羟基磷灰石基活性生物陶瓷的性能研究.doc

第一章 绪论1.１引言 　 生物陶瓷材料以其良好的生物亲和性在世界范畴内引起广泛注重生物陶瓷作为硬组织的代用材料，重要分为生物惰性和生物活性两大类羟基磷灰石(Ｃa1０(PO4)6(OH)2）,简称HAP属于生物活性陶瓷，理论密度为３.16g／ｃｍ,是构成人体硬组织的重要无机成分,占人骨无机成分的77％,齿骨中则高达9７％［1,2]，由于与人体骨骼晶体成分、构造基本一致,ＨAP生物相容性、界面生物活性均优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料但该生物陶瓷脆性高、抗折强度低,目前仅能应用于非承载的小型种植体，如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等,而不能在受载场合下应用，如人造牙齿或骨骼等.因此人们盼望获得力学性能较高的HAP陶瓷［3,４,５]1.2　 羟基磷灰石的基本性质1．２．１羟基磷灰石的晶体构造HAP晶体属于Ｐ63/m空间群其晶胞特性可以用ａ、b、c三个向量来表达，a∧b=12００,a∧c＝b∧e=900，为六角柱体[6]，一种晶胞中含十个Cａ２+、六个Ｐ043一、两个OH一ＨA由诸多六角柱状的单晶团聚而成这种柱状晶体的横截面为六边形,平行于晶胞的(a,b)面,称为C表面;环绕柱体轴的六个侧面为矩形,分别平行于晶胞的(a,ｃ)面和(b，c)面，称ａ表面和b表面(a表面等同与b表面），如图ｌ.1示。

图1.1HAP的晶体构造(a)：(a,b)面上的投影菱形表达一种晶胞，z＝0表达晶胞的底部,ｚ＝1晶胞顶部Ｚ=O和Ｚ＝1/２的Ｃａ离子称为CaI离子,Z=l/4和Z=3／4的离子称为CaII离子;(b):CaII离子，a轴水平向右，b轴向纸里面,c轴垂直向上;(c)：CaI离子;(d):HＡ的c表面 Ｋawasakｉ提出[7],HA表面重要存在两种吸附位置:当ＯH一位置位于晶体的ａ（或b)表面时,该位置连着两个CaＩＩ离子,在水溶液中，这个表面的OH-位置至少在某一瞬间空缺,由于两个ＣaＩＩ离子带正电,形成一种吸附位置，成为c位置，c位置能吸附Ｐ0４３一、大分子上的磷酸根或轻基团当ＣａI位置位于晶体的ｃ表面时,一部分这种位置连着六个带负电荷的０原子,另一部分这种位置连着三个带负电荷的Ｏ原子，在水溶液中，表面的CaＩ位置至少在某一瞬间空缺,连着六个O原子的ＣaⅠ位置就形成一种较强的吸附位置,称为P位置,P位置能吸附Sr2+、K+等阳离子以及蛋白质分子上显正电性的基团;而连着三个Ｏ原子的CａⅠ位置则形成一种相对较弱的吸附位置1.2.２ 羟基磷灰石的性质１. 羟基磷灰石的物理化学性质羟基磷灰石(Hydroxyapaｔite,HＡP)分子式是Ｃａ10(PO4)6(OH)2,体积质量３．1６g/cｍ，性脆,折射率为1.64～1.6５,微溶于水，水溶液呈弱碱性(PH 7—9)。

易溶于酸,难溶于碱HAP是强离子互换剂，分子中的Cａ容易被Cｄ、Ｈg等有害金属离子和Sr２+、Ｂa2+、Ｐd２+等重金属离子互换[8－10]OＨ-也常被Ｆ-、Cl-置换，并且置换速度非常快，还可以与含羟基(COOH)的氨基酸、蛋白质、有机酸等反映[11]2.羟基磷灰石的生物学性质(1)生物降解性有关研究表白，HＡP几乎不溶于水[12,13]但是研究发现它有缓慢的降解性[1４］重要由如下几种因素引起:①物理化学的因素物理化学溶解取决于材料的溶解产物及所处的PH环境；②晶界的变化而分解成小颗粒在人体生理环境下,多孔HAＰ会发生物理化学溶解,或在晶界等活性较高的区域发生化学变化而分解成较小的颗粒；③生理因素如晶粒的表面积增大、料结晶度下降、晶粒尺寸的减小及CO32-,Mｇ2+,Sr2+等杂质离子的存在都可以加速多孔ＨAP的降解速度2)羟基磷灰石的诱导成骨性羟基磷灰石陶瓷的骨传导性能已经被普遍承认,它的骨诱导性能直到近来才有实验验证将试样植入体内可以生成骨形成蛋白并且有随着骨髓的新骨组织浮现HAP的生物活性机理,Ｇｒｏss、Duｃhesｎｅ和Jａrｃhｏ等[15-19]曾做过讨论,觉得HAP植入机体与邻近骨和体液作用，发生钙、磷等离子互换,这种互换维持动态平衡,在HAＰ与骨界面产生新的HAP。

HＡP中弥散出钙和磷离子，体液中钙和磷离子也向HＡP表面汇集，在HAP表面形成钙、磷离子层并与骨细胞中的蛋白质分子结合,这样HAＰ与骨就紧密地集合为一种整体离子互换的不断进行，影响细胞的增生分化，引起HAＰ表面的骨生长[２0,２１]１.２.3羟基磷灰石的制备措施HAＰ微粉是制备块状或多孔羟基磷灰石陶瓷的原料，粉体颗粒的形状、大小、均匀性直接影响最后产品的品质因此，研究HＡP微粉的制备措施,使之更加科学合理、成本低廉、储存稳定始终是国内外的研究热点目前,HＡ的制备措施己经形成了干法和湿法两大类,其中,湿法重要涉及:沉淀法、溶胶一凝胶法、水热反映法、微乳液法等;而干法相对较少，比较成熟的重要由固相合成法,下面分别简介多种措施的工艺特点１．迅速均匀沉淀法迅速均匀沉淀法是多种水溶性的化合物经特殊措施混合、反映生成不溶性的沉淀,然后将沉淀陈化、过滤、洗涤、锻烧解决,得到符合规定的粉体液相均匀沉淀法因其工艺简便、成本低、颗粒细小等长处被广泛应用王德平［22]等研究了pＨ值对纳米级HA粉体制备的影响，张力[２３]等对于影响HＡ产物的结晶和粒度的因素进行了比较进一步的研究武汉理工大学的江听［２4]等人运用迅速均匀沉淀法制备出了结晶性能较好、粒径大小约80ｎｍ的HA纳米微粒。

常用的制备HＡ粉体的钙源物质有Ca(N0３）2·4HZＯ、Ca(OH）２、CaCI2、ＣaＯ２、Ca（OCＺH5）2等,常用的磷反映物有(NH4）２HPO4;、H3PO4;、K2HPO4、NaＨ2ＰO４、(CH３O)３PO4等2.溶胶一凝胶法溶胶－凝胶法是一种一方面运用金属醇盐或无机盐水解，然后使溶质缩聚成溶胶，继而凝胶化，再进行干燥焙烧,最后得到无机纳米材料的措施，与老式工艺相比，溶胶-凝胶法具有工艺过程比较简朴、合成产物纯度高、热解决温度低的长处，但也具有成本较高的局限性对于溶胶一凝胶法制备HA，比较典型的是采用硝酸钙一磷酸醋制备工艺朱明刚［２5]曾用硝酸钙和磷酸三甲醋制成了ＨA骨水泥；朱晓丽等运用金属钙、磷酸和乙醇为原料,获得了粒度、物相和结晶度较好的HＡ但是磷酸酷的水解需要较长时间，并且要严格控制反映氛围也有用硝酸钙和五氧化二磷溶胶一凝胶法制备HA涂层和薄膜的报道[26],王峰用硝酸钙一五氧化二磷为原料,无水乙醇作溶剂制备了HA微粉,该措施较为快捷,并且产物纯度较高3.水热合成法水热合成的反映过程规定反映物料体系封闭在具有一定压力的高压容器中加温进行在高温时,密封容器中一定填充度的物料发生膨胀,布满整个容器，从而产生很高的压力，加热的过程中溶解度随温度的升高而增长最后导致溶液过饱和，并逐渐形成稳定的化合物新相。

反映过程的驱动力是可溶的前躯体或中间体与稳定的产物之间的溶解度差水热合成法是在特制的密闭反映容器里，采用水溶液作为反映介质,通过对反映容器加热，发明一种高温、高压的反映环境,使一般难溶或不溶的物质溶解或溶解度增大结晶通过变化水热反映条件可得到具有不同晶体构造和结晶形态的产物Haｔｔorｉ[27］报导了用氧化钙和焦磷酸钙作反映前驱物，通过水热法合成了直径不不小于20nm的球形ＨＡ粉末Lin以氢氧化钙和磷酸钠为前驱物,在蒸压釜中合成了粒径约为5０nm的HA纳米粉体徐光亮[２８]用碳酸钙和磷酸氢钙的混合物为前驱物,通过水热合成法制备了含碳酸根的ＨA粉末刘晶冰川采用氢氧化钙和磷酸氢钙制备了结晶度较高的HA粉末,获得了棒状晶体４.　微乳液法微乳液法一般是由表面活性剂、助溶剂(醇类)、油(碳氢化合物)和水(电解质水溶液）构成透明的、各相似性的热力学稳定体系当表面活性剂溶解在有机溶剂中，其浓度超过临界胶束浓度时形成亲水极性的亲水头朝内、疏水端朝外液体颗粒构造，水相作为纳米液滴的形式分散在由单层表面活性剂和助溶剂构成的界面内，形成彼此独立的球形微乳颗粒这种颗粒大小在几种至几十个纳米之间,在一定条件下,具有保持稳定小尺寸的特性,虽然破裂也能重新组合,类似于生物细胞的自组织和自复制功能。

微乳液法用于制备纳米HＡ的报道甚少新加坡国立大学材料系的Lｉm［29]先采用该法对制备HA进行了研究，措施特点是将CaCI2和（NH4)2ＨＰO4分别制成微乳液，油相为环乙醇，表面活性剂为HP５+ＮP9，将两种微乳液混合后,放置一定期间，将沉淀物用乙醇洗涤,制备出了粒径为２0-４0ｎm的HA粉体5.固相合成法 该法是合成HA的干法工艺它是反映物在机械力的作用下发生固相间的混合、扩散而反映生成产物的措施以CaCO3和为原料,在1200一１300℃下通水蒸气解决2一3小时,发生如下反映:Ｃa3(PO４)２＋CaＣO３→HA+ＣＯ２↑＋H２Ｏ↑固然，也可以采用CaO2和ＣａHPO4在乙醇溶剂中湿法研磨生成HA，但其原仍然属于干法工艺由于研磨过程耗能大,烧结温度较高,并且干法难以达到分子尺度的混合，因此运用干法制备HA的工艺正在逐渐被遗弃6．其她措施韩颖超[30］等曾运用Ｃa(ＰO４)·４H２Ｏ、(NＨ4)2HPO４、柠檬酸和硝酸为原料,采用自燃烧法制备了平均粒径85nlｎ的HＡ微粉廖其龙[３１]等人采用冲击波合成法将CaCO3CaHＰO4混合装入钢制回收器内，经冲击波解决后得到HA粉体自燃烧法在低温下即可实现原位氧化,可以迅速合成产物的初级微粉，不仅可以缩短制备周期，并且反映物在合成过程中处在高度均匀分散状态，因此产物粒径小、适合纳米材料的合成;冲击波具有能产生高压、高温作用时间短的特点，对微粉起到细化、均匀、活化的作用。

１.2.4 羟基磷灰石活性生物陶瓷的分类 　 　羟基磷灰石生物陶瓷分为;致密型HAP生物陶瓷， 多孔型ＨＡP生物陶瓷， 复合型HAＰ陶瓷, 混合型HＡＰ 生物陶瓷以及近来发展的涂层及复合HＡP材料下面按分类对其作简要的阐明1.致密型HＡP生物陶瓷(Ｈ型） 　 致密型ＨAＰ生物陶瓷的制备是将ＨAP 基材加人添加剂及粘结剂制成一定的颗粒级配,　然后在金属模内加压成型,生坯经烘干在900℃左右烧成素坯，　素坯可以进行精加工, 然后在1300℃左右加压烧结而成　 致密HAP的表面显气孔率较小， 经电镜观测孔径为8０微米有较好的机械性能：抗拉强度、抗弯强度和抗压强度分别在1２0- ９０0MPa,38－2５０ＭPａ和３8－30０MPa之间, 强度值取决于残存微孔隙率,　晶粒尺寸和杂质相等， 孔隙率的增高，减少陶瓷的强度;弹性模量E在4１-121ＧPa 之间, 其取决于测试措施、气孔率和杂质相含量等;　断裂韧性在0.7－1.3ＭPa 之间, 随气孔率的增大而成线性减少， 并随烧结温度而变化, 与密度和晶粒尺寸的共同作用有关致密HＡＰ 具有一定的可加工性, 在临床使用中极为以便，　但因其植人人体内后,只能在表面形成骨质， 缺少诱导骨形成的能力, 仅可作为骨形成的支架, 重要用于人工齿根种植体。

2.多孔型HAP生物陶瓷(DH型) 　　 有关多孔HAP生物陶瓷，人们对其进行了广泛的研究,发展了一系列制备的措施，　如添加造孔剂法、泡沫浸渍法、溶胶—凝胶法等成型措施上, 多采用于可塑法成型在研制过程中,人们最常用的措施是造孔剂法，　常用的造孔剂有有机造孔剂, 如石蜡、聚甲基丙烯酸甲醋等，　但此类有机造孔剂与HAＰ 的热膨胀系数差别较大, 易导致烧结过程中产生大量裂纹, 从而减少强度近来,　发展了碳粉造孔剂,　因其热膨胀系数与HAＰ相近, 可以减少微裂纹的产生, 提高多孔HAP陶瓷的力学性能 　多孔HAＰ生物陶瓷具有较好的生物降解性、较大的比表面积, 有助于生物组织的附着, 合适的孔径更有。