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背景:氧化锆生物陶瓷有较强的机械性能和良好的生物相容性佳,但无骨诱导活性,尽管羟基磷灰石生物陶瓷生物学活性优异,但其脆性较大,不适宜承重骨组织的替代。鉴于此,将两种材料结合在一起制备成梯度功能材料使其性能互补成为目前生物活性材料研究的热点,而结合后其微观形貌及物相则是影响材料力学和生物学性能的重要因素。目的:应用梯度功能技术,将氧化钇稳定纳米氧化锆作为基体层,中间应用氧化钇稳定氧化锆/纳米羟基磷灰石复合材料梯度过渡,表层为纯纳米羟基磷灰石。将该梯度功能材料压制成型后采用高温烧结技术烧结为生物陶瓷试件,从而制备出氧化锆基纳米羟基磷灰石梯度功能材料。通过对试件机械性能的检测,筛选出最佳设计方案和烧结温度,应用扫描电镜和X射线衍射仪观察分析试件界面形貌、材料晶相和成分等,探讨影响该新型梯度功能生物陶瓷材料界面形貌和物相的有关因素,明确材料设计方案和烧结温度与试件界面形貌、物相和力学性能的关系。方法:1、样品设计、预备及分组:将nHA、Y-ZrO2粉体放置于鼓风恒温干燥箱内干燥2h后备用;各梯度层根据样品设计计算出的nHA体积分数加入到相应的Y-ZrO2粉体中,超声振荡器中充分混合后备用。Y-ZrO2/nHA FGM设计成基体层为100%Y-ZrO2,中间层为Y-ZrO2/nHA复合材料梯度功能层,表面层为100%含量的nHA(体积分数)。为便于进行机械性能及生物活性性能检测,试件设计为梯度层数沿厚度呈单向变化。试件粉体总厚度D=50mm,基底层Y-ZrO2为D1,梯度层Y-ZrO2/nHA为D2,每层梯度层中nHA含量体积分数按f(x)=(x/n)p ×f(s)计算,x代表梯度层层数,n为梯度总层数;p为梯度指数2.5;f(s)即为100%nHA。根据D1厚度的不同分为A、B、C三大组,其中A组D1=40mm、D2=10mm,B 组 D1=30mm、D2=20mm,C 组 D1=20mm、D2=30mm;根据层数n的不同,每组各分3组;每组各制作18个试件,共162个试件。2、试件制备:将称量好的各层粉体置于40mm×60mm圆筒状钢制模具内,逐层平铺。首先加入Y-ZrO2粉体,再分别加入梯度层,用万能力学测试机以10Mpa压力、1mm/min匀速单面垂直加压制成Y-ZrO2/nHA模块。设定 6 组不同的烧结温度,即 1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃。将制备成功后Y-ZrO2/nHA生坯试件分别放入马弗炉中,按两段式升温速度烧结,先以10℃/min匀速升温至300℃后保温2h,再以5℃/min速度升至设定温度并保温2h,最后随炉冷却至室温取出备用。3、抗弯曲和抗剪切强度检测:用高速手机将高温烧结后的Y-ZrO2/nHA圆柱状试件加工成试样条,用细砂纸对材料表面进行打磨抛光,用于抗弯强度、剪切强度的力学性能检测。用游标卡尺精确测量试件各边,其规格为20mm×4mm×xmm的矩形试件(x即为高温烧结后圆柱形试件的高度,也即为矩形试件的高度;试件烧结温度不同,故每个试件高度不同)。(1)抗弯曲强度检测:将矩形试件侧面朝上置入万能测试机夹具上,测力机以1mm/min速度垂直向下加压直至试件断裂、破碎时,观察电脑显示器显示最大峰值,统计数据并计算抗弯强度。(2)抗剪切强度检测:将矩形试件一端固定于模具内,测力机以1mm/min速度垂直向下加压直至试件断裂、破碎时,观察电脑显示器显示最大峰值,统计数据并计算抗剪切强度。4、界面微观形貌电镜观察:将规格为10mm×4mm×xmm的氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料矩形试件表面打磨抛光,喷金后用扫描电子显微镜观察样品侧表面微观形貌及分层结构。5、试件晶相和物相检测:将1300℃A3组和1550℃A3组试件分别用万能材料测试机反复破碎,置入玛瑙研钵体研磨制成粉末状,用纱布过滤后筛取粒度较小的粉末进行XRD检测其晶相和物相。6、数据处理:采用SPSS 19.0软件对所得数据进行单因素方差分析,以P<0.05为差异有统计学意义。结果:1、应用万能测力机在10Mpa压力下制备的氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料生坯试件外观完整,手感平滑坚硬。2、氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料的抗弯曲强度和抗剪切强度随着烧结温度的升高而逐渐增强,当1550℃时,力学强度达到最高,与1300℃组相比,差异具有统计学意义(P<0.05)。3、基体层厚度及梯度层层数影响氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料的机械性能:基层氧化锆层为主要力学承载区,随着其厚度增加,梯度功能材料机械强度逐渐增强,40mm组与20mm组比较差异具有显著性(P<0.05);梯度层数越多,层与层之间纳米羟基磷灰石含量差异逐渐减小,层间结合界面相容性越好并呈连续性、梯度性的变化,机械性能亦随之增强,梯度层数为7层组其抗弯曲和抗剪切强度显著优于层数为3层组(P<0.05)。4、扫描电镜下观察氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料表面微形貌,同组条件下,不同梯度层数显微形貌进行对比,当梯度层数n=3时,层与层间纳米羟基磷灰石含量相差较大,可以观察到层与层间较为明显的梯度变化,随着梯度层数的增加,相邻两层间氧化锆含量差异逐渐缩小,层间分界越来越不明显。当D1=20mm、n=3时,层间梯度变化最为明显;当梯度层数n=5、7时,几乎看不到明显分层界面,层间过渡和缓,相容性良好,材料致密性较好,晶体分布均匀、团聚及空隙较小。5、对氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料陶瓷制备的粉末进行X射线衍射仪检测,结果显示,1550℃组在2θ=30处衍射峰为氧化锆四方相的特征峰,同时发现β-磷酸三钙和氧化钙衍射峰,1300℃组出现氧化锆单斜相及立方相晶体及纳米羟基磷灰石特征峰。结论:1、在万能测力机10Mpa压力下,能够制备完成具备一定机械强度的氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料生坯试件,可以实现梯度功能材料的设计构想及满足进一步实验的条件。2、烧结温度、梯度层数及基层厚度是影响氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料力学性能的主要因素。当烧结温度为1550℃,梯度层为7、基体厚度为40mm时,其结构致密,晶体分布均匀,晶体团聚及裂纹空隙较小,氧化锆为机械强度较高的四方相晶体,部分羟基磷灰石分解为β-磷酸三钙和氧化钙,材料机械强度最高。3、应用粉末冶金技术,采用高温烧结方法,能够制得机械性能较佳的氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料生物陶瓷,并为其进一步研究提供了设计思路和基础。