一种镁/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种镁/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法 (Preparation method of magnesium/hydroxyapatite porous composite material ) 是由 孟增东 张玉勤 罗丽琳 朱斌 李晶莹 于 2020-12-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种镁/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法,属于生物医用材料技术领域。本发明所述方法为：以金属镁粉和纳米羟基磷灰石为原料,镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比1％～10％:99％～90％进行配比,称取,球磨,烘干,研磨后得到复合粉末；将复合粉末与医用级碳酸氢铵按体积百分比40％～60％:60％～40％进行混合,混合均匀压制得到长条状坯体；采用放电等离子烧结制备出镁/羟基磷灰石多孔复合材料。本发明所制备出的复合材料孔隙率在40％～60％和孔径尺寸在100～500μm且可控；根据实际的需求,制备出满足各种不同需求的复合材料,如骨支架、骨填充及硬组织缺损部分的修复材料等。(The invention discloses a preparation method of a magnesium/hydroxyapatite porous composite material, belonging to the technical field of biomedical materials. The method comprises the following steps: taking metal magnesium powder and nano-hydroxyapatite as raw materials, proportioning the magnesium powder and the nano-hydroxyapatite according to the mass ratio of 1-10% to 99-90%, weighing, ball-milling, drying and grinding to obtain composite powder; mixing the composite powder with medical ammonium bicarbonate in the volume ratio of 40-60% to 60-40%, and pressing to obtain long blank; and preparing the magnesium/hydroxyapatite porous composite material by adopting spark plasma sintering. The porosity of the composite material prepared by the invention is 40-60%, and the pore size is 100-500 mu m and is controllable; according to actual requirements, composite materials meeting various different requirements are prepared, such as bone scaffolds, bone filling materials, repair materials for hard tissue defect parts and the like.)
技术领域
本发明涉及一种镁/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法，属于生物医用材料领域制备技术。
背景技术
生物医用复合材料是指两种或两种以上的不同生物医用材料复合而成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。自然界中和人体组织中很多是天然的复合材料，如人体骨骼是由胶原、蛋白质与无机物的一种纤维增强复合材料。传统的单一种类生物医用材料，某些方面能很好满足生物医用，但在另外一些方面却达不到标准，甚至会产生反作用，不能满足临床应用。利用不同性质的材料复合而成的生物医用材料，不仅具有组分材料的性质，还能得到单组分材料不具备的新特性。
申请号为CN201310031015.X的中国专利公开了一种镁或镁合金-多孔羟基磷灰石复合材料及其制备方法，该制备方法采用采用挤压铸造法，先用压头施加较低压力使镁或镁合金熔体浸渗到多孔羟基磷灰石的孔洞中，然后在镁或镁合金熔体凝固过程中施加较高的压力，以控制凝固后镁或镁合金的组织。临床实践一般认为，对于多孔生物材料而言，大孔尺寸在400～600μm之间有利于血管和骨组织长入，小孔尺寸在50～100μm之间有利于成骨细胞在孔洞内游移，而孔隙之间的连通率和连通大小是影响骨组织顺利生长入孔隙的关键。采用有机泡沫提前制备出模板(多孔材料)，再通过挤压铸造进行制备，虽然该方法可以对孔的形状大小进行精确设计，但是不制备出大小孔并存与通孔结构；而且镁或镁合金在体液环境易快速降解，产生气体，诱发炎症等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有方法制备的镁或镁合金-多孔羟基磷灰石复合材料成分结构不均匀，存在诱发炎症和导致细胞毒害的风险。
本发明通过改变孔隙率、孔隙尺寸与镁的含量，采用放电等离子体烧结技术，制备出可以满足不同需求的镁/羟基磷灰石多孔复合材料，在生物学和力学特性上与天然骨比较接近。
为了达到上述目的，本发明提供一种镁/羟基磷灰石多孔复合材料的制备方法，主要包括下列几个步骤：
(1)选用金属镁粉和纳米羟基磷灰石作为原料，其中，镁粉的质量百分比为1％～10％，纳米羟基磷灰石的质量百分比为99％～90％。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，放入不锈钢磨球，并将其抽真空，上述过程均在真空手套箱中完成；球磨完成后，进行烘干、研磨得到复合粉末。
(3)将步骤(2)得到的复合粉末与医用级碳酸氢铵粉末按体积百分比40％～60％:60％～40％进行混合，在自制的不锈钢模具内壁均匀地涂上适量凡士林，向模具中加入混合粉末，置于压力机上进行预压，将其压制成长条状预压坯。
(4)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-3～10-4Pa后，以100～150℃/min的升温速率升温至700～900℃，保温2～3min，然后以25～50℃/min的升温速率升温至800～1000℃，保温5～10min；烧结完成后，随炉冷却至室温后，获得镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
优选的，本发明所述步骤(1)中纳米羟基磷灰石的纯度≥99.9％，粒径为150～300nm；金属镁粉的纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm。
优选的，本发明所述步骤(2)中球磨的条件为：不锈钢球磨罐内的真空度为8～10Pa，将不锈钢球磨罐在行星式球磨机上固定，以200～300r/min的转速球磨2h后，待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至8～10Pa，再以300～400r/min的转速球磨6～8h。
优选的，本发明所述步骤(2)中，不锈钢磨球和原料的球料比为4:1～3:1，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15～3:10:20。
优选的，本发明步骤(2)中烘干过程为在真空干燥箱中进行，干燥箱的真空度为8～10Pa，烘干温度为30～40℃。
优选的，本发明步骤(3)所述碳酸氢铵粉末的纯度为分析纯，粒径为100～300μm；混合过程中在氩气环境下进行，混料机以50～100r/min转速混合20～30min。
优选的，本发明步骤(3)中的预压过程为单向加压，加载速率为1～3KN/min，压力为400～450MPa，保压20～30min。
优选的，本发明所述自制的不锈钢模具的结构为：圆柱状外体：Φ75mm×H30mm；矩形内腔：a15mm×b5mm×c30mm。
优选的，本发明所述自制的石墨模具的结构为：圆柱状外体：Φ15.5mm×H17.5mm；矩形内腔：a5.5mm×b5.5mm×17.5mm；堵头：Φ10mm×10mm，与石墨模具矩形内腔吻合。
除特殊说明外，本发明所有质量百分比均为质量百分比。
本发明的有益效果：
(1)目前制备多孔生物复合材料的方法有挤压铸造、真空渗流铸造法、粉末冶金法、激光打孔法等；本发明采用SPS放电等离子烧结技术来制备，可以有效避免HA分解，极易实现活性元素的晶格替代和均匀分布，快速的升温速率使预压坯表面粉末快速熔化，形成不易发生改变的多孔结构，从而避免采用粘结剂，解决了现有制备方法制备材料成分不均匀的问题。
(2)本发明可以根据实际需要，通过调整造孔剂碳酸氢铵的粒径和比例，来制备不同孔隙率(40％～60％)和不同孔径大小(100～500μm)的复合材料，从而满足骨支架、骨填充及硬组织缺损部分的修复材料等的需求。
(3)本发明选择羟基磷灰石为基体，在其添加镁粉，制备出镁/羟基磷灰石多孔复合材料，植入后，材料表面的羟基磷灰石与体液接触，通过Ca2+，PO4 3-和OH-的交换，逐步溶解；随着羟基磷灰石的降解，其中被包覆的镁慢慢地露出，镁离子缓慢的释放，避免镁在体液环境快速降解，导致气体产生，诱发炎症；通过控制材料的孔隙含量及孔径大小比例来控制其比表面积，即材料与体液的接触面积，使镁离子做到缓慢且长效释放，持续刺激成骨细胞的增殖和分化。
附图说明
图1本发明所述自制的不锈钢模具示意图；
图2本发明所述自制的石墨模具示意图；
图3本发明实施例2制备的镁/羟基磷灰石多孔复合材料的表面形貌图；
图4本发明实施例2制备的镁/羟基磷灰石多孔复合材料的14d矿化形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例所述自制的不锈钢模具的结构为：圆柱状外体：Φ75mm×H30mm；矩形内腔：a15mm×b5mm×c30mm，如图1所示。所述自制的石墨模具的结构为：圆柱状外体：Φ15.5mm×H17.5mm；矩形内腔：a5.5mm×b5.5mm×17.5mm；堵头：Φ10mm×10mm，与石墨模具矩形内腔吻合，如图2所示。
实施例1
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，其中镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比1％:99％进行配比。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为4:1放入适量的不锈钢磨球，并将其抽真空至8Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以200r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至8Pa，再以300/min的转速球磨6h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为35℃，真空度为8Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为50％:50％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以50r/min的转速混合20min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以1KN/min的加压速率加压至400MPa，保压20min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-3Pa后；以100℃/min的升温速率升温至700℃，保温1min；然后以50℃/min的升温速率升温至800℃，保温5min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
实施例2
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比3％:97％进行配比和称取。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为3:1放入适量的不锈钢磨球，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15，并将其抽真空至9Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以200r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至9Pa，再以300/min的转速球磨8h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为40℃，真空度为10Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为50％:50％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以50r/min的转速混合20min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以1KN/min的加压速率加压至400MPa，保压20min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-3Pa后；以100℃/min的升温速率升温至700℃，保温1min；然后以50℃/min的升温速率升温至800℃，保温5min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
实施例3
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比5％:95％进行配比和称取。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为3:1放入适量的不锈钢磨球，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15，并将其抽真空至10Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以300r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至10Pa，再以400/min的转速球磨8h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为40℃，真空度为10Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为40％:60％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以100r/min的转速混合30min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以3KN/min的加压速率加压至450MPa，保压30min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-4Pa后；以150℃/min的升温速率升温至700℃，保温3min；然后以50℃/min的升温速率升温至800℃，保温10min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
实施例4
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比7％:93％进行配比和称取。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为3:1放入适量的不锈钢磨球，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15，并将其抽真空至10Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以300r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至10Pa，再以400/min的转速球磨8h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为40℃，真空度为10Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为60％:40％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以100r/min的转速混合30min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以3KN/min的加压速率加压至450MPa，保压30min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-4Pa后；以150℃/min的升温速率升温至700℃，保温3min；然后以50℃/min的升温速率升温至800℃，保温10min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
实施例5
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比7％:93％进行配比和称取。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为3:1放入适量的不锈钢磨球，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15，并将其抽真空至10Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以300r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至10Pa，再以400/min的转速球磨8h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为40℃，真空度为10Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为50％:50％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以100r/min的转速混合30min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以3KN/min的加压速率加压至450MPa，保压30min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-4Pa后；以150℃/min的升温速率升温至700℃，保温3min；然后以50℃/min的升温速率升温至800℃，保温10min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
实施例6
(1)以纯度为99.95～99.99％，粒径为10～20μm的金属镁粉和纯度≥99.9％，粒径150～300μm的纳米羟基磷灰石为原料，镁粉与纳米羟基磷灰石按质量比7％:93％进行配比和称取。
(2)将步骤(1)称取的粉末放入不锈钢球磨罐中，按照球料比为3:1放入适量的不锈钢磨球，其中磨球质量比为大球：中球：小球＝2:8:15，并将其抽真空至10Pa，上述过程均在真空手套箱中完成；在行星式球磨机上固定，以250r/min的转速球磨2h后；待罐体温度下降至室温后，将罐体再次抽真空至10Pa，再以350/min的转速球磨8h。
(3)在真空手套箱中将步骤(2)得到的浆料倒入培养皿中，将培养皿放进真空干燥箱，箱内烘干温度为40℃，真空度为10Pa；将复合粉末与碳酸氢铵按照体积百分比为40％:60％进行混合，混合过程中在氩气环境下进行，混料机以100r/min的转速混合30min。
(4)在自制的不锈钢模具内壁均匀涂上适量凡士林，向模具中加入步骤(3)得到的混合粉末，将模具放置在压力机中以3KN/min的加压速率加压至450MPa，保压30min后，卸载得到长条状预压坯。
(5)在自制的石墨模具放入步骤(4)所得的长条状预压坯，置于放电等离子烧结炉中，烧结炉内部真空度抽至10-4Pa后；以150℃/min的升温速率升温至800℃，保温2min；然后以50℃/min的升温速率升温至1000℃，保温5min。烧结完成后，随炉冷却至室温后，得到镁/羟基磷灰石多孔复合材料。
对上述实施所制备的镁/羟基磷灰石多孔复合材料中的镁元素进行ICP-OES检测，发现烧结后的镁含量与预设含量差异不大，符合预期，具体结果见表1。
表1镁/羟基磷灰石多孔复合材料中的镁元素含量
采用阿基米德排水法对上述实施所制备复合材料进行孔隙率的测定；材料的力学性能(抗压强度)按照GB/T 4740-1999标准在力学试验机测试。为保证结果具有统计学意义，多次测试取其平均值。测试结果详见表2。
表2镁/羟基磷灰石多孔复合材料的孔隙率和抗压强度
采用扫描电镜对矿化前后复合材料的表面形貌进行分析，图3为实施例2制备的复合材料在矿化前的表面形貌图，由图可以看出：复合材料具有三维互联、大小孔并存的多孔结构，其孔隙含量在46％左右，大孔的孔径尺寸在200～300μm，微孔的孔径尺寸<10μm，大小孔交叉且分布均匀；相比于当前其他方法所得类似复合材料，本发明选择的制备工艺更为简单可控，镁的分布更均匀，可达到长期缓慢释放诱导成骨，避免炎症和细胞毒害的目的；同时，保持了材料的孔隙结构，增大了材料的比表面积，有利于体液在材料间的流动，也为骨细胞黏附，血管的长入和血管网的形成以及骨组织的长入提供空间和通道。
图4为实施例2制备的复合材料在矿化14天后的表面形貌图，在模拟人工体液(SBF)浸泡14d后，复合材料表面沉积大量类骨磷灰石，其基体大部分被磷灰石覆盖。相比于当前其他方法所得类似复合材料，本发明所制得的材料由于成分和结构更均匀而使成骨速率快且骨组织分布均匀；同时，多孔结构及镁被包裹的方式提高的材料的降解速率，可使材料的降解速率与成骨速率更为匹配。
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