[发明专利]纳米/微米晶梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于生物医学材料领域，具体涉及一种纳米/微米晶梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料及其制备方法和应用。

技术背景

理想的硬组织修复生物材料应同时兼备良好的生物学特性和力学特性等多重功能要求。生物学性能主要是希望其具有良好的生物相容性、骨传导性、骨诱导性和可降解、吸收能力。力学性能包括抗压、抗弯强度，弹性模量等多个综合指标应当最大限度地接近或与天然骨的力学性能相匹配。

现有研究认为，材料的化学组成、界面以及微观结构对其生物学特性功能具有决定意义。纳米生物材料由于具有的独特“纳米效应”和“界面特征”，如小尺寸效应、高比表面积、表面/界面效应等特性在硬组织工程修复领域具有诱人的应用前景。纳米尺度的磷酸钙与天然硬组织在化学成分、结构和尺度上具有进一步的相似性，纳米生物材料中的晶粒、晶界及其结合都处于纳米级水平。晶粒细化，晶界数量大幅度增加，可有效提高材料与生物环境之间的界面交互作用，促进相关蛋白、细胞的吸附与黏附，从而使得纳米生物材料具的优良的生物学性能。目前，尽管有众多关于合成、制备和评价纳米磷酸钙材料的研究报道，但在其具体的材料应用中，纳米磷酸钙大多以分散形式，如溶液微粒、胶体，或者是以第二相的形式掺杂复合于其他基体材料（如高分子材料，胶原等）之中。然而制备块体状的纳米磷酸钙材料由于其烧结工艺制约仍是一大技术难题。在材料烧结过程中，随着温度升高和时间的延长，纳米固体颗粒相互熔接，晶界逐渐合并减少，容易导致材料晶粒长大，从而无法得到纳米晶体的磷酸钙陶瓷材料。从工艺本身看，纳米陶瓷的制备流程同普通陶瓷并无太大的区别，一般遵循粉体-成型-烧结的工序，但从技术应用层面看，纳米陶瓷的制备技术极其苛刻。

在满足硬组织修复生物材料多功能特性需求上，功能梯度材料（Functionally　graded　materials，FGM）的设计具有巨大优势。梯度功能材料的概念是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1987年首先提出的，功能梯度生物材料借鉴了功能梯度的材料设计思想，通过对材料的组分、结构设计，使材料不同部位具有不同的功能性能，从而使材料整体表现出多重的功能特性以满足生物材料的多功能要求。迄今为止，人们已探索出一些基本的研究方法，制备出一些梯度功能生物材料并取得了一定的效果，但是，现有的梯度功能生物材料基本上都是金属-陶瓷功能梯度材料。这类金属-陶瓷功能梯度材料在临床应用中，普遍存在涂层与基底结合强度不够、涂层降解易使金属基底再次裸露等问题。因此，新一代的梯度功能生物材料尚有待于进一步优化发展，以满足生物材料的多功能特性要求和可靠、安全的目的。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而开发的一种纳米/微米晶梯度结构多功能磷酸钙生物陶瓷材料。其特点是通过构置烧结温度梯度分布场获得具有纳米、微米晶体梯度变化结构的生物陶瓷材料。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种纳米/微米晶梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料，包括纳米晶体结构层、纳米/微米晶体结构过渡层、微米晶体结构层。所述材料同时具有良好的生物学功能、与天然骨组织相匹配的力学功能等梯度功能特性。材料中的纳米晶体结构层赋予材料独特的生物活性，确保材料的生物学特殊功能需求，促进材料与生物组织界面形成，增强骨连接和愈合功能，微米晶体结构层保证材料的力学性能，并且可通过调节纳米晶体结构层和微米晶体结构层的结构组合以匹配材料与天然硬组织的力学性能，从而满足生物材料的多功能需求目的，通过所述纳米/微米晶体结构过渡层使生物活性层与力学性能层之间结合紧密，使用过程中不会产生剥离、分层脱落等现象。

作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料中，纳米晶体结构层与微米晶体结构层之间通过纳米/微米晶体结构过渡层进行连续梯度地过渡和连接，层与层之间无明显界限。

作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料中，所述磷酸钙为羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、元素掺杂改性磷酸钙中的至少一种。

作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料中，所述材料具有核壳结构，由内到外分别为微米晶体结构中心层、纳米/微米晶体结构过渡层、纳米晶体结构表面层。

作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷材料中，所述材料具有三层结构，分别为位于两端的微米晶体结构层和纳米晶体结构层以及位于所述中心层和表面层之间的纳米/微米晶体结构过渡层。