一种生物陶瓷基金属复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种生物陶瓷基金属复合材料及其制备方法和用途。所述生物陶瓷基金属复合材料由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末60‑98份，第一金属粉末1‑39份，第二金属粉末1‑15份；所述第一金属粉末的成分包括铌和/或钽；所述第二金属粉末的成分包括银和/或铜。此复合材料发挥三重组分的协同作用，压缩强度可达250‑340MPa，断裂韧性可达3‑4.15MPa·m

Bioceramic base metal composite material, preparation method and application thereof

The invention relates to a bioceramic base metal composite material and a preparation method and application thereof. The bioceramics-based metal composite material is sintered from raw materials of the following mass fractions: calcium phosphate bioceramics powder 60 98, first metal powder 1 39, second metal powder 1 15; the first metal powder comprises niobium and/or tantalum; and the second metal powder comprises silver and/or copper. The composite exhibits the synergistic effect of three components. The compressive strength and fracture toughness of the composite can reach 250 340 MPa and 3 4.15 MPa m respectively.

【技术实现步骤摘要】
一种生物陶瓷基金属复合材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及生物植入骨替代材料
，尤其涉及一种兼具骨诱导性和抗菌性的生物陶瓷基金属复合材料及其制备方法和用途。
技术介绍
健康的骨骼和关节是保持人体结构稳定性和自由运动的基本条件。然而，当由于事故、疾病等原因造成部分骨骼和关节失去正常功能时，需要用同体或异体骨、关节移植来取代和修复受损的组织。与自然骨矿物成分和结构相近的钙磷(Ca-P)生物陶瓷具有良好的生物活性、耐腐蚀性和骨诱导能力，但是其内在的脆性大(KIC≈1MPa·m1/2)的缺陷限制了其只能应用在不承受载荷或者仅承受压力载荷的情况。另一方面，没有抗菌性的骨植入材料在植入手术后容易由于感染使得植入体松动失效。事实上，单一材料不能很好的满足体内复杂负载环境的应用，而利用高韧性、高强度的铌等生物活性金属来强化脆性陶瓷钙磷盐生物陶瓷这种方法正是利用了金属与陶瓷各自的优势，开发出新型生物陶瓷基-金属复合材料，既有骨诱导性、抗菌性，又有足够的机械强度，在硬组织修复等医疗领域具有广阔的应用前景。虽然近几年的研究对生物陶瓷(如ZrO)基复合材料在植入体的制备和应用做出了相关报导，但人骨关键成分、拥有最良好的骨诱导性的钙磷盐生物陶瓷基的复合材料的制备，还未有人研究和专利技术。因此，对钙磷盐生物陶瓷基生物陶瓷-金属纳米复合抗菌材料的制备、加工成型以及生物适配机理进行系统研究对于解决生物陶瓷材料存在的缺陷具有现实的迫切性和长远的科学意义。CN102631704A公开了一种钛铝基钙磷盐生物陶瓷涂层及制备方法，此专利技术采用沉淀法制备钙磷盐生物陶瓷粉末和甘油的混合物，然后将其刷涂在经过腐蚀处理的钛铝合金表面，经过高温烧结形成生物涂层，所制备的涂层厚度为0.1-3.0mm。生物陶瓷涂层增强了金属的生物活性，便于诱导细胞生长。但是因为陶瓷涂层较薄且在移植体中因为涂层与金属基体性质的差异而容易脱落，从而影响了其应用。CN104841018A公开了一种多层生物复合材料及其制备方法。所述生物复合材料以钛合金为基体，钛合金+钙磷盐生物陶瓷为中间层，钙磷盐生物陶瓷为生物陶瓷表层；工艺步骤如下：将钛、铌、锆粉末机械合金化球磨后烘干，得到基体混合粉末；将钛、铌、锆粉末机械金化后，添加钙磷盐生物陶瓷球磨混粉后烘干，得到中间层混合粉末。将基体混合粉末、中间层混合粉末及钙磷盐生物陶瓷粉末分别装入石墨模具的下层、中层与上层，然后利用放电等离子炉烧结，随炉冷却即得多层生物复合材料。利用本专利技术所制备的多层复合材料既具有与人骨相当的力学性能又大大提高了材料的生物活性；本专利技术工艺洁净、简单、成本低廉，易于实现产业化。但是中间层不能单独作为植入体运用，其整体机械性能依赖于金属，且涂层与基体的杨氏模量、热膨胀系数不一样，涂层部分容易开裂。因此，需要开发一种兼具骨诱导性和抗菌性的生物陶瓷基金属复合材料，结合金属与生物活性陶瓷单组分各自的优势，以推进医疗植入体的进一步发展。
技术实现思路
针对传统医用金属植入材料材料与机体组织力学不适配、不具备可降解性或降解不可调控而导致的与组织再生修复不匹配以及因部分有害离子释放在机体内引起组织不适配等问题，以及Ca-P基生物活性陶瓷材料内在的断裂韧性低、压缩强度低、只能应用在不承受载荷或者仅承受压力载荷等缺陷，本专利技术的目的之一在于提供一种兼具骨诱导性和抗菌性的生物陶瓷基金属复合材料，结合金属与生物活性陶瓷单组分各自的优势，希望能推进医疗植入体的进一步发展。为达此目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供一种生物陶瓷基金属复合材料，由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末60-98份，例如60份、62份、65份、68份、70份、72份、75份、78份、80份、82份、85份、88份、90份、92份、95份或98份等，第一金属粉末1-39份，例如1份、5份、10份、15份、20份、25份、30份、35份或39份等，第二金属粉末1-15份，例如1份、2份、5份、8份、10份、12份或15份等；所述钙磷盐生物陶瓷粉末包括羟基磷灰石粉末、含锶羟基磷灰石粉末、碳酸磷灰石粉末或磷酸八钙粉末中的任意一种或至少两种的组合；所述第一金属粉末的成分包括铌和/或钽；所述第二金属粉末的成分包括银和/或铜。本专利技术所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予所述含硅复合材料不同的特性。除此之外，本专利技术所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。钙磷盐生物陶瓷作为被广泛应用的生物植入材料，同时也是人骨的主要成分，在本复合材料中作为基体，提供优异的骨诱导性；第一金属粉末的成分为生物相容金属，无毒性、生物相容性强、易于粉末冶金，作为金属增韧相的主体；本专利技术采用具有与钛、锆同样生物相容性的铌、钽金属，不存在钛、锆粉末的缺陷，即，在球磨时容易与球磨容器壁发生冷焊作用，导致产率很低、组分比例失调、以及必须加入稳定剂来减小冷焊效应等一系列问题。第二金属既起到增韧的作用，也赋予复合材料抗菌能力，从而最小化骨修复过程中因细菌感染带来的植入体松动或脱落问题。这种三组分按本专利技术所述质量份数复合后互相协同，使得复合材料有高达3-4.15MPa·m1/2的断裂韧性，维氏硬度可达400-460HV，钙磷盐生物陶瓷、铌和抗菌金属元素均为纳米晶体，晶粒尺寸为10-300nm，陶瓷与金属相均匀地分布，金属相尺寸为10-20μm，本专利技术复合材料是一种高韧性的生物陶瓷基纳米金属复合材料，且兼具优异的生物相容性和抗菌性，适用于临床硬组织修复。优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末70-90份，第一金属粉末10-20份，第二金属粉末5-10份。优选地，所述钙磷盐生物陶瓷粉末、第一金属粉末与第二金属粉末的质量比为16:3:1。优选地，所述第一金属粉末的成分为铌。优选地，所述第一金属粉末和第二金属粉末的纯度均为99.99wt％以上，例如99.992wt％、99.995wt％、99.998wt％或99.999wt％等。优选地，所述钙磷盐生物陶瓷粉末为含锶羟基磷灰石粉末和/或碳酸磷灰石粉末。羟基磷灰石易于取代，可以用锶或碳酸根等取代使其进一步功能化，增强促进骨生长的效果。优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料为块状，以钙磷盐生物陶瓷为主体，内部分布有尺寸为1-20μm的金属相，例如1μm、2μm、5μm、8μm、10μm、12μm、15μm、18μm或20μm等。所述尺寸的金属相有效阻碍微观裂纹在复合材料内部的延伸，从而有效避免宏观断裂。优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料的晶粒尺寸为10-300nm，例如10nm、20nm、50nm、80nm、100nm、120nm、150nm、180nm、200nm、220nm、250nm、280nm或300nm等，优选20nm。晶粒尺寸越小，材料强度越高，遵循霍尔-佩奇关系。优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料的致密度为90％-99.9％，例如90％、90.2％、90.5％、90.8％、91％、91.5％、92％、92.5％、93％、93.5％、94％、94.5％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％、99％、99.5％或9本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物陶瓷基金属复合材料，其特征在于，由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末60‑98份，第一金属粉末1‑39份，第二金属粉末1‑15份；所述钙磷盐生物陶瓷粉末包括羟基磷灰石粉末、含锶羟基磷灰石粉末、碳酸磷灰石粉末或磷酸八钙粉末中的任意一种或至少两种的组合；所述第一金属粉末的成分包括铌和/或钽；所述第二金属粉末的成分包括银和/或铜。

【技术特征摘要】
1.一种生物陶瓷基金属复合材料，其特征在于，由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末60-98份，第一金属粉末1-39份，第二金属粉末1-15份；所述钙磷盐生物陶瓷粉末包括羟基磷灰石粉末、含锶羟基磷灰石粉末、碳酸磷灰石粉末或磷酸八钙粉末中的任意一种或至少两种的组合；所述第一金属粉末的成分包括铌和/或钽；所述第二金属粉末的成分包括银和/或铜。2.如权利要求1所述的生物陶瓷基金属复合材料，其特征在于，所述生物陶瓷基金属复合材料由以下质量份数的原料烧结而成：钙磷盐生物陶瓷粉末70-90份，第一金属粉末10-20份，第二金属粉末5-10份；优选地，所述钙磷盐生物陶瓷粉末、第一金属粉末与第二金属粉末的质量比为16:3:1。3.如权利要求1或2所述的生物陶瓷基金属复合材料，其特征在于，所述第一金属粉末的成分为铌；优选地，所述第一金属粉末和第二金属粉末的纯度均为99.99wt％以上。4.如权利要求1-3任一项所述的生物陶瓷基金属复合材料，其特征在于，所述钙磷盐生物陶瓷粉末为含锶羟基磷灰石粉末和/或碳酸磷灰石粉末；优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料为块状，以钙磷盐生物陶瓷为主体，内部分布有尺寸为10-20μm的金属相；优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料的晶粒尺寸为10-300nm，优选20nm；优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料的致密度为90％-99.9％，优选为99.9％；优选地，所述生物陶瓷基金属复合材料的断裂韧性为3-4.15MPa·m1/2。5.一种如权利要求1-4任一项所述的兼生物陶瓷基金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)制备钙磷盐生物陶瓷粉末；(2)将第一金属粉末和第二金属粉末混合得到混合粉末，球磨，得到合金粉末；(3)将步骤(1)所得钙磷盐生物陶瓷粉末和步骤(2)所得合金粉末混合，得到原料粉末；(4)将步骤(3)所述原料粉末进行放电等离子体烧结，冷却后得到的块状材料为生物陶瓷基金属复合材料。6.如权利要求5所述的生物陶瓷基金属复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钙磷盐生物陶瓷粉末还经过球磨；优选地，步骤(1)所述球磨在保护气体环境中进行；优选地，所述保护气体包括氮气和/或氩气；优选地，步骤(1)所述球磨的速率为1600-1800r/min，球磨时间1-3h；优选地，步骤(2)所述球磨在保护气体环境中进行；优选地，所述保护气体包括氮气和/或氩气；优...

【专利技术属性】
技术研发人员：任富增，魏朋博，方驹，朱明余，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44