本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別涉及一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷及該生物陶瓷的制備方法。
背景技術(shù)：
生物陶瓷是與生物體有關(guān)的新型陶瓷，生物陶瓷不僅具有不銹鋼塑料所具有的特性，而且具有親水性、能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性。
生物陶瓷材料分為生物惰性陶瓷材料和生物活性陶瓷材料，羥基磷灰石生物陶瓷屬于生物活性陶瓷，羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與生物骨相似，因此，合成的羥基磷灰石生物陶瓷常用作骨骼的替代或修復(fù)材料。
碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，具有徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。生物醫(yī)學(xué)材料是對于碳納米管研究利用的新的領(lǐng)域。
關(guān)于碳納米管的生物利用的研究中，有科學(xué)家將成骨細(xì)胞接種到碳納米管上，考察其增殖和功能，發(fā)現(xiàn)碳納米管促進(jìn)細(xì)胞增殖，增加了堿性磷酸酶活性、細(xì)胞內(nèi)蛋白合成和細(xì)胞外鈣沉積。雖然，碳納米管有一定的細(xì)胞毒性，但是其優(yōu)良的性能，還是帶動了其在生物材料的應(yīng)用。
申請?zhí)枮?01210555876.3的專利文獻(xiàn)“碳納米管增強(qiáng)羥基磷灰石復(fù)合材料的制備方法”公開了一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合材料的制備方法，是在羥基磷灰石粉體中合成碳納米管，并利用羥基磷灰石進(jìn)行碳納米管表面修飾，進(jìn)而制備碳納米管增強(qiáng)羥基磷灰石復(fù)合材料的方法，先用碳酸鎳與羥基磷灰石粉末制備碳納米管-羥基磷灰石粉末，再制備羥基磷灰石修飾的碳納米管-羥基磷灰石粉末，最終制得碳納米管增強(qiáng)羥基磷灰石復(fù)合材料。
由此可知，該技術(shù)方案提供的復(fù)合材料，是利用羥基磷灰石進(jìn)行碳納米管表面修飾，以提高碳納米管與羥基磷灰石基體之間浸潤性，并有助于材料的成型，是一種行之有效的復(fù)合材料制備方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明解決的技術(shù)問題：針對上述不足，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案：一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，其中，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為5-20μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為50-200nm；
其中，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為10-20:1。
作為優(yōu)選，所述羥基磷灰石根據(jù)水熱法制備而成。
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷的制備方法，制備步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：通過水熱法制備羥基磷灰石，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至600-800℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為85-110℃，通入氬氣保護(hù)氣體，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為30-60r/min，反應(yīng)時間20-60min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.2-2GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1100-1500℃，壓力2-5GPa，時間1-3h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
作為優(yōu)選，步驟（2）進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)中氬氣的氣體流量為100-400ml/min。
作為優(yōu)選，步驟（5）高溫煅燒的溫度為1250-1400℃。
作為優(yōu)選，步驟（4）中高溫煅燒的壓力2.5-4GPa。
有益效果：本發(fā)明提供的羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，是以羥基磷灰石為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)之上利用碳納米管優(yōu)良的機(jī)械性能和其對于骨骼細(xì)胞的增殖作用來使得復(fù)合生物陶瓷具有較高的骨損傷修復(fù)性能。
碳納米管是一種優(yōu)良的材料，但是其在固體中的分散性能較差，會因聚集而導(dǎo)致性能下降。簡單將碳納米管和羥基磷灰石粉體混合后高溫煅燒，會因?yàn)樘技{米管與羥基磷灰石基體之間浸潤性差與界面結(jié)合強(qiáng)度低的特點(diǎn)，導(dǎo)致相互之間的作用較小，而只能以單獨(dú)的形態(tài)存在，從而不利于性能上的加強(qiáng)，且表面負(fù)載碳納米管的羥基磷灰石粉體難以成型的特點(diǎn)，也導(dǎo)致復(fù)合陶瓷材料的機(jī)械性能不佳。
因此，本發(fā)明利用化學(xué)氣相沉積法，在羥基磷灰石粉體表面包覆一層緊密二氧化硅納米粒子層，通過二氧化硅和碳納米管在高溫固相中的作用，而將碳納米管與羥基磷灰石粉體相結(jié)合，達(dá)到性能上的增強(qiáng)，得到的復(fù)合陶瓷材料不僅具有較好的機(jī)械性能，其生物功能性也較佳，且克服了生物相容性不足的缺陷。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解， 這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
實(shí)施例 1：
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為20:1。
根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：將CaHPO4與CaCO3按物質(zhì)的量之比6：4進(jìn)行配料；然后進(jìn)行濕法球磨，時間24h；將球磨好的漿料倒入容器中，加入蒸餾水，在90℃恒溫情況下進(jìn)行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至735℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為90℃，通入氬氣保護(hù)氣體，200ml/min，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為60r/min，反應(yīng)時間30min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
經(jīng)檢測，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為10μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為70nm；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.5GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1300℃，壓力3GPa，時間2h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
對得到的塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷進(jìn)行性能檢測：密度3.12kg/m3；抗壓強(qiáng)度450MPa；抗彎強(qiáng)度470MPa；韌性10MPa·m1/2；彈性模量28GPa。
實(shí)施例 2：
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為10:1。
根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：將CaHPO4與CaCO3按物質(zhì)的量之比6：4進(jìn)行配料；然后進(jìn)行濕法球磨，時間24h；將球磨好的漿料倒入容器中，加入蒸餾水，在90℃恒溫情況下進(jìn)行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至750℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為95℃，通入氬氣保護(hù)氣體，200ml/min，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為30r/min，反應(yīng)時間45min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
經(jīng)檢測，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為10μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為60nm；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.5GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1300℃，壓力3GPa，時間2h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
對得到的塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷進(jìn)行性能檢測：密度3.07kg/m3；抗壓強(qiáng)度410MPa；抗彎強(qiáng)度420MPa；韌性11MPa·m1/2；彈性模量23GPa。
實(shí)施例 3：
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為15:1。
根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：將CaHPO4與CaCO3按物質(zhì)的量之比6：4進(jìn)行配料；然后進(jìn)行濕法球磨，時間24h；將球磨好的漿料倒入容器中，加入蒸餾水，在90℃恒溫情況下進(jìn)行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至800℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為100℃，通入氬氣保護(hù)氣體，300ml/min，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為60r/min，反應(yīng)時間40min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
經(jīng)檢測，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為10μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為150nm；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.5GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1350℃，壓力3GPa，時間2h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
對得到的塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷進(jìn)行性能檢測：密度3.13kg/m3；抗壓強(qiáng)度450MPa；抗彎強(qiáng)度460MPa；韌性12MPa·m1/2；彈性模量25GPa。
實(shí)施例4：
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為12:1。
根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：將CaHPO4與CaCO3按物質(zhì)的量之比6：4進(jìn)行配料；然后進(jìn)行濕法球磨，時間24h；將球磨好的漿料倒入容器中，加入蒸餾水，在90℃恒溫情況下進(jìn)行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至650℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為90℃，通入氬氣保護(hù)氣體，200ml/min，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為30r/min，反應(yīng)時間60min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
經(jīng)檢測，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為10μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為110nm；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.5GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1350℃，壓力3.5GPa，時間2h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
對得到的塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷進(jìn)行性能檢測：密度3.11kg/m3；抗壓強(qiáng)度460MPa；抗彎強(qiáng)度480MPa；韌性11MPa·m1/2；彈性模量24GPa。
實(shí)施例5：
一種羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，復(fù)合生物陶瓷由包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管構(gòu)成，包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體與碳納米管的質(zhì)量之比例為16:1。
根據(jù)本發(fā)明提供的制備方法制備羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷，步驟如下：
（1）制備羥基磷灰石粉體：將CaHPO4與CaCO3按物質(zhì)的量之比6：4進(jìn)行配料；然后進(jìn)行濕法球磨，時間24h；將球磨好的漿料倒入容器中，加入蒸餾水，在90℃恒溫情況下進(jìn)行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，然后干燥研磨過篩；
（2）將羥基磷灰石粉體放入化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室中，進(jìn)行化學(xué)氣相沉積反應(yīng)：預(yù)熱至728℃，以正硅酸乙酯為原料，控制原料的蒸發(fā)溫度為92℃，通入氬氣保護(hù)氣體，300ml/min，反應(yīng)室旋轉(zhuǎn)速率為45r/min，反應(yīng)時間40min，反應(yīng)結(jié)束后，待冷卻至室溫，取出；
經(jīng)檢測，羥基磷灰石粉體的平均粒徑為10μm，表面包覆的二氧化硅粒子層的厚度為120nm；
（3）將包覆有二氧化硅納米粒子層的羥基磷灰石粉體和碳納米管放入球磨機(jī)進(jìn)行研磨分散，混合均勻之后，真空干燥；
（4）將干燥后的混合粉體進(jìn)行在1.5GPa壓力下冷壓成型；
（5）將成型后的材料進(jìn)行高溫煅燒，溫度為1400℃，壓力4GPa，時間1.5h；
（6）煅燒之后，待冷卻取出，即得到塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷。
對得到的塊狀羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合生物陶瓷進(jìn)行性能檢測：密度3.10kg/m3；抗壓強(qiáng)度420MPa；抗彎強(qiáng)度430MPa；韌性10MPa·m1/2；彈性模量26GPa。
對所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實(shí)施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。