一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料制造技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α‑磷酸三钙94.2‑95份，羟基磷灰石4.8‑5.2份，石墨烯0.2‑1份，碳纳米管0.2‑1份。本发明专利技术中利用石墨烯和碳纳米管作为α‑磷酸三钙骨水泥的增强体，制备的磷酸钙生物骨水泥复合材料具有良好的强度和生物相容性，同时，经过微波处理后，可以大幅缩短磷酸钙生物骨水泥复合材料的凝结时间，以及进一步的提高磷酸钙生物骨水泥复合材料的强度。可用于人体骨的修复、替换及其它骨科疾病的治疗。解决了现有技术中磷酸钙生物骨水泥复合材料存在的强度低、韧性差的问题。

A calcium phosphate bone cement composite material reinforced by carbon nanotubes and graphene

The invention discloses a carbon nanotube and graphene enhanced calcium phosphate bone cement composite material comprises the following components in part by weight: alpha tricalcium phosphate 94.2 95 copies, 5.2 copies of 4.8 hydroxyapatite, graphene 0.2 1 copies, 1 copies of 0.2 carbon nanotubes. The invention makes use of graphene and carbon nanotubes as enhanced alpha tricalcium phosphate bone cement, preparation of calcium phosphate bone cement composite material has good biocompatibility, biological strength and at the same time, after microwave treatment, can significantly reduce the calcium phosphate bone cement setting time of composite material, and further the increase of calcium phosphate bone cement composite material strength. It can be used in the repair and replacement of human bone and other diseases in the Department of orthopedics. The problems of low strength and poor toughness of calcium phosphate biological bone cement composite in existing technology are solved.

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料
本专利技术属于材料科学和生物医学的交叉领域，具体涉及一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料，特别涉及一种以α-磷酸三钙生物骨水泥为基体，以石墨烯和碳纳米管为增强体的磷酸钙骨水泥复合材料及其制备方法。
技术介绍
α-磷酸三钙骨水泥是磷酸钙生物骨水泥的一种，具有优异的生物活性和生物相容性，可在人体内降解，是一种具有广阔应用前景的骨植入材料。其主要由α-磷酸三钙和液相组成，当固相和液相混合后，发生凝结反应，形成一种与多孔陶瓷类似的材料，与人体的硬组织(如：骨)相比，其韧性差，强度低。此外，由于其初凝时间在1个小时以上，而终凝时间长达几个小时，因此容易引起组织发生炎症反应。目前，用于提高磷酸钙生物骨水泥的方法主要有两个方面：一是通过减少凝固后的气孔率来提高其强度，但该方法使其强度提高的程度有限，且气孔率过小会极大的延长磷酸钙生物骨水泥的降解时间；二是通过外加增强体材料来增强磷酸钙生物骨水泥的强度，纤维是最常用的增强材料，像聚合物纤维、碳纤维、陶瓷纤维等，虽然通过纤维使得磷酸钙生物骨水泥的强度得到提高，但与人体骨组织相比，强度仍然相差较大，且某些生物惰性的纤维会影响磷酸钙生物骨水泥的活性。对于凝结时间的缩短，目前主要采取的方法为添加羟基磷灰石晶种和促凝剂，这两种方法可有效的缩短磷酸钙生物骨水泥的力学性能，其中，羟基磷灰石的过量添加会降低磷酸钙生物骨水泥的强度。综上所述，现有技术中磷酸钙生物骨水泥复合材料存在的强度低、韧性差的问题，尚缺乏有效的解决方案。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的是提供一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料。利用石墨烯和碳纳米管优异的力学性能，将石墨烯和碳纳米管作为α-磷酸三钙骨水泥的增强体，得到一种既具有较高的强度又具有良好生物性能的α-磷酸三钙/石墨烯、碳纳米管磷酸钙生物骨水泥复合材料。并利用石墨烯和碳纳米管的吸收微波性能，通过在磷酸钙生物骨水泥复合材料凝结过程中进行微波处理，使磷酸钙生物骨水泥复合材料的凝结时间缩短，强度进一步提高。为了解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.2-1份，碳纳米管0-1份。石墨烯和碳纳米管具有优异的力学性能，将碳纳米管和石墨烯作为α-磷酸三钙骨水泥的增强体时，可以明显增强α-磷酸三钙骨水泥的抗折强度和抗压强度。但是对碳纳米管和石墨烯的含量要求严格，含量过高或过低都难以起到良好的增强效果。进一步的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.2-1份，碳纳米管0.2-1份。更进一步的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.4-0.8份，碳纳米管0.4-0.8份。再进一步的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.6份，碳纳米管0.6份。进一步的，所述石墨烯为还原氧化石墨烯，粒度为0.55-3.74nm。还原氧化石墨烯是指通过化学或热处理等方法不完全去除氧化石墨烯中的含氧官能团后得到的一种二维碳材料。进一步的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为20-30nm。上述磷酸钙生物骨水泥复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)按比例称取α-磷酸三钙、羟基磷灰石、石墨烯和碳纳米管，混合球磨，过筛，得到磷酸钙生物骨水泥复合材料原料粉体；2)将原料粉体与水混合均匀使混合物发生凝结，终凝后得到目标复合材料。微波处理工艺用于磷酸钙生物骨水泥复合材料粉料与水固液混合均匀后至终凝阶段以及终凝后的继续凝结阶段，经过微波处理后，大幅度缩短了磷酸钙生物骨水泥复合材料的凝结时间，并进一步提高了磷酸钙生物骨水泥复合材料的强度。优选的，步骤2)中，将原料粉体与水混合均匀后，向其所处环境中加入微波场直至终凝，终凝后，在24h内，每4h微波处理半小时。进一步的，步骤1)中，球磨的转速为350-450r/min，球磨时间为4-6h。更进一步的，步骤1)中，所述球磨为干磨，不使用球磨介质。进一步的，步骤1)中，将球磨后的粉料过300目筛，得到磷酸钙生物骨水泥复合材料原料粉体。进一步的，步骤2)中，每克原料粉体与0.3-0.4ml水混合均匀发生凝结。更进一步的，步骤2)中，凝结的环境温度为36-38℃，湿度为100％。主要是模拟人体的环境，使其在类似人体环境中凝结，更能反映其使用过程中的情况。进一步的，步骤2)中，微波处理的微波频率为0.43-2.45GHz，功率为15-25W。进一步的，步骤2)中，终凝采用Gillmore双针法测得，当终凝针垂直于样品表面自由滑落，不能在样品表面留下完整的圆形印痕时达到终凝。上述制备方法制备得到的磷酸钙生物骨水泥复合材料。上述磷酸钙生物骨水泥复合材料在骨骼修复和替换中的应用。一种磷酸钙生物骨，由上述磷酸钙生物骨水泥复合材料制备而成。本专利技术的有益效果为：本专利技术中利用石墨烯和碳纳米管作为α-磷酸三钙骨水泥的增强体，制备的磷酸钙生物骨水泥复合材料具有良好的强度和生物相容性，同时，经过微波处理后，可以大幅缩短磷酸钙生物骨水泥复合材料的凝结时间，以及进一步的提高磷酸钙生物骨水泥复合材料的强度。可用于人体骨的修复、替换及其它骨科疾病的治疗。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为未经过微波处理，磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙94-95％，羟基磷灰石5％，石墨烯0-1％，碳纳米管0％时，其抗折强度随石墨烯含量的变化。图2为未经过微波处理，磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙94-95％，羟基磷灰石5％，石墨烯0-1％，碳纳米管0％时，其抗压强度随石墨烯含量的变化。图3为未经过微波处理，磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙93.8-94.6％，羟基磷灰石5％，石墨烯0.2％，碳纳米管0.2-1％时，其抗折强度随碳纳米管含量的变化。图4为未经过微波处理，磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙93.8-94.6％，羟基磷灰石5％，石墨烯0.2％，碳纳米管0.2-1％时，其抗压强度随碳纳米管含量的变化。图5为磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙94.2％，羟基磷灰石5％，石墨烯0.2％，碳纳米管0.6％时，其抗折强度随微波处理时间的变化。图6为磷酸钙生物骨水泥复合材料组成为α-磷酸三钙94.2％，羟基磷灰石5％，石墨烯0.2％，碳纳米管0.6％时，其抗压强度随微波处理时间的变化。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：α‑磷酸三钙94.2‑95份，羟基磷灰石4.8‑5.2份，石墨烯0.2‑1份，碳纳米管0‑1份；优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α‑磷酸三钙94.2‑95份，羟基磷灰石4.8‑5.2份，石墨烯0.2‑1份，碳纳米管0.2‑1份；优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α‑磷酸三钙94.2‑95份，羟基磷灰石4.8‑5.2份，石墨烯0.4‑0.8份，碳纳米管0.2‑1份；进一步优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α‑磷酸三钙94.2‑95份，羟基磷灰石4.8‑5.2份，石墨烯0.6份，碳纳米管0.6份。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管和石墨烯增强的磷酸钙生物骨水泥复合材料，其特征在于：由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.2-1份，碳纳米管0-1份；优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.2-1份，碳纳米管0.2-1份；优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.4-0.8份，碳纳米管0.2-1份；进一步优选的，所述磷酸钙生物骨水泥复合材料，由以下重量份的组分组成：α-磷酸三钙94.2-95份，羟基磷灰石4.8-5.2份，石墨烯0.6份，碳纳米管0.6份。2.根据权利要求1或2所述的磷酸钙生物骨水泥复合材料，其特征在于：所述石墨烯为还原氧化石墨烯，粒度为0.55-3.74nm；优选的，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，其直径为20-30nm。3.权利要求1-2任一所述磷酸钙生物骨水泥复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)按比例称取α-磷酸三钙、羟基磷灰石、石墨烯和碳纳米管，混合球磨，过筛，得到磷酸钙生物骨水泥复合材料原料粉体；2)将原料...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙康宁，王颂，李爱民，毕见强，孙晓宁，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37