一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷及其制备方法

1.本发明涉及生物医用材料技术领域，特别涉及一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着社会发展与人口老龄化等原因，由创伤、感染、肿瘤或先天遗传疾病所引起的骨缺损病例数目不断增加，有研究人员统计，每年约有230万人的骨缺损病人，骨缺损的修复与治疗仍是临床难题之一。目前，针对骨缺损的治疗主要依赖于传统的骨移植手术，所需要的的骨移植物主要包括自体骨移植和异体骨移植。迄今为止，自体骨移植仍是骨移植手术的“金标准”。然而自体骨移植来源有限，通常需要二次手术，它们可能导致严重的供体部位损伤和畸形、瘢痕形成，且手术中可能发生出血、炎症、感染和慢性疼痛。同种异体骨移植则价格昂贵，宿主免疫排斥较强，具备较大的感染风险。以磷酸三钙为代表的生物活性陶瓷，因其良好的生物相容性、可降解性和骨传导性，在骨修复领域具有广泛的应用潜力。
3.近年研究显示，生物活性陶瓷材料的微观晶粒尺寸对材料的生物相容性有重要影响，细小晶粒尺寸的钙磷生物陶瓷常表现出比大晶粒尺寸钙磷生物活性陶瓷更好的细胞粘附性。有研究表明，相比于传统微米级晶粒尺寸的钙磷生物活性陶瓷，纳米级晶粒尺寸的钙磷生物活性陶瓷具有更好的细胞粘附性，并能够通过控制粘附面积大小和改变粘附相关信号，如erk 1/2和c-jun n末端激酶，调控细胞信号转导过程
1.。bose等人报道，纳米尺度下晶粒更小的羟基磷灰石(ha)样品诱导了更显著的vinculin蛋白的表达，可促进骨细胞在植入材料表面的附着
2.。
4.目前，制备细小晶粒生物活性陶瓷的方法主要包括热等静压技术、放电等离子烧结技术、闪光烧结技术以及微波烧结技术。其中，热等静压烧结技术在无压烧结技术的基础上通过增加环境压力，增加了陶瓷烧结的驱动力，并降低烧结温度，从而制得具有比传统烧结方法更小晶粒尺寸的钙磷生物活性陶瓷。但该方法对设备和样品要求较高，不适用于多孔样品，且热处理过程的时间相对较长。放电等离子烧结和闪光烧结技术均为电场辅助烧结技术，具有升温速率快的优点，能极大缩减陶瓷材料的烧制时间，从而获得细小晶粒。但放电等离子烧结技术由于设备限制难以烧结形状复杂的产品。闪光烧结技术则需要昂贵的铂电极且强烈依赖于材料的电气特性，限制了应用的普适性。微波烧结技术利用物质与微波相互作用后吸收微波并将其转化成热量的原理，能够制备具有细小晶粒的钙磷生物活性陶瓷。但微波烧结技术往往取决于材料的微波特性，加热设备复杂，需特殊设计。因此，简单、快速地调控生物活性陶瓷的表面晶粒尺寸依然存在挑战。
5.参考文献：
6.[1]dalby m j,gadegaard n,oreffo r o c.harnessing nanotopography and integrin-matrix interactions to influence stem cell fate[j].nature materials,
2014,13(6):558-69.
[0007]
[2]bose s,dasgupta s,tarafder s,et al.microwave-processed nanocrystalline hydroxyapatite:simultaneous enhancement of mechanical and biological properties[j].acta biomaterialia,2010,6(9):3782-90.


技术实现要素：

[0008]
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有细小晶粒表面的生物活性陶瓷的制备方法。该方法可以获得致密度高、晶粒尺寸小的磷酸三钙陶瓷材料，并且制备过程清洁、节能、快速。
[0009]
本发明的再一目的在于提供一种具有细小晶粒表面的生物活性陶瓷。
[0010]
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
[0011]
一种具有细小晶粒表面的生物活性陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
[0012]
将磷酸三钙粉体压制成坯体，并置于连接有程控电源的碳质加热载具中，利用碳质材料的受控焦耳热效应和耐热冲击特性，在惰性气氛下通过调控程控电源的功率，实现载具和其上磷酸三钙陶瓷坯体的可控快速升降温处理，制得具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷。
[0013]
优选地，所述磷酸三钙粉体的平均粒径尺寸100-400nm，纯度大于95％。
[0014]
优选地，所述磷酸三钙坯体的压制压力为10-20mpa，压制后坯体厚度为1～10mm。
[0015]
优选地，所述碳质加热载具由上下两层导电碳毡并联而成，并通过金属导线与外部程控电源相连。
[0016]
优选地，所述磷酸三钙陶瓷坯体放置于并联导电碳毡之间，且保证陶瓷表面与导电碳毡之间为无间隙的直接接触。
[0017]
优选地，所述磷酸三钙坯体先阶梯升温至1000-1200℃后，保温30-900s，保温阶段碳质加热载具输出功率为20-40w/cm2；
[0018]
优选地，所述阶梯升温速率为5-20℃/s，降温速率为5-20℃/s。
[0019]
一种基于上述方法制备得到的细小晶粒表面的生物活性陶瓷，优选地，所述陶瓷材料表面的晶粒尺寸分布在100～1000nm，平均气孔率小于20％。
[0020]
优选地，所述陶瓷材料具有良好的生物相容性，体外细胞培养实验显示骨髓间充质干细胞在材料表面粘附状态良好，能观察到板状和丝状伪足。
[0021]
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
[0022]
(1)本发明通过改进磷酸三钙生物活性陶瓷坯体和发热载具间的热量交换方式，由传统热辐射形式改进为热传导形式，极大提升了热量传递效率，缩短了陶瓷坯体的热处理时间，进而达到抑制晶粒粗化生长的目的。具有工艺简单、可程控调温、升降温速度快的特点。
[0023]
(2)本发明基于热传导的热量传递机制，特别适用于磷酸三钙陶瓷材料表面晶粒组织的调控，可获得晶粒尺寸分布在100～1000nm，平均气孔率小于20％的磷酸三钙陶瓷。体外细胞培养实验显示，相比于相同原料经马弗炉制备得到的传统磷酸三钙陶瓷，骨髓间充质干细胞在本发明制备的具有细小晶粒表面的磷酸三钙陶瓷材料表面呈更好的粘附铺展状态，伸展出更多的伪足，铺展面积更大。
附图说明
[0024]
图1是本发明材料热处理过程示意图，其中：1-红外测温仪，2-碳质加热载具，3-样品，4-程控源表。
[0025]
图2是实施例1的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的sem图。
[0026]
图3为实施例1的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的粒径分析图。
[0027]
图4(a)是实施例1的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷与骨髓间充质干细胞共培养二十四小时后细胞粘附的激光共聚焦图像；图4(b)是对比例2的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷与骨髓间充质干细胞共培养二十四小时后细胞粘附的激光共聚焦图像；图4(c)是在实施例1与对比例2的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷上共培养二十四小时后细胞的铺展面积统计。
[0028]
图5是实施例2的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的sem图。
[0029]
图6是对比例1的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的sem图。
[0030]
图7是对比例2的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的sem图。
[0031]
图8为对比例2的实验条件下制得的磷酸三钙陶瓷的粒径分析图。
具体实施方式
[0032]
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
[0033]
本发明所用高温处理装置如图1所示，装置包括碳质加热载具2，红外测温设备1，程控源表4以及电脑。将磷酸三钙粉体压制成坯体，并置于连接有程控电源的碳质加热载具中，在惰性气氛下通过调控电源的输出功率，实现载具和其上磷酸三钙陶瓷坯体的可控快速升降温处理，制得具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷。
[0034]
实施例1
[0035]
称取0.2g磷酸三钙粉体，β-磷酸三钙粉体的平均粒径尺寸100-400nm，纯度大于95％，在10mpa下压制成φ10mm，厚度1mm的坯体，将样品3放入碳质加热载具2之间，利用高温处理装置(如图1所示)开始给样品以10℃/s进行阶梯式加热，升至1030℃后开始进入保温阶段，保持碳质加热载具输出功率为30w/cm2，维持300s后以10℃/s进行阶梯式降温至室温，降温过程约为5min，即可制得高致密度的具有细小晶粒表面的磷酸三钙陶瓷，该过程全程在通氮气的惰性气氛手套箱中进行。所制备的磷酸三钙陶瓷的晶粒尺寸分布在100～1000nm，平均晶粒尺寸为320
±
110nm，sem形貌结果如图2所示，粒径分布图如图3所示。
[0036]
骨髓间充质干细胞购自武汉普诺赛生命科技有限公司，培养至3天，调整接种密度为5
×
10 4
/孔，共培养24小时，利用激光共聚焦显微镜观察骨髓间充质干细胞在其表面的粘附状态，结果如图4(a)所示。细胞在具有细小晶粒表面的材料表面伸展出更多的伪足，铺展面积大，粘附状态良好，具有良好的生物相容性。
[0037]
实施例2
[0038]
称取0.2g磷酸三钙粉体，β-磷酸三钙粉体的平均粒径尺寸100-400nm，在10mpa下压制成φ10mm，厚度1mm的坯体，将样品放入碳质加热载具之间，利用高温处理装置开始给样品阶梯式加热，升至1200℃后开始进入保温阶段，保持碳质加热载具输出功率为40w/cm2，维持30s后进行以10℃/s进行阶梯式降温至室温，制得高致密度的具有细小晶粒表面
的磷酸三钙陶瓷。sem形貌如图5所示，具有细小晶粒表面的磷酸三钙陶瓷的晶粒尺寸分布在150-550nm，平均晶粒尺寸为320.2
±
90.1nm。
[0039]
对比例1
[0040]
称取0.2g磷酸三钙粉体，在20mpa下压制成φ20mm，厚度5mm的坯体，将样品放入碳质加热载具之间，利用高温处理装置开始给样品阶梯式加热，升至1000℃后保温300s，保持碳质加热载具输出功率为20w/cm2，维持300s后以10℃/s进行阶梯式降温至室温，制得低致密度的磷酸三钙陶瓷。sem形貌如图6所示，晶粒尺寸分布在150-500nm，平均晶粒尺寸为298.6
±
78.1nm
[0041]
对比例2
[0042]
称取0.2g磷酸三钙粉体，在10mpa下压制成φ10mm，厚度1mm的坯体，将样品放入传统马弗炉中，以1-3℃/min的速率升温，升至1100℃保温4h后随炉冷却，制得传统磷酸三钙陶瓷，sem形貌如图7所示。对比例2通过传统马弗炉制得的传统磷酸三钙陶瓷的晶粒尺寸分布不均，晶粒尺寸较大，平均在0.2-2.0μm之间分布，粒径分布如图8所示。
[0043]
骨髓间充质干细胞购自武汉普诺赛生命科技有限公司，培养至3天，调整接种密度为5
×
104/孔，共培养24小时，利用激光共聚焦显微镜观察骨髓间充质干细胞在其表面的粘附状态，结果如图4(b)所示。细胞在传统烧结方法所制备的磷酸三钙生物活性陶瓷表面粘附形状为梭形，细胞伸展出少量丝状伪足。
[0044]
以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将磷酸三钙粉体压制成坯体，并置于连接有程控电源的碳质加热载具中，在惰性气氛下通过调控程控电源的输出功率，实现载具和其上磷酸三钙陶瓷坯体的可控快速升温降温处理，制得具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷。2.根据权利要求1所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述磷酸三钙粉体的平均粒径尺寸100-400nm，纯度大于95％。3.根据权利要求1所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述磷酸三钙坯体的压制压力为10-20mpa，压制后坯体厚度为1～10mm。4.根据权利要求1所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述碳质加热载具由上下两层导电碳毡并联而成，并通过金属导线与外部程控电源相连。5.根据权利要求4所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述磷酸三钙陶瓷坯体放置于并联导电碳毡之间，且保证陶瓷表面与导电碳毡之间为无间隙的直接接触。6.根据权利要求1所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述升温为阶梯升温至1000-1200℃后，保温30-900s，保温阶段的碳质载具单位面积功率为20～40w/cm2；所述降温为阶梯降温至室温。7.根据权利要求6所述的一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷的制备方法，其特征在于，所述阶梯升温速率为5-20℃/s，降温速率为5-20℃/s。8.一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。9.根据要求8所述的具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷，其特征在于，所述陶瓷材料表面的晶粒尺寸分布在100～1000nm，平均气孔率小于20％。10.根据要求要求8所述的具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷，其特征在于，所述陶瓷材料具有良好的生物相容性，体外细胞培养实验显示骨髓间充质干细胞在材料表面粘附状态良好，能观察到板状和丝状伪足。

技术总结
本发明涉及生物医用材料技术领域，公开了一种具有细小晶粒表面的磷酸三钙生物活性陶瓷及其制备方法，包括如下制备步骤：将磷酸三钙粉体压制成坯体，并置于连接有程控电源的碳质加热载具中，利用碳质材料的受控焦耳热效应和耐热冲击特性，在惰性气氛下通过调控电源的输出功率，实现载具和其上磷酸三钙陶瓷坯体的可控快速升温降温处理，即可制得具有细小晶粒表面结构的磷酸三钙陶瓷。体外骨髓间充质干细胞(BMSCs)培养实验显示，与相同原料经马弗炉制备的传统磷酸三钙陶瓷相比，骨髓间充质干细胞在具有细小晶粒表面的磷酸三钙陶瓷材料上伸展出更多的伪足，铺展面积更大，且具有更好的促成骨分化能力。的促成骨分化能力。的促成骨分化能力。


技术研发人员：王迎军 徐丹蕾 况宇迪 赵娜如 刁静静
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/9/12