技术领域
本实用新型属于生物医学材料领域，具体涉及一种梯度结构磷酸钙生物陶瓷。
背景技术
理想的硬组织修复生物材料应同时兼备良好的生物学特性和力学特性等多重功能要求。生物学性能主要是希望其具有良好的生物相容性、骨传导性、骨诱导性和可降解、吸收能力。力学性能包括抗压、抗弯强度，弹性模量等多个综合指标应当最大限度地接近或与天然骨的力学性能相匹配。
现有研究认为，材料的化学组成、界面以及微观结构对其生物学特性功能具有决定意义。纳米生物材料由于具有的独特“纳米效应”和“界面特征”，如小尺寸效应、高比表面积、表面/界面效应等特性在硬组织工程修复领域具有诱人的应用前景。纳米尺度的磷酸钙与天然硬组织在化学成分、结构和尺度上具有进一步的相似性，纳米生物材料中的晶粒、晶界及其结合都处于纳米级水平。晶粒细化，晶界数量大幅度增加，可有效提高材料与生物环境之间的界面交互作用，促进相关蛋白、细胞的吸附与黏附，从而使得纳米生物材料具的优良的生物学性能。目前，尽管有众多关于合成、制备和评价纳米磷酸钙材料的研究报道，但在其具体的材料应用中，纳米磷酸钙大多以分散形式，如溶液微粒、胶体，或者是以第二相的形式掺杂复合于其他基体材料（如高分子材料，胶原等）之中。然而制备块体状的纳米磷酸钙材料由于其烧结工艺制约仍是一大技术难题。在材料烧结过程中，随着温度升高和时间的延长，纳米固体颗粒相互熔接，晶界逐渐合并减少，容易导致材料晶粒长大，从而无法得到纳米晶体的磷酸钙陶瓷材料。从工艺本身看，纳米陶瓷的制备流程同普通陶瓷并无太大的区别，一般遵循粉体-成型-烧结的工序，但从技术应用层面看，纳米陶瓷的制备技术极其苛刻。
在满足硬组织修复生物材料多功能特性需求上，功能梯度材料（Functionally graded materials，FGM）的设计具有巨大优势。梯度功能材料的概念是由日本新野正之与平井敏雄等学者于1987年首先提出的，功能梯度生物材料借鉴了功能梯度的材料设计思想，通过对材料的组分、结构设计，使材料不同部位具有不同的功能性能，从而使材料整体表现出多重的功能特性以满足生物材料的多功能要求。迄今为止，人们已探索出一些基本的研究方法，制备出一些梯度功能生物材料并取得了一定的效果，但是，现有的梯度功能生物材料基本上都是金属-陶瓷功能梯度材料。这类金属-陶瓷功能梯度材料在临床应用中，普遍存在涂层与基底结合强度不够、涂层降解易使金属基底再次裸露等问题。因此，新一代的梯度功能生物材料尚有待于进一步优化发展，以满足生物材料的多功能特性要求和可靠、安全的目的。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的不足而开发的一种梯度结构多功能HA磷酸钙生物陶瓷。其特点是通过构置烧结温度梯度分布场获得具有纳米、微米晶体梯度变化结构的生物陶瓷。
本实用新型通过以下技术方案来实现：
一种梯度结构磷酸钙生物陶瓷，包括纳米晶体结构层、纳米/微米晶体结构过渡层、微米晶体结构层。所述材料同时具有良好的生物学功能、与天然骨组织相匹配的力学功能等梯度功能特性。材料中的纳米晶体结构层赋予材料独特的生物活性，确保材料的生物学特殊功能需求，促进材料与生物组织界面形成，增强骨连接和愈合功能，微米晶体结构层保证材料的力学性能，并且可通过调节纳米晶体结构层和微米晶体结构层的结构组合以匹配材料与天然硬组织的力学性能，从而满足生物材料的多功能需求目的，通过所述纳米/微米晶体结构过渡层使生物活性层与力学性能层之间结合紧密，使用过程中不会产生剥离、分层脱落等现象。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，纳米晶体结构层与微米晶体结构层之间通过纳米/微米晶体结构过渡层进行连续梯度地过渡和连接，层与层之间无明显界限。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述磷酸钙为羟基磷灰石、磷酸三钙、双相磷酸钙、元素掺杂改性磷酸钙中的至少一种。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述材料具有核壳结构，由内到外分别为微米晶体结构中心层、纳米/微米晶体结构过渡层、纳米晶体结构表面层。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述材料具有三层结构，分别为位于两端的微米晶体结构层和纳米晶体结构层以及位于所述微米晶体结构层和纳米晶体结构层之间的纳米/微米晶体结构过渡层。。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述材料具有五层结构，分别为位于中心的一个微米晶体结构中心层和位于材料双面表层的两个纳米晶体结构表面层以及分别位于所述中心层和表面层之间的两个纳米/微米晶体结构过渡层。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述材料的晶体结构分布中各层厚度的百分比为，纳米晶体结构层：1%～20%，纳米/微米晶体结构过渡层：10%～30%，微米晶体结构层：89%～50%。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述材料的纳米晶体结构层主要是晶粒直径为80～100nm的磷酸钙多晶体。进一步的，其中纳米晶的晶粒具有不规则形貌，晶粒之间无明显晶界。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述纳米/微米晶体结构过渡层主要是晶粒直径为100～1000nm的磷酸钙多晶体。进一步的，所述过渡层中纳米晶与微米晶混杂，晶粒具有不规则形貌，晶粒之间无明显晶界。
作为可选方式，在上述梯度结构磷酸钙生物陶瓷中，所述微米晶体结构层主要是晶粒直径为1～5μm的磷酸钙多晶体。进一步的，其中微米晶的晶粒具有不规则形貌，晶粒之间具有明显晶界。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型赋予生物陶瓷足够的力学性能，材料的最大抗压强度约为67～136MPa，与人体致密骨强度相当，且材料的力学性能可以通过调整其梯度结构以完美地匹配人体硬组织的生物力学要求。
2、本实用新型所述梯度结构磷酸钙生物陶瓷具有纳米晶体结构表面，材料的表面/界面具有较大比表面积，利于吸附成骨相关蛋白和细胞，易于材料在生物体内快速释放钙、磷离子，促进新骨生成，赋予HA生物陶瓷良好的生物相容性和生物活性，确保材料的生物学特殊功能需求，促进材料与生物组织界面形成，增强骨连接和愈合功能；
3、本实用新型具有多重功能材料效果，且各功能层之间为梯度过渡结构，生物活性层与力学性能层之间结合紧密，不存在剥离、分层的问题。
附图说明
图1.实施例1中合成的纳米HA微粒透射电镜图；
图2. 实施例1中所得梯度生物陶瓷的结构示意图，其中(a)为功能梯度结构HA生物陶瓷的部分断面结构示意图，(b)为功能梯度结构HA生物陶瓷的纳米晶体结构层SEM图，(c)为功能梯度结构HA生物陶瓷的微米晶体结构层SEM图，(d)为功能梯度结构HA生物陶瓷的过渡层SEM图；
图3. 实施例1中所得样品的XRD图谱，其中(a)为本发明的多功能HA生物陶瓷相成分鉴定XRD图，(b)为HA晶体标准XRD图谱；
图4. 多功能梯度结构HA生物陶瓷的力学性能测试图；
图5. 材料与细胞共培养的光共聚焦照片，其中(a)为常规HA陶瓷骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养1天激光共聚焦图，(b)为常规HA陶瓷骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养4天激光共聚焦图，(c)为常规HA陶瓷骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养7天激光共聚焦图，(d)为实施例5骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养1天的激光共聚焦图，(e)为实施例5骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养4天的激光共聚焦图，(f)为实施例5骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养7天的激光共聚焦图；
图6.本实用新型所述具有三层结构的磷酸钙生物陶瓷的结构示意图；
图7. 本实用新型所述具有柱层结构磷酸钙生物陶瓷的截面结构示意图。
附图标记：1为纳米晶体结构层、2为纳米/微米晶体结构过渡层、3为微米晶体结构层。
具体实施方式
以下通过实施例对本实用新型进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本实用新型进行进一步说明，但不能理解为对本实用新型保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本实用新型的内容对本实用新型作出一些非本质性的改进和调整。
实施例1：
1）通过“湿法化学反应”合成纳米羟基磷灰石（HA）微粒，合成原料为磷酸氢二胺和硝酸钙，合成溶液体系pH值由氨水调节为7.4-8.0，合成后的纳米HA微粒经静置，陈化，并由去离子水反复清洗3次，将沉淀物过滤通过低温风干，HA微粒直径为30～60nm；
2）坯体制作：以2wt%的聚乙烯醇均匀混合至纳米羟基磷灰石前驱粉料之中，精确称量1g混合粉体并倒入圆柱形不锈钢模具中，通过垂直液压式“等静压成型”压制陶瓷生坯，压制过程中保持压力为6MPa，保压时间为15秒，并通过顶出脱模获得陶瓷生坯压制件；
3）包埋：构置四周的包埋烧结体系，将陶瓷坯体置于圆形氧化铝陶瓷坩埚中，四周等厚覆盖Al2O3包埋材料，包埋材料厚度为陶瓷坯体外径的10倍，自然压实；
4）烧结，将包埋烧结体放入真空炉中烧结，采用两步法烧结，以10℃/min的速率迅速升温至700℃，达到临界结晶温度后迅速降温至600℃，保温10小时，然后随炉冷却。
结构表征与性能测试：
1、陶瓷前驱粉体粒径由TEM测试表征。
结果详见图1所示。
结果表明：该合成粉体为米粒状的纳米微粒，微粒直径约为30～60nm，长径比为1:1～5:1。
2、陶瓷材料的显微结构经SEM测试。
采用扫描电镜对所得陶瓷材料的剖面进行观察，结果详见图2(a)～(d)所示。
结果表明：材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，其HA晶体直径为80～100nm；
材料的过渡层结构居于双面表层以下，为纳米/微米HA晶体混合型结构，直径为100～1000nm；材料的中间层为微米晶体结构，其HA晶体直径为0.5～5μm。
3、材料的相成分由XRD鉴定表征。
结果详见图3(a)～(b)所示。
结果表明：材料为羟基磷灰石晶体。
4、材料力学性能经动态力学测试（Dynamic mechanical analysis，DMA）。
结果详见图4所示。
结果表明：通过调节纳米/微米层在试样中的厚度组合，陶瓷材料的力学性能可与天然硬组织的力学性能大致匹配，其最大抗压强度数值为67～136MPa。
5、材料的生物学功能特性通过体外骨髓间充质干细胞(MSCs)培养测试。
结果详见图5(a)～(f)所示。
结果表明：多功能梯度结构HA生物陶瓷具有良好的生物相容性，相比常规微米晶体HA陶瓷具有更好的生物活性，能够促进骨髓间充质干细胞的分化、增殖和生长。
所得的梯度结构HA生物陶瓷由中心向外依次呈现3个不同层次的晶体结构（具有核壳结构），其部分剖面的扫描电镜图片如图2所示。从SEM图可以看到，材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，其HA晶体直径为80～90nm；材料的过渡层结构居于双面表层以下，为纳米/微米HA晶体混合型结构，直径为90～500nm；材料的中间层为微米晶体结构，其HA晶体直径为0.5～1.8μm。
通过调整坯体的形状，并在烧结完成后对材料进行适当的切割，分别得到具有具有三层结构（如图6）和五层结构（如图2中a）以及柱层结构（截面示意图如图7）的梯度结构HA生物陶瓷。
实施例2：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，均匀混入2wt%的聚乙烯醇，精确称量1g混合粉体，通过垂直液压式“等静压成型”法压制陶瓷生坯，压制过程中压力为6MPa，保压时间为15秒，通过构置不同的烧结温度梯度场烧结具有梯度结构的HA生物陶瓷。其产品制备工艺及步骤与实施例1相同，不同之处在于步骤4烧结工艺中采用不同的临界烧结温度，即在两步法烧结中，第一步以10℃/min的速率迅速升温至750℃，然后迅速降温至500℃，保温10小时，再随炉冷却。所得的HA陶瓷材仍然呈现3个不同层次的晶体结构，其中材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，HA晶体直径为80～90nm；过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，HA晶体直径为90～800nm；材料的中心层为微米晶体结构，HA晶体直径为0.8～2.5μm。这是因为较高的临界烧结温度改变了烧结温度场的梯度分布，从而获得了更大的HA晶体尺寸。
实施例3：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，制备具有梯度结构的HA生物陶瓷。其产品制备工艺及步骤与实施例1相同，不同之处在于步骤4烧结工艺中采用不同的临界烧结温度，即在两步法烧结中，第一步以10℃/min的速率迅速升温至800℃，然后迅速降温至600℃，保温10小时，再随炉冷却。所得的HA陶瓷材仍呈现3个不同层次的晶体结构，其中材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，HA晶体直径为80～95nm；过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，HA晶体直径为95～1000nm；材料的中心层为微米晶体结构， HA晶体直径为1.0～3.5μm。这是因为较高的临界烧结温度改变了烧结温度场的梯度分布，从而获得了更大的HA晶体尺寸。
实施例4：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，制备具有梯度结构的HA生物陶瓷。其产品制备工艺及步骤与实施例1相同，不同之处在于步骤4烧结工艺中采用不同的临界烧结温度，即在两步法烧结中，第一步以10℃/min的速率迅速升温至850℃，然后迅速降温至600℃，保温10小时，再随炉冷却。所得的HA陶瓷材仍呈现3个不同层次的晶体结构，其中材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，HA晶体直径为80～100nm；过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，HA晶体直径为100～1500nm；材料的中心层为微米晶体结构， HA晶体直径为1.5～4.5μm。这是因为较高的临界烧结温度改变了烧结温度场的梯度分布，从而获得了更大的HA晶体尺寸。
实施例5：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，均匀混入2wt%的聚乙烯醇，精确称量1g混合粉体，通过垂直液压式“等静压成型”法压制陶瓷生坯，压制过程中压力为6MPa，保压时间为15秒，通过更换包埋材料来构置不同的烧结温度梯度场烧结具有梯度结构的HA生物陶瓷。其它工艺同实施例1中所用相同，不同之处在于采用不同的包埋材料，此例采用MgO包埋陶瓷坯体进行烧结。所得的HA陶瓷材仍呈现3个不同层次的晶体结构，其中材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构（5%～1%），过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构（20%～10%），材料的中心层为微米晶体结构（75～89%），材料的各类型晶体结构层分布发生了改变。这是因为不同的包埋材料具有不同的热传导系数，从而改变了烧结温度场的梯度分布，获得了具有不同晶体结构层分布的HA陶瓷。
实施例6：
其产品制备工艺及步骤与工艺实施例5相同，不同之处在于此例采用SiO2包埋陶瓷坯体进行烧结。所得的HA陶瓷材仍呈现3个不同层次的晶体结构，其中材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构（10%～1%），过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构（30%～10%），材料的中心层为微米晶体结构（60～89%），材料的各类型晶体结构层分布发生了改变。这是因为不同的包埋材料具有不同的热传导系数，从而改变了烧结温度场的梯度分布，获得了具有不同晶体结构层分布的HA陶瓷。
实施例7：
产品制备工艺及步骤与实施例1相同，选取HA陶瓷材为具有3个不同层次的晶体结构，其材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，所占截面厚度为：1%～7%，过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，所占截面厚度为：10%～17%，材料的中心层为微米晶体结构，所占截面厚度为：89～76%，通过材料动态力学测试，测得材料的最大抗压强度为：136±13MPa。因为不同的HA晶体结构具有不同的力学性能，通过改变陶瓷材料的不同晶体结构组成百分比，可以实现对材料力学性能的调整。
实施例8：
产品制备工艺及步骤与实施例1相同，选取HA陶瓷材为具有3个不同层次的晶体结构，其材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，所占截面厚度为：7%～14%，过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，所占截面厚度为：17%～24%，材料的中心层为微米晶体结构，所占截面厚度为：76～62%，通过材料动态力学测试，测得材料的最大抗压强度为103±12MPa：因为不同的HA晶体结构具有不同的力学性能，通过改变陶瓷材料的不同晶体结构组成百分比，可以实现对材料力学性能的调整。
实施例9：
产品制备工艺及步骤与实施例1相同，选取HA陶瓷材为具有3个不同层次的晶体结构，其材料的双面浅表层结构为纳米晶体结构，所占截面厚度为：14%～20%，过渡层结构为纳米/微米HA晶体混合型结构，所占截面厚度为：24%～30%，材料的中心层为微米晶体结构，所占截面厚度为：62～50%，通过材料动态力学测试，测得材料的最大抗压强度为：67±10MPa。因为不同的HA晶体结构具有不同的力学性能，通过改变陶瓷材料的不同晶体结构组成百分比，可以实现对材料力学性能的调整。
实施例10：
分别以β磷酸三钙、双相磷酸钙、掺杂锶元素的HA的纳米粉作为前驱粉料，经过坯体制备后在本实用新型所述烧结温度梯度分布场中进行烧结，分别成功制备了相应的梯度结构磷酸钙生物陶瓷，所得材料包括纳米晶体结构层、纳米/微米晶体结构过渡层、微米晶体结构层。其中纳米晶体结构层为晶粒直径为80～100nm的磷酸钙多晶体厚度占总厚度的1%～20%，，纳米/微米晶体结构过渡层为晶粒直径为100～1000nm的磷酸钙多晶体，厚度占10%～30%，微米晶体结构层是晶粒直径为1～5μm的磷酸钙多晶体厚度占89%～50%。
应用实例1：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，均匀混入2wt%的聚乙烯醇至1克HA粉料中，通过垂直液压式“等静压成型”法压制陶瓷生坯，压制压力为6MPa，保压时间为15秒，其产品制备工艺及步骤与实施例1相同，不同之处在于步骤4烧结工艺中采用常规的一步法烧结陶瓷，即在烧结过程中，直接以10℃/min的速率迅速升温至1100℃，保温10小时，再随炉冷却。将所得的微米晶体陶瓷作为基底进行骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养7天，结果如图5所示，MSCs贴附于陶瓷表面生长，细胞总体生长状况良好，得到了一定的增殖分化，说明HA陶瓷材料具有较好的生物相容性。
应用实例2：
以微粒直径为50～80nm的HA粉料为原材料，均匀混入2wt%的聚乙烯醇至1克HA粉料中，通过垂直液压式“等静压成型”法压制陶瓷生坯，压制压力为6MPa，保压时间为15秒，其产品制备工艺及步骤与应用实施例1相同，不同之处在于步骤4烧结工艺中采用两步法构建烧结温度梯度场分布，具体烧结参数如实施例2中所述。将所得的具有纳米表面形貌特征的梯度结构HA陶瓷作为基底进行骨髓间充质干细胞（MSCs）体外培养4天，结果如图5-e所示，MSCs在陶瓷表面总体生长状况良好，得到了一定的分化增殖，相比同一培养时间点的微米表面陶瓷而言，该梯度功能HA陶瓷材料具有更好的生物活性。
应用实例3：
以应用实施例2中所述的方法制备梯度功能HA陶瓷，所有参数及制备过程如应用实施例2，不同之处在于将该梯度结构HA陶瓷作为基底培养MSCs至7天，结果如图5-f所示，MSCs在陶瓷表面的贴附状况良好，细胞增殖明显，在材料表面分化延展，逐渐连接成平面的网络状结构，细胞的生长状况良好，增殖相比同一培养时间点的微米表面陶瓷更加明显，该梯度功能HA陶瓷材料具有更好的生物活性。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，对本实用新型而言仅是说明性的，而非限制性的；本领域普通技术人员理解，在本实用新型所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效变更，但都将落入本实用新型的保护范围。