学术研究报告：通过废弃动物骨源三相磷酸钙增强氧化铝增韧氧化锆生物复合材料以提升生物活性与生物循环性

作者及机构
本研究由印度理工学院（瓦拉纳西印度教大学）陶瓷工程系的Ashutosh Gupta、Vaibhav Pandey（通讯作者）及Manas Ranjan Majhi合作完成，发表于2024年5月的期刊《Sustainable Materials and Technologies》（卷40，文章编号e00965）。

学术背景
本研究属于生物材料与循环经济交叉领域，聚焦于解决动物废弃骨（Animal Waste Bone, AWB）的环境管理难题。全球每年产生约2000万吨AWB，其不当处置可能导致土壤污染和资源浪费。尽管AWB富含羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HAP）等生物活性成分，但其利用率较低。研究团队提出将AWB衍生的三相磷酸钙（HAP/β-磷酸三钙(TCP)/白磷钙石(Whitlockite, WK)）融入氧化铝增韧氧化锆（Alumina Toughened Zirconia, ATZ）复合材料中，以开发兼具机械强度与生物活性的新型生物复合材料（ATZ-AWB），目标是通过废弃物资源化推动生物循环经济，并为骨修复材料提供低成本解决方案。

研究流程与方法
1. 原料制备与处理
- 原料来源：氧化锆（纳米级，Merck）、氧化铝（Alcoa Acc CT 3000SG）、AWB（来自餐馆与屠宰场）。
- AWB预处理：清洗去脂（煮沸脱盐）、干燥粉碎后，经1000℃热处理并研磨至粒径<150 μm。
- ATZ基体制备：氧化锆与氧化铝按4:1重量比混合，球磨24小时。

1. 复合材料制备

   • 配方设计：将AWB以5%、10%、15%、20%重量比掺杂至ATZ中，添加蔗糖粘结剂后压制成型（40×10×10 mm³，10吨压力）。
     
   • 烧结工艺：分别在1400℃和1500℃下烧结，促进HAP分解为TCP及WK相形成。
     

2. 表征与测试

   • 物理性能：通过阿基米德法测定体积密度与孔隙率。
     
   • 相组成分析：X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）鉴定HAP/TCP/WK三相共存。
     
   • 微观结构：扫描电镜（SEM）与高分辨透射电镜（HRTEM）观察晶形（如六方HAP、菱方WK），EDS分析元素分布。
     
   • 生物活性评估：模拟体液（1.5×SBF）浸泡2-4周，SEM观察磷灰石层形成，pH监测离子释放动态。
     
   • 机械性能：三点弯曲试验测定抗弯强度（620-1000 MPa），维氏硬度计测试硬度（2-9 GPa）。
     

主要结果
1. 相组成与结构
- XRD显示AWB经高温烧结后转化为HAP、β-TCP、α-TCP及WK多相共存结构，其中Mg²⁺促进WK形成。FTIR证实磷酸根基团（PO₄³⁻）及HPO₄²⁻特征峰（872 cm⁻¹）。
- SEM显示ATZ基体为球形氧化锆与不规则氧化铝颗粒，AWB掺杂后出现六方（HAP）及菱方（WK）晶形。HRTEM测得晶面间距与标准卡片匹配（如HAP的(101)面2.95 Å）。

1. 生物活性

   • SBF浸泡实验表明，AWB掺杂显著提升磷灰石层形成速率，20% AWB样品在14天后表面覆盖致密花瓣状磷灰石（Ca/P≈1.67）。pH曲线显示钙磷离子持续释放，7天后因磷灰石层形成而趋于平衡。
     

2. 机械性能

   • AWB增加导致孔隙率上升（3.6%-17%），密度下降（5.2-3.7 g/cm³），但抗弯强度（1000 MPa→620 MPa）与硬度（9→2 GPa）仍满足骨植入材料标准（ISO 13356）。
     

结论与价值
1. 科学价值：首次将AWB衍生的三相磷酸钙（HAP/TCP/WK）与ATZ复合，证实其协同增强生物活性（磷灰石形成能力提升3倍）并保持机械稳定性。
2. 应用价值：为骨修复提供低成本材料（废弃物利用率达20%），密度（3.7-5.2 g/cm³）与天然骨接近，且避免合成HAP的复杂工艺。
3. 环境意义：推动“废弃物-资源”转化模式，契合可持续发展目标（SDGs）。

研究亮点
1. 创新方法：利用AWB中天然Mg²⁺原位生成WK相，优于纯合成HAP的单相结构。
2. 多尺度表征：结合XRD定量相分析（Xpert HighScore软件）与HRTEM晶格解析，明确三相分布。
3. 性能平衡：通过ATZ基体补偿钙磷酸盐降解导致的力学损失，实现“强度-活性”均衡。

其他发现
- 高温下ZrO₂与CaO反应生成CaZrO₃，可能影响长期生物相容性，需进一步研究。
- AWB掺杂优化区间为10-15%，超过此范围则机械性能骤降。

本研究为生物材料领域提供了废弃物高值化利用的典范，兼具学术前瞻性与工程可行性。