（材料学专业论文）多孔含mg超细晶ha的组织结构及生物相容性的研究.pdf

佳术斯人学硕士学位论文 摘要 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ) ，简称h a ，是人体硬组织的主要无机成分，人工合成 的h a 具有良好的生物相容性。与致密h a 相比，多孔h a 具有较高的比表面积，若应 用于人工骨材料，能为材料与体液和生物细胞的充分接触提供条件，并为骨组钐l 的长入 提供几何空间。镁元素是人体重要的微量元素，参与人体的代谢，研究表明m g 具自良 好的生物相容性和力学相容性。 鉴于此，本文主要的研究内容：采用化学沉淀法，用c a ( h 2 p 0 4 ) h 2 0 和c “0 h ) 2 为 原料制备h a 制备纳米h a 粉体，初步研究纯h a 的力学性能和烧结行为；采用造4 l n 法，利用镁作造孔剂，将纳米h a 粉体和m g 粉按一定比例混合压制成型，高温烧结制 备多孑l 含m g 超细晶h a ，利用x r d 、x p s 、t e m 、s e m 、e d x 等手段研究多孑lh a 的组成成分、微观形貌、组织结构，测量多孔h a 的孑l 隙率、孔径尺寸、力学性能，并 对h a 及多孔h a 进行生物相容性评价。 研究结果表明：化学沉淀法制备的h a 是纳米级h a ，纯h a 的理想烧结温度住 1 1 0 0 - - 1 3 0 0 之间，h a 晶粒长大的初始温度在8 5 0 - - 9 5 0 之间，温度超过1 1 0 0 时品 粒长大速度加快；烧结时间的延长、烧结温度的提高又利于提高纯h a 的压缩强度和弯 曲强度；镁是理想的造t l n ，制备的多孔h a 的孔径尺寸与m g 粉颗粒的尺寸对应良 好；实验条件下，多孔材料的孔隙率在3 3 - - 4 5 之间变化，且随m g 含最的增加而提 高；多孔材料的主要成分是h a 和m g o ，且多孔h a 中h a 的晶粒尺寸处亚微米级； m g o 的品粒尺寸小于1 0 纳米，作为第二相质点存在于h a 的晶界之间，艮i 碍了h a 的 晶粒长大；纯h a 和多孔h a 的溶血率均小于5 ，细胞毒性均为0 级，达到生物利料 的国家标准。 关键词：羟基磷狄石；超细晶；多孔材料；生物相容性 佳卜斯大学硕十学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) i sm a i nm i n e r a lc o m p o s i t i o no fh a r do r g a n i z a t i o no f m et h eh u m a n b o d y t h ea r t i f i c i a lh ai sp r o v i d e dw i t hg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t y c o m p a r e dw i t hd e n s e h a ，p o r o u sh ai sp r o v i d e dw i t hh i g hs p e c i f i cs u r f a c ea r e a t h eh i g hs p e c i f i cs u r f a c ec a n p r o v i d et h ec o n d i t i o n sf o rt h ec o n t a c t i o nb e t w e e nm a t e r i a la n db o d yf l u i d s 、b i o l o g i c a lc e l l si f a p p l i e dt oa r t i f i c i a lb o n em a t e r i a l sw h i l e t h ep o r es t r u c t u r e sc a np r o v i d es p a c ef o rb o n et i s s u et o g r o w m a g n e s i u mi sa ni m p o r t a n tt r a c ee l e m e n t so fb o d yi n v o l v e di nt h eb o d y sm e t a b o l i s m s o m er e s e a r c h e si n d i c a t e dt h a tm gh a st h eg o o db i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t ya n dm e c h a n i c s c o m p a t i b i l i t y i nv i e wo ft h i s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to ft h i sa r t i c l ei sa sf o l l o w s t h en a n o h a p o w d e rw a sp r e p a r e db yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o nw i t hc a ( h 2 p 0 4 ) 2 h 2 0a n dc a ( o h ) 2a sr a w m a t e r i a l s w et o o kap r e l i m i n a r ys t u d yo fh a - s i n t e r i n gb e h a v i o ra n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ； w et o o kt h em gp o w d e ra st h eh o l em a k e r p u tn a n o - h ap o w d e ra n dm gp o w d e rt o g e t h e r a c c o r d i n gt oa c e r t a i nr a t i of o rr e p r e s s i o nm o l d i n g p o r o u sh aw h i c hi sp r o v i d e dw i t hu l t r a 。f i n e g r a i nc o n t a i n i n gm gi sp r e p a r e db yh i g h - t e m p e r a t u r es i n t e r i n g w et o o ka n o t h e rs t u d yo nt h e c o m p o s i t i o n m i c r o s t r u c t u r ew h i c hw e r ea n a l y z e db yx r d 、x p s 、t e m 、 s e m 、e d x e t c ，t h ef a c t o ro fp o r o s i t y ，t h eb o r es i z e ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ep o r o u sh a t h e n c a r r i e do nt h eb i o l o g i c a lc o m p a t i b i l i t ya p p r a i s a lt ob o t hh aa n dp o r o u sh a 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh aw a sp r e p a r e db yc h e m i c a lp r e c i p i t a t i o ni sn a n o h a t h e i d e a ls i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo fp u r eh ai si n110 0 - - 13 0 0 t h ei n i t i a lt e m p e r a t u r eo ft h eh a g r a i nb e g a nt og r o w i si n8 5 0 - 9 5 0 。ca n dt h eg r a i ng r o w t hs p e e da c c e l e r a t e dw h e nt e m p e r a t u r e g r e a t e rt h a n110 0 e x t e n d i n gs i n t e r i n gt i m ea n d t h ee l e v a t i o no fs i n t e r i n gt e m p e r a t u r ew o u l d i m p r o v et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ha n df l e x u r a ls t r e n g t ho fp u r eh a ；m a g n e s i u mi s t h ei d e a l m a t e r i a lf o rm a k i n gh o l e s a p e r t u r es i z eo fp o r o u sh ac o r r e s p o n d e dw e l lw i t ht h ep a r t i c l es i z e o fm gp o w d e r ；u n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，p o r o u sm a t e r i a l sf a c t o ro fp o r o s i t yc h a n g e s b e t w e e n3 3 4 5 ，a n di n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ee n h a n c e m e n to fm gc o n t e n t ；t h em a i n i n g r e d i e n to fp o r o u sh a m a t e r i a l si sm g oa n dh a ；t h eg r a i ns i z eo fh aw a ss u b m i c r o na n d t h eg r a i ns i z eo fm g ow h i c he x i s t e di nt h eg r a i nb o u n d a r yo fh a a sas e c o n dp h a s ep a r t i c l e s a n dp l a y e dt h er o l e so fi n h i b i t i n gt h eh ag r a i ng r o w t hw a sl e s st h a n10n a n o m e t e r s ；t h e h e m o l y s i sr a t eo ft h en a n o h ap o w d e ra n dp o r o u sh a c e r a m i cw e r ea l ll e s st h a n5 a n dn o n e o ft h e ms h o w e dc y t o t o x i c i t y 。1 1 1 eb i o c o m p a t i b i l i t yr e s u l t si n d i c a t e dt h a tn a n o - h aa n dp o r o u s i i 佳木斯人学硕十学位论文 h ac e r a m i cw e r ep r o v i d e d 、析t 1 1g o o db i o c o m p a t i b i l i t yw h i c hr e a c h e dt h en a t i o n a ls t a n d a r d so f b i o l o g i c a lm a t e r i a l s k e yw o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；u l t r a f i n e g r a i n e d ；p o r o u sm a t e r i a l s ；b i o c o m p a t i b i l i t y i i i 独创性说明 本入郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 佳木斯大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示 了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解佳木斯大学有关保留、使用学位论文的规定，l i l j ：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 日期缈。砂 佳木斯人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 生物医学材料 生物医学材料又称生物材料，第六届国际生物材料年会对“生物材料”一词所下的定 义是：“生物材料是一中植入生命系统内或生命系统相结合而设计的物质，它与生命体 不起药理反应”。这一定义规定了生物材料是指置换或恢复生命组织及其功能，与g i 命 体呈生物性的植入材料。实际上生物医学材料的定义可更广泛一些，生物医学材料：它 指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检 查、治疗疾患等医疗、保健领域，而对人体组织、血液不致产生不良影响的材料【1 捌。 从材料的角度可以分为以下几类： ( 1 ) 金属生物材料 金属生物材料具有良好的力学性能和抗疲劳特性，广泛应用于植入材料。从最初的 贵金属，发展到现在的各种合金，生物金属材料的应用已有很长的历史。如银汞合金至 今仍广泛应用于临床。在生物金属材料但中应用最多的是钛合金。钛和钛合会的弹性模 量低，比强度高，与人骨最为接近，用于制作人工关节、骨骼及义齿等。钛合金存在很 多缺陷，如有毒元素扩散、腐蚀失效等。目前许多科研单位致力于改善这些缺陷的工 作。如日本工业大学，神户制钢所技术开发部等，在钛基中加入钼、钯等金属以提高钛 合金的腐蚀性。钛基中加入钒、铝的合金是现在最引人注目的会属植入材料，但钒进入 人体能引起慢性炎症，铝离子与无机磷结合，使体内磷缺乏，将诱发老年痴呆【3 】。 ( 2 ) 高分子生物材料 高分子生物医学材料的发展速度较快，其特点是所用高分子材料都是现成材料，来 源广泛。高分子材料具有质量轻，较柔软，摩擦系数小，比强度大，耐腐蚀性好的优 点，缺点是机械强度及耐冲击性比金属材料小，耐热性较差，容易变形、变质。按性质 可以分为非降解和可降解两大类材料。常用非降解高分子医学材料，包括聚乙烯、聚甲 基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚酯等，主要用于人体软、硬组织修复；如作为人 工骨、骨水泥、人工乳房、人工耳、人工鼻等，制造人工器官用材料及其他医用辅助材 料【4 】。 组织工程是近年在生物医学工程领域中发展最快的，它在利用可生物降解的支架材 料上种植人体活细胞，在生长因子的作用下再生成为组织，然后将新组织植入机体组织 损坏部位，达到治愈目的【孓7 1 ，现代高分子科学可在分子水平对高分子材料的组成、配 佳木斯人学硕士学位论文 方和工艺进行优化设计，可有目的地合成可生物降解的高分子材料，与活性组织及细胞 有机结合与繁殖，形成新的自身功能和形态相适应的组织或器官。 ( 3 ) 生物医学陶瓷 生物陶瓷化学性质稳定，具有良好的组织性，根据生物陶瓷在人体内反应情况，分 为两类峭j ：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷 ( 4 ) 生物医学复合材料 生物医学复合材料是由两种或者两种以上材料复合而成的，是发挥各自材料的长处 克服各自材料的短处的优选化材料。 医用金属、高分子、生物陶瓷的应用各有利弊，许多研究者将其中两种或更多混合 以提高材料的性能。如烤瓷熔附金属假牙材料 9 1 ，陶瓷树脂复合材料等，无论是机械性 能、耐磨性，还是生物相容性都有很大的改善。 1 2 骨修复材料 硬组织修复材料是生物医学材料中发展最早最成熟的一个领域，其研究及开发足当 前生物材料中全球关注的课题，是生物材料中非常活跃的方向。硬组织修复的主要内容 是对损伤的骨组织的修复。人类试图修复人体骨骼因各种原因造成的缺损已有三百多年 的历史。迄今为止，骨缺损修复仍然是骨科领域的重要研究课题。骨缺损修复的原则是 最大限度地恢复骨的生理结构与功能。目前，骨缺损修复仍以采用白体骨移植( a u t o g r a f l ) 为佳。新鲜自体骨含有活的成骨细胞和具有诱导成骨作用的骨形成蛋( q ( b m p ) 以及无免 疫排斥反应。它既具有骨诱导能力又具有骨传导能力，骨愈好迅速。然而自体骨供量有 限，取骨时常需要另作切口，不可避免地给病人带来额外损伤和痛苦，还会导致一些严 重并发症。因而临床上常要求助于同种异体骨移植( a l l o g r a f t ) 。同种异体骨移植具有生物 学特性和形态结构与自体骨相似、可以长期储存等优点。但同种异体骨来源仍有限，诱 导成骨作用较差，新骨形成慢且量少，易发生免疫排斥反应，有传播某些疾病的危险。 因而研制理想的人工材料( 人工骨) 作为骨移植替代材料用于骨缺损的修复是医学和生物 材料科学领域的一个重要课题。 ( 1 ) 金属类骨修复材料 在骨修复材料中应用最早的是金属材料。金属和合金有足够的强度和韧性来对骨骼 进行替换，常用的骨修复金属材料有不锈钢、钻基合金与钛合金。它们的共同点足金属 表面可形成钝化膜l l o j 。 不锈钢中应用最广泛的是3 1 6 l ，主要用作关节柄和关节头材料。不锈钢在体内不 易发生腐蚀，但由于磨擦磨损等原因释放出的n i t + ，c ，和c ，等会引起假体松动。因 - 2 佳木斯大学硕十学位论文 此，最近又问世了一种更优秀的双相不锈钢2 5 c r - 7 n i - 4 m o - n ，它同时含有奥氏体和铁 素体两相，具有更好的耐点蚀和缝隙腐蚀性能，比奥氏体的屈服强度更高。但会属材料 容易受到电化学效应和机械磨损共同作用的破坏，因此在关节置换中已较少使用f 、= 锈钢 材料【1 1 1 。 钴基合金具有高强度、耐电化学破坏性、较好生物相容性和低模量，在关节置换中 得到了充分应用。由于钴基合金i 耐磨性好，在关节置换中主要用作关节柄和关节头材 料，关节置换用钴基合金有铸造c o c r - m o 合会，锻造c o c r - m o - n i 合金和锻造c o - n i c r - m o 合金f 1 2 】。 医用钛合金质轻，比重与人骨相近，生物相容性好，强度高。实验证明其耐蚀性和 抗疲劳性能均优于不锈钢和钴基合会，且组织反应轻微，表面活性好，是金属中较为理 想的永久性植入材料。主要的钛合会有t i 6 a i 4 v ，t i 一5 a 1 2 5 f e 等。其中t i 6 a i 4 v 在 关节置换中应用最广泛，但较软，耐磨性差【1 3 】。 ( 2 ) 生物陶瓷材料 用于骨修复的生物陶瓷分为惰性陶瓷和活性陶瓷。生物惰性陶瓷是最先应用于硬组 织修复的生物陶瓷，分为氧化物陶瓷及非氧化物陶瓷。氧化物生物惰性陶瓷有a 1 2 0 3 陶 瓷、z r 0 2 陶瓷等，非氧化物陶瓷有碳素材料等。生物活性陶瓷主要有h a ，a t c p 及 1 3 t c p 等，已经广泛应用于临床。 ( 3 ) 聚合物骨修复材料 用于硬g n 幺，r i 、修复的高分子材料可分为人工合成聚合物和天然高分子材料两类。天然 高分子聚合物包括胶原( c o l l a g e n ) 、纤维蛋白( f i b r i n ) 、几丁质( c h i t i n ) 矛h 藻酸盐( a l g i n a t e ) 等。这些天然聚合物生物相容性好，具有细胞识别信号，利于细胞粘附、增殖和分化， 但也存在诸如大规模生产受限制、不同批号制成品差异较大、材料本身因素控制困难 ( 如机械强度、降解速度) 等缺点。其中几丁质和藻酸盐多用于骨水泥及组织工程支架材 料，胶原和纤维蛋白多用于骨组织工程中作为细胞外基质材料。但是胶原和纤维蛋产情b 存在天然材料共有的缺点，如缺乏机械强度、大量获取的困难、降解时间难以控制等， 故都难以单独作为骨组织工程中成骨细胞种基质材料。胶原还有在生理学性质不稳定和 外来胶原引起的免疫反应等问趔1 4 , 1 5 】。 ( 4 ) 骨修复材料对生物学和力学性能的要求 对骨修复材料的要求体现在生物相容性、生物活性及稳定性方面： 1 ) 骨修复材料首先要具备生物安全性。除满足无毒、不致畸等条件外，还要利于 细胞粘附，增殖，降解产物无毒。 - 3 一 佳木斯大学硕士学位论文 2 ) 材料应具有力学相容性，除在力学上达到骨修复要求的力学性能之外，还应与 骨的力学强度卡h 匹配，避免过大的模量导致应力屏蔽。材料降解过程巾，力学强度不应 下降得很快。 3 ) 材料应是生物活性的，可与骨组织形成骨性键合，增强界面强度。 4 ) 材料应该具有力学性能上的稳定性，在一定的时问内保持有效的支持功能。 5 ) 材料还应具有较好的加工性。 1 3h a 简介 羟基磷灰石，简称乩廿或h a ，化学分子式是c a i 0 ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 。h a 是人体和动物骨 骼的重要无机成分。在人体骨骼中h a 质量分数约占6 0 左右，人牙齿的牙釉质表面h a 质量分数占9 5 以上。h a 具有优良的生物性和生物活性，是理想的骨组织代替材料。 h a 晶体为六方晶系，属l 6 p c 对称型和p 6 3 m 空间群，其晶胞参数为a = o 9 4 3 - - 4 ) 9 3 8 n m ，c = 0 6 8 8 m ) 6 8 6 n m ，z - - 0 2 n m ，h a 结构比较复杂，在( 0 0 0 1 ) 面的投影见图1 1 。 图1 - 1h a 结构在( 0 0 0 1 ) 面的投影 f i g 1 - 1t h ep r o j e c t i o no fh as t r u c t u r eo n ( 0 0 0 1 ) s i d e 从h a 的晶体结构在( 0 0 0 1 ) 面上的投影可见，结构中存在着两种钙离子位置，一种钙 离子位于上下两层的6 个磷氧四面体之间，与这6 个磷氧四面体当中的9 个角顶上的氧离 子相连，这种钙粒子的配位数为9 ，这种连接的结果是在整个晶体的结构中形成了平行 4 佳小斯大学硕十学位论文 于c 轴的较大通道，附加阴离子o h 则与其上下两层的6 个钙离子组成配位八面体，而角 顶的钙离子与邻近的4 个磷氧4 面体中的6 个角顶上的氧离子相连接，这种钙离子的配位 数是7 ，这种结构使得h a 品粒一般以六方柱的晶型出现 1 6 , 1 7 1 。 h a 的高温不稳定性决定了其烧结过程很复杂，一般要涉及到h a 的脱水反应与分解 反应。前者主要表现为h a 在加热烧结的初始阶段会失去不同形式的水：低于2 0 0 。c 会失 去可逆的吸附水，而温度高于8 0 0 。c 后会进一步失去牢固结合的水而转变为h a t l 8 , 1 9 】。当 然，不同方法制备的h a 其烧结行为也有所不同。 1 3 1 烧结行为的主要影响因素 ( 1 ) 物理特性 物理特性显著不同的h a 的粉末的烧结性能也存在很大的差异。好的堆积能力、适 合的颗粒尺寸和分布、压坯的高密度和好的界面反应会导致h a 烧结温度的降低，并限 制品粒的长大和杂质的形成。有报道称用不同物理特性的h a 粉术进行烧结研究，发现 粉术的烧结有效性随着纳米颗粒尺寸的降低和纳米气孔率的增加而增大，团聚微弱的纳 米颗粒烧结宵效性更高1 2 0 1 。 ( 2 ) 化学成分 h a 名称被用于超过其化学式的更宽的成分范围，不同的h a 可有较大区别的c a p 化学计量：从c a p = 1 6 2 到c a p = 1 6 9 【2 1 1 。所以当比较不同结果时必须考虑到这一点。精 确的化学成分是一个重要的参数，因为h a 的烧结和最终力学性能及其生物降解速率取 决于它田】。 ( 3 ) 烧结温度和烧结时间 用于受载位置的h a l q ，植体必须在可优化强度的温度下烧结，对多数陶瓷，这仅需 要在可获得最大密度的温度下烧结，但h a 的高温不稳定性决定了致密的h a 有不一般的 烧结温度强度相互关系。“致密的h a 此处定义为没有丌张的松孔，即致密度大于 9 5 ，密度为3 0 9 c m 3 。h a 陶瓷的最大强度发生于最大致密度和闭合松孔之自订，强度在 气孔闭合后会下降，因为脱水气压会超过固体的力学性能，从而在烧结过程中恶化微观 结构【2 3 1 。烧结温度对h a 粉末与压坯烧结行为有不同的影响，压坯的分解温度比粉末分 解温度高。 1 3 2h a 的力学性能 致密h a 陶瓷的弹性模量e 在4 1 1 2 1 g p a 之间，取决于测试方法、气孔率和杂质相含 量等 2 4 1 。在密度大于7 5 的范围内，发现弹性模量与h a 的烧结密度成线性关系0 2 5 1 。 - 5 - 佳木斯大学硕十学位论文 致密h a 陶瓷的抗拉强度、弯曲强度和压缩强度分别在1 2 0 , - - , 9 0 0 m p a 、3 8 2 5 0 m p a 和 3 8 3 0 0 m p a 之间。强度值取决于残余微孔隙率、晶粒尺寸和杂质相等。孔隙率的增高降 低陶瓷的强度2 6 】。 致密h a 的断裂韧性在o 7 1 3 j c m 2 ，随着气孔率的增高而呈线性降低，整体h a 具有 很低的韧性，说明该材料很脆。h a 断裂韧性随烧结温度而变化，与密度和品粒尺寸的 共同作用有关。优化断裂韧性必须获得全密度并保持最小的晶粒尺寸。如果在热压时可 保留足够含量湿气，短暂的持续压力高温烧结会很有利【2 7 ，2 8 1 。 1 4h a 的制备方法 h a 的制备方法很多，大致可以分为三类：干法( 固相反应法) 、水热法和湿法( 溶液 反应法) 等。 1 4 1 干法( 固相反应法) 目前通常的方法是c a 3 ( p 0 4 ) 2 或c a 4 p 0 3 和c a n p 2 0 9 在1 2 0 0 。c 的高温下通入水蒸气， 通过固相反应合成h a 。必须严格控制反应的温度，因为在1 2 0 0 。c 烧结温度下，反应的 晶相为h a ；而在1 2 5 0 。c 烧结温度下，晶相为h a 和t c p 两种混合物。这足由于 忪 在1 2 5 0 。c 烧结温度下发生如下的分解反趔6 j ： c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + c a l o ( p 0 4 ) 6 0 + h 2 0 2 c a l o ( p 0 4 ) 6 0 一c a 3 ( p 0 4 ) 2 - 4 - c a 2 p 2 0 7 + 3 c a a p 2 0 9 ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) 从上面的反应式可以看出反应生成水蒸气。根据化学反应平衡原理，通入水蒸气， 可以阻止反应向右进行。因此必须在高温下通入水蒸气，抑制h a 的分解。该法的优点 是可以得到无晶格缺陷和结晶程度高的h a 晶体。缺点是原料粉末需要长时间球磨，容 易污染，反应速度慢，产物粒径大，产物的活性较差。 1 4 2 水热法 水热合成法是在一个密闭的压力容器中，用水溶液作为反应介质，通过对反应容器 加热，使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶。将c a ( n 0 3 ) 2 与h 3 p 0 4 按钙 磷比c a p = i 6 7 混合均匀，放入特制密闭的高压锅内，加入蒸馏水。按7 0 。c m i n 加热速 6 佳木斯大学硕+ 学位论文 度升至不同温度( 2 0 0 - - 4 0 0 * ( 3 7 ) ，在指定温度下进行水热反应，从而使 o h 】加入品格中生 成h a 。反应方程式如下1 2 9 】： c a ( n 0 3 ) 2 + h 3 p 0 4 + h 2 0 一c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2( 1 - 3 ) 待反应容器冷却至室温取出h a 晶体，用去离子水反复清洗干净，在110 0 。( 27 - 燥 即可。 该法最大的优点是产物直接为晶态，无须烧结晶化，可以减少在烧结过程中难以 避免的团聚。粒度均匀、形态比较规则；而且改变反应条件可以得到不同晶体结构和结 晶形态的产物。随着水热合成温度的提高和时问的延长，品粒发育越完整、粒度越 大。但此法对设备要求很高，而且成本也很高。 1 4 3 湿法 酸碱反应法足根据酸碱中和反应生成h a 。如用c a ( o h ) 2 与h 3 p 0 4 反应生成h a 。 先将一定量c a ( o h ) 2 的粉术用水调成糊状，加入蒸馏水加热至7 0 0 左右的烧杯中，加 入糊状c a ( o h ) 2 并搅拌，缓慢滴加h 3 p 0 4 溶液，调节p h 值，即可生成h a 。反应方程 式如下： c a ( o h ) 2 + h 3 p 0 4 一c a lo ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + h 2 0( 1 4 ) ( 1 ) 水解法 水解法和水热合成法原理相似。在水解法中，通常c a h p 0 4 在7 0 0 。c 左右和p h 为 8 5 的条件下使 o h 】- 力丌入晶格中生成h a t 3 0 1 。 其反应方程式为： c a h p 0 4 + 1 4 2 0 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2( 1 - 5 ) ( 2 ) 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法的基本原理是将会属醇盐或无机盐水解，然后使溶质聚合凝胶、干燥 和焙烧p 1 。3 3 1 。其技术方法是将c a 溶胶缓慢滴入品p 0 3 + 溶胶中，体系中分别加入不i 司量 - 7 佳木斯人学硕士学位论文 n i - 1 4 h c 0 3 ，并用氨水调节p h 值，将生成的h a 凝胶经2 4 h 陈化一洗涤一千燥一 焙烧。 该方法工艺过程简单，产物组成容易控制且无需大型设备，因此被广泛应用于制备 各种高纯和均匀的超细粉体。 ( 3 ) 微乳液法 新加坡囤立大学材料系l i m 【3 4 1 采用微乳液法制备纳米h a ，其技术方托妄起将c a c l 2 与t n i - h ) 2 h p 0 4 分别制成微乳液，油相为环己醇，表面活性剂为正己烷，将两种微乳液 混合后放置一定的时间，将沉淀物用无水乙醇洗涤，可获得粒径为2 0 , - - 4 0 n m 的h a 粉 体。工艺流程见图1 2 。 离心沉降 上 过滤 上 水洗 上 醇洗 土 十燥 图1 2 微乳液制各纳米h a 工艺流程 f 喀1 2m i e r o e m u l s i o np r e p a r a t i o nn a n o m e t e rh a t e c h n i c a lp r o c e s s 一8 佳木斯大学硕十学位论文 此外，还有电化学沉积法。根据电化学的基本原理，从c a s ( p 0 4 ) 2 水溶液中把h a 粒子电沉积在阴极上，其反应式为： h 2 0 + e - _ 1 2 h 2 + 【o h 。 h 2 p 0 4 】- + 【o h 】一 h p 0 4 2 + + h 2 0 c a 2 + + h p 0 4 2 + + 【o h 】 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 j ，+ h 2 0 + h 。 1 5 多孔h a 的制备方法 一+ e - _ 1 2 h 2 t 多孔h a 中含有适当尺寸并占有一定体积分数的孔隙，能为纤维细胞和骨组织向其 中生长提供通道和生长空间，增大组织液与h a 接触表面积，加快反应过程。孔隙率超 过3 0 以后，孔隙之间能相互连通，新生组织可以从人工骨表面长入内部各部分，而且 相互结合起来，这样不仅获得良好的界面结合，还由于新生组织的长入，既降低了多孔 h a 的脆性，又提高了弯曲强度。此外，由于多孔而降低了h a 材料的刚性，有利于界 面应力的传导，符合界面应力要求，使界面能保持稳定，从而提高种植效应。 医用材料的特殊性使多孔h a 与骨界面结构的研究近年得到广泛开展。关于孔隙率 与骨组织长入的关系已进行了大量试验研究，但结果不尽相同。k l a w i t t e r 3 5 1 堤出1 0 0 p m 的孔径是允许骨长入的最小直径，l5 0 1 x r n 是最佳直径；也有人认为5 0 0 “m 是最适合骨 长入的孔直径。不过，以上这些研究是基于随机的孔隙结构，随机结构的多孔h a 没有 确定的孔隙率和孔径，也没有足够的孔隙贯通性。最佳孔径有待进一步研究确定。目前 研究表明，孔径1 0 1 5 0 1 u 1 l 均适合骨长入。 随着多孔材料的发展，多孔h a 的制备方法得到了广泛深入的研究根据成孔原理， 其制备方法可分为以下几类： ( 1 ) 自然体烧结法 许多商用多孔h a 是由自然提烧结而成的。可以用珊瑚礁作为原料，采用水热法将 珊瑚中的碳酸根置换成磷酸根，从而形成h a ，他保持了珊瑚的骨架结构。另一种方 法，使用松质骨作为原料经过煅烧8 0 0 。c 以上【3 6 】或其他方法去除掉无机成分，保留其中 的小梁结构，用水热发将松质骨中的骨矿物质和非晶无机物转变成h a 【3 刀。 - 9 、j、，、，、， 石 刁 名 母 0 0 0 0 佳术斯大学硕十学位论文 ( 2 ) 造孔剂法 目前大部分的研究机构均致力于通过发h a 粉术与造孔剂等混合，经过煅烧使造孔 剂燃烧或者分解，最终制成多孔h a 。根据造孔剂的类型具有以下几种方法。 1 ) 气体分解法 r y s h k e w i t c h p 8 1 首先用4 的过氧化氢和o 2 的聚乙烯醇制备多孔氧化铝和氧化锆。 后来，k l e i n 等用这种方法制备多孔h a 。利用过氧化氢分解产生气体而形成多孔h a ， 气孔率可达6 5 。分析表明，1 0 0 一- 4 0 0 9 m 的气孔是由过氧化氢的分解而产生，在烧结 过程中不发生改变。 2 ) 有机物填充法 混合粉末状有机酸等有机物，成型后加热分解，有机物烧掉可制得多孔h a 。姚秀 敏等使用聚甲基丙烯酸作造孔剂，混合生物玻璃制备具有较小孔径，且较低气孔率的多 孔h a 。 3 ) 无机物填充法 由于部分无机物，如钽粉的膨胀系数与h a 相近，作为造孔剂有利于减少微裂纹的 产生，改善其力学性能。姚秀敏等【3 9 1 使用碳粉作为造孔剂，聚丙烯酸胺作为分散剂与生 物玻璃按一定比例混合球磨，烘干后经过干压、等静压成型，按设定程序对压坯进行 1 2 0 0 。c 烧结。最终值的孔隙率为3 0 - - - 4 5 ，弯曲强度小于1 0 m p a ，孔径小于2 0 0 m 的 多孔h a 。 ( 3 ) 预制体成型法 以上的造孔成形工艺过程中，由于孑l 的不贯通性，随着造孔剂的挥发排出热膨胀、 冷缩不可避免的会造成孔隙扩张从而形成裂纹，导致缺陷增多，力学性能下降。使用预 制体成型，首先制作为孔隙开放的预制体，然后将其与h a 混合，经过烧结或其他途径 去除预制体从而形成多孔h a 。此法包括浸渍法、凝胶烧注结合法、石蜡复型法。 ( 4 ) 发泡剂法 常用的发泡剂是过氧化氢，以聚乙烯醇等水溶性聚合物为粘结剂，也可以用聚乙烯 醇缩丁醛或甲基纤维素作发泡剂。这两种方法均能获得连通性良好的大孔径磷酸钙乍物 材料。 用甲基纤维素溶液混合h a 粉木制成泡沫膏状物，固化后烧结制备多孔h a 。孔隙 率在6 0 9 0 ，孔径大小在1 0 0 2 5 0 岬 4 0 1 。 ( 5 ) 模板法 1 0 一 佳木斯人学硕十学位论文 模板法合成技术】是制备多孔材料的有效手段，是一种生物模拟合成材料的方法。 有序多孔无机材料的形成主要是将无机物前体在模板剂的作用下，借助有机超分子。无 机物的界面作用，形成具有一定结构和形貌的无机材料。 1 6h a 复合材料 单一的h a 往往不能满足实际要求，近年来人们特别重视研究和发展了各种h a 复 合材料，以改善h a 生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。 ( 1 ) h a 与生物玻璃的复合 生物玻璃具有良好的生物活性和生物性，h e 耐k 【4 2 j 等将少量生物活性玻璃加入h a 以提高致密度和力学性能，发现这类材料的断裂韧性为1 3 1 7 m p a m “2 ，同时强度也 有所提高。然而牛物活性玻璃的加入通常会促进h a 的分解并形成t c p 。采用有机泡沫 浸渍法将c a o p 2 0 5 基生物玻璃加入到h a 中，当生物玻璃的加入量为4 w t 时，制备的 多孔h a 具有均匀的开孔结构，孔隙相互贯通，孔径分布范围2 0 0 , - - , 4 0 0 眦n ，气孔率高达 7 0 8 0 ，利于生物组织的长入和新骨的生成，孔梁上的微孔利于组织液的渗透，作为组 织工程支架材料具有很好的应用前景。k n o w l e s 等将c a o p 2 0 5 和n a 2 0 。p 2 0 5 系生物玻 璃加入h a 中，结果表明：少量c a o p 2 0 5 的加入增加了h a 的弯曲强度，最大强度为 1 4 1 m p a ( 2 5 w t ) 。而等量n a 2 0 p 2 0 5 的加入却大大降低了h a 的弯曲强度。尽管h a 牛 物活性玻璃复合材料与h a 陶瓷相比具有较好的生物活性、生物相容性，不过生物活性 玻璃也有脆性大的弱点，复合后力学强度仍然较低，只能用于一些承载较小或不承载部 位，增强增韧生物玻璃会改善复合材料的力学性能。 ( 2 ) h a 与高聚物的复合 高聚物具有较低的弹性模量，在制备复合材料时可以有效降低材料的弹性模量，从 而减少或避免应力遮挡效应。因此，制备h a 高聚物复合材料可以提高h a 生物材料可 靠性并降低其刚度。文献制备了h a 超高分子聚乙烯复合材料，研究结果表明：此种复 合材料具有h a 的良好生物性能和骨传导性，又保留有超高分子聚乙烯的町塑性，是较 理想的骨眶骨整复替代材料。全大萍等【4 3j 将h a 与d l 2 丙交酯( d l 2 l a ) 按一定比例混 合，在辛酸亚锡引发下开环聚合得到h a 微粒填充的聚d l 2 丙交酯h a ( p d l l a h a ) 复 合材料。研究结果表明h a 含量( h a w t ) 为3 0 时，复合材料的弯曲强度达9 0 m p a ，剪 切强度为7 2 m p a ，模量为6 9 g p a ，均高于其它体系。h a 的引入不仅提高了材料的初始 力学强度，而且还延缓了p d l l a 的降解速度。s h i k i n a m i l 4 4 1 等采用一种新的共混及精加 工工艺将h a 均匀分散于聚l 乳酸( p l l a ) 基体中制备了超高强度生物可吸收h a p l l a 佳木斯大学硕士学位论文 复合材料。该复合材料具有良好的生物性、可吸收性、生物活性和骨结合能力。研究表 明使用纳米h a 粒子复合，有利于提高h a 与聚合物基体间的结合能力。 ( 3 ) h a 与金属的复合 医用金属材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材 料，由于其较差的生物活性限制了它的近一步应用。而h a 具有优异的生物活性，由 此，h a 金属复合材料应运而生。h a a g 复合材料是研究较早的一种金属复合材料， a g 颗粒弥补了h a 脆性大的不足，提高了其韧性，并且a g 颗粒增强体具有很好的抗菌 效果1 4 5 。由于钛和钛合金的质量轻，弹性模量与骨相近，具有良好的耐腐蚀性，t i h a 系复合材料成为研究的热门生物材料。 ( 4 ) h a 生物涂层 研究发现，多孔h a 的力学性能远远不能匕碉, - t - r - 足生物种植体在体内的种植要求，而对 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 涂层，加入颗粒及纤 维增强h a 陶瓷基复合材料的研究也就应运而生。主要方法有 4 6 1 ：等离子喷涂法、激光 熔覆法、电化学法、水热合成法、粉浆涂层和烧结法。 1 7 镁的性质及其作为生物材料的优势 镁元素位于元素周期表中的第1 ia 族，元素符号为m g ，原子序数为1 2 ，原子量为 2 4 1 3 0 5 ，原子的特征电子构型为3 s 2 ，密度为1 7 3 8 ，熔点为6 5 1 ，沸点为1 0 9 0 ，是 轻金属元素之一。 镁元素是生命必需的常量元素之一，它是叶绿素和植物盐的主要成分。镁也是人体 必需的重要元素之一，它在成人体内约0 0 5 ，其中5 5 在骨骼中，2 7 在软组织，1 左右在细胞外液。血液中5 0 - - 6 0 的镁以离子形式存在，2 0 3 0 与蛋白质结合，1 0 2 0 的镁与磷酸、柠檬酸、草酸等阴离子结合。它几乎参与人体所有的新陈代谢过程，在细 胞中的含量仅次于钾，并影响钾、钙、钠离子细胞内外移动的“通道”，有维持生物膜电 位的作用【47 | 。 人的正常细胞内液中镁的含量为2 7 m m o l l ，血浆中镁的含量为2 m m o l l 。而镁缺 乏是细胞能量短缺的罪魁祸首，同时，镁缺乏还可以导致许多疾病：缺镁最常见的表现 为骨骼过早老化，骨质疏松，软组织钙化，缺镁还影响到大脑、心脏、肌肉和人体的其 它器官，使人易患心血管疾病、克罗恩氏病、充血性心力衰竭，以及对化学品和周围环 - 1 2 佳木斯大学硕十学位论文 境产生神经过敏等；有些人体内低镁可引起冠状动脉进行性收缩、痉挛，最终因心肌缺 血而突然死亡；还有些镁缺乏者常表现出肌肉虚弱、肌肉抽搐和抖动、心率不齐、失 眠、腿抽筋、焦躁不安