（应用化学专业论文）HApZrOlt2gt新型生物材料的制备及性能研究.pdf

摘要 摘要 作为骨骼和牙齿中硬组织的主要无机组成部分，羟基磷灰石( h a p ) 具有良好 的生物活性、生物相容性和无毒性，被广泛应用于医学临床损伤骨的填充和修复 替代材料。生物骨科材料的要求，尤其是牙科材料的要求首先是高耐磨性，其次 是高硬度，而目前这两点对于人工合成的羟基磷灰石都比较难以达到。另外，二 氧化锆是目前陶瓷中硬度最大、耐磨性最好的陶瓷材料之一，因此如何将二氧化 锆与羟基磷灰石有机结合在一起，这对于生物材料领域是一十分引人关注的课 题。以往国内外的研究人员都是以两者为基础，用各种方式混合制备出陶瓷或者 涂层，来达到对磷灰石增强增韧的目的。本论文创造性地提出了用水热法将二者 直接在分子水平上实现复合或者包覆，有望在提高材料力学性能的同时，最大限 度地保持其生物活性，进而制备出一种新型的、从微观尺度上具有增强增韧功能 的生物材料。 由于二氧化锆和h a p 的水热条件相差比较大，所以本论文首先分别系统研 究了二氧化锆、h a p 的水热特点和适宜的水热条件，并在此基础上研究用水热 法合成二者的复合材料，对相关的制备工艺、结构性能等方面进行了比较和探讨， 并采用细胞体外培养方式对所制备的纳米复合粒子的生物性能进行初步评价，最 后是高固含、低粘度陶瓷浆料的制备和陶瓷烧结及其性能测试。本研究通过采用 透射电镜( t e m ) 、红外光谱仪( f t i r ) 、x 射线衍射仪( x i m ) 、扫描电镜 ( s e m ) 对h a p 、二氧化锆、h a p z r 0 2 复合粉体及复合陶瓷进行了表征。论文 主要内容包括： 1 用水热法制备纳米二氧化锆粉体。结果表明水热温度与水热反应时间对 水热的进程影响很大，是影响该无机盐结晶成核、长大的主要因素；随着反应温 度提高，晶体生长速率增大，晶化率提高，同时平均晶体粒径增大；水热时间延 长，晶化率上升，同时水热介质中存在的“生长基元 的动态平衡使晶体生长更 完美，趋向于均匀化、细化。填充度增大，水晶生长速度会正向增长。通过动力 学计算出了二氧化锆1 8 0 。c ，2 2 0 。c 两个温度下水热反应的反应速率和时间系数。 广东t 业大学博十学位论文 二氧化锆较佳的水热条件是1 8 0 2 h ，填充度大于7 0 。 2 用水热法制备纳米h a p 粉体。结果表明，体系初始p h 值 7 时水热反应可得到h a p ；且p h 值增大有利于h a p 在柱轴( c 轴) 方向的生长。在p h = 9 ，水热温度1 8 0 时，h a p 水热1 h 已经有 很高的结晶度；水热时间的延长，h a p 晶体趋于完美，但平均晶粒粒径孑变化 不大，水热时间对晶面a 轴方向的晶体生长影响也较小，但柱轴方向的晶体生长 随时间延长而明显增大。延长水热时间及增大前驱物的p h 值可以生长出针状或 棒状长条形h a p 。水热法制备h a p 较佳的反应条件是体系初始p h 值为9 1 0 ， 水热温度1 8 0 ，时间1 2 h ，在此条件下得到的h a p 粉末长径比较大，主要呈 棒状，分散性较好。 3 用水热法制备h a p z r 0 2 复合粉体，并初步评价了其生物活性。结果表 明在水热过程中h a p 对二氧化锆晶体的生长产生类似于空间位阻的效应，使二 氧化锆晶体生成和长大有相当的阻力，水热得到两者间的细小颗粒是非晶物质。 对h a p z r 0 2 复合粉体1 0 0 浸出液的细胞毒性进行细胞形态学的定性观察以及 m t t 比色法的定量分析，结果显示，这种浸出液没有表现出细胞毒性作用，呈 现了良好的细胞相容性，符合临床应用的要求。 4 用所制备的粉体为原料制备高固含低粘度陶瓷浆料。本文研究了浆料环 境( p h 值、分散剂加入量、固含量等因素) 对浆料粘度的影响，结果表明，各 组浆料组成及环境对粘度有明显影响：随着p h 值的增大，体系粘度先增加后降 低，并在p h = 1 0 5 左右出现较低值；在一定范围内增加分散剂的含量，浆料的 粘度持续降低，并存在一个最低值；在p h 值为1 0 5 时，随着固含量的增加，悬 浮体的粘度先急剧下降，经历一个平台后，再急剧上升。 5 论文还对陶瓷坯体进行了烧结工艺和陶瓷性能的研究。结果表明，从线 收缩率判断，在1 4 0 0 1 5 0 0 时，各组陶瓷已经基本烧熟，其中二氧化锆陶瓷 由于粒子较细小，其线收缩率达到2 6 2 8 。烧结温度越高，陶瓷的体积密 度越大，吸水率越小，致密度也越高。磨损磨耗和维氏硬度测试结果说明，烧结 温度越高，各组陶瓷磨损磨耗降低，而维氏硬度升高。h a p z r 0 2 复合材料烧制 成陶瓷机械性能比纯h a p 有所提高。通过x r d 分析，各样品经过1 3 0 0 。c 煅烧 后，其中的h a p 都已经分解为磷酸钙以及c a o 。 摘要 综上所述，选择适当的工艺条件，可以制得适于体内植入的复合材料。论文 中所研究的水热法制备工艺以及后继的陶瓷制备工艺方法简单，成本低廉，应用 范围广，适合规模生产。这一新型生物材料的开发对目前生物材料进行了革新， 论文研究具有重要的社会意义和应用前景。 关键词：羟基磷灰石，二氧化锆，水热法，生物材料 i i i 广东丁业大学博十学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，h a p ) a sw e l l k n o w ni st h ep r i m a r yi n o r g a n i c c o m p o n e n to ft h eh u m a nh a r dt i s s u e ss u c ha sb o n e sa n dt e e t h a n db e c a u s eo fi t s e x c e l l e n tb i o a c t i v i t y ，b i o c o m p a t i b i l i t ya n dn o n t o x i c i t y ，h a pi sw i d e l yu s e di nc l i n i c a l a p p l i c a t i o ns u c ha st or e s t o r eo fo rt os u b s t i t u t ef o r t h ed a m a g e dh a r dt i s s u ea n da l s o b e i n gs t u d i e df o rf u r t h e ru s a g e b i o l o g i c a lm a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yd e n t a lo r t h o p e d i c m a t e r i a l sr e q u i r e sf i r s t l yh i g hw e a r r e s i s t a n ta n ds e c o n d l yh i g hh a r d n e s s ，h o w e v e r ， t h e s et w op r o p e r t i e sa r ev e r yd i f f i c u l t yt oa c h i e v ef o rt h es y n t h e t i ch y d r o x y a p a t i t e o n t h eo t h e rh a n d ，z i r c o n i ac e r a m i ci so n eo fb e s tc e r a m i c sb e c a u s ei tc o n t a i n sh i g h h a r d n e s sa n dg o o da b r a s i v er e s i s t a n c e i nt h ep a s t ，r e s e a r c h e r sb o t hh e r ea n da b r o a d u s e dav a r i e t yo fw a y ss u c ha sm i x e d p r e p a r e dc e r a m i co rp r o v i d e da p a t i t ec o a t i n gt o e n h a n c eb i o c e r a m i ct o u g h n e s s i nt h i sp a p e r ，an o v e lm e t h o dh a sb e e nc r e a t i v e l yp u t t ou s e t w oc o m p o u n d h y d r o x y a p a t i t ea n dz i r c o n i aa r em i x i n gd i r e c t l ya tt h e m o l e c u l a rl e v e lb yh y d r o t h e r m a lm e t h o d t h eu s a g eo f h y d r o t h e r m a lm e t h o di nt h e p r e p a r a t i o np r o c e s si se x p e c t e dt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa n d a tt h es a m et i m em a i n t a i ni t sm a x i m u mb i ol o g i c a la c t i v i t y b e c a u s et h e r ea r er e l a t i v e l yl a r g ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c eb e t w e e nh a pa n d z i r c o n i ai nt h eh y d r o t h e r m a lc o n d i t i o n s ，t h eh y d r o t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a c t i o n c o n d i t i o n so fz i r c o n i aa n d h a p w e r es t u d i e df i r s t l ya n ds e p a r a t e l yi nt h ep a p e r t h e n t h ec o m p o s i t em a t e r i a l sw a s p r e p a r e db a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e s ，m e a n w h i l et h e p r e p a r a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dt h er e l e v a n ts t r u c t u r a lp r o p e r t i e sa r ec o m p a r e da n d d i s c u s s e d t h ep r e l i m i n a r ye v a l u a t i o no f b i o l o g i c a la c t i v i t yo f t h ec o m p o s i t ei sg i v e n b yc e l l sc u l t u r e di nv i t r o a f t e rt h ep o w d e rp r e p a r a t i o n ，t h eh i g hs o l i dc o n t e n ta n dl o w v i s c o s i t yc e r a m i cs l u r r yw a sm a d ea n dt h e nt h ec e r a m i cc a l c i n a t i o na n dc e r a m i c s p e r f o r m a n c ew e r es t u d i e d i nt h ep a p e r ，t h er e s e a r c ho nb i o l o g i c a lc o m p a t i b l e c o m p o s i t e sw i t hh i g hm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sc a r r i e do u t h a p ，z i r c o n i a ，t h e i r c o m p o s i t ea n dc e r a m i c sw e r em a d ea n dt h e i rp r o p e r t i e sw e r et e s t e db yt e m ，f t i r , i v x r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s e m ，e t c a b s t r a c t t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep r e p a r a t i o np r o c e s so fn a n o m e t e rz i r c o n i ap o w d e r sb yh y d r o t h e r m a l m e t h o dh a db e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh y d r o t h e r m a lt e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m ea r et w om a j o rf a c t o r si nt h ei n o r g a n i cc r y s t a ln u c l e a t i o na n dc r y s t a l g r o w t hp r o c e s s i ft h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，t h ec r y s t a lg r o w t hw o u l ds p e e d u p ，a n dc r y s t a l l i z a t i o nr a t ew o u l di n c r e a s e ，a tt h es a m et i m e ，t h ea v e r a g ec r y s t a ls i z e w o u l di n c r e a s et o o b e c a u s et h ee x t e n d e dr e a c t i o nt i m e ，t h ec r y s t a l l i z a t i o nr a t eo f p r o d u c tw a si n c r e a s e d f o rt h ee x i s t e n c eo ft h e ”g r o w t h ”o f t h ed y n a m i ce q u i l i b r i u m i nh y d r o t h e r m a lm e d i u m ，am o r ep e r f e c tc r y s t a lc o u l db eo b s e r v e d ，a n dt h ec r y s t a l t e n d e dt ob eu n i f o r m , a n dr e f i n e m e n t i tc o u l db eo b s e r v e di nt h es t u d yt h a ti ft h ec o m p a c t e d n e s si n c r e a s e d ，t h er a t eo f c r y s t a lg r o w t hw o u l di n c r e a s e t h er e a c t i o nr a t ea n dt i m ec o e f f i c i e n t s o fk i n e t i c e q u a t i o no fh y d r o t h e r m a lr e a c t i o nw e r ec a l c u l a t e da tt w ot e m p e r a t u r e18 0 a n d2 2 0 t h e p r e f e r a b l eh y d r o t h e r m a l c o n d i t i o n so fz i r c o n i aw e r e18 0 。2 h , c o m p a c t e d n e s si so v e r7 0p e r c e n t 2 t h ep r e p a r a t i o np r o c e s so fh y d r o x y a p i t i t en a n op o w d e rb yh y d r o t h e r m a l m e t h o dh a db e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc a h p 0 4w i l lb e o b t a i n e db y h y d r o t h e r m a li ft h ep hv a l u eo ft h ei n i t i a ls y s t e mi sl e s st h a n7 ，a n dh a pc a nb e o b t a i n e di fp h 7 h i g h e rp hv a l u ew a sa d v a n t a g e o u st ot h eg r o w t ho fh a pc r y s t a l i nt h ec o l u m na x i s ( ca x i s ) d i r e c t i o n t h ep r o d u c to fh y d r o x y a p a t i t ew i t hh i g h c r y s t a l l i n i t yc o u l db eg o t t e nb yh y d r o t h e r m a lt r e a t m e n ta tt h ec o n d i t i o n so fp h = 9 ， 18 0 1h o u r t h el o n g e rt h es y s t e mh a db e e nt r e a t e du n d e rh y d r o t h e r m a l c o n d i t i o n s ，t h em o r ep e r f e c t l yt h eh a pc r y s t a lg r e w h o w e v e rt h er e a c t i o np e r i o d m i g h tb el e s si n f l u e n c ei nt h ea v e r a g eg r a i nd i a m e t e rdo fc r y s t a la n di ts e e m e dt o b el e s si n f l u e n c eo nt h eg r o w t ho fc r y s t a la tp l a n ea a x i sd i r e c t i o n , b u th a db i g g e r i m p a c ta tt h ec o l u m na x i s a f t e re x t e n d i n go fh y d r o t h e r m a lt i m ea n di n c r e a s i n gt h e p hv a l u eo fp r e c u r s o r ，a l o n gn e e d l e - l i k e o rr o d - l i k e h y d r o x y a p a t i t ec o u l db e p r o d u c e d t h ep r e f e r a b l ec o n d i t i o n so fh y d r o t h e r m a ls y n t h e s i sh a pw e r ep h9 10 ， v 广东工业大学博+ 学位论文 18 0 ，1o r2h o u r s h a pp o w d e rw i t hh i g h e rl e n g t h d i a m e t e rr a t i o ，l a r g e l yp o s i t i v e r o d l i k e ，g o o dd i s p e r s i t yw a sp r o d u c e du n d e rp r o p e rc o n d i t i o n s 3 h a p z i r c o n i ac o m p o s i t ep o w d e rw a sh y d r o t h e r m a l l yp r e p a r e da n di t s b i o l o g i c a la c t i v i t yw a sa l s oi d e n t i f i e db yp r e l i m i n a r ys t u d y t h er e s u l t ss h o w e dt h a t t h eh y d r o x y a p a t i t ec r y s t a lm i g h th a v es i m i l a rs t e r i ce f f e c t so nt h eg r o w t ho fz i r c o n i a c r y s t a lo nt h eh y d r o t h e r m a lp r o c e s s ，a n dt h ea c c u m u l a t i o na n dg r o w u po fz i r c o n i a c r y s t a l l i t e sh a v et of a c eac o n s i d e r a b l er e s i s t a n c e t h e nan e wk i n do fa m o r p h o u s m a t e r i a lw a sp r o d u c e da c c i d e n t a l l y t h ec y t o t o x i c i t yo f10 0 s a m p l e s e x t r a c t sw a s c h a r a c t e r i z e dq u a l i t a t i v e l yb yc e l lm o r p h o l o g ya n d w a sa n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb y m t tm e t h o d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee x t r a c t sh a v en oc y t o t o x i c i t yc o m p a r e dw i t h t h ep o s i t i v eo n e t h et e s tc e l l ss h o w e dag o o dc o m p a t i b i l i t ya n dt h es a m p l e sm e tt h e n e c e s s i t yo f c l i n i c a la p p l i c a t i o n 4 c e r a m i cs l u r r yw i t hh i g hs ol i dc o n t e n ta n dl o wv i s c o s i t yw a sp r e p a r e d s i x d i f f e r e n tk i n d so fp o w d e r sw e r em a d ei n t os l u r r y ，a n dt h ei n f l u e n c eo f p hv a l u e ，t h e a m o u n to f d i s p e r s i n ga g e n t ，s o l i dc o n t e n ta n do t h e rf a c t o r so nt h ev i s c o s i t yo fs l u r r y w a ss t u d i e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o m p o s i t i o n so fe a c hg r o u pa n dt h es l u r r y e n v i r o n m e n th a v eas i g n i f i c a n te f f e c to nv i s c o s i t y w i t ht h ep hv a l u ei n c r e a s e d ， v i s c o s i t yi n c r e a s e df i r s t l ya n dt h e nr e d u c e dg r a d u a l l ya n dv i s c o s i t ye x i s t e dal o w e r v a l u ea r o u n dp h1 0 5 i nac e r t a i nr a n g e ，t h eh i g h e rt h ec o n t e n to f d i s p e r s i n ga g e n t ， t h el o w e rt h ev i s c o s i t yo fs l u r r y ，a n dt h e r ee x i s t e dam i n i m u mv a l u e a tac e r t a i np h v a l u e ，w i t ht h es o l i dc o n t e n to fs l u r r yi n c r e a s e d ，t h ev i s c o s i t yt u m e dl o wf i r s t l y ，a n d a f t e rg o i n gt h r o u g hap l a t f o r m , r o s er a p i d l y 5 t h ec e r a m i cs i n t e r i n gp r o c e s sa n dc e r a m i c p r o p e r t i e sw e r es t u d i e di nt h e p a p e rt o o r e s u l t ss h o w e dt h a tc e r a m i ch a db e e nf i r i n gi n14 0 0 一15 0 0 j u d g e db y t h el i n es h r i n k a g er a t e f o rt h es m a l l e rp a r t i c l e s ，t h ef i r i n gs h r i n k a g er a t eo f z i r c o n i a c e r a m i cr e a c h e du pt oo f2 6 2 8 t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a tt h eh i g h e r s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h eg r e a t e rt h ec e r a m i c sv o l u m ed e n s i t y ，a n dt h es m a l l e rt h e w a t e ra b s o r b i n gc a p a c i t y ，a n dt h eh i g h e rt h et i g h t n e s sa l s o a b r a s i o nt e s ta n d v i c k e r s h a r d n e s sm e a s u r e m e n ts h o w e dt h a tt h eh i g h e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，t h el e s s t h ea b r a s i o na n dt h eh i g h e rv i c k e r s h a r d n e s s t h ea m o r p h o u sm a t e r i a lp r o d u c e d b y v i a b s t r a c t z i r c o n i aa n dh y d r o x y a p a t i t eh e l p e dt h eh y d r o x y a p a t i t ec e r a m i c st or a i s ei t s m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s h y d r o x y a p a t i t ei ns a m p l e sh a db e e nb r o k e nd o w ni n t ot c p ， t t c pa n dc a oa f t e rl3 0 0 c a l c i n e d t os u mu p ，u n d e rt h ea p p r o p r i a t ep r o c e s sc o n d i t i o n s ，t h ec o m p o s i t em a t e r i a l s c o u l db eo b t a i n e df o ri m p l a n t e di nt h eb o d y t h et e c h n o l o g ys t u d i e di np a p e r ， i n c l u d i n gt h eh y d r o t h e r m a lm e t h o da n ds u b s e q u e n tp r e p a r a t i o no ft h ec e r a m i c ，i s s i m p l ea n dc h e a p ，n o tl i m i t e db yh a p - z i r c o n i a , a n dc o u l db ea p p l i e di nal a r g es c a l e t h ec o m p o s i t eo f h y d r o x y a p a t i t e z i r c o n i ai sp r o m i s i n gt ob ea p p l i e dw i d e l yi nc l i n i c a l a p p l i c a t i o nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tb i o l o g i c a la c t i v i t ya n dg o o dm e c h a n i c a lb e h a v i o r t h ec o m p o s i t ew o u l di n n o v a t et h ep r e s e n tb i o m a t e r i a la sw e l l ，s ot h es t u d yh a s s i g n i f i c a n ta p p l i c a t i o np r o s p e c t an e wt y p eo fm i c r o - s c a l eb i o l o g i c a lm a t e r i a lw i t h g o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nb ef o r m e da se x p e c t k e yw o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ，z i r c o n i a ，h y d r o t h e r m a lm e t h o d ，b i o m a t e r i a l v l i 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 h a p羟基磷灰石，h y d r o x y a p a t i t eo rh y d r o x y l a p a t i t e ，也可为h a m t t 全称为3 - ( 4 ，5 一d i m e t h y l t h i a z o l - 2 一y 1 ) 一2 ，5 一d i p h e n y l t e t r a z o l i u mb r o m i d e ，汉语 化学名为3 ( 4 ，5 一二甲基噻唑2 ) 2 ，5 二苯基四氮唑溴盐，商品名：噻唑蓝。 是一种黄颜色的染料 m t t 法 又称m t t 比色法，是一种检测细胞存活和生长的方法。其检测原理 为活细胞线粒体中的琥珀酸脱氢酶能使外源性m t t 还原为水不溶性的蓝紫 色结晶甲瓒( f o r m a z a n ) 并沉积在细胞中，而死细胞无此功能 t c p 磷酸三钙，根据晶型不同可分为0 【t c p 和1 3 - t c p t t c p 或t e c p 磷酸四钙 x r dx 射线衍射，x r a yd i f f r a c t i o n ，通过对材料进行x 射线衍射，分析 其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信 息的研究手段 o c p 磷酸八钙，( c a s h 2 ( p 0 4 ) 6 5 h 2 0 ) a c p 无定型磷酸钙，c a 3 ( p 0 4 ) 2 x h 2 0 d a p 缺钙羟基磷灰石，c a l o z ( h p 0 4 ) z ( p 0 4 ) 6 - z ( o h ) 2 - z x h 2 0 广东工业大学博十学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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， 不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学攻读学位期间在导师的指导下取得 的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 年月日 1 1 2 第。章文献综述 第一章文献综述弟一早义陬琢尬 1 1 生物医学材料综述 生物医学材料是指用于诊断、治疗、修复、替换人体组织、器官或增进其功 能的高科技新材料。作为近3 0 年来发展起来的一类高新技术，生物医学材料的 成功应用，不仅挽救了千百万人的生命，而且大大提高了生存质量，素有人造零 件之称。 生物医用材料具有很高的附加值，每公斤可达1 2 0 0 1 5 0 0 0 0 美元，而建筑材 料仅为0 1 1 2 美元，宇航材料也仅为1 0 0 1 2 0 0 美元。随着人口老龄化和治疗各 类创伤的需求，近十年来生物医学材料及制品的市场一直保持2 0 左右的年增长 率，其发展趋势己可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正在成长为 下个世界经济的支柱产业，对国民经济的发展有着不可忽视的重要作用。生物医 学材料能够挽救人的生命，提高人的生存质量，具有显著的社会效益。 在我国，人口老龄化己成为社会问题，生物医学材料及制品存在着巨大的潜 在市场，医疗保健服务人口基数大，医疗费用近十年平均增长率近2 0 ，远远 高于同期国民经济增长率，已逐渐成为社会和公民的沉重负担。因此，利用现代 高科技，加速生物材料及制品的开发，解除千百万患者的痛苦，提高生活及健康 水平，无疑是非常有意义的，也是社会发展的呼唤。生物材料及制品投入产出比 高，经济效益十分显著，易于形成科技经济一体化发展，并可带动相关产业的改 造。加速生物材料科技经济一体化发展，对于我国参与世界经济发展竞争具有重 要意义。据业内人士介绍，仅九五期间的国家复明计划，每年即需人工晶体5 万 套；国内目前每年导管需求达一亿多条，人造关节的需求量也达1 0 0 多万套；7 7 5 万肢残患者和每年新增的3 0 0 万骨缺损患者需要大量骨修复材料，2 0 0 0 万心血 管病患者每年需要2 4 万套人工心瓣膜，2 3 亿肝炎患者每年需要3 0 万个人工肝， 肾衰患者每年需要1 2 万个肾透析器，2 0 0 0 万育龄妇女需要安装宫内节育器；我 国人工关节替换年增长率高达3 0 ，远高于美国的4 。 而值得关注的是，我国白产的生物医学材料和制品所占的市场份额不足2 ， 技术含量高的产品主要依赖进口。国产生物医用材料与国外同类产品相比存在产 品单一，档次低、质量差、缺乏知识产权的缺点。大量价格昂贵的进口产品不仅 加重国家和个人的医疗费用负担，而且严重威胁到我国这一行业的生死存亡，因 广东t 业大学博十学位论文 此采取有效措施发展生物医用材料已是我国经济和社会发展的迫切任务。 一般而言，临床医学对生物医学材料的基本要求是：无毒性、不致癌致病、 不引起人体细胞的突变和反应；尽可能小的人体排异性，与人体组织相容性好， 无溶血凝血现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相 适应的物理机械性能；针对不同的使用目的具有特定的功能。 根据物质性质，生物医学材料可分为以下四类： 1 1 1 医用金属材料 医用金属具有良好的力学性能和抗疲劳性，广泛应用于承力植入材料。从最 初的贵金属，发展到现在的各种合金，医用金属的应用已有很长的历史。常用的 医用金属材料有不锈钢、c o 基合金、t i 及t i 合金等。不锈钢材料易加工，价格 低廉，但由于体液中含有氯离子，不锈钢材料极易发生点蚀、晶间腐蚀及应力腐 蚀。，为提高其耐蚀性能，可在材料中添加n i 、m o 等元素【l 】。c o 基合金具有优 异的耐蚀性、耐磨性和机械性能，但硬度大，加工制作工艺困难，价格较高，应 用尚不普及。t i 及t i 合金，质量轻，比重与人骨接近，弹性模量与其它医用金 属相比更接近自然骨，具有良好的生物相容性，是目前最理想的生物医用金属植 骨材料2 1 。t i 及t i 合金表面有一层2 - 6 n m 厚的t i 0 2 膜，被认为是一种类陶瓷【3 1 ， 在生物体内表现出了一般生物陶瓷的一些生物学特性，使其生物相容性在金属材 料中最为优越【4 】。t i 合会的缺点是耐磨性差，合金中的a l 、v 是有毒元素，在体 液中存在毒元素扩散、腐蚀失效等缺点。目前许多科研单位正致力于改善这些缺 陷，方法主要是在钛基中加入钒、铝、锆、锡等或是在金属表面形成一种耐磨耐 蚀的陶瓷涂层。n i 离子在人体环境中的释放，限制了n i t i 形记忆合金作为生物 医用金属材料的应用，用热氧化和自组装法对t i 合金进行表面改性可以延长n i 的释放时间【5 】。但金属在人体中的腐蚀行为非常复杂，其影向因素也是多种多样 的，涉及到材料的合金成分，植入体的设计制作，与周围组织的作用方式等。所 以，对医用金属材料的腐蚀失效行为的分析，以及新型耐蚀、耐磨、耐疲劳及生 物相容性良好的医用金属的开发研制，将是一项长期而艰巨的课题。 1 1 2 医用高分子材料 医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料。 按来源可分为天然和合成两种。发展最快的是合成高分子，通过分子设计，可以 2 第章文献综述 获得具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。其中软性材料常作为人体软 组织如血管、食道等的代用品；硬材料可做人工硬脑膜、人工心脏瓣膜、口腔材 料等。目前应用的医用高分子材料有聚醚聚氨酯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯醇、聚 乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙二醇、壳聚糖等【6 】。其中聚甲基丙烯酸甲酯是一 种重要的医用合成高分子，具有质轻、韧性好，便于调磨，易抛光，较牢固等优 点，缺点是生物相容性差，易松动，常引起过敏、感染等。目前主要用作医用粘 合剂。 壳聚糖( c h i t o s a n ，简称c s ) ，是甲壳素的脱乙酰物，是天然可降解高分子 物质，储量丰富，价格便宜，可吸收，适作缓释、控释药物的载体，不能作酸性 不稳定药物的载体。其优点还有天然的药物活性，抗肿瘤活性，抗溃疡，杀菌、 消炎作用，对受损生物体能诱生特殊细胞，促进生长和骨伤愈合，对人体组织无 毒无害、无刺激等，目前其用途也比较广泛【7 1 。四川大学的万昌秀等【8 1 研制出一 种用于骨或软骨修复与治疗的多醛基海藻酸钠交联聚磷酸钙壳聚糖的复合支 架，支架材料由聚磷酸钙、壳聚糖和多醛基海藻酸钠为原料制备而成。由于其主 要组分的有机相多醛基海藻酸钠交联的壳聚糖基体源于天然，因此安全无毒，有 良好的生物相容性和生物降解性，且表面存在细胞识别信号，可为骨或软骨的再 生和重建提供物理支架和最佳的化学环境，其网络结构使得材料力学性能得到了 很大的提高。 1 1 3 生物陶瓷材料 生物陶瓷化学性质稳