一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷及其制备方法

摘要

本发明属于生物活性材料领域，公开了一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷及其制备方法。将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾经球磨混合均匀、干燥、煅烧、研磨，得到铌酸钾钠前驱粉体，然后与无水乙醇和生物玻璃颗粒经球磨混合均匀、干燥，模压成型，烧结，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片；将所得生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片经极化处理，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷。本发明所得掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷，通过调整其结构组分及性能，使其能调控网状电场的分布密度及强度，从而达到提高材料协同促血管化成骨的作用。

权利要求

1.一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于包括如下制备步骤：（1）将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾经球磨混合均匀、干燥、煅烧、研磨，得到铌酸钾钠前驱粉体；

（2）将步骤（1）所得铌酸钾钠前驱粉体与无水乙醇和生物玻璃颗粒经球磨混合均匀、干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体；

（3）将步骤（2）所得生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷粉体经模压成型，烧结，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片；

（4）将步骤（3）所得生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片经极化处理，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷；

步骤（2）中所述铌酸钾钠前驱粉体与生物玻璃颗粒加入的质量比为（0.5 3）:（7 9.5）。

~ ~

2.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾的加入质量比为（4 6）:（0.8 1.5）:（0.6~ ~ ~

1.2）。

3.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中所述球磨是指在聚四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机球磨；球磨转速为200 450rpm，球磨时间为6 12h。

~ ~

4.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）和步骤（2）中所述干燥温度为40 80℃。

~

5.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述煅烧温度为700 900℃，煅烧时间为1.5 4h。

~ ~

6.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述模压成型的压力为20 70MPa。

~

7.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述烧结温度为700 1000℃，烧结时间为2 4.5h。

~ ~

8.根据权利要求1所述的一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，其特征在于步骤（4）中所述极化处理条件为：温度为25 130℃，直流电压为0.5 5kV，极化时间为5min~ ~ ~

1h。

9.一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷，其特征在于：通过权利要求1 8任一项所述的方~

法制备得到。

说明书

一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于生物活性材料领域，具体涉及一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷及其制备方法。

背景技术

[0002] 生物玻璃(BG)的化学组成与骨骼相似，在作为支架材料植入生物体后能展现良好的生物相容性，并与周围骨组织紧密结合，其界面的结合力是正常骨组织间的3～4倍，这是
首次开发出界面结合强度类似甚至超过人类骨组织间强度的生物材料。长期以来，已被证
明是一种用于骨组织工程的巨大生物材料，其因具有良好的生物相容性、降解性，骨传导、
骨刺激作用，对于成功修复骨组织缺损发挥着重要意义。早有研究表明，它可以刺激骨髓基
质细胞的成骨细胞分化并诱导钙沉积细胞外基质。

[0003] 此外，生物体内存在跨细胞电势差和跨上皮/内皮电势差，当胚胎发育、组织损伤、肿瘤发生时这些电势差被改变，在细胞外会产生一种稳恒直流电场，即内源性生物电场，其
广泛存在于动物的发育和机体创伤修复过程中，对机体损伤愈合及功能恢复具有重要作
用。使用药物或外加极性相反的电场消除内源性电场可阻碍上述进程，而增强该内源性电
场可加快病变部位愈合速度和改善愈合质量。而铌酸钾钠基无铅压电陶瓷是良好的电活性
材料，具有良好的生物相容性和良好的生物安全性，植入生物体后不需要外加电源，仅仅依
靠机体的机械压力而产生电势，来向周围提供电信号，其压电效应在骨的重建和损伤修复
中发挥着重要的作用。但目前鲜有将铌酸钾钠与生物玻璃相结合，用于提高材料协同促血
管化成骨作用的报道。

发明内容

[0004] 针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法。本发明方法通过往45S5生物玻璃中掺杂一定量铌酸
钾钠颗粒经高温成瓷后极化形成空间网状电场，从而达到更好的促成血管化成骨的目的。

[0005] 本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的生物玻璃陶瓷。

[0006] 本发明目的通过以下技术方案实现：

[0007] 一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的制备方法，包括如下制备步骤：

[0008] (1)将无水乙醇、五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾经球磨混合均匀、干燥、煅烧、研磨，得到铌酸钾钠前驱粉体；

[0009] (2)将步骤(1)所得铌酸钾钠前驱粉体与无水乙醇和生物玻璃颗粒经球磨混合均匀、干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体；

[0010] (3)将步骤(2)所得生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷粉体经模压成型，烧结，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片；

[0011] (4)将步骤(3)所得生物玻璃掺杂铌酸钾钠陶瓷片经极化处理，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷。

[0012] 优选地，步骤(1)中所述五氧化二铌、碳酸钠和碳酸钾的加入质量比为(4～6):(0.8～1.5):(0.6～1.2)。

[0013] 优选地，步骤(1)和步骤(2)中所述球磨是指在聚四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机球磨，所述球磨转速优选为200～450rpm。

[0014] 优选地，步骤(1)所述球磨时间优选为6～12h。

[0015] 优选地，步骤(2)所述球磨时间优选为8～14h。

[0016] 优选地，步骤(1)和步骤(2)中所述干燥温度为40～80℃。

[0017] 优选地，步骤(1)中所述煅烧温度为700～900℃，煅烧时间为1.5～4h。

[0018] 优选地，步骤(2)中所述铌酸钾钠前驱粉体与生物玻璃颗粒加入的质量比为(0.5～3):(7～9.5)。

[0019] 优选地，步骤(3)中所述模压成型的压力为20～70MPa。

[0020] 优选地，步骤(3)中所述烧结温度为700～1000℃，烧结时间为2～4.5h。

[0021] 优选地，步骤(4)中所述极化处理条件为：温度为25～130℃，直流电压为0.5～5kV，极化时间为5min～1h。

[0022] 一种掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷，通过上述方法制备得到。

[0023] 本发明的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：

[0024] (1)本发明所得的掺杂铌酸钾钠压电陶瓷颗粒的生物玻璃陶瓷制备工艺简单、稳定性好、机械性能高、不含铅无污染及生物相容性良好。

[0025] (2)本发明所得的掺杂铌酸钾钠压电陶瓷颗粒的生物玻璃陶瓷不需要额外施加物理化学刺激及外界电源就能产生空间分布的网状电场，免除了外部控制装置所需考虑的不
稳定性。

[0026] (3)本发明所得的掺杂铌酸钾钠压电陶瓷颗粒的生物玻璃陶瓷，通过调整其结构组分及性能，使其能调控网状电场的分布密度及强度，从而达到提高材料协同促血管化成
骨的作用。

[0027] (4)本发明所得的掺杂铌酸钾钠压电陶瓷颗粒的生物玻璃陶瓷在不同的极化条件下产生的网状电场的强度不一样，极化条件的调节便捷、易达到。

[0028] (5)本发明的制备方法工艺简单，原料成本较低，有利于规模生产。

附图说明

[0029] 图1是实施例1的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的网状分布电场示意图。

[0030] 图2是实施例1的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)图(放大1万倍)。

[0031] 图3是实施例1的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷表面的X射线能谱分析(EDS)图。

[0032] 图4是实施例1的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷表面的扫描开尔文探针显微镜(SKPM)图。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 实施例1

[0035] (1)按质量比为5:1.0:0.8分别称取五氧化二铌、碳酸钾、碳酸钠粉料并量取250ml无水乙醇置于四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机在速度为250rpm下球磨8h，得到铌酸
钾钠前驱粉体溶液，经静置吸弃多余的乙醇后，置于60℃干燥，然后放入高温烧结炉于750
℃烧结，保温时间2h，研磨过筛，得到铌酸钾钠前驱体粉体。

[0036] (2)将步骤(1)得到的粉体与45S5生物玻璃颗粒(市场购买得到)按质量比为1:9与250ml无水乙醇混合进行二次球磨，同样采用行星式球磨机,在速度为300rpm下球磨9h小
时，经静置吸弃多余的乙醇后，置于60℃干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体。

[0037] (3)将步骤(2)得到的粉体取0.3g每孔注入九孔模具，并在20MPa压力下压制，得到直径为10mm的陶瓷坯体，然后放入高温烧结炉于1000℃下进行烧结，保温时间2h，得到致密
均匀的陶瓷片。

[0038] (4)将步骤(3)得到的陶瓷片在高温高压极化装置中油浴极化，极化电压为1kV，极化时间为15min，油浴温度为120℃，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶
瓷。

[0039] 图1是本实施例所得掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的网状分布电场示意图。其中生物玻璃中掺杂的铌酸钾钠颗粒在前期的极化作用下带电，最终在材料上形成空间分布的
网状电场。

[0040] 图2是本实施例所得掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷的扫描电子显微镜(SEM)图(放大1万倍)。

[0041] 图3是本实施例所得掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷表面的X射线能谱分析(EDS)图。其中Si为45S5生物玻璃所特有的元素，而Nb为铌酸钾钠所特有的元素。表明铌酸钾钠颗
粒成功的较为均匀的掺杂入生物玻璃材料中。

[0042] 图4是本实施例所得掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶瓷表面的扫描开尔文探针显微镜(SKPM)图。表明在负极化处理后表面电位出现纬向表面电位降低，形成所提到的空间分布
的网状电场。

[0043] 实施例2

[0044] (1)按质量比为5:1.0:0.8分别称取五氧化二铌、碳酸钾、碳酸钠粉料并量取280ml无水乙醇置于四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机在速度为300rpm下球磨9h，得到铌酸
钾钠前驱粉体溶液，经静置吸弃多余的乙醇后，置于70℃干燥，然后放入高温烧结炉于800
℃烧结，保温时间2.5h，研磨过筛，得到铌酸钾钠前驱体粉体。

[0045] (2)将步骤(1)得到的粉体与45S5生物玻璃颗粒(市场购买得到)按质量比为2:8与280ml无水乙醇混合进行二次球磨，同样采用行星式球磨机,在速度为300rpm下球磨10h，经
静置吸弃多余的乙醇后，置于70℃干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体。

[0046] (3)将步骤(2)得到的粉体取0.35g每孔注入九孔模具，并在30MPa压力下压制，得到直径为10mm的陶瓷坯体，然后放入高温烧结炉于950℃下进行烧结，保温时间2h，得到致
密均匀的陶瓷片。

[0047] (4)将步骤(3)得到的陶瓷片在高温高压极化装置中油浴极化，极化电压为2kV，极化时间为10min，极化温度为100℃，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃陶
瓷。

[0048] 实施例3

[0049] (1)按质量比为5:1.3:1分别称取五氧化二铌、碳酸钾、碳酸钠粉料并量取270ml无水乙醇置于四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机,在速度为350rpm下球磨10小时，得到铌
酸钾钠前驱粉体溶液，经静置吸弃多余的乙醇后，置于55℃干燥，然后放入高温烧结炉于
900℃烧结，保温时间3h，研磨过筛，得到铌酸钾钠前驱体粉体。

[0050] (2)将步骤(1)得到的粉体与45S5生物玻璃颗粒(市场购买得到)按质量比为1.5:8.5与270ml无水乙醇混合进行二次球磨，同样采用行星式球磨机在速度为300rpm下球磨
12h，经静置吸弃多余的乙醇后，置于550℃干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体。

[0051] (3)将步骤(2)得到的粉体取0.4g每孔注入九孔模具，并在25MPa压力下压制，得到直径为10mm的陶瓷坯体，然后放入高温烧结炉于900℃下进行烧结，保温时间2.5h，得到致
密均匀的陶瓷片。

[0052] (4)将步骤(3)得到的陶瓷片在高温高压极化装置中油浴极化，极化电压为1.5kV，极化时间为12min，油浴温度为110℃，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃
陶瓷。

[0053] 实施例4

[0054] (1)按质量比为5:1.0:0.8分别称取五氧化二铌、碳酸钾、碳酸钠粉料并量取250ml无水乙醇置于四氟乙烯球磨罐中，采用行星式球磨机在速度为200rpm下球磨11h，得到铌酸
钾钠前驱粉体溶液，经静置吸弃多余的乙醇后，置于50℃干燥，然后放入高温烧结炉于780
℃烧结，保温时间2h，研磨过筛，得到铌酸钾钠前驱体粉体。

[0055] (2)将步骤(1)得到的粉体与45S5生物玻璃颗粒(市场购买得到)按质量比为1:9与250ml无水乙醇混合进行二次球磨，同样采用行星式球磨机,在速度为300rpm下球磨8h，经
静置吸弃多余的乙醇后，置于55℃干燥，得到生物玻璃掺杂铌酸钾钠的陶瓷粉体。

[0056] (3)将步骤(2)得到的粉体取0.5g每孔注入九孔模具，并在30MPa压力下压制，得到直径为10mm的陶瓷坯体，然后放入高温烧结炉于950℃下进行烧结，保温时间3h，得到致密
均匀的陶瓷片。

[0057] (4)将步骤(3)得到的陶瓷片在高温高压极化装置中油浴极化，极化电压为2.5kV，极化时间为10min，极化温度为110℃，得到具有网状分布电场的掺杂铌酸钾钠的生物玻璃
陶瓷。

[0058] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，
均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。