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。

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(1 053.94±24.48) 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(4.14±0.67) N/m²，A₃组试件抗剪切强度最高，达(13.72±0.80) N/m²，见表5。

氧化锆陶瓷硬度和强度大^[1]，不易被氧化，具有良好的生物相容性和美观效果^[2-3]。人工合成的纳米羟基磷灰石在成分、形态、结构上与骨和牙组织的纳米羟基磷灰石相似，具有优良的生物活性和化学稳定性，能与骨组织形成紧密的生物学和化学结合^[4]，但纳米羟基磷灰石陶瓷的机械强度远不及氧化锆。因此，既充分发挥2种材料的性能优势又使两者之间产生牢固的结合，成为近年来学者们研究的方向。研究表明在氧化锆基体表面结合羟基磷灰石，充分综合了2种材料各自的优点^[5]，既具有较高的强度和韧性又具有良好的生物相容性，能诱导骨组成形成并与骨组织形成化学键结合，是较为理想的硬组织替代材料，但羟基磷灰石易从氧化锆表面脱落成为其致命缺陷^[6]。

生物功能梯度材料是在生物领域应用的一类功能梯度材料^[7]，是一种新型的性能渐变的非均质复合材料，通常由2种或2种以上性能不同的材料复合而成，通过连续改变2种或2种以上材料的组分、体积含量的分布，使其内部界面减少乃至消失，以达到优化材料内部应力、性能分布的目的，从而满足不同部位对材料使用性能的要求^[8-9]。生物功能梯度材料可应用于种植修复、骨组织替代等领域。实验应用梯度复合技术，采用粉末冶金方法高温烧结制备氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料，通过对其初步机械强度的检测，筛选出力学性能最佳的梯度设计和烧结温度，为该新型生物功能梯度材料的设计、制备和进一步的力学和生物学研究提供理论和实验依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

1.1  设计  单一因素观察实验。

1.2  时间及地点  实验于2018年1至10月在滨州医学院中心实验室进行。

1.3  材料  纳米羟基磷灰石粉体(纯度≥99.5%，粒径为20 nm，上海华篮化学科技有限公司)、氧化钇稳定纳米氧化锆粉体(纯度≥99%，粒径为40 nm，南京埃普瑞纳米材料有限公司)材料介绍，见表1。

实验用主要设备与仪器：试件模具(自制，30 mm×   60 mm不锈钢圆柱状)； 高速手机马达(日本精工株式会社)；游标卡尺(首丰量具有限公司)；WDW-5万能测验机(济南永科实验仪器有限公司)；牙科综合治疗机(西诺德牙科设备有限公司)；HWL-5L16马弗炉(山东华威炉业有限公司)；XMTD-8222恒温箱(余姚市浩辉自动化科技有限公司)；电子天平(Sartorius Biotech Beijing Company)。

1.4  实验方法

样品设计及分组：氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料设计为基体体积分数100%的氧化锆，中间层为氧化锆/纳米羟基磷灰石复合材料梯度层，表面层为体积分数100%含量的纳米羟基磷灰石。为便于检测，试件设计为梯度层沿厚度单向变化，中心基体层即为最底层。试件粉体总厚度D=50 mm，基体层厚度氧化锆为D₁，其余部分厚度为D₂，梯度层按公式计算出每层梯度层中纳米羟基磷灰石含量体积分数，计算公式为f(x)=(x/n)^p×f(s)^[10]，其中x代表层数，即由内向外分别为1、2、3、4…n，n为梯度总层数，p为梯度指数；表面层即f(s)层，为100%纳米羟基磷灰石。试件样品总厚度D=50 mm。

根据氧化锆层D₁厚度的不同分为A、B、C 3大组，其中A组D₁=40 mm、D₂=10 mm，B组D₁=30 mm、D₂=20 mm，C组D₁=20 mm、D₂=30 mm；每组根据层数的不同又分为1组(3层)、2组(5层)、3组(7层)。最终分为A₁、A₂、A₃、B₁、B₂、B₃、C₁、C₂、C₃共9组，每组各制作18个试件，共162个试件。氧化锆/纳米羟基磷灰石功能梯度材料示意图见图1，各组试件结构参数见表2，每层纳米羟基磷灰石的含量参数见表3。

生坯制备：将称量好的配料置于30 mm×60 mm圆筒状钢制模具内，按设计和计算结果逐层平铺，用万能力学测试机以10 MPa压力、速度为1 mm/min单面垂直加压成生坯试件。

陶瓷试件制备：设定6组烧结温度，从1 300-1 550 ℃之间相邻两组间相差50 ℃^[11]。将试件分别放入马弗炉中，以10 ℃/min升温至300 ℃保温2 h，再以5 ℃/min升至设定温度，保温2 h，随炉冷却至室温取出备用。

1.5  主要观察指标

试件预备：将经高温烧结后的圆柱状试件加工成规格为25 mm×4 mm×x mm抗剪切强度及抗弯曲强度的矩形试件，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；试件烧结后有一定的收缩性，试件烧结温度不同，故每个试件高度不同。

抗弯曲强度测试：根据三点弯曲原理设计简易三点弯曲装置，其装置由2部分组成，上部结构为安装于万能试验机上的加载头，其规格为50 mm×2 mm，下部结构为试件夹具，两侧臂之间距离为20 mm，臂宽度为5 mm，表面为半球形，长度为30 mm，示意图见图2。

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/2bh^2[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。

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。

梯度功能材料的力学性能受中间层厚度、梯度层数、梯度指数p的影响较大，因此合理的结构参数及设计能够显著提高梯度材料的力学性能^[30]，随着梯度层数的增加其力学性能逐渐增强^[31]。此次实验结果也表明随着梯度层数及基体层厚度的增加，试件的抗弯曲强度和抗剪切强度逐渐增强。当梯度层数较少时，陶瓷试件层与层之间界限明显且偶见裂纹；当梯度层较多时，未见明显的宏观界面，梯度材料间过渡均匀^[32]。梯度材料的力学性能随梯度层增多而增大的原因主要有以下2个方面^[33]：①随着梯度过渡层层数增多，相邻层间组分纳米羟基磷灰石含量变化较小，体积分数更加接近，起到良好的缓和过渡作用，提高了梯度材料间相容性；同时梯度层数越多，靠近基体部位氧化锆含量越多，其机械强度则越高；②梯度层数的增加有利于缓和层间由于热膨胀系数差异产生的残余应力，材料内部孔隙减少，致密度提高，力学性能增强。梯度指数p对功能梯度材料机械性能的影响，是由于其变化改变了纳米羟基磷灰石在材料梯度功能层中的空间分布。有研究表明梯度指数p对功能梯度材料的机械性能的影响表现为：随着p的增大，其机械强度呈现先增大后减小，当p=2.5时，梯度层中的应力分布最佳，功能梯度材料的机械强度最大^[34]。

烧结过程是制备陶瓷的关键环节，其中烧结温度及其升温过程的控制尤为重要^[35]。在烧结之前，颗粒间为点接触；高温烧结时粉体粒度降低，颗粒间间距减小，表面活性增大，气孔从晶体中排除，从而实现材料的致密化过程。但随着烧结温度过高，晶粒尺寸变大、分布不均匀且粉体之间气孔变大、变多，从而出现硬团聚现象，导致材料裂纹的产生，力学性能下降^[36]。因此合适的烧结温度和控温程序可以显著提高陶瓷的密度^[37-38]。当烧结温度过高时，功能梯度材料中的部分纳米羟基磷灰石分解，转变为β-Ca₃(PO₄)₂(β-磷酸三钙)、α-Ca₃(PO₄)₂(α-磷酸三钙)和CaZrO₃相，钙离子渗入氧化锆颗粒中，生成CaZrO₃形成立方相^[39]，其产物β-磷酸三钙仍具有良好的生物相容性，可以诱导新骨形成，修复骨缺损^[40-41]，但阻碍了材料的致密化^[42]。预实验发现当烧结温度达1 600 ℃时，表层纳米羟基磷灰石发生碳化、崩裂，失去了其应有的功能和作用^[43]。

实验应用粉末冶金法中的叠层法，以氧化锆和纳米羟基磷灰石粉末为原料制备功能梯度陶瓷生坯试件，然后采用两段式高温烧结技术，烧结气氛为空气，通过控制温度和时间这两个因素来实现3Y-ZrO₂基纳米羟基磷灰石功能梯度材料的结合和致密化，所制备的氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料经抗剪切强度和抗弯曲强度检测，证明具有优良的力学性能，为氧化锆基纳米羟基磷灰石梯度功能材料的制备开辟了新的思路。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

文题释义：
功能梯度材料：将2种或2种以上的材料采用梯度复合技术，使其组成和结构由一侧向另一侧呈连续梯度变化，以减小及克服结合部位的性能不匹配现象，达到内部界面消失，材料的性能相应于组成和结构的变化也呈现梯度变化。
氧化锆陶瓷：目前被认为是硬度最大、耐磨性能最好的陶瓷材料之一，具有良好的生物活性、力学性能以及良好的抗热传导性和抗腐蚀性，近年来关于该生物性陶瓷的研究越来越多，该材料广泛应用于医疗、保健、纺织、耐火材料等领域。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

生物功能梯度材料是在生物领域应用的一类功能梯度材料，是一种新型的性能渐变的非均质复合材料，通常由两种或两种以上性能不同的材料复合而成，通过连续改变两种或两种以上材料的组分、体积含量的分布，使其内部界面减少乃至消失，以达到优化材料内部应力、性能分布，从而满足不同部位对材料使用性能的要求，生物功能梯度材料可应用到种植修复、骨组织替代等领域。本研究应用梯度复合技术，采用粉末冶金方法高温烧结制备氧化锆基纳米羟基磷灰石功能梯度材料，通过对其初步机械强度的检测，筛选出力学性能最佳的梯度设计和烧结温度，为该新型生物生物功能梯度材料的设计、制备和进一步的力学和生物学研究提供理论和实验依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程