氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料的制备及(3)

图2 三点弯曲测试试件力学性能示意图Figure2 Mechanical property diagram of three point bending test specimen

根据GB/T6569-2006工程陶瓷弯曲强度测试方法，将矩形试件侧面朝上放于万能材料测试验机夹具内，室温下垂直层界进行加载，载荷10 MPa加载速度为1 mm/min，跨距为25 mm，直至试件断裂，电脑显示断裂、破碎时峰值，记录数据并计算其抗弯强度，计算公式(MPa：δ=3PL/2bh2[12-13]，其中δ为试件的抗弯强度(MPa)，P为试件断裂时的最大负荷(N)，L为夹具间距25 mm，b为试件断裂口处的宽度(柱状试件的高度，mm)，h为试件断裂口处试件的厚度4 mm。

抗剪切强度测试：取丝状后期的自凝塑料，将25 mm×4 mm×x mm的矩形试件一端包埋于不锈钢基座中，试件另一端外露约10 mm长。将试件打磨抛光放于万能测试机夹具中，加载头接触陶瓷试件侧表面，垂直层界施以10 MPa载荷的垂直向力，加载速度为1 mm/min，直至试件破碎时停止，电脑显示最大剪切力，应用公式计算抗剪切强度：W=P/F=P/ab[14-15]，其中W为抗剪切强度(N/m2)，P为试件破碎时所承受的最大剪切力(N)，F为接触面积，a为接触面长度，即为试件宽度为(mm)；b为接触面宽度，即加载头宽度为2 mm，见图3。

1.6 统计学分析采用SPSS 17.0版软件对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，组内两两比较时，满足方差齐性时的两两比较采用LSD法，不满足方差齐性时的两两比较采用Dunnett's T3法，以P＜ 0.05为差异有显著性意义。

图3 抗剪切强度测试示意图Figure3 Schematic diagram of shear strength test

2 结果 Results

2.1 试件制备结果在常温10 MPa单面垂直加压下制备成各组氧化锆基纳米羟基磷灰石梯度功能材料生坯试件，经1 300-1 550 ℃高温烧结分别制得氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度陶瓷试件，见图4。

图4 功能梯度材料生坯(左)与高温烧结后的陶瓷块(右)Figure4 Green pressing(left) of functionally graded material and high temperature sintered ceramic block (right)

2.2 试件抗弯曲强度测试结果比较试件6组温度下的抗弯曲强度，1 300 ℃时抗弯曲强度最小，随温度升高，试件的抗弯曲强度逐渐增大，至1 550 ℃时达到最高；当烧结温度为1 550 ℃时，A3组材料的抗弯曲强度达到(1 053.) MPa，与其余8组比较差异有显著性意义(P＜ 0.05)，见表4。

2.3 试件抗剪切强度测试结果9组试件不同烧结温度下的抗剪切强度检测结果显示，随着烧结温度和梯度层数的升高，试件的抗剪切强度逐渐增强；C1组抗剪切强度最小，仅为(4.) N/m2，A3组试件抗剪切强度最高，达(13.) N/m2，见表5。

表5 不同温度下各组功能梯度材料的抗剪切强度 (±s，N/m2)Table5 Shear strength of materials at different temperatures表注：根据氧化锆层厚度的不同分为 A(40 mm)、B(30 mm)、C(20 mm)组；每组又根据氧化锆/纳米羟基磷灰石复合材料梯度层数的不同分为1(3层)、2(5层)、3(7层)组。同组内与其他温度比较，aP＜ 0.05；同温度下与其余组比较，bP＜ 0.05组别 1 300 ℃ 1 350 ℃ 1 400 ℃ 1 450 ℃ 1 500 ℃ 1 550 ℃A1 4. 5. 6. 7. 9. 11. A2 5. 6. 6. 8. 9. 12. A3 6. 7. 8. 9. 11. 13. B1 4. 5. 6. 7. 9. 12. B2 5. 5. 6. 8. 9. 12. B3 6. 6. 7. 8. 10. 12. C1 4. 5. 6. 7. 8. 11. C2 5. 6. 6. 8. 9. 11. C3 5. 6. 7. 8. 10. 12.

3 讨论 Discussion

研究表明氧化锆陶瓷是一种生物惰性材料，具有优异的硬度和强度，但其结构和成分与骨组织相差甚大，不具备生物诱导活性，不易与骨组织形成良好的骨性结合[16]。纳米羟基磷灰石陶瓷具有良好的生物学性能，可与骨组织形成紧密的生物学、化学结合，但其力学性能较差，远达不到作为植入体所需要的机械强度。鉴于此，有学者将氧化锆基体表面涂覆纳米羟基磷灰石，从而充分发挥2种材料各自的性能优势[17-18]，但是由于氧化锆与羟基磷灰石化学组成、结构和热膨胀系数存在巨大差异，两者不能形成良好的结合，在载荷和体液侵蚀的共同作用下涂层易发生溶解、吸收和脱落，崩解的涂层可激发吞噬细胞反应而引起快速骨吸收[19]。

功能梯度材料是一种具有可设计性、可控性和多功能复合性为特征的新型非均质复合材料，它集合了2种或2种以上材料的最佳优点，而且可以根据使用需要进行材料设计、制备，实现材料在空间上一维、二维、三维的梯度变化[20-21]。生物功能梯度材料既充分发挥了各材料的性能优势又使其内部界面减少乃至消失，从而呈现出优良的力学和生物学性能[22]，因此在骨组织替代或种植体修复领域受到广泛关注，成为当前生物材料研究的热点[23]。BOLELLI等[24]采用等离子喷涂法制备生物活性玻璃/纳米羟基磷灰石功能梯度材料，在沉积相下显现出致密、均匀一致的涂层，具备良好的生物活性和高耐磨性，在骨整合过程中植入物有良好的稳定性和较低降解性。LIN等[25-26]用约4年时间观察钛-羟基磷灰石功能梯度材料对下颌骨骨组织的影响，发现钛基多孔纳米羟基磷灰石功能梯度材料能够促进成骨细胞的黏附及生长，具有良好的生物诱导活性和更为显著的骨结合、骨诱导能力。粉末冶金技术是一种使用最普遍、广泛的功能梯度材料制备方法[27]，它是将原料粉末按不同的设计配比均匀混合，然后压制烧结成形，已有应用该方法制备出钛基生物活性陶瓷种植体的报道[28]。万千[29]制备出羟基磷灰石/316L不锈钢功能梯度材料，体外模拟体内环境进行活性研究，发现在体外浸泡一段时间后，羟基磷灰石/316L不锈钢功能梯度材料表面能够形成类骨磷灰石层，且随着浸泡时间的增加溶液pH值无明显变化，由此说明该材料的稳定性、生物活性明显优于纯不锈钢材料。

文章来源：《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0321/437.html