CN111646822A - 一种氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法及制备的改性氧化锆陶瓷 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法及制备的改性氧化锆陶瓷，首次通过简单高压水热处理途径，于氧化锆陶瓷表面成功制备了系列孔径可控的新型蜂巢状纳米结构，所获得的纳米结构为表面原位生长，主要成分为磷酸氢锆，可显著地提高材料表面饰瓷或树脂胶的粘接性能，分别提高约10或7MPa，且有效地促进了表面成骨细胞的增殖及成骨分化性能，具有良好的临床应用前景。
Description
技术领域
本发明属于生物医用材料领域，涉及一种氧化锆陶瓷表面蜂巢状纳米结构的制备方法及制备的改性氧化锆陶瓷。
背景技术
氧化锆表面具有很强的化学稳定性、改性困难，所以其与表层饰瓷或树脂胶的粘接性能欠佳，同时也缺乏与周围骨组织间的自主整合能力。目前，用于氧化锆表面形貌的改性方法主要包括喷砂、酸蚀、喷砂酸蚀、激光及选择性渗透酸蚀等。这些方法都可以改变氧化锆表面形貌结构，但是这些制备方法仅仅是表面无规则的蚀刻，难以有意识地制备一些有利于调控成骨相关细胞功能的纳米结构，也难以产生用于后期功能化所需要的化学基团。另外，表面功能化涂层构建也是氧化锆材料的常用改性策略，利用磷酸钙等生物活性材料制备的表面涂层可以增强氧化锆陶瓷生物活性。但涂层最大的问题是涂层与基材间的结合力不够，在长期的应用中涂层容易从陶瓷表面剥脱，限制了它们的临床应用。所以如何通过简单途径，实现氧化锆陶瓷表面功能化修饰，是解决氧化锆陶瓷临床问题的关键瓶颈问题之一。
发明内容
本专利旨在于氧化锆陶瓷表面制备系列蜂巢状纳米结构的制备方法。该制备方法操作简便、重复性好、可控性强。以及利用该方法制备的氧化锆陶瓷，具有良好的生物活性，且可显著地提高表面饰瓷及树脂胶的粘接性能，拥有良好的临床应用前景。
为了实现上述目的，本发明提供下述技术路线：
氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，主要步骤如下：
将打磨处理后的氧化锆材料置于大于1wt％以及小于2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中80-160℃温度下处理12-36h后或者将打磨处理后的氧化锆材料置于0.5-1wt％或者大于等于2.5并且小于5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中120-160℃温度下处理12-36h后，再进行二次煅烧处理，得到具有原位生长的蜂窝状纳米结构的氧化锆陶瓷。
优选的，利用100-2000目的砂纸对氧化锆陶瓷进行表面打磨处理。
优选的，将打磨处理后的氧化锆材料置于1-2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中120-160℃温度下处理12-36h。
优选的，将打磨处理后的氧化锆材料置于2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中160℃温度下处理24h。
优选的，所述高压反应釜为聚四氟乙烯内胆材质的高压反应釜。
优选的，高压反应釜反应制备的样品于去离子水中超声清洗，烘干后进行二次煅烧。
优选的：所述煅烧条件为800-1100℃条件下煅烧10-30min。
优选的：所述煅烧条件为950℃条件下煅烧15min。
本发明还提供上述任一保护的一种制备方法所制备的改性氧化锆陶瓷。
本发明的显著优点在于：通过简单的高压水热途径，在高温条件下，在保压的反应容器中，通过调节温度来控制压力，实现高温和高压双重条件下，采用稀磷酸来酸蚀，于氧化锆陶瓷表面首次构建了不同孔径的蜂巢状纳米结构。这些新型纳米结构可显著地提高氧化锆的生物活性及饰瓷/树脂胶粘接性能，解决目前氧化锆陶瓷难以生物功能化的难题，为其表面改性设计提供新思路。该制备方法操作简便、重复性好、可控性强；利用该方法制备的氧化锆植入体表面具有规则、孔径可控的蜂巢状纳米结构，且具有良好的生物活性及饰瓷/树脂胶粘接性能，在牙种植领域有重要的研究价值和临床意义。
附图说明：
图1：不同样本的表面扫描电镜(SEM)图(A)及孔径尺寸统计图(B)。
图2：不同样本的三点弯曲强度(A)及洛氏硬度(B)统计图。
图3：不同样本表面Zr、0、P、Y元素的XPS特征峰及拟合图谱。
图4：不同样本表面饰瓷(A)及树脂胶(B)的结合强度；置信区间为99.5％(*p ＜0.05)。
图5：不同样本表面MC3T3-E1成骨细胞的细胞活性(A)及矿化水平(B)；置信区间为99.5％(*p＜0.05)。
具体实施方式：
为了使本研究发明的技术方案以及优点更为清晰，下面将根据附图对本发明的实施方案进行详细描述。
本发明通过简单水热高压处理途径，于氧化锆陶瓷表面成功制备了系列孔径可控的新型蜂巢状纳米结构。在构建过程中，诸多因素会影响蜂巢状纳米结构的构建，反应釜中磷酸体积及浓度、水热处理温度及时间、二次煅烧温度及时间等，不同的控制条件将影响到目的材料的制备及其综合生物学性能。本发明对上述影响因素进行了考察，结果显示：利用100、400、1000、2000目的梯度砂纸对氧化锆陶瓷逐级打磨后，将样本置于25mL浓度为1.0或2.5wt％的稀磷酸溶液中，密封高压反应釜后在120或160℃温度条件下反应24h，并进一步于950℃条件下煅烧15min后，即可获得30-145nm范围内不同孔径的理想蜂巢状纳米结构。
实施例1、氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备及理化特性表征蜂窝状纳米结构制备：首先，利用100、400、1000、2000目的砂纸对氧化锆陶瓷进行逐级打磨处理；清洗后将样本置于高压反应釜的聚四氟乙烯内胆中，进一步倒入25mL浓度为0.5、1.0、2.5或5.0wt％的稀磷酸溶液后密封高压反应釜，并于80、120或160℃温度下反应24h；最后，所制备的样本于去离子水中超声清洗2min，烘干后于950℃条件下煅烧15min备用。
以上步骤制备所得样本的扫描电镜(SEM)图片如图1所示：纯氧化锆(ZrO2) 表面有轻微划痕出现；0.5wt％磷酸处理时，80℃组样本表面出现少量片状结构，但未形成明显的孔状结构，而120℃和160℃组可观测到明显的蜂巢状结构，孔径分别约为27.6±9.8nm和47.2±10.7nm；1.0wt％磷酸处理时，三个温度组均观测到明显的蜂巢状纳米结构，孔径分别约为26.2±8.0nm (80℃)、33.8±10.5nm(120℃)和85.7±20.7nm(160℃)；2.5wt％磷酸处理时，80℃组无纳米结构出现，而120℃和160℃组孔径分别约为65.2±19.3nm和145.3±34.2nm；另外，5.0wt％磷酸处理时，所有组均无蜂巢状结构形成(仅160℃组出现片状结构)。上述结果证明：在一定酸浓度范围内(0.5-2.5wt％)，随着水热温度升高，目的样本表面纳米结构的孔径逐渐增大；但酸浓度过高(5.0wt％)时，蜂巢状纳米结构却不能形成。这可能与溶液中磷酸氢根的电离程度及浓度密切相关：众所周知，温度升高可加速磷酸电离及磷酸氢根形成，进而促进蜂巢状磷酸氢锆纳米结构形成；而高浓度磷酸将抑制自身电离，所以随着反应釜中磷酸初始浓度升高，溶液中磷酸氢根越来越少，进而影响磷酸氢锆沉积物形成。另外，若样本不进行打磨剖光预处理，所形成的磷酸氢锆沉淀将围绕表面微米级氧化锆颗粒沉积，无法获得理想的蜂巢状纳米结构。
实验例2、不同样本抗弯强度及硬度检测
取厚度为0.3cm，边长为2cm的方形氧化锆陶瓷，按照上述实验步骤制备样本后进行强度及硬度检测。首先，使用万能力学试验机进行三点抗弯曲强度测试：实验机压头直径0.2cm，跨距2cm，加载速度0.5mm/min，三点抗弯曲强度计算公式为R＝(3F*L)/(2b*h*h)：F为试件断裂时的载荷(N)，L为跨距 (mm)，b为样本宽度(mm)，h为样本厚度(mm)。其次，利用洛氏硬度计测量各样本的硬度：使用锥形金刚石钻头进行实验，载荷60kg，负载时间10s。
图2表明：所有样本的抗弯强度(图2A)及硬度(图2B)均相似，无显著性差异；硬度和强度分别约为1200MPa和88HRA。上述结果表明，稀磷酸环境下高压水热处理未对氧化锆陶瓷的强度及硬度造成损害。
实验例3、不同样本表面沉积物的组分检测
因为80℃(1.0wt％)、120℃(2.5wt％)、160℃(1.0wt％)、160℃ (2.5wt％)样本的表面纳米结构重复性好，且孔径分布广(30-140nm，覆盖了该专利中各组纳米结构的孔径尺寸)，所以我们选择它们及ZrO2未修饰对照组样本进行表面组分检测实验。X射线光电子能谱(XPS)被用于检测各样本的表面组分，其检测功率为150W，目标结合能以C1s 284.8进行校准。
图3表明：与ZrO2相比，样本表面出现明显的P特征峰；随着处理温度及磷酸浓度升高，结晶相Zr的特征峰[Zr3d5/2(O-Zr-O)和Zr3d3/2(O-Zr-O)]逐渐减弱，而与磷酸根结合Zr的特征峰[Zr3d5/2(P-O-Zr)和Zr3d3/2(P-O-Zr)]逐渐增强； O逐渐由晶格氧(Zr-O，Y-O)向表面氧(P-O，H2O)转化，且Y特征峰逐渐消失。上述XPS结果证实，材料表面纳米结构组分为磷酸氢锆[Zr(HPO4)2·H2O]。上述结果进一步证实，目的材料被成功的制备，且组分主要为磷酸氢锆。
实验例4、不同样本表面饰瓷或树脂胶的结合强度检测
选取ZrO2未修饰组、80℃(1.0wt％)、120℃(2.5wt％)、160℃(1.0 wt％)及160℃(2.5wt％)五组样本进行表面饰瓷或树脂胶的结合强度检测。为了进行饰瓷的结合强度检测，首先用粉浆涂塑法将氧化锆专用饰瓷粉在不同氧化锆瓷片表面制备直径4mm、高度5mm的圆柱体，烧结得到饰瓷；然后将探头置于饰瓷与氧化锆基底结合处，探头下端平面与饰瓷圆柱中心线平行，以5 mm/min匀速加载。为了进行树脂胶结合强度检测，于不同氧化锆陶瓷材料表面放置底面直径为4mm，高度为5mm的模具，粘接面用小毛刷均匀涂布粘接剂后静置10s，光固化灯固化粘接剂10s；树脂水门汀严格按产品说明书要求调拌后，均匀充填至模具内，光固化灯短暂光照后，去除溢出的水门汀，粘接面边缘分别光照固化20s；将试件用夹具固定于万能试验机底座上，单刃状加载头平行于粘接面方向以0.5mm/min的速度加载，直至试件树脂分离。剪切强度公式均为P＝F/S：P为抗剪切强度(MPa)，F为试件破坏时的剪切力值(N)，S 为粘接面积(mm2)。
图4A表明：与未处理ZrO2相比，磷酸化处理后样本的饰瓷粘结强度显著升高，且大孔径样本[120℃(2.5wt％)、160℃(1.0wt％)、160℃(2.5wt％)] 的效果更佳明显。树脂胶的测量结果(图4B)也呈现出了相似的趋势。上述结果表明，蜂巢状纳米结构均可显著地提高表面饰瓷及树脂胶的结合强度。
实验例5、不同样本表面成骨细胞的活性及矿化水平检测
同样选取ZrO2未修饰组、80℃(1.0wt％)、120℃(2.5wt％)、160℃ (1.0wt％)及160℃(2.5wt％)五组样本进行表面成骨细胞活性及矿化水平检测。初始浓度为2×104个/孔的MC3T3-E1成骨细胞被接种于材料表面，培养3 或7天后利用噻唑蓝(MTT)及矿化实验探究各组的细胞活性及矿化水平。为了表征不同组成骨细胞的活性，培养3天后移除旧培养液，然后向各孔中逐个加入含MTT(0.5μg/mL)的无血清细胞培养基，细胞孵育4h后利用二甲基亚砜溶解细胞内形成的甲瓒不溶物，最后在490nm处测量溶解液的吸光值；为了检测细胞的矿化水平，培养7天后利用4％多聚甲醛固定成骨细胞，然后使用商业化茜素红染液进行染色及定量分析，具体流程可参考详细的试剂盒说明书。
MTT的结果(图5A)表明：培养3d后，与ZrO2组相比，其它四组样本[120℃(1.0wt％)、120℃(2.5wt％)、160℃(1.0wt％)、160℃(2.5wt％)]表面的MC3T3-E1细胞活性均显著地增强(*p＜0.05)，但四组间细胞活性无显著性差异。矿化结果(图5B)显示：磷酸处理后，各组样本表面成骨细胞的矿化水平也显著增强(*p＜0.05)，且呈现出明显地孔径依赖性[ZrO2＜120℃(1.0 wt％)＜120℃(2.5wt％)/160℃(1.0wt％)＜160℃(2.5wt％))。上述结果表明，蜂巢状纳米结构均可显著地促进成骨细胞增殖及成骨分化性能。
因此，本研究通过简单水热高压途径，于氧化锆陶瓷表面原位制备磷酸氢锆蜂巢状纳米结构，赋予材料优越的生物活性及饰瓷/树脂胶粘接性能，进而解决目前氧化锆陶瓷难以表面改性及生物功能化的难题。
最后说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并不构成对本发明内容的限制。尽管通过上述实施例已经对本发明做了较为详细的例举，但本领域技术人员仍然可以根据发明内容部分和实施例部分所描述的技术内容，在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，主要步骤如下：
将打磨处理后的氧化锆材料置于1-2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中80-160℃温度下处理12-36h后或者将打磨处理后的氧化锆材料置于0.5-1wt％或者大于等于2.5并且小于5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中120-160℃温度下处理12-36h后，再进行二次煅烧处理，得到具有原位生长的蜂窝状纳米结构的氧化锆陶瓷。
2.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：利用100-2000目的砂纸对氧化锆陶瓷进行表面打磨处理。
3.根据权利要求2所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：将打磨处理后的氧化锆材料置于0.5-2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中120-160℃温度下处理24h。
4.根据权利要求2所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，将打磨处理后的氧化锆材料置于2.5wt％稀磷酸溶液中，于高压反应釜中160℃温度下处理24h。
5.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：所述高压反应釜为聚四氟乙烯内胆材质的高压反应釜。
6.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：高压反应釜反应制备的样品于去离子水中超声清洗，烘干后进行二次煅烧。
7.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：所述煅烧条件为800-1100℃条件下煅烧10-30min。
8.根据权利要求7所述的氧化锆陶瓷表面原位生长蜂窝状纳米结构的制备方法，其具体特征在于：所述煅烧条件为950℃条件下煅烧15min。
9.采用权利要求1至8任一项所述制备方法制备的改性氧化锆陶瓷。
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