一种可用于临床的钛酸钡改性氧化锆陶瓷材料

本发明属于陶瓷材料制备技术领域，尤其涉及一种钛酸钡改性氧化锆陶瓷材料及其制备方法。

背景技术：

陶瓷材料因具有美观、良好的生物相容性、尺寸稳定性、高强度、耐腐蚀、耐磨损等特点，被广泛应用于临床治疗。特别是添加稳定剂的氧化锆陶瓷已成为种植牙和天然牙的冠修复、牙体缺损的嵌体修复、纤维桩等口腔修复材料的重要选择，现在临床使用的主要是3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷(3y-tzp)。尽管氧化锆陶瓷具有良好的理化性能和生物学性能，但其作为植入体部分性质仍需要得到进一步改善。

骨整合是指种植体周围形成骨组织，与骨之间无纤维组织形成，从而使活性骨组织与种植体表面直接接触而实现种植体稳定锚固的现象。骨整合与牙种植的临床成功关系密切，是种植治疗最重要的评价标准之一。具备良好骨整合能力的陶瓷种植体材料可明显提高种植体的成功率和持久性。因此，在确保机械性能的同时，优良的骨整合能力已成为理想陶瓷骨缺损修复材料、种植体材料的重要条件。

为了促进种植体的骨结合，提高成功率，目前已经采用的方法主要有涂层法和非涂层法两大类，用于涂层材料有生物活性玻璃、磷酸钙和羟基磷灰石、聚多巴胺以及各类复合材料。氧化锆表面的非涂层处理技术有喷砂、蚀刻(酸蚀和选择性渗透蚀刻)、激光表面改性、紫外线辐照和大气放电冷等离子体处理。这些方法虽然都能在一定程度上提高种植体表面活性，增大粗糙度，促进骨整合，但表面涂层方法最大的问题是其长期稳定性差，在应用过程中涂层存在逐渐与种植体分离的倾向。而非涂层方法往往会诱发氧化锆产生相变，会产生微裂纹降低材料强韧性，造成种植体断裂失败的严重后果。

bt压电陶瓷作为最经典的压电陶瓷材料，但目前还没有人将其应用于牙科修复领域。

技术实现要素：

针对现有3y-tzp陶瓷种植体材料存在骨整合效果不佳的问题，本发明首次考虑了通过进行bt改性的方法，对现有3y-tzp陶瓷体系进行优化，构建具有更适于骨整合的复合陶瓷体系。

本发明一种可用于临床的钛酸钡改性氧化锆陶瓷材料，将钛酸钡(bt)粉以4.8-5.2mol％、优选为5mol％5的摩尔百分数掺杂入商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)得到5mol％bt/3y-tzp复合陶瓷。

本发明一种可用于临床的钛酸钡改性氧化锆陶瓷材料，所述钛酸钡粉为固体粉，所述钛酸钡粉的粒度小于等于1微米；

3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷固体粉，所述3y-tzp粉的粒度为300～500纳米。

本发明一种可用于临床的钛酸钡改性氧化锆陶瓷材料，其制备包括下步骤制备：

步骤一、陶瓷浆料的配制：

将钛酸钡按照设定比例与商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉混合获得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇溶液中，获得混合料，并在行星球磨机上进行充混匀至少10小时，获得陶瓷浆料；

步骤二、生坯的制备：

将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1～2小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1～2小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末，记为bt/3y-tzp，再将bt/3y-tzp粉末压制成型即得生坯；

步骤三、烧结成型：

将步骤二所得的生坯置于空气气氛，从室温以2.5～3.5℃/min的升温速率升温至490～510℃；在490～510℃维持28～32分钟；然后以1.8～2.2℃/min的升温速率升温至790～810℃；在790～810℃维持3.9～4.1小时；然后以0.9～1.1℃/min的升温速率升温至1440～1455℃；在1440～1455℃维持3.9～4.1小时；最后随炉降温；得到bt/3y-tzp陶瓷材料。

作为优选方案；所述步骤二中，钛酸钡粉末的粒度为1μm，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

作为优选方案；所述步骤二中，采用的是分析纯的无水酒精，经过手动预混合后，在行星球磨机中混合10h，得到混合均匀的混合料。

作为优选方案；所述步骤二中，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

作为优选方案；所述步骤二中，所述加压烧结工艺具体包括：干坯先从室温3℃/min升温至500℃；在500℃保温30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃保温4h；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃保温4h；最后随炉降温。得到bt/3y-tzp陶瓷基复合材料。

本发明中，步骤三所得5mol％bt/3y-tzp陶瓷基复合材料的烧结密度为5.84～5.90g/cm³。

本发明中，步骤三所得5mol％bt/3y-tzp陶瓷基复合材料的所的孔隙率在0.35～0.50％之间。

本发明中，所得bt/3y-tzp陶瓷材料的平均孔径在1～3μm，氧化锆平均粒径在0.45～1.2μm，钛酸钡的平均粒径在1～2.5μm，且孔隙主要是由钛酸钡组成，并均匀分散在3y-tzp体系内。

本发明通过将钛酸钡(bt)粉以一定摩尔百分数均匀掺杂入商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)得到强韧性良好，孔隙率均匀bt/3y-tzp复合陶瓷。通过水接触角实验，检测bt改性后材料表面有良好亲水性。将材料与人成骨细胞(mg63)共培养后，通过mmt(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐)法和扫描电镜观察，证明其无细胞毒性，同时碱性磷酸酶(alp)和相关成骨细胞基因(runx2、tgf-β、ocn、bmp4)表达水平有明显提升，该制备方法获得的钛酸钡改性的氧化锆陶瓷具有较好的生物相容性和成骨性能。

原理与优势

研究发现bt纳米粉和3y-tzp粉体可以用常温烧结工艺和放电等离子烧结工艺进行处理，证明了bt和氧化锆可以在体系中共存，明确了两者共烧结的可能，且bt纳米粉在这一体系中烧结后，发生了明显的团聚，团聚后bt晶粒尺寸会增加到1～3.5μm，而氧化锆晶粒尺寸仍然基本维持在200nm。这样两者之间晶粒尺寸相差过大，可以增加材料体系的孔隙率，而表面形貌的改变有可能对陶瓷复合体系的骨整合有利。

在本发明中，通过构建合理烧结程序配合适当用量的各组分，最终获得了相分布均匀，孔隙均匀分布的bt/3y-tzp陶瓷，使得在保证陶瓷强韧性基础上，通过简单的生产工艺，就可改善陶瓷材料的生物相容性和骨整合力。而且通过合理的压制、烧结程序，能够达到材料的制备。

本发明获得陶瓷材料具有较好的生物相容性(mtt实验显示无毒、电子显微镜下观察材料表面共培养细胞生长情况良好)，成骨指标碱性磷酸酶(alp)和相关成骨细胞基因(runx2、tgf-β、ocn、bmp4)表达水平有明显提升，该制备方法获得的钛酸钡改性的氧化锆陶瓷具有较好的生物相容性和成骨性能。可用于结构陶瓷、生物材料和人体植入材料等，便于大规模的工业化应用。

附图说明

图1为实施例1中所制备的5mol％bt/3y-tzp陶瓷样件扫描电镜形貌图(a)及其元素分布情况图(b-h)；

图2为对比例1、2、3和实施例1所得产品的材料表面水接触角的大小差异图；

图3为对比例1、2、3和实施例1所得产品的的不同浓度浸提液与人成骨细胞(mg63)共培养后，通过mmt(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐)法检测结果图；

图4为对比例1、2、3和实施例1所得产品的相同大小的小陶瓷片在与人成骨细胞(mg63)共培养第7天、14天的碱性磷酸酶(alp)的表达图；

图5为对比例1、2、3以及实施例1所得相同大小的小陶瓷片在与人成骨细胞(mg63)共培养第7天的所有成骨基因的相对表达量的结果检测图。

从图1可以看到孔隙所在处是由ba元素(f)、ti元素(g)和o元素(c)所组成，且bt均匀分布在3y-tzp体系内部。

从图2中可以看出实施例1所制备的5mol％bt/3y-tzp陶瓷样件相比于其他对比例所得试样有着最小的水接触角。这表明5mol％bt/3y-tzp陶瓷样件表面有着最优的亲水性。

从图3可以看出相同大小的实施例1和对比例1、2、3陶瓷片放入相同体积5ml培养基溶液中浸泡24h后，离心得到的浸提液，按照0％、12.5％、25％、50％、75％和100％的浸提液浓度比例与人成骨细胞(mg63)共培养后，通过mmt(3-(4，5-二甲基噻唑-2)-2，5-二苯基四氮唑溴盐)法检测发现对比例1、2、3和实施例1的不同浓度浸提液对细胞生长均无不利影响，bt/3y-tzp陶瓷材料有着良好的生物相容性。

从图4可以看出实施例1和对比例1、2、3陶瓷片与人成骨细胞(mg63)共培养14天后，相较空白对照组均有显著的alp表达上调。但对比例1、2、3和实施例1陶瓷片与人成骨细胞(mg63)在共培养7天后，实施例1和对比例3相较空白对照组有显著的alp表达上调，且仅有实施例1相较对比例1有显著的alp表达上调。提示在共培养早期，实施例1所制备的5mol％bt/3y-tzp陶瓷样件相比于其他对比例有着最佳的促成骨效果。

从图5可以看出实施例1和对比例1、2、3所陶瓷片在与人成骨细胞(mg63)共培养第7天，实施例1和对比例3在runx2、tgf-β基因表达上相较空白对照组有显著上升(a、b)，在bmp4基因表达上只有实施例1的表达相较空白对照组有显著上升(c)，实施例1和对比例2在ocn基因的表达上相较空白对照组有显著上升(d)。仅有实施例1在tgf-β和ocn表达上相较对比例1有显著上升(b、d)。综上所述，仅有实施例1(5mol％bt/3y-tzp)在所有成骨基因的相对表达量上有明显的上升。

具体实施方式

实施例

本实施例采用的原料粉末包括钛酸钡(bt)粉，商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)。其中钛酸钡的粒度为1μm，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

该实施例的制备方法步骤如下：

(1)陶瓷浆料的配制：将钛酸钡按照摩尔百分数与商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)混合获得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇(分析纯)溶液中，获得混合料，使得原料粉末体积占水与粉末总体积的35％，球磨混匀10小时，获得陶瓷浆料。

(2)素烧、过筛：将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末(bt/3y-tzp)。

(3)常温压制粉末获得生坯，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

(4)空气气氛烧结压坯，将生坯从室温3℃/min升温至500℃；在500℃维持30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃维持4小时；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃维持4小时；最后随炉降温。得到bt/3y-tzp陶瓷材料。

实施例1

本实施例采用的原料粉末用5mol％钛酸钡(bt)粉，商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)，其中钛酸钡的粒度为1μm，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

该实施例的制备方法步骤如下：

(1)陶瓷浆料的配制：将钛酸钡按照5mol％摩尔百分数与商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)混合获得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇(分析纯)溶液中，获得混合料，使得原料粉末体积占水与粉末总体积的35％，球磨混匀10小时，获得陶瓷浆料。

(2)素烧、过筛：将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末(bt/3y-tzp)。

(3)常温压制粉末获得生坯，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

(4)空气气氛烧结压坯，将生坯从室温3℃/min升温至500℃；在500℃维持30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃维持4小时；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃维持4小时；最后随炉降温。得到5mol％bt/3y-tzp陶瓷材料。

该对比例获得的5mol％bt/3y-tzp陶瓷基复合材料的烧结密度为5.84～5.90g/cm³，孔隙率为0.35～0.50％。

对比例1

本实施例采用的原料粉末仅包括商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

该实施例的制备方法步骤如下：

(1)陶瓷浆料的配制：将商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)粉末，加入无水乙醇(分析纯)溶液中，获得混合料，使得原料粉末体积占水与粉末总体积的35％，球磨混匀10小时，获得陶瓷浆料。

(2)素烧、过筛：将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得无钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末(3y-tzp)。

(3)常温压制粉末获得生坯，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

(4)空气气氛烧结压坯，将生坯从室温3℃/min升温至500℃；在500℃维持30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃维持4小时；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃维持4小时；最后随炉降温。得到3y-tzp陶瓷材料。

该对比例获得的3y-tzp陶瓷基复合材料的烧结密度为5.96～6.02g/cm³，孔隙率为0.18～0.24％。

对比例2

本实施例采用的原料粉末用3mol％钛酸钡(bt)粉，商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)，其中钛酸钡的粒度为1μm，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

该实施例的制备方法步骤如下：

(1)陶瓷浆料的配制：将钛酸钡按照3mol％摩尔百分数与商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)混合获得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇(分析纯)溶液中，获得混合料，使得原料粉末体积占水与粉末总体积的35％，球磨混匀10小时，获得陶瓷浆料。

(2)素烧、过筛：将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末(bt/3y-tzp)。

(3)常温压制粉末获得生坯，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

(4)空气气氛烧结压坯，将生坯从室温3℃/min升温至500℃；在500℃维持30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃维持4小时；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃维持4小时；最后随炉降温。得到3mol％bt/3y-tzp陶瓷材料。

该对比例获得的3mol％bt/3y-tzp陶瓷基复合材料的烧结密度为5.79～5.90g/cm³，孔隙率为0.40～0.46％。

对比例3

本实施例采用的原料粉末用7mol％钛酸钡(bt)粉，商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)，其中钛酸钡的粒度为1μm，3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末粒度为300～500nm。

该实施例的制备方法步骤如下：

(1)陶瓷浆料的配制：将钛酸钡按照7mol％摩尔百分数与商品化3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉(3y-tzp)混合获得混合粉末，将混合粉末加入无水乙醇(分析纯)溶液中，获得混合料，使得原料粉末体积占水与粉末总体积的35％，球磨混匀10小时，获得陶瓷浆料。

(2)素烧、过筛：将步骤一所得的浆料进行放入坩埚中进行空气气氛中高温素烧1小时，素烧温度控制在600℃～800℃，素烧后用100目的筛网进行过筛，再素烧1小时，素烧后用100目的筛网进行过筛、干燥，获得钛酸钡掺杂的3mol％的氧化钇稳定的四方氧化锆多晶陶瓷粉末(bt/3y-tzp)。

(3)常温压制粉末获得生坯，压制压力为100mpa，在常温下保压45～60s。

(4)空气气氛烧结压坯，将生坯从室温3℃/min升温至500℃；在500℃维持30分钟；然后2℃/min升温至800℃；在800℃维持4小时；然后1℃/min升温至1450℃；在1450℃维持4小时；最后随炉降温。得到7mol％bt/3y-tzp陶瓷材料。

该对比例获得的7mol％bt/3y-tzp陶瓷基复合材料的烧结密度为5.79～5.88g/cm³，孔隙率为0.51～0.58％。