合比例(體積比)分別為第一層3ysz-n占96％、n-ha占4％，第二層3ysz-n占84％，n-ha占16％，第三層3ysz-n占64％，n-ha占36％，第四層3ysz-n占36％，n-ha占64％，第五層即表面層為100％n-ha，每層之間用pva快溶薄膜相隔。每層中均添加體積份數(shù)為1％的pva，第五層另外添加10％vol納米炭粉。2、在大于25℃室溫下將加入柱狀模具內(nèi)的粉體用試驗(yàn)機(jī)以250mpa壓力垂直加壓制成坯體；3、將坯體放入常壓高溫?zé)Y(jié)爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設(shè)定溫度1400℃-1450℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出，該新型材料制備完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明應(yīng)用梯度復(fù)合技術(shù)，制備氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料，以純氧化鋯為基體，表面為純多孔n-ha陶瓷的梯度功能材料，該設(shè)計(jì)既充分發(fā)揮兩種材料的性能優(yōu)勢(shì),又使兩者之間產(chǎn)生牢固的機(jī)械和化學(xué)結(jié)合,從而制備出機(jī)械和生物學(xué)性能都達(dá)到要求的生物活性硬組織替代材料或種植體，并為該新型氧化鋯基納米羥基磷灰石生物梯度功能材料的設(shè)計(jì)、制備和臨床應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本發(fā)明應(yīng)用梯度材料復(fù)合技術(shù)，設(shè)計(jì)制作一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料，其中間層以zro2為力學(xué)承載區(qū)，周圍為梯度層狀結(jié)構(gòu)，各層中n-ha含量呈梯度變化。采用直接填充法將原料粉末按計(jì)算后的比例混合，逐層填充使之呈梯度分布,干壓成形后高溫?zé)Y(jié)制得梯度材料樣品。為便于檢測(cè)，該設(shè)計(jì)為單向梯度變化。

本發(fā)明的有益效果具體體現(xiàn)在幾個(gè)方面

(1)為硬組織缺損和種植體修復(fù)提供了新的梯度功能材料：本材料充分利用了n-ha良好的生物相容性、生物學(xué)活性和生物惰性材料zro2的力學(xué)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),有較強(qiáng)的實(shí)用性和理論意義。

(2)應(yīng)用梯度復(fù)合技術(shù)將n-ha與zro2通過高溫?zé)Y(jié)有機(jī)結(jié)合：zro2為生物惰性材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，但由于缺乏骨誘導(dǎo)活性，因而多年來一直對(duì)其進(jìn)行表面涂層等改性研究。n-ha具備優(yōu)異的生物相容性和生物學(xué)活性，應(yīng)用n-ha作為表面改性的應(yīng)用是近年來的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，材料脫落和吸收的問題一直未能解決，而梯度復(fù)合與高溫?zé)Y(jié)技術(shù)為兩者的結(jié)合提供了新的思路。

(3)將梯度功能材料應(yīng)用于種植體或缺損骨的設(shè)計(jì)：梯度復(fù)合技術(shù)應(yīng)用于zro2與n-ha之間，既實(shí)現(xiàn)了兩界面的同質(zhì)化學(xué)反應(yīng)，又平衡了兩種材料之間熱膨脹系數(shù)的差異，從而促使zro2與n-ha形成有機(jī)性結(jié)合，有效增強(qiáng)zro2與n-ha的粘結(jié)強(qiáng)度，從機(jī)制上解決了n-ha脫落和過早吸收的缺陷。依據(jù)該技術(shù)參數(shù)和理論，據(jù)據(jù)臨床硬組織不同需要，通過對(duì)模具的設(shè)計(jì)而制備出不同的人工骨和人工牙根(種植體)。

附圖說明

圖1是氧化鋯基n-ha梯度材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖，圖中d為樣品全層厚度，d1為中間層(底層)厚度，為100％氧化鋯(體積分?jǐn)?shù))，d2為梯度層總厚度，d1...dn為各梯度層厚度，其中dn為表面層，其n-ha含量(f(s))為100％(體積分?jǐn)?shù))；

圖2是本發(fā)明的技術(shù)路線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。

如圖1、圖2所示，一種氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)梯度功能材料粉體預(yù)備

1)氧化釔穩(wěn)定納米zr02粉體預(yù)備：將體積份數(shù)1％的聚乙烯醇(pva)添加到3mol％納米氧化釔穩(wěn)定的納米氧化鋯粉體(3ysz-n)中。zr02為四方晶，粒徑30-50nm，純度99％；納米氧化釔粒徑40nm，純度99.5％。

2)多孔n-ha粉體制備：將體積份數(shù)1％的pva添加到n-ha粉體中，再加入占總體積10％vol納米炭粉，球磨及超聲振蕩混合均勻。n-ha粒徑20-40nm，純度99％；pva粒徑40nm，純度99.5％。

3)各梯度層粉體制備：預(yù)實(shí)驗(yàn)及理論分析證實(shí)，梯度材料中總體n-ha含量隨著梯度指數(shù)p的增大而減少，從而有利于材料力學(xué)性能的提高，但隨著p的增大，各相鄰層熱膨脹系數(shù)的差異越來越大，其力學(xué)性能隨之下降，因此，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定p的范圍為2.0、2.5、3.0、3.5，n＝3、5、7。根據(jù)公式計(jì)算每層中n-ha的體積份數(shù)f(x)＝(x/n)^p×f(s)，分別將計(jì)算好的n-ha加入到3ysz中并添加體積份數(shù)1％的pva，放入球磨機(jī)和超聲振蕩器中充分混合后備用。

4)分組：設(shè)計(jì)樣品(粉末)總厚度d＝50mm，根據(jù)氧化鋯層d1厚度的不同分為a、b、c三大組，其中a組d1＝40mm、d2＝10mm，b組d1＝30mm、d2＝20mm，c組d1＝20mm、d2＝30mm；根據(jù)層數(shù)n的不同，a組又分為a1、a2、a3組，b組分為bi、b2、b3組，c組分為c1、c2、c3組。每組各45個(gè)樣品。

(2)生坯試件制備：在直徑為30mm圓筒狀鋼制模具內(nèi)，按設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果，首先加入3ysz-n粉體，再分別加入梯度層，最后加入多孔n-ha粉體，兩種粉體之間用pva快溶薄膜相隔。在大于25℃室溫下(薄膜溶解溫度)用試驗(yàn)機(jī)以250mpa壓力垂直加壓成生坯試件。

(3)試件燒結(jié)：設(shè)定9組燒結(jié)溫度，從1300℃至1700℃，相鄰兩組間相差50℃。將試件分別放入設(shè)定常壓高溫?zé)Y(jié)爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設(shè)定溫度保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出備用。

(4)試件力學(xué)性能測(cè)試：燒結(jié)后的圓柱狀試件用低速精密切割機(jī)加工成25mm×5mm×5mm試樣條，用于力學(xué)性能檢測(cè)。

1)抗剪切強(qiáng)度：用萬能材料測(cè)試機(jī)分別檢測(cè)不同梯度層交界面抗剪切粘結(jié)強(qiáng)度，方法為加載頭接觸試件粘結(jié)處側(cè)表面，剪切速度1mm/min，施加逐漸遞增垂直向力，至粘結(jié)面分離或試件破碎停止，記錄最大剪切力值，計(jì)算公式：材料抗剪切強(qiáng)度(mpa)＝剪切力(n)/粘結(jié)面積(mm²)。

2)彎曲強(qiáng)度：測(cè)試3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度，加載速度0.5mm/min,加力至試樣斷裂，計(jì)算公式(mpa):δ＝3pl/2bh²。

3)斷裂韌性：用壓痕法進(jìn)行斷裂韌性測(cè)定。試件表面拋光至鏡面狀，施以5kg載荷，持續(xù)15s，測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，斷裂韌性計(jì)算公式：kic＝0.0232pc^-3/2。

4)硬度：壓痕法測(cè)量維氏硬度，將各層打磨光滑拋光至鏡面。載荷5kg，持續(xù)15s，公式：hv＝0.01854p/(2a)²(gpa)。

(5)表面形貌和物相檢測(cè)：用體視顯微鏡觀察界面斷裂類型；rxd對(duì)樣品斷裂界面以及表面層表面行圖譜觀測(cè)，測(cè)定界面及表面物相，分析其燒結(jié)反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物。sme觀察斷裂界面及表面微觀形貌，測(cè)定晶粒大小和分布以及隨溫度變化的規(guī)律，

數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用sas6.13版統(tǒng)計(jì)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)變量正態(tài)且方差齊的資料進(jìn)行單因素方差分析并采用多個(gè)樣本均數(shù)的兩兩比較。以α＝0.05為顯著性檢驗(yàn)水準(zhǔn)。

氧化鋯基納米羥基磷灰石梯度功能材料以下的實(shí)施方案和參數(shù)為力學(xué)性能最佳，且表面表征為n-ha及其衍生物β-磷酸三鈣(β-tcp)，滿足骨組織替代或種植體的力學(xué)性能要求。

1、材料梯度設(shè)計(jì)：中間層(底層)為添加體積份數(shù)1％pva的3ysz-n粉體，厚度＝30mm，梯度層粉體厚度＝20mm，梯度指數(shù)＝2，梯度層數(shù)＝5，每層厚度＝4mm；梯度層為3ysz-n粉體與n-ha粉體混合物，混合比例(體積比)分別為第一層3ysz-n占96％、n-ha占4％，第二層3ysz-n占84％，n-ha占16％，第三層3ysz-n占64％，n-ha占36％，第四層3ysz-n占36％，n-ha占64％，第五層即表面層為100％n-ha，每層之間用pva快溶薄膜相隔。每層中均添加體積份數(shù)為1％的pva，第五層另外添加10％vol納米炭粉。

2、在大于25℃室溫下將加入柱狀模具內(nèi)的粉體用試驗(yàn)機(jī)以250mpa壓力垂直加壓制成坯體；

3、將坯體放入常壓高溫?zé)Y(jié)爐中，緩慢升溫至300℃保溫2h，再升至設(shè)定溫度1400℃-1450℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫取出后備用。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。