CN104645408B - 一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法，该方法是将β相磷酸三钙、粘结剂、致孔‑产气剂和表面活化剂坯料经过逐层压制，采用表面活化剂进行表面活化处理，逐层组装与复合烧结，制得梯度β相磷酸三钙骨替代材料。粘结剂为120目~200目的聚乙烯醇粉末；致孔‑产气剂为硬脂酸；表面活化剂为钛白粉悬浊液。本发明制得的骨替代材料具有良好的生物相容性、界面生物活性，可应用于仿骨材料的研究与应用中，本骨替代材料结构设计根据仿生学原理，仿照人体骨骼外密内疏结构，即孔隙率由外向内逐层增高的梯度分布结构，为纤维细胞、骨细胞向材料中生长提供了信道和空间，增加了新骨与材料的结合面积，同时力学性能良好，与人骨接近。

Description

一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法。

背景技术

骨骼作为人体重要的组成部分，其对人体的各个脏器起着不可替代的保护和支持作用，同时还担负着支撑躯干、造血、储钙、代谢等功能，是人体生命的基础。骨骼损伤会对人体造成极大的损害，而且大部分骨缺损不能自愈，需要进行骨替代材料移植治疗。可用于骨移植治疗的骨替代材料多种多样，一般包括金属材料、非金属材料以及高分子材料等，每种材料根据其性质及特点还可以继续分类。目前非金属材料中的β相磷酸三钙基生物陶瓷材料其成分与骨质中的无机相成分十分相似，其降解性、相容性以及在诱导骨生长方面具有特殊的优势，因此在骨替代材料方面的应用十分广泛。

天然骨由同心圆排列的骨板与哈佛系统构成，外层致密、硬、厚，为皮质骨，内层排列疏松，呈多孔状，为松质骨。根据生物特性要求，梯度β相磷酸三钙骨替代材料应具有可控制的非均质多微孔连通结构以及结构梯度和材料分布梯度。多孔梯度结构增大了材料与组织液间的接触面积，加速了溶解过程，气孔形成的凹陷区有利于局部Ca²⁺、PO₄ ^-3离子过饱和，从而加速了β相磷酸三钙的沉积，有利于骨性结合。此外，多孔梯度结构为纤维细胞、骨细胞向材料中生长提供了信道和空间，增加了新骨与材料的结合面积。目前多孔梯度生物陶瓷材料制备方法主要采用注浆法和有机泡沫浸渍法。注浆法通常采用石膏作为注浆模具，石膏模具在干燥及注浆过程中极易损坏，从而进入坯料引起污染，对材料孔隙率及性能产生影响；有机泡沫浸渍法用有机泡沫浸渍陶瓷浆料，干燥后烧掉有机泡沫，该法导致材料孔壁缺陷较多，应力集中较严重，从而导致力学性能较差。本发明与现有技术不同点在于既保证了仿骨材料的表面抗压性，又保证了仿骨材料的生物功能性，是一种制备较长骨替代材料的高效方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法，解决了现有材料、技术制备的梯度骨替代材料的抗压强度小、生物功能性差的问题，可以高效制备纵向尺寸较长的骨替代材料。

本发明是将β相磷酸三钙、粘结剂、致孔-产气剂和表面活化剂坯料经过逐层压制，采用表面活化剂进行表面活化处理，逐层组装与复合烧结，制得梯度β相磷酸三钙骨替代材料。

所述的粘结剂为120目~200目的聚乙烯醇粉末。

所述的致孔-产气剂为硬脂酸。

所述的表面活化剂为钛白粉悬浊液。

本发明的具体步骤是：

首先将质量百分比60%~80%的β相磷酸三钙和质量百分比20%~40%的粘结剂进行混合，之后向其中添加致孔-产气剂，原料中致孔-产气剂的含量由外向内逐层递增，致孔-产气剂添加量记号为m_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，致孔-产气剂添加量递增公式如下：m_n=m₁(1-5%)ⁿ，孔隙数目N和空隙平均直径γ的递增关系公式为N=Aγ^B， 其中的A为比例系数， B为孔隙分布的层数；之后采用滚动式混料机进行混合，混合转速30r/min≤v₁≤60r/min，混合时间20min≤t₁≤30min；

共配制n组混料，4≤n≤12，由内向外依次标记为T₁，T₂，...，T_n-1，T_n；

梯度结构的制备方法包括如下步骤：

①逐层压制坯料：采用不锈钢模具，模压模具记号为M_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，其中模压模具M_n的外半径大于模压模具M_n-1的外半径，将原料按照对应顺序从最外层逐层向内进行压制，压制压强为P₁，60MPa≤P₁≤200MPa，压制分为四个阶段，每阶段保压时间分别为t₁ ，t₂ ，t₃，t₄，15s≤t₁，t₂，t₃≤120s， 600s≤t₄≤800s，放气时间分别为t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃，15s≤t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃≤150s；

模压得到坯料记号为F_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，坯料界面为半圆弧形，外径为R_no，内径为R_ni，n=2，3，4…..，4≤n≤12，且相邻两坯料内外径满足R_no=R_(n+1)i+θ，0.00mm≤θ≤0.02mm，芯部坯料界面为半圆形，半径为R₁，R₁=R_2i+θ，以上模压过程重复进行两个周期，第二周期模压获坯料F'_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，与第一周期模压获坯料F_n完全相同；

②表面活化处理：采用钛白粉悬浊液均匀喷涂于坯料内表面，干燥后涂层厚度为h₁，h₁=kθ，0.6≤k≤1.2；

③逐层组装：将上述模压获坯料F_n与F'_n按照对应顺序从最内层逐层向外进行拼接组装，相邻两层坯料拼接缝之间的转角为α，α=30°，顺时针方向，得到n层坯料F_n与F'_n组装而成的圆柱状同轴复合体坯料F，长度为L_F，5cm≤L_F≤60cm，半径为R_F，R_F=R_no+(2n-2)θ，静置30min；将圆柱状同轴复合体坯料F置入烧结模具S内，烧结模具S为不锈钢材料制作的空心圆筒，长度为Ls，Ls≥L_F，内半径为R_si，R_si=R_F+kθ，0.8≤k≤1.5；

④复合烧结：采用梯度温度多次烧结梯度多孔同轴复合体坯料F；

烧结第一阶段，烧结温度T₁，T₁为1~200℃，加热时间t_a1，t_a1为63min，保温时间t_b1，t_b1为30min；

烧结第二阶段，烧结温度T₂，T₂为200~250℃，加热时间t_a2，t_a2为25min，保温时间t_b2，t_b2为30min；

烧结第三阶段，烧结温度为T₃，T₃为250~380℃，加热时间t_a3，t_a3为65min，保温时间t_b3，t_b3为30min；

烧结第四阶段，烧结温度为T₄，T₄为380~1000℃，加热时间t_a4，t_a4为207min，保温时间t_b4，t_b4为5h，随炉冷却，即得一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料。

本发明的有益效果：

制得的梯度β相磷酸三钙骨替代材料，是一种生物活性的β相磷酸三钙基生物陶瓷材料，其在在骨组织缺失修复、组织重建、骨病治疗等骨科临床治疗方面有很好的应用。并且模拟天然骨同心圆排列骨板结构和仿制骨组织的多孔“内疏外密”梯度结构，内部结构孔隙率高，有利于获得吸附骨形成蛋白或骨髓基质细胞等骨生长因子，并合理地匹配复合物中骨生长因子的浓度；外层结构孔隙率低，力学性能好，抗压性能高；通过本方法可以高效制备纵向尺寸较长的骨替代材料，避免压制过程中坯料受压力不均的影响；采用表面活化处理每层坯料内表面，加强每层坯料之间的结合性；采用逐层转角拼接组装坯料方法，有效避免拼接缝处应力集中、力学性能不稳定等问题；最后，本发明采用多次梯度温度烧结，使坯料在合适温度环境下产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶，成为一种优质的梯度β相磷酸三钙骨替代材料。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明制得的四层梯度β相磷酸三钙骨替代材料的横切面截面图。

具体实施方式

本发明是将β相磷酸三钙、粘结剂、致孔-产气剂和表面活化剂坯料经过逐层压制，采用表面活化剂进行表面活化处理，逐层组装与复合烧结，制得梯度β相磷酸三钙骨替代材料。

如图1所示，本发明的具体步骤是：

首先将质量百分比60%~80%的β相磷酸三钙和质量百分比20%~40%的粘结剂进行混合，之后向其中添加致孔-产气剂，原料中致孔-产气剂的含量由外向内逐层递增，致孔-产气剂添加量记号为m_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，致孔-产气剂添加量递增公式如下：m_n=m₁(1-5%)ⁿ，孔隙数目N和空隙平均直径γ的递增关系公式为N=Aγ^B， 其中的A为比例系数， B为孔隙分布的层数；之后采用滚动式混料机进行混合，混合转速30r/min≤v₁≤60r/min，混合时间20min≤t₁≤30min；

共配制n组混料，4≤n≤12，由内向外依次标记为T₁，T₂，...，T_n-1，T_n；

梯度结构的制备方法包括如下步骤：

①逐层压制坯料：采用不锈钢模具，模压模具记号为M_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，其中模压模具M_n的外半径大于模压模具M_n-1的外半径，将原料按照对应顺序从最外层逐层向内进行压制，压制压强为P₁，60MPa≤P₁≤200MPa，压制分为四个阶段，每阶段保压时间分别为t₁ ，t₂ ，t₃，t₄，15s≤t₁，t₂，t₃≤120s， 600s≤t₄≤800s，放气时间分别为t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃，15s≤t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃≤150s；

模压得到坯料记号为F_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，坯料界面为半圆弧形，外径为R_no，内径为R_ni，n=2，3，4…..，4≤n≤12，且相邻两坯料内外径满足R_no=R_(n+1)i+θ，0.00mm≤θ≤0.02mm，芯部坯料界面为半圆形，半径为R₁，R₁=R_2i+θ，以上模压过程重复进行两个周期，第二周期模压获坯料F'_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，与第一周期模压获坯料F_n完全相同；

②表面活化处理：采用钛白粉悬浊液均匀喷涂于坯料内表面，干燥后涂层厚度为h₁，h₁=kθ，0.6≤k≤1.2；

③逐层组装：将上述模压获坯料F_n与F'_n按照对应顺序从最内层逐层向外进行拼接组装，相邻两层坯料拼接缝之间的转角为α，α=30°，顺时针方向，得到n层坯料F_n与F'_n组装而成的圆柱状同轴复合体坯料F，长度为L_F，5cm≤L_F≤60cm，半径为R_F，R_F=R_no+(2n-2)θ，静置30min；将圆柱状同轴复合体坯料F置入烧结模具S内，烧结模具S为不锈钢材料制作的空心圆筒，长度为Ls，Ls≥L_F，内半径为R_si，R_si=R_F+kθ，0.8≤k≤1.5；

④复合烧结：采用梯度温度多次烧结梯度多孔同轴复合体坯料F；

烧结第一阶段，烧结温度T₁，T₁为1~200℃，加热时间t_a1，t_a1为63min，保温时间t_b1，t_b1为30min；

烧结第二阶段，烧结温度T₂，T₂为200~250℃，加热时间t_a2，t_a2为25min，保温时间t_b2，t_b2为30min；

烧结第三阶段，烧结温度为T₃，T₃为250~380℃，加热时间t_a3，t_a3为65min，保温时间t_b3，t_b3为30min；

烧结第四阶段，烧结温度为T₄，T₄为380~1000℃，加热时间t_a4，t_a4为207min，保温时间t_b4，t_b4为5h，随炉冷却，即得一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料。

四层梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备实例：

首先称取80gβ相磷酸三钙和20g聚乙烯醇混合，之后向其中添加硬脂酸，原料中硬脂酸的添加量由内向外逐层递减，分别为50.00g，45.13g，42.87g，40.73g，采用滚动式混料机进行混合，混合转速50r/min，混合时间30min，共配制4组混料，由内向外依次标记为T₁，T₂，T₃，T₄；

①逐层压制坯料：采用不锈钢模具，模压模具记号为M_n，n=1，2，3，4，其中模压模具M_n的外半径要大于模压模具M_n-1的外半径，将原料T_n按照对应顺序从最外层逐层向内进行压制，压制压强为P₁，P₁=100MPa，压制分为四个阶段，每阶段保压时间分别为t₁，t₂，t₃，t₄，15s≤t₁，t₂，t₃≤120s， 600s≤t₄≤800s，放气时间分别为t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃，15s≤t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃≤150s；坯料记号为F_n，n=1，2，3，4，坯料界面为半圆弧形，外径为R_no，内径为R_ni，n=2，3，4，且相邻两坯料内外径满足R_no=R_{（ n+1 ） i}+θ，0.00mm≤θ≤0.02mm，芯部坯料界面为半圆形，半径为R₁，R₁=R_2i+θ，以上模压过程重复进行两个周期，第二周期模压获坯料F'_n，n=1，2，3，4，与第一周期模压获坯料F_n完全相同；

②表面活化处理：配置钛白粉悬浊液，浓度为10g/l，悬浊液配置完成后立刻均匀喷涂于坯料内表面，干燥后涂层厚度为h₁，h₁=kθ，0.6≤k≤1.2；

③逐层组装：将上述模压获坯料F_n与F'_n，n=1，2，3，4，按照对应顺序从最内层逐层向外进行拼接组装，相邻两层坯料拼接缝之间的转角为α，α=30°，顺时针方向，得到4层坯料F_n与F'_n组装而成的圆柱状同轴复合体坯料F，长度为L_F，5cm≤L_F≤60cm，半径为R_F，R_F=R_no+6θ，静置30min；将圆柱状同轴复合体坯料F置入烧结模具S内，烧结模具S为不锈钢材料制作的空心圆筒，长度为Ls，Ls≥L_F，内半径为R_si，R_si=R_F+kθ，0.8≤k≤1.5；

④复合烧结：采用梯度温度多次烧结梯度多孔同轴复合体坯料F；

烧结第一阶段，烧结温度T₁，T₁为1~200℃，加热时间t_a1，t_a1=63min，保温时间t_b1，t_b1=30min；

烧结第二阶段，烧结温度T₂，T₂为200~250℃，加热时间t_a2，t_a2=25min，保温时间t_b2，t_b2=30min；

烧结第三阶段，烧结温度为T₃，T₃为250~380℃，加热时间t_a3，t_a3=65min，保温时间t_b3，t_b3=30min；

烧结第四阶段，烧结温度为T₄，T₄为380~1000℃，加热时间t_a4，t_a4=207min，保温时间t_b4，t_b4=5h，随炉冷却，即制得四层梯度β相磷酸三钙骨替代材料。四层梯度β相磷酸三钙骨替代材料的内部结构如图2所示，其中的第一层坯料1是由F1与F'1组装得到的。第二层坯料2是由F2与F'2组装得到的。第三层坯料3是由F3与F'3组装得到的。第四层坯料4是由F4与F'4组装得到的。

Claims (1)

1.一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料的制备方法，该方法是将β相磷酸三钙、粘结剂、致孔-产气剂和表面活化剂坯料经过逐层压制，采用表面活化剂进行表面活化处理，逐层组装与复合烧结，制得梯度β相磷酸三钙骨替代材料；

所述的粘结剂为120目~200目的聚乙烯醇粉末；

所述的致孔-产气剂为硬脂酸；

所述的表面活化剂为钛白粉悬浊液，浓度为10g/l；

该方法的具体步骤是：首先将质量百分比60%~80%的β相磷酸三钙和质量百分比20%~40%的粘结剂进行混合，之后向其中添加致孔-产气剂，原料中致孔-产气剂的含量由外向内逐层递增，致孔-产气剂添加量记号为m_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，致孔-产气剂添加量递增公式如下:m_n=m₁(1-5%)ⁿ，孔隙数目N和空隙平均直径γ的递增关系公式为N=Aγ^B， 其中的A为比例系数， B为孔隙分布的层数；之后采用滚动式混料机进行混合，混合转速30r/min≤v₁≤60r/min，混合时间20min≤t₁≤30min；

共配制n组混料，4≤n≤12，由内向外依次标记为T₁，T₂，...，T_n-1，T_n；

梯度结构的制备方法包括如下步骤：

①逐层压制坯料：采用不锈钢模具，模压模具记号为M_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，其中模压模具M_n的外半径大于模压模具M_n-1的外半径，将原料按照对应顺序从最外层逐层向内进行压制，压制压强为P₁，60MPa≤P₁≤200MPa，压制分为四个阶段，每阶段保压时间分别为t₁ ，t₂ ，t₃，t₄，15s≤t₁，t₂，t₃≤120s， 600s≤t₄≤800s，放气时间分别为t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃，15s≤t^' ₁，t^' ₂，t^' ₃≤150s；

模压得到坯料记号为F_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，坯料界面为半圆弧形，外径为R_no，内径为R_ni，n=2，3，4…..，4≤n≤12，且相邻两坯料内外径满足R_no=R_(n+1)i+θ，0.00mm≤θ≤0.02mm，芯部坯料界面为半圆形，半径为R₁，R₁=R_2i+θ，以上模压过程重复进行两个周期，第二周期模压获坯料F'_n，n=1，2，3，4…..，4≤n≤12，与第一周期模压获坯料F_n完全相同；

②表面活化处理：采用钛白粉悬浊液均匀喷涂于坯料内表面，干燥后涂层厚度为h₁，h₁=kθ，0.6≤k≤1.2；0.00mm≤θ≤0.02mm；

③逐层组装：将上述模压获坯料F_n与F'_n按照对应顺序从最内层逐层向外进行拼接组装，相邻两层坯料拼接缝之间的转角为α，α=30°，顺时针方向，得到n层坯料F_n与F'_n组装而成的圆柱状同轴复合体坯料F，长度为L_F，5cm≤L_F≤60cm，半径为R_F，R_F=R_no+(2n-2)θ，静置30min；将圆柱状同轴复合体坯料F置入烧结模具S内，烧结模具S为不锈钢材料制作的空心圆筒，长度为Ls，Ls≥L_F，内半径为R_si，R_si=R_F+kθ，0.8≤k≤1.5；0.00mm≤θ≤0.02mm；

④复合烧结：采用梯度温度多次烧结梯度多孔同轴复合体坯料F；

烧结第一阶段，烧结温度T₁，T₁为1~200℃，加热时间t_a1，t_a1为63min，保温时间t_b1，t_b1为30min；

烧结第二阶段，烧结温度T₂，T₂为200~250℃，加热时间t_a2，t_a2为25min，保温时间t_b2，t_b2为30min；

烧结第三阶段，烧结温度为T₃，T₃为250~380℃，加热时间t_a3，t_a3为65min，保温时间t_b3，t_b3为30min；

烧结第四阶段，烧结温度为T₄，T₄为380~1000℃，加热时间t_a4，t_a4为207min，保温时间t_b4，t_b4为5h，随炉冷却，即得一种梯度β相磷酸三钙骨替代材料。