（应用化学专业论文）改性羟基磷灰石制备及结构表征.pdf

四川大学硕士学位论文 改性羟基磷灰石制备及结构表征 应用化学专业 研究生周宏卉指导教师李晖教授 羟基磷灰石( l a p ) 生物陶瓷是目前研究最多的生物活性材料之一，与生物 体硬组织有相似的化学成分和结构，具有良好的生物活性和相容性，但由于其 自身强度低，韧性及力学性能差等缺陷而限制了其应用的广泛性。由于生物陶 瓷材料具有较大发展潜力和研究价值，本研究从仿生生物矿化原理出发，从成 分和结构两方面对羟基磷灰石进行改性，制备成分结构与天然骨组织相近，生 物相容性进一步改善的骨替换材料；采用多种手段，特别是x 一射线衍射和傅 立叶变换红外光谱测定材料的晶体结构及分子结构，并通出r i e t v e l d 结构精修和 二阶导数方法对x 一射线衍射及傅立叶变换红外光谱数据进行分析，深入研究 改性羟基磷灰石材料的内部结构，对其结构进行表征。 首先用湿化学沉淀法制备得到了c a p 摩尔比例从1 5 0 到1 6 7 的具有相似 六方结构的缺钙型羟基磷灰石( c d h a ) 。通过r i e t v e l d 精修得到其结构参数，例 如晶胞参数、计算密度、键长和键角等，参数变化趋势表明缺钙型羟基磷灰石 结构中确实存在空位，而且随着c a p 摩尔比例的降低，空位增加。空位分布在 整个h a p 的六方结构中，以取代正负离子并维持离子电荷平衡，并不存在对于 c “i ) 、c a ( i i ) 或o h 的优先取代，且空位导致了h a p 六方结构的膨胀。键长 和键角变化显示结构中空位的增加导致磷氧四面体的自由伸展。 f t i r 的曲线拟合结果也证实了在所有不同c a p 摩尔比例的c d h a 中都存 在明显的5 3 6c m 4 和5 5 0 锄4h p 0 4 。吸收峰和6 3 3 锄。处的o h 。吸收峰。x r d 和f t i r 的结果共同证实了c d h a 的磷灰石结构，而且结构中有部分1 0 4 3 被 i - i p 0 4 2 - 取代，其化学式为c a l 0 - x m 。口0 4 ) 缸( h p 0 4 ) 。( 0 均2 ：口。( 口= 空位) 。 随着c a 摩尔比例增加，结晶度以及平均微晶尺寸增大，而结构中h p 0 4 2 。 四川大学硕士学位论文 含量降低，证实了磷灰石化学计量比和晶型的完整过程伴随着h p 0 4 2 - 的减少以 及结构中原子排列规则程度的增加。 c d h a 粉末经过烧结，可以转变为h a p t c p 双相陶瓷( b c p ) 。随着烧结时 间的增加，相转变程度增加，1 1 0 0 下烧结4 小时后，c d h a 的相转变完成， 根据c d h a 中c a p 摩尔比例不同，可以转变为具有不同相组成的h a p ，i b - t c p 或二者的混合物双相陶瓷。对于具有确定c a p 摩尔比例的c d h a ，可以通过调 节烧结时间和温度来得到具有不同相组成的b c p ，提供了通过控制烧结温度和 烧结时间来制备新型双相陶瓷的新的工艺路线，与以往的通过调节反应溶液中 c a 理比的工艺方法相比，此方法更易于工艺控制，更易工业化。而且得到的b c p 中的h a p 仍然是缺钙型羟基磷灰石，其化学组成以及结构都与生物骨更加类 似，因而比以往研究得到的双相陶瓷具有更好的生物活性。 另外，从仿生生物矿化学原理出发，模仿骨结构成分，用湿化学沉淀法制 备得到了含锌量从0 2 到1 8 2 的具有磷灰石结构的掺锌羟基磷灰石。通过 e d x 测试，证明制得样品中含有锌元素，且含量随着掺入量的增大而增大。由 化学分析和原子吸收分析得到各样品中钙、磷及锌含量，随着锌掺入量增加， 磷含量基本不变，而钙含量减少；x r d 分析证明样品均为磷灰石结构。且不含 独立的z n o 、z n ( n 0 3 ) 2 等杂相，因而证明锌掺入羟基磷灰石晶胞，在晶胞中取 代钙离子。一系列的分析测试证实湿化学沉淀法可以制备含锌量不同的掺杂羟 基磷灰石。 通过r i e t v e l d 精修得到掺锌羟基磷灰石结构参数，例如晶胞参数、计算密度、 微晶尺寸及微观应力等，结果表明：由湿化学沉淀法制备得到的掺锌羟基磷灰 石合成粉末，随着锌掺入量的增加，微晶尺寸减小，而微观应变增大，说明锌 的加入影响到h a p 的晶体结构，导致结晶不完善且稳定性降低。而当合成粉末 经高温烧结后，不同含锌量的掺锌羟基磷灰石均得到较完整的h a p 晶型，说明 z n 进入h a p 晶胞中替换其中的c a ，而且z n 的存在没有影响到h a p 的结晶。当z n 的掺入量达到1 ，8 2 时，其各种参数并未顺着掺入量增大的趋势变化，而是表 现出相对完整的晶体结构和较高的稳定性。 关键词：缺钙型羟基磷灰石，掺杂羟基磷灰石，化学沉淀法制备，r i c t v e l d 结构 精修，结构表征 四川大学硕士学位论文 s y n t h e s i sa n ds t r u c n 】r ec h a r a c t e r i z a t i o n o fm o d i f i e dh y d r o x y a p a t i t e m a j o ra p p l i e dc h e m i s t r y g r a d u a t e ：z h o uh o n g h u i s u p e r v i s o r ：p r o f il ih u i h y d r o x y a p a t i t ec a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( o n h ( h a j p ) i sa ne x c e l l e n tk i n d o fs y n t h e s i z e d b i o m a t e r i a l sw i t ho u t s t a n d i n gb i o a c t i v i t y , w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h eb o n e s u b s t i t u t e sa n db o n e d e f e c tf i l l i n gr e l a t e dt ot h ep r o v i s i o no fs u p p o r t i n gs c a f f o l d sf o r o s t e o c o n d u c t i o n h o w e v e r ，u s a g eo fs y n t h e t i ch a pi sl i m i t e dd u et oh i g hb r i t t l e n e s s a n dp o o rp l a s t i c i t y , s o m ed i f f i c u l tf o ri m p l a n ts h a p em o d i f i c a t i o n np a c ed u r i n g s u r 百c a lo p e r a t i o n t h eo b j e c t i v e so ft h ep r e s e n ts t u d yw e r et os y n t h e s i z ea n dc h a r a c t e r i z e c a - d e f i c i m th y d r o x y a p a t i t e r ( c d h a ) a n dz n - d o p c db y d r o x y a p a t i t e ( z n h a ) w h i c h m o l es i m i l a rw i t hh u m a nb o n et i s s u ei nc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n d s t r u c t u r e r i e t v e l ds t r u c t u r ea n df t 己2 蜩d e f t v a t e sd c c o n v o l u t i o nw e r eu s e dt oc h a r a c t e r i z e t h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dm o l e c u l a rs t r u c t u r e 皿ec a l c i u m d e f i c i e n ta p a t i t e ( c d h a ) p o w d e r sw e r es y n t h e s i z e db ym e a n so fa w e t - c h e m i c a lm e t h o d b a s e do lh a pc r y s t a lm o d e lw i t hs p a c eg r o u pp 6 3 mw i t h a = o 9 4 3 2 n ma n db = 0 6 8 8 1 m ，r i e t v e l ds t r u c t u r er e f i n e m e n tw a sp e r f o r m e do nt h e x - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) e x p e r i m e n t a ld a t ao fc d h ap o w d e r sa n df o u r i e rt r a n s f o r m i n f r a r e d s p e c t r o s c o p yw a su s e dt oc h a r a c t e r i z es t r a c t u r eo fc d h a w i t ht h e d e c r e a s eo fc a pr a t i o ，t h ec r y s t a u i t es i z ea n dc r y s t a l l i n i t yd e c r e a s e d ，b u tt h ea c i d p h o s p h a t ec o n t e n ta n da m o u n to fv a c a n c i e si nh y d r o x y a p a t i t eh e x a g o n a ls t r u c t u r e i n c r e a s e d t h ed i s o r d e ro fc d h as t r u c t u r ei n c r e a s ei n d i c a t e dc a l c i u m d e f i c i e n c y a n di - i p 0 4r e p l a c e m e n tr e s u l t e di nd i s o r d e ro fc r y s t a li na p a t i t es t r u c t u r e t h em o r e r l l 四川大学硕士学位论文 c a l c i u mi sd e f t c i e n t ，t h em o r ed i s o r d e ro ri m p e r f e c ti nc d h as t r u c t u r e t h e nc d h a p o w d e r sw e r es i n t e r e da tl l0 0 f o r2a n d4h o u p st op r o v et h a t c d h aw a st h ep r e c u r s o ro fb i - p h a s ec a l c i u mp h o s p h a t e s ( b c p ) a n da b l et o t r a n s f o r mt ob c ef o rc d h aw i t hc e r t a i nc a pm o l a rr a t i o b c pw i t hd i f f e r e n t h y d r o x y a p a t i t e t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ( h a p t c p ) r a t i o c o u l db ef a b r i c a t e d b y a d j u s t i n gt h el e n g t ho fs i n t e r i n gp e r i o d s a f t e r4h o u r ss i n t e r i n g ，t h et r a n s f o r m a t i o n o f c d h aw a sc o m p l e t e da n dc d h aw e r et r a n s f o r m e dt oh a p 9b t c p , o rb c pw i t h d e s i r e dp h a s ec o m p o s i t i o n s f r o mt h ec h e m i c a la n a l y s i so nc d h aa n dt h ex r d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nb c p , t h i sm e t h o do fs y n t h e s i sw a ss h o w nt op r o d u c ec d h a w i t hs a m ea p a t i t es t r u c t u r ea n dh a pi nb c pc e r a m i c sf a b r i c a t e db yi n c o m p l e t e s i n t e r i n gc d h ai sa l s oc a l c i u m d e f i c i e n ta p a t i t e w h i c hi sm o r es i m i l a rw i t hb o n e t h a ns t o i c h i o m e t r i ch y d r o x y a p t i t e o nt h eo t h e rh a n d ，z n - d o p e dh y d r o x y a p a t i t e ( z n h a ) p o w d e r sw i t hs i m i l a r a p a f i t es t r u c t u r ew e r es y n t h e s i z e da l s ou s i n gaw e t - c h e m i c a lm a h o d ，t h ee f f e c to f d i f f e r e n tc o n t e n to f d o p e dz i n co nh a ps t r u c t u r ew a ss t u d i e db y m e a 晒o f s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n dx r a ye n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r u m ( e d s ) 1 1 1 e ( c a + z n ) pm o l a rr a t i o ，c o n t e n to fz i n co fz n d o p e dh a j pw e r e a i s ot e s t e d i n a d d i s i o n , r i e t v e l ds t r u c t u r er e f i n e m e n tw a sp e r f o r m e do nt h e x - r a y d i f f r a c t i o n ( t d ) e x p e r i m e n t a ld a t ao fz n h ap o w d e r s w i n lt h ei n c r e a s eo fd o p e d z i n c ，t h ec r y s t a i l i t es i z ea n dc r y s m l l i n i t yd e c r e a s e d ，b u tt h em i e r o s t r a i ni n c r e a s e d d u r i n gs i n t e r i n gt e m p e r a t u r eu pt 01 1 0 0 9 c ，t h ez n h ak e e ph e x a g o n a ls t r u c t u r eo f a p a t i t ew i t h o u to b v i o u si m p u r ep h a s e ，s u c ha s ，z n o ，c a o ，c a 3 ( p o , h t h er e s u l t s s h o w e dz n 2 + r e p l a c e dt h ec a 寸i nt h eh y d r o x y a p a t i t el a t t i c et of o r mz n h a a n dk e e p z n h a c r y s t a l l i n es t r u c t u r ew i t hh e x a g o n a ls t r u c t u r ea p a t r e k e yw o r d s ：c a l c i u m d e f i c i e n ta p a t i t e ( c d h a ) ，d o p e dh y d r o x y a p a t i t e ，w e t c h e m i c a l m e t h o ds y n t h e s i s ，r i e t v e l dr e f i n e m e n t ，s t r u c t u r ec h a r a c t e r i z a t i o n 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 研究生： 指导教师： 时 因塞丑 难 生：! ! 四川大学硕士学位论文 l - 前言 二十一世纪是生命科学的世纪，生物学的发展也给材料科学带来了全新的 前景，生物材料的发展进入了前所未有的快速时期。生物材料科学之所以成为 发展最快、最受人关注的学科分支，其重要性在于它跨越了材料、医学、物理、 生物、化学和现代高科技等诸多学科领域，并与人类自身发展息息相关。无疑 生物材料已经成为生物工程学、材料科学中非常重要的一部分。 1 1 生物医用材料简介 生物医用材料是用于和生物系统接触或结合，以治疗、修复或替换生物体 组织或器官，增进或恢复其功能的材料。生物医用材料有人工合成材料和天然 材料：单一材料、复合材料、活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的 杂化材料。对其研究涉及仿生学、材料学、化学、物理学和医学等学科，研究 内容主要包括材料的合成、加工制各、宏观与微观结构的表征、理化性能测试、 材料与机体的相互作用及材料在生物体内的代谢等 。 1 1 1 生物材料的发展历程 生物材料的发展已经有比较长的历史，自人类认识了解材料起，就有了生 物材料的端倪( 2 1 。长期以来，人们一直希望致力于研究能够使损伤、病变组织 或器官完美重现和再生的材料和装置。2 0 世纪8 0 年代以来【3 1 ，一类新的、具有 激发、促进人体组织自身修复和再生作用的第三代生物活性复合材料研究开始 兴起。这类生物活性复合材料能够激发和主动诱导人体组织的自身修复及再生 能力，从而使病变组织、器官最终完全或主要是由再生的自身天然健康组织或 器官所取代，成为生物医学材料未来发展最具有活力的方向之一。随着医学以 及材料科学的发展，尤其是新型材料的研究开发成功，为生物材料的研究与应 用提供了更为广阔的发展机会。 1 1 2 生物材料的分类 生物材料种类繁多，到目前为止，被详细研究过的生物材料已经超过1 0 0 0 种，在医学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域。依据不同 四川大学硕士学位论文 的分类标准，可以分为不同的类型： 1 1 2 1 以材料的生物性能为分类标准 根据材料的生物学性能，生物材料可以分为生物惰性材料、生物活性材料、 生物降解材料、生物复合材料四类【4 】： 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生徼弱化 学反应的生物医学材料【4 】，主要是生物陶瓷类和医用合金类材料。生物惰性材 料主要包括以下几类：1 、氧化物陶瓷；2 、玻璃陶瓷；3 、s i 3 n 4 陶瓷；4 、医用 碳素材料；5 、医用金属材料。这类材料的发展期在上世纪7 0 年代以前。它们 结构都比较稳定，材料中分子间的作用力较强，而且都具有较高的强度、耐磨 性及化学稳定性。现在它们在骨科和牙科临床上得到了广泛的应用。 生物活性材料是一类能诱导或调节生物活性的生物医学材料。但是，也有 人认为生物活性是增进细胞活性或新组织再生的性质。现在，生物活性材料的 概念已建立了牢固的基础，其应用范围也大大扩充。生物活性材料主要有以下 几类【5 】：1 、羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t c ，简称h a p ) ，它是目前研究最多的生 物活性材料之一。作为最有代表性的生物活性陶瓷，其研究在近代生物医学工 程学科领域一直受到人们的密切关注。2 、磷酸钙生物活性材料，这种材料主要 包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类。3 、生物玻璃。 生物降解材料是在被植入人体以后，能够不断发生分解，且分解产物能够 被生物体吸收或排出体外的一类材料。主要包括口一磷酸三钙( b t c p ) 生物降 解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类。它们在生理环境中可被逐渐降解吸收，并随 之为新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。 生物复合材料又称为生物医用复合材料，它是由两种或两种以上不同材料 复合而成的生物材料，与其中所具有的单体的性能相比，生物复合材料的性能 都有较大程度的提高。制备该类材料的目的就是进一步提高或者改善某一种生 物材料的性能。按基材分，生物复合材料可分为高分子基、金属基和陶瓷基三 类【6 1 。生物复合材料的发展为获得真正仿生的生物材料开辟了广阔的途径【”。 1 1 2 2 以材料的属性为分类标准 按照材料的属性不同，生物材料可以分为医用金属材料、生物陶瓷、医用 高分子材料三类嘲。 四川大学硕士学位论文 医用金属材料由于可以作为承力的硬组织修复替代材料，目前依然是临床 上最主要的硬组织植入材料t g 。生物医用金属材料最基本的特性是要求材料具 有良好的生物功能性，包括足够高的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的 抗疲劳抗蠕变性能以及耐磨和自润滑性，优异的耐腐蚀性和良好的生物相容性 以及良好的可加工性能，并且满足用它制成的医疗器件植入人体需具有治疗作 用的条件。目前研究主要集中在修复、替代或增进人体组织或器官功能的医用 金属和合金及金属化合物材料及涂层技术上【j0 】。 生物陶瓷又称生物医用非金属材料。从广义上讲包括陶瓷、玻璃、碳素等 主要构成成分为无机非金属的材料及其制品。和金属材料相比，生物陶瓷在人 体内极其稳定，压缩强度高，对生物组织有良好的相容性与亲和性，且耐腐蚀， 无毒副作用，几乎看不到与生物组织的排斥反映，因而受到人们的普遍关注， 是近年来研究较多且进展较快的领埘1 1 】。当前的研究主要集中在具有特异性功 能的活性、良好的力学性能且促进组织生长的功能材料，具有生物体组织结构 的复合材料【12 】，高抗凝血功能的医用碳素材料。以磷酸盐为基体材料的生物活 性陶瓷，是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域。 医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一，特别是2 0 世 纪6 0 年代以来发展更快，己经能合成许多具有优良性能的软、硬材料及药物控 释材料，应用于各个医学领域。然而，医用高分子材料的研究目前仍然处于经 验和半经验阶段，还没有能够建立在分子设计的基础上，以材料的结构与性能 关系，材料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来 研究开发新材料的方法。 经过不断的发展，生物材料学领域取得了飞速发展，无机生物医用材料的 研究及其应用十分活跃，其中备受关注的是羟基磷灰石( h a p ) 活性陶瓷材料的 研究和临床应用。 1 1 2 羟基磷灰石材料 羟基磷灰石( h a p ) 属生物活性材料，与生物体硬组织有相似的化学成分和 结构，具有良好的生物活性和相容性，植入人体后对组织无刺激和排斥作用， 而且能够传导骨生长，即新骨可以从h a p 植入体与原骨结合处沿着植入体表面 或内部贯通性孔隙攀附生长，能与组织在界面上形成很强的化学键性结合。它 四川大学硕士学位论文 与骨形成键合表现在：在光学显微镜水平下，新骨和h a p 植入体在界面上直接 接触，其间无纤维组织存在；h a p 植入体骨界面的结合强度等于甚至超过植入 体或骨自身的结合强度，如果发生断裂，往往是发生在陶瓷或骨的内部，而不 是在界面上；h a p 植入体骨界面的高分辨投射电子显微镜显示，新生骨中盐晶 体系由植入体中晶粒外延生长形成。因而h a p 被用作骨缺损的充填材料，为新 骨的形成提供支架，发挥其骨传导作用，是理想的硬组织替代材料。 1 2 1 羟基磷灰石的组成、晶体结构及性质 羟基磷灰石理论组成为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 功2 ，c a p 摩尔比例为1 6 7 。h a p 晶 体为六方晶系，属l 6 p c 对称型和p 6 3 m 空间群，其结构为六角柱体( 图1 1 ) ，与 c 轴垂直的面是一个六边形，a 、b 轴夹角1 2 0 。，晶胞参数a b ：0 9 4 3 0 9 3 8 n m ， c - - 0 6 8 8 0 6 8 6 n m ，单位晶胞含有1 0 个c d + 、6 q p 0 4 和2 个o k 。结构* c a 2 + 离 子分别位于配位数为9 的c a ( i ) 位置和配位数为7 的c a ( i i ) 位置( 图1 2 ) ，其中4 个 c a 2 + 占据c a ( i ) 位置，l i p z - - 0 和z = l 2 位置各2 个，该位置处于6 个o 组成的c a - o 八面体的中心；其它6 个c a 2 + 处于c a ( ) 位置，f l j z = l 4 和z = 3 4 位置各3 个，位 于3 个0 组成的三配位体中心，其多面体围绕六次螺旋轴分布，构成平行c 轴的 螺旋六重对称性结构通道，o h 。位于通道之间i n c a 2 + 和氧原子形成的垂直于c 轴 平面的等边三角形中心，这种结构恰似一个“离子交换柱”。而6 个磷氧四面体 则通过共角顶或共面的c a ( i ) 、c a ( i i ) 多面体连接起来，分别位于z = l 4 和z = 3 4 的平面上，这些p 0 4 3 四面体的网络使得h a p 结构具有较好的稳定性。 4 四川大学硕士学位论文 图1 ，l 磷灰石晶体结构( 0 0 0 1 面投影) f i g 1 ，lc r y s t a ls 仃u d ：mo f a p a t i t e p r o j e c t i o no n t ot h e ( 0 0 0 1 、p l a n e 图1 2 磷灰石结构中钙位置 ( a ) 配位数为9 的c a ( i ) 位置( b ) 配位数为7 的c a ( i i ) 位l f i g 1 2 t y p e so f c a l c i u m p o l y h e d r a i n t h es t r u c t u r eo f a p a t i t e ( a ) c o l u m n so f n i n e f o l dc o o r d i n a t e dc a ( i ) p o l y h e d r a , f o ) t r m # e so f s e v e n f o l dc o o r d i n a t e dc a ( i i ) p o y h e d r a 5 四川大学硕士学位论文 人体骨骼和牙齿中的主要无机成分是羟基磷灰石，人骨成分中h a p 的质量 分数约6 5 ，而牙齿釉质中h a p 的质量分数则在9 5 以上。h a p 理论密度为 3 1 5 6 9 c m 3 ，折射率为1 6 4 1 6 5 ，莫氏硬度为5 ，微溶于水，呈弱碱性( p h 7 9 ) ，易溶于酸而难溶于碱。h a p 是强离子交换剂，分子中的c a 2 + 容易被c d 2 + 、 h 矿等有害金属离子和s p 、b a 2 + 、p d 2 + 等重金属离子交换，还可与含有羧基的 氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交换反应。 h a p 的表面性能取决于其结构，其表面主要存在2 个交换吸附位置，当o h 位于晶体侧表面时，o f f 与两个c a ( i i ) 离子相连，在水溶液中，表面的o h 至少 在某一瞬间空缺，由于2 个c a ( i i ) 离子带正电，形成一个吸附位置，这个位置能 吸附p 0 4 、大分子上的磷酸根基团或羧基基团。同理，当c a ( i ) 位于平行于单 晶横截面的表面时，由于c a ( i ) 与6 个带负电荷的o 原子相连，c a ( i i ) 与3 个带负 电荷的o 原子相连，在水溶液中，表面的c a ( i ) 位置形成较强的交换吸附位置， 能交换s p ，k + 等阳离子及吸附蛋白质分子的基团，而在c a ( i i ) 位置则形成一个 较弱的交换吸附位置。p 0 4 3 位于晶体的表面时，h a p 表面水化层通过氢键与 水有较好的相容性通过p 0 4 基团中0 能够与水中h 离子形成氢键，从而减少在 水中的表面能，能长时间保持细小的分散状态。 1 ，2 2 羟基磷灰石粉末的制备 由于自然界不存在满足医用级h a p 的单一矿物，所以医用h a p 。包括粉料 和陶瓷材料，通常是通过人工方法合成的。h a p 粉体是制备h a j p 生物材料的基 本原料，其制备方法概括起来可分为湿法和干法两大类：湿法合成是在水溶液 中，采用磷酸盐和钙盐为原料，在定的条件下发生化学反应，生成溶解度较 小的羟基磷灰石晶粒，包括化学沉淀法、水热合成法、溶胶凝胶法及微乳液法 等f 1 3 】：干法合成即固态反应法，是在一定条件下( 如高温或室温研磨) ，让磷酸 盐与钙盐充分混合发生固相反应。合成羟基磷灰石粉末。 1 2 2 1 湿化学沉淀法 湿化学沉淀法是把一定浓度的钙盐和磷酸盐混合搅拌旧，控制在一定的 p h 值和温度条件下使溶液中发生化学反应生成h a p 沉淀，沉淀物在4 0 0 6 0 0 c 甚至更高的温度下煅烧，可获得符合一定c a p 摩尔比例的h a p 晶体粉末。常用 6 四川大学硕士学位论文 的钙盐有c a c l 2 ，c a ( n 0 3 ) 2 ，c a o ，c a ( o h ) 2 ，c a ( c h 3 c o o ) 2 ，c a ( o c 2 h 5 ) 2 等，常 用的磷酸盐有( n h ) 2 i 皿0 4 ，h 3 p 0 4 。k 2 i 皿0 4 ，n a h 2 p 0 4 ，( c h 3 0 ) 3 p o 等。要得到 结晶完好的h a p ，烧结温度应达到9 0 0 1 2 0 0 。 湿化学沉淀法中，溶液的p h 值和温度对沉淀物的组成、结构及晶粒大小等 均有较大影响，控制实验条件尤为重要。该法反应温度不高，合成粉料纯度高， 颗粒较细，工艺相对简单，合成粉料的成本相对较低。但必须严格控制工艺条 件，否则极易生成c a p 摩尔比例值相对较低的缺钙磷灰石。因此应注意合理控 制混合溶液f l 口p h 值及反应产生沉淀的时间，采用分散设备使溶液混合均匀，保 证反应完全进行，反应后应反复过滤，使固滚相完全分离，提高粉料的纯度。 此外，直接沉淀法生成的h a p 颗粒尺寸分布范围宽，颗粒分散度低。用添加剂 改性或冷冻干燥可以减小颗粒尺寸及改善颗粒分散度。 1 2 2 2 溶胶凝胶法 溶胶一凝胶法是近些年才发展起来的新方法，已引起了广泛的关注。溶胶 凝胶法将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合，形成溶 胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得 到疏松的干凝胶，再将干凝胶做高温煅烧处理，即可得到纳米粉体【1 6 j 。同传统 的固相合成法及固相烧结法相比，溶胶凝胶法的合成及烧结温度较低，可以在 分子水平上混合钙磷的前驱体使溶胶具有高度的化学均匀性。但由于其原料 价格高、有机溶剂毒性大、对环境造成污染以及容易快速团聚等制约了这种 方法的应用。 i 2 2 3 永热法【1 7 - 1 9 1 水热法是高温条件下在水溶液中制备h a p 结晶沉淀的方法，在特制的密闭 反应容器( 高压釜) 中，采用水溶液作为反应介质，在高温高压环境中，使得原 来难溶或不溶的物质溶解并重结晶。这种方法通常以磷酸氢钙或碳酸钙等为原 料，在水溶液体系，温度为2 0 0 4 0 0 c 的高压釜中制备h a p 。这种方法条件较 易控制，反应时间较短，省略了煅烧和研磨步骤，粉末纯度高，晶体缺陷密度 低；合成温度相对较低，反应条件适中，设备较简单，耗电低。因此，水热法 制备的粉体不但具有晶粒发育完整、粒度小且分布均匀、颗粒团聚较轻、原材 四川大学硕士学位论文 料便宜，以及很容易得到合适的化学计量比和晶型的优点。而且制备的粉体不 需煅烧处理，从而可以避免烧结过程中的晶粒长大、缺陷形成及杂质产生等问 题，因此所制得的粉体具有较高的烧结活性。但水热法对设备的耐蚀性要求较 高，废液需要处理，而且反应原料和添加剂、介质的p h 值、温度和压力、反应 时间和陈化时间等对产物的生长和性质有较大的影响。 1 2 2 4 超声波合成法【2 0 1 超声波在水介质中引起气穴现象，使微泡在水中形成、生长和破裂。这能 激活化学物种的反应活性，从而有效地加速液体和固体反应物之间非均相化学 反应的速度。超声波法合成的h a p 粉末非常细，粒径分布范围窄，而且这种合 成方法在某些方面比其他加热的方法更为有效。 1 2 2 5 微乳液法 微乳液法利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的 乳液，从乳液中析出固相【2 。微乳液法制备纳米粉体己受到广泛重视，所得粉 体粒度分布窄，容易控制。利用该法合成纳米h a p 的关键是选择合适的微乳液 及彻底清除颗粒表面的油相和表面活性剂。 1 2 2 6 固态合成法【2 2 2 3 l 把固态磷酸钙及其他化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下， 反应温度高于1 0 0 0 c ，可以得到结晶较好的羟基磷灰石。这种方法合成的羟基 磷灰石纯度高结晶性好，晶格常数不随温度变化，并且湿法和固相法合成的羟 基磷灰石的红外光谱研究表明，固相法制备的h a p 比湿法更好，但是其要求较 高的温度和热处理时间，粉末的可烧结性差，粒径大、活性较差，使得应用受 到了一定的限制。 1 2 2 7 自燃烧法 自燃烧法是利用反应放热制备材料的新技术，利用硝酸盐与羧酸反应，在 低温下实现原位氧化自发燃烧，快速合成h a p 前驱体粉末。制备的h a p 粉体具 有纯度高、成分均匀、颗粒尺寸大小适宜，无硬团等特性。韩颖超等圳用硝酸 四川大学硕士学位论文 钙、磷酸氢二氨、柠檬酸、硝酸为原料，按照一定比例配比，分别用蒸馏水溶 解混合。调节其p h 值，于8 0 c 加热蒸发形成凝胶，待水分基本蒸干后，移至2 0 0 恒温的电炉中自燃烧，再经过7 5 0 。c 的煅烧，保温1 h ，生成分布均匀烧结性能 良好的h a p 前驱体粉末。晶粒呈六方晶型，平均粒径为8 5 r i m 。 1 2 _ 3 羟基磷灰石生物陶瓷及发展动向 经过近4 0 年来国内外学者的共同努力，羟基磷灰石生物陶瓷作为人工齿根、 颌骨、骨填充材料等方面的研究取得了很大的进展，并逐步投入临床应用获得 了成功。但是，这些材料由于其自身强度低、韧性及力学性能差等缺陷而限制 了其应用的广泛性，仅能应用于非承载的小型种植体，如人工齿骨、耳骨、充 填骨缺损等，大大地限制了它作为人体种植体的广泛使用，这正是该类材料面 临的、需要解决的重要问题。解决这些问题的途径主要是将羟基磷灰石从单一 向复合材料发展，或作为涂层材料以及使用h a p 改性材料。 1 2 3 1 羟基磷灰石生物陶瓷从致密向多孔发展 针对h a p 生物陶瓷力学性能差的特点，人们首先进行的是致密h a p 陶瓷的 研究。致密h a p 生物陶瓷的制备剧”l ：将h a p 基材加入添加剂及粘结剂制成一 定的颗粒级配，在金属模内加压成形，生坯经烘干后在9 0 0 ( 2 左右烧成素坯，素 坯进行精加工，然后在1 3 0 0 ( 2 左右加压烧结而成。致密h a p 的表面显气孔率较 小，有较好的机械性能。因其具有一定的可加工性，在临床使用中极为方便， 但植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨 形成的支架，主要用于人工齿根种植体。因此，近1 0 年来。多孔羟基磷灰石陶 瓷受到了重视，其宏观多孔生物材料的兴起，更加引起了材科工作者的极大兴 趣。对于多孔生物陶瓷种植体而言，孔径、气孔率及孔的内部连通性是骨长入 方式和数量的决定因素f 2 6 1 。孔隙的大小应满足骨单位和骨细胞生长所需的空间， 当种植体内部连通气孔和孔径为5 4 0 9 m 时允许纤维组织长入；孔径为4 0 1 0 0 1 t m 时允许非矿化的骨样组织长入；孔径大于1 5 0 p m 时能为骨组织的长入提供 理想场所；孔径大于2 0 0 9 m 是骨传导的基本要求；孔径为2 0 0 4 0 0 9 m 最有利于 新骨生长。多孔h a p 具有诱导骨形成的作用和能力，研究表明，多孔h a p 植入 人体后能使界面的软硬组织都长入孔隙内，形成纤维组织和新生骨组织交叉结 9 四川大学硕士学位论文 合状态，能保持正常的代谢关系。但多孔h a p 生物陶瓷因其强度较低，只能用 于一些强度相对低的部位，在口腔医疗中主要用于颌骨的置换及修补，在外科 医疗主要用于整容。现在已经形成了多种制备多孔生物陶瓷的方法，如固相烧 结法及溶胶凝胶法等，这些方法大都是采用h a p 粉料与挥发性有机物混合，压 制成坯后烧结。 1 2 3 2 羟基磷灰石生物陶瓷涂层材料 研究发现，多孔h a p 的力学性能远远不能满足生物种植体在体内的种植要 求，而不锈钢、钴基合金、钛及钛合金生物种植体则具有良好的强度韧性和优 良的加工性能，但是它们的生物相容性相对较差，植入人体中寿命较短。然而， 人类平均寿命的提高，要求生物种植体的替换周期有相应的提高，因此金属基 体表面涂覆h a p 涂层，加入颗粒及纤维增强h a p 陶瓷基复合材料的研究也就应 运而生叨。 1 等离子喷涂法 等离子喷涂法是制备h a p 涂层较为成功，使用较广泛的方法，并且被投入 了商业应用。等离子喷涂是利用等离子枪产生的直流电弧，将h a p 粉料高温加 热熔融后高速喷涂至基体表面形成涂层，喷涂后的涂层要经过水蒸气处理或热 处理。其优点是喷涂过程中衬底可以保持相对较低的温度( 通常低于3 0 0 c ) ，不 会破坏基体材料的力学性能，但是等离子体喷涂方法的高温过程对于材料和界 面有不良作用，易引起相变和脆裂，使涂层与基体的结合强度降低。另外，这 种技术设备昂贵，不适合喷涂多孔金属表面。 2 激光熔覆法 激光熔覆法是在基底材料表面上预先涂覆一定配比的c a h p 0 4 - 2 h 2 0 和 c a c 0 3 混合粉末，然后用激光器进行多道搭接熔覆处理，使合成与涂覆h a p 涂 层一步完成。合成h a p 涂层的化学反应为： 6 c a i - i p 0 4 + 4 c a c 0 3 。- c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 哟2 + 2 h 2 0 + 4 c 0 2 ( 2 - 1 ) 此方法制得的涂层与基底结合好、硬度高、强度大、韧性好，且改善了植 入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性，但涂层的均匀性和稳定性较差，工艺 难控制且设备昂贵。激光熔覆法在制造生物涂层材料方面刚刚起步，但已显示 出了巨大的优越性，很有希望成为临床生物医用材料的涂层之一。 1 0 四川大学硕士学位论文 3 电化学法 为了解决在复杂多孔表面均匀涂覆的问题，张建引2 8 】提出了一种制备钙磷 涂层的新方法。涂层在配有饱和甘汞电极作为参考电极的传统电解池中进行， 工作温度控制在( 6 5 1 ) ，2 根石墨棒作为接触阳极，多孔和无孔的衬底作为 电池的阴极，电解液r 妇c ( c a ( n 0 3 ) 2 ) = o 0 4 2 m o l l 和c f n a 扭2 p 0 4 ) = o 0 2 5 m o l l 的 溶液各1 0 0 0 m l 配制而成，被涂覆的衬底在1 2 56 c 蒸汽中处理4 h ，再经4 2 5 烧结 6 h ，制成厚度为8 0 1 u n 的h a p 涂层。 电化学方法制备生物陶瓷涂层是在低温的条件下进行，基底和涂层界面不 存在热应力问题，避免了高温喷涂引起的相变和脆裂，有利于增强基底与涂层 之间的结合强度。且电化学过程是非直线程，可以在形状复杂和表面多孔的基