（材料学专业论文）掺锌含氟羟基磷灰石薄膜的制备及性能研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，h a ) 薄膜是一种具有优秀生物活性的医用 生物材料，被广泛地应用于钛合金硬组织种植体表面改性，但由于羟基磷灰石 在人体中的降解速度较快，导致种植体在人体内失效。通过添加微量氟元素， 以氟替换了羟基磷灰石中的羟基，其结构又与羟基磷灰石一样，能降低了材料 的溶解度。另外锌对于成骨细胞的增殖有特殊的直接刺激作用，而对于破骨细 胞有一定的抑制作用，对于提高材料的生物活性具有很好的作用。因此掺锌含 氟羟基磷灰石薄膜有着良好的前景。 本论文在经过深入的文献查阅和前期研究工作的基础上，分别以h p f 6 和 z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 作为氟引入剂和锌添加剂，将h p f 6 、z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 的乙醇 溶液和c a ( n 0 3 ) 2 - - p 2 0 5 乙醇溶液混合，回流形成涂膜液，采用溶胶一凝胶技术， 在钛合金基板上涂覆有生物活性的不同锌含量的掺锌含氟羟基磷灰石薄膜，以 改善钛合金的表面性能，以满足理想生物材料的要求。 本论文在研究掺锌含氟羟基磷灰石薄膜的同时，对含氟羟基磷灰石的有关 性能也进行了一定的研究。 在实验中采用了x r d 、x p s 、s e m 等技术对制备所得的薄膜相组成、表面 形貌及锌对薄膜内氟的存在的影响等进行了分析。用模拟体液( 1 5 s b f ) 浸泡来 表征掺锌含氟羟基磷灰石薄膜的生物活性程度。 本论文中获得的具体结果如下： 通过改变涂膜液中的c a z n 的配比，可以得到不同锌含量的薄膜材料。通 过s e m ，随着锌掺入量的增加，薄膜表面形貌由结构致密、平滑逐渐变得多孔， 粗糙，裂纹也随之增加。 通过x r d 分析，在掺锌含氟羟基磷灰石相中含有羟基磷灰石和b 磷酸三 钙两种相，其中z n 比较倾向于进入b 磷酸三钙结构，并且z n 的存在在一定程 度上抑制了羟基磷灰石的结晶，这有利于富集在表面的锌在体内释放，从而发 浙江大学硕士学位论文 挥其刺激骨生长，抑制骨吸收的作用。 将不同锌含量的掺锌羟基磷灰石薄膜浸泡在1 5 s b f 溶液中，经过浸泡一 段时间后，这些薄膜表面都会有磷灰石相沉积产生。随着锌含量的增加，在薄 膜表面沉积的磷灰石相分布密度也随之增加。说明锌元素添加量的增加，能够 很好地抑制磷灰石的结晶，从而有利于在体液环境中释放z n ，起到促进骨生长 的作用，提高薄膜材料的生物活性。同时羟基磷灰石薄膜能较好地覆盖在薄膜 的表面，这也表明了掺锌含氟羟基磷灰石薄膜与含氟羟基磷灰石有着同样的生 物活性。 本工作中获得的掺锌含氟羟基磷灰石薄膜具有良好的物理化学性能和良好 的生物活性。因此，本论文工作结果无论是在理论上还是在实际应用中，都有 一定的指导意义。 关键词：溶胶一凝胶掺锌含氟羟基磷灰石薄膜生物活性 浙江大学硕十学位论文 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，h a ) i sak i n do f m e d i c a lb i o m a t e r i a l sw i t h o 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 om o d i f y i n gt h es u r f a c e p e r f o r m a n c e so fm e t a l l i ci m p l a n t sf o rr e p a i r i n gh a r dt i s s u e s h o w e v e r ，ar e l a t i v e l y f a s td e g r a d a t i o ns p e e do fh y d r o x y a p a t i t ei nh u m a nb o d i e sw i l lf i n a l l yl e a dt ot h e d e t e r i o r a t i n go fp e r f o r m a n c eo ft h ei m p l a n t s w ec o u l dr e d u c et h es o l u b i l i t yo f h y d r o x y a p a t i t eb ya d d i n gas m a l la l t l o u n to ff l u o r i n e ，w h i c hw i l lb eu s e dt or e p l a c e t h eh y d r o x y li nt h eh y d r o x y a p a t i t et of o r mf l u o r i d a t e dh y d r o x y a p a t i t e ( f h a ) ，b u t w i t hn oc h a n g ei nc r y s t a l l i n es t r u c t u r e i na d d i t i o n ，w i t ht h es p e c i a lf u n c t i o nt o s t i m u l a t et h ep r o p a g a t eo fb o n e - f o r m i n gc e l l sa n dt or e f r a i nt h eg r o w t ho ft h eb o n e b r o k e nc e l l s ，t h ez i n cf u n c t i o n sw e l li ni m p r o v i n gt h eb i o a c t i v i t yo fm a t e r i a l s w i t h t h a tw ec o u l ds a yt h ez n d o p e df h af i l m sw i l lh a v eav e r yg o o dp r o s p e c t i n t h i sw o r k ，t h em i x t u r eo fe t h a n o ls o l u t i o n so fh p f 6a n dz n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 i s u s e da sd i p p i n g l i q u i d ，t h ez n - d o p e df h af i l m sw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fz i n co nt h e t i t a n i u ma l l o ys u b s t r a t e sa r ep r e p a r e db ys o l g e lt e c h n o l o g y t h i st h e s i sa l s oc a r r i e so nt h er e s e a r c ho nt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c e so f f l u o r i d a t e dh y d r o x y a p a t i t e ， d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，b ya d o p t i n gt h et e c h n o l o g i e sl i k ex r d ，x p s ，s e mt o m a k ea n a l y s i so f t h ec o m p o n e n t sa n ds u r f a c ea p p e a r a n c eo ff i l mp h a s ed e r i v e df r o m t h ee x p e r i m e n ta n dt h ei m p a c to fz i n co nt h ee x i s t e n c eo ff l u o r i n ei nt h ef i l m s b y s o a k i n gt h ef i l mw i t ht h es i m u l a t e db o d yf l u i d ( 1 5 s b f ) t oe v a l u a t et h el e v e lo f b i o l o g i c a la c t i v a t i o no fz n d o p e df h a f i l m s t h er e s u l t so b t a i n e di nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h r o u g hc h a n g i n gt h ec a z nr a t i oi nt h ef i l ml i q u i dc a ng e tt h ef i l mm a t e r i a l s w i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fz i n c t h r o u g hs e mt e c h n o l o g y ，w i t ht h ei n c r e a s eo fz i n c ， t h es u r f a c eo ff i l mw i l lb e c o m ec o a r s e ，p o r o u sa n dw i t hm o r ec r a c k s t h r o u g hx r da n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h e r ea r et w op h a s e si nz n d o p e df h a i i 】 浙江人学硕士学位论文 f i l m ，n a m e l yh y d r o x y a p a t i t ea n d6 一t r i c a l c i u mp h o s p h a t e 。i ts e e m st h a tz i n ci n c l i n e s t oe n t e ri n t ot r i c a l c i u mp h o s p h a t ea n d ，t oac e r t a i ne x t e n t ，t h ee x i s t e n c eo fz i n ch a s s u p p r e s s e dt h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h eh y d r o x y a p a t i t e ，w h i c hh e l p st h ez i n cl a r g e l y c o l l e t e do nt h es u r f a c et or e l e a s ei nt h eb o d y ，t h u st os t i m u l a t et h eg r o w t ho fb o n e c e l l s b ys o a k i n gt h ef i l mw i t hd i f f e r e n tc o n t e n to fz i n ci n1 5 s b fs o l u t i o nf o rs o m e t i m e ，t h es u r f a c eo ff i l mw i l lb ec o v e r e db yt h ed e p o s i t i o no fa p a t i t e w i t ht h e i n c r e a s i n go fz i n c ，t h ed i s t r i b u t i n gd e n s i t yo fa p a t i t et h a td e p o s i t so nt h ef i l mw i l l b e c o m el a r g ea c c o r d i n g l y i ts h o w st h a tt h ei n c r e a s eo f z i n cc o n t e n tc a l lw e l l s u p p r e s st h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h ea p a t i t e ，t h u sh e l pt or e l e a s ez i n ci nt h eb o d yf l u i d e n v i r o n m e n t ，p r o m o t et h eb o n et og r o w ，a n di m p r o v et h eb i o l o g i c a la c t i v a t i o no f t h e f i l mm a t e r i a l a tt h es a m et i m e ，t h eh y d r o x y la p a t i t ec a nb ew e l lc o v e r e do nt h e s u r f a c eo ft h ef i l m ，w h i c ha l s oi n d i c a t e st h a tz n d o p e df h af i l mh a v et h es a m e b i o l o g i c a la c t i v a t i o nw i t hf l u o r i d a t e dh y d r o x y la p a t i t e t h ez n d o p e df h af i l md e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n ts h o w st h es o u n d p h y s i c a l a n dc h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dg o o db i o a c t i v i t y t h u s ，t h er e s u l t st h r o u g h o u tt h ew o r k a r eo f d i r e c t i v es i g n i f i c a n c eb o t ht h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y k e y w o r d ：s o l g e l ，z n d o p e df h a ，f i l m ，b i o l o g i c a la c t i v a t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章文献综述 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。生物 材料经过了1 8 、1 9 世纪漫长的探索阶段，2 1 世纪随着人类对自身与环境相协 调的更加关注，对可持续发展提出了更高的要求，材料学科与生物学相结合产 生了越来越多参与人类生活的生物材料。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 2 生物材料简介 什么是生物材料? 由于生物材料的内涵丰富，而且从事生物材料研究的又 是来自不同领域的科学工作者，因此对生物材料尚无一个很确切的定义。广义 的生物材料可以理解为一切与生物体相关的应用性材料。按其应用可分为生物 工程材料、生物医用材料和其他生物应用材料0 j 。狭义的生物材料一般是指生 物医学材料。在不同的历史时期，生物材料被赋予了不同的意义，其定义是随 着生命科学和材料科学的不断发展而演变的p j 。其中已经被广泛接受的是1 9 9 2 年美国j b l a c k 教授提出的“用于取代、修复活组织的天然或人造材料”。【4 。】 1 2 1 生物材料的发展历程 生物材料的发展已经有非常长的历史，自人类认识了解材料起，就有了生 物材料的端倪【6 】。自从有了人类，人们就不断地与各种疾病作斗争，生物医学 材料是人类同疾病做斗争的有效工具之一。长期来，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。1 9 世纪8 0 年代 以来【7 】i 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主动诱导人体 浙江大学硕士学位论文 组织的自身修复、再生能力，从而达到使病变组织、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 2 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口j 。依据不 同的分类标准，可以分为不同的类型： ( 一) 以材料的生物性能为分类标准 根据材料的生物性能，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 9 1 。 生物惰性材料是指一类在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化 学反应的生物医学材料1 1 0 】，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，分子中的键力较强，而且都具有较高的强度、耐磨性及化 学稳定性。现在它们在临床上得到了广泛的应用 1 l 】。 生物活性材料是一类能诱出或调出生物活性的生物医学材料【1 0 】。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。其发展始于1 9 6 9 年 h e n c h 等人首次发现n a 2 c a o s i 0 2 p 2 0 5 系统中的玻璃4 5 s 5 具有生物活性。 现在，生物活性材料的概念己建立了牢固的基础，其应用范围也大大扩充。生 物活性材料主要有以下几类：1 、羟基磷灰石，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羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简 称h a ) 材料的研究，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 、磁性材料，主要为治疗癌症用磁性材料。4 、生物玻璃，主要指生物玻 璃。 生物降解材料是指那些在被植入人体以后，能够不断发生分解，分解产物 浙江大学硕士学位论文 能够被生物体所吸收或排除体外的一类材料。主要包括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的降解吸收，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 复合而成的生物医学材料，并且与其所有的单体的性能相比，复合材料的性能 都有较大程度的提高的材料。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1 2 14 1 。生物医学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。 ( - - ) 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【l “。 医用金属材料由于其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 1 7 - 1 9 】。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，并满足用它制成的医疗器件植入人体具有治疗作用。 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【2 0 - 2 2 。 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材料及其制品，高分子材料和金属材料相比，生物 陶瓷在人体内及其稳定，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域f 2 3 2 ”。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1 2 ”，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【2 6 07 1 ，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，已经能合成许多具有优良性能的软、硬材料及药物 浙江大学硕士学位论文 控释材料应用到各个医学领域。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。 1 2 3 生物材料的性能评价 目前关于生物材料性能评价的研究主要集中在生物相容性方面，因为生物 相容性是生物材料研究中始终贯穿的主题。它是生命体组织对生物材料产生反 应的一种性能，该材料既能是非活性的又能是活性的，一般是指材料与宿主之 间的相容性，包括组织相容性和血液相容性，现在普遍认为，生物相容性包括 两大原则，一是生物安全性原则，二是生物功能性原则3 ，2 3 ，2 ”。 生物安全性是植入体内的生物材料要满足的首要性能，是材料与宿主之间 能否结合完好的关键。关于生物材料生物学评价标准的研究始于2 0 世纪7 0 年 代，目前形成了从细胞水平到整体动物的较完整的评价框架，国际标准化组织 ( i s o ) 以1 0 9 9 3 编号发布了1 7 个相关标准，同时对生物学评价方法也进行了 标准化。 迫于现代社会动物保护和减少动物试验的压力，国际上各国专家对体外 评价方法进行了大量的研究，同时利用现代分子生物学手段来评价生物材料的 安全性、使评价方法从整体动物和细胞水平深入到分子水平。主要在体外细胞 毒性试验、遗传性和致癌性试验以及血液相容性评价方法等方面进行了一些研 究。但具体评价方法和指标都未统一，更没有标准化。 随着对生物材料生物相容性的深入研究，人们发现评价生物材料对生物功 能的影响也很重要。关于这一方面的研究主要使体外法。具体来说侧重于对细 胞功能的影响和分子生物学评价方面的一些研究。总之，关于生物功能性原则 是提出不久的一个新的生物材料的评价方面，它必将随着研究的不断深入而向 前发展。而涉及材料的化学稳定性、疲劳性能、摩擦、磨损性能的生物材料在 人体内长期埋植的稳定性是需要开展研究的一个重要方面。 目前国内外学者对生物相容性的评价方法可以概括为两类1 4 1 ： ( 1 ) 体外试验( i nv i t r o ) ：选择具有一定p t t 值的溶液，模拟生理环境， 浙江大学硕士学位论文 如：去离子水、生理盐水、含有机酸盐的缓冲液、含酶或氨基酸溶液、模拟体 液等。通过溶液的酸度、浓度、湿度、组成、固液比等试验条件，研究各类材 料的反应过程和反应机理。体外模拟试验不能代替体内植入试验，但此方法试 验条件易控制、重复性好。可同时检测大批量试样，目前仍被广泛采用。目前 经常采用的体外试验有：生物溶液浸泡法，细胞培养： ( 2 ) 体内试验( i nv i v o ) ：将样品植入动物体内建立动物试验模型，利用 x 射线显微摄影术，扫描电镜，透镜电镜观察植入样品的超微结构、界面区分 布、结构变化等，通过不同的植入剂量的对比试验来作动物( 如老鼠) 的组织 病理分析，并与参照材料引起的反应水平来对比判断。一般是通过细胞学、组 织学、免疫学、遗传毒理学和整体试验动物等试验方法和手段研究生物材料与 生物的相互作用，以评价最终产品是否安全有效。一般要经过试验步骤后才能 商品化应用。目前经常采用的体内试验有：动物试验，在人体内的试验。 下面简单的介绍一下各种试验的基本情况3 0 1 ： 一i n v i t r o 试验 ( 一) 生理溶液浸泡法 生理溶液浸泡是将材料浸泡在模拟人体的体液中分析材料在这种条件下的 物理和化学变化。人体的体液是含有约1 n a c l 的充气溶液，还含有少量其他 盐类和有机化合物。温度为3 6 7 - 3 7 2 ，p h 值为弱碱性。当然在人体的不同 部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内的液体成分是不同的。体内的环境 随时问变化的，而且由于体外试验比体内试验方便，所以用某些生理溶液作为 人体溶液的等效溶液。对于材料学者来说利用模拟体液比利用细胞培养和动物 试验要容易分析，更容易表征。常用的模拟人体溶液有以下几种： ( 1 ) 缓冲溶液 t r i s 为t r i s h y d r o x y m e t h y l - - a m i n o m e t h a n e 的简称，分子式为h 2 n c ( c h 2 0 h ) 3 。 t r i s 缓冲溶液由t r i s 晶粒溶于非常稀释的盐酸水溶液中制成，最后调节p h 值 为7 2 5 ，为人体体液p h 相似。这是h e n c h 为了检验b i o g l a s s 的生物活性而开 发的。 ( 2 ) s b f 溶液 s b f ( s t i m u l a t e d b o d y f l u i d ) 为模拟人体体液的简称。在f 本k u k o b o 浙江大学硕士学位论文 等人为了检测其开发的a w g c 的生物活性而研制的s b f 与人体体液最为相似 【3 1 1 。它具有t r i s 无可比拟的优点：它不仅p h 值为7 2 5 ，而且溶液中各离子的 溶液与人体体液的离子浓度基本相似( 见表1 1 ) 。 ( 3 ) h a n k s 溶液 h a n k s 平衡饱和溶液液是根据人体体液各离子浓度而配制的( 见表1 2 ) 【3 2 】。 只是它不是缓冲溶液，使用起来p h 值动荡比较大，并且要经常更换液体，配 制过程复杂，使用不方便。此外还有其他配方组成如r i n g e r s 生理溶液，t y r o d e s 生理盐液。 表1 1s b f ，h a n k s 和人体血浆的离子浓度( 1 0 。3 m o l l ) i o nn a +k + m 9 2 + c a 2 + c 1 一h c 0 3 一h p 0 4 s 0 4 2 s b f1 4 2 05 01 52 51 4 7 84 21 0o 5 h a n k s1 4 1 65 80 0 81 31 4 4 74 20 80 0 8 b l o o dp l a s m a1 4 2 05 01 52 51 0 3 02 7 01 oo 5 ( 4 ) 实验结果的表征 该试验的大致过程为：将待测的生物薄膜材料浸入3 7 。c 恒温的模拟体液 中，在不同时间后从溶液里取出，利用s e m ，x r d ，f t i r 等技术分析表面反 应和溶液变化情况。 ( 二) 细胞培养法 细胞培养实验是近几年新发展起来的检验材料生物性能的一种方法。它是 介于模拟体液实验与生物活体实验之问的一种实验。细胞培养法是检测材料的 生物相容性的一种简便、快捷、重复性好，廉价的方法，在材料生物相容性评 价中起着很重要的作用。以往研究材料生物相容性的评价往往着眼于细胞的形 态和数量的变化。近几年来研究材料对细胞生长，粘附，增殖以及代谢方面的 影响报道很多。并提出了有活力的细胞数很细胞生长作为材料生物相容性的评 价标准的观点。并且目前研究主要考虑的是根据材料的理化性能，植入体的部 位及使用目的选择适当的实验方法和实验细胞。 浙江大学硕士学位论文 二i nv i v o 实验 i nv i v o 实验主要有动物实验和在人体内的实验。 动物实验则是将材料植入动物体内后，观察动物的一些生理指标，分析材 料的性能。主要检测手段有细胞毒性实验，热源试验，溶血试验，皮肤刺激试 验，微核试验，s o s 显色试验，急性全身毒性等等，可以分析在动物体内材料 的溶解情况，以及愈合情况。新生骨的结合情况则是通过将材料取出，通过拉 拔，分析结合强度。 由于动物与人体仍具有相当大的区别，在材料最终应用之前人体实验是必 不可少的。这种实验要求最高。但是最能真实反映出材料在实际使用中的性能， 例如在有负载的条件下，疾病情况下，在人体的免疫系统的条件下的等等情况。 1 2 4 表面改性技术在生物材料中的应用嘲 生物材料虽然兼顾了材料力学性能和生物化学性能，但是很难同时具有良 好的体性能和表面性能。例如，金属、陶瓷和高分子三大材料作为医用植入物 各有其优缺点：金属和陶瓷在负载荷医疗领域已得到了广泛的应用，但是金属 易磨损和腐蚀，而陶瓷则脆性大；高分子由于具有独特的柔韧性而在组织修复 方面大显身手，但是高分子的生物相容性也并非尽善尽美。因此生物材料的研 制正朝着多种材料复合，性能互补的方向发展，其中通过表面改性获得生物相 容性良好的医疗器件是更为实用的一种技术。对金属表面进行改性处理，可以 使其获得适宜的表面组成、结构形态及表面性能，可以改善和提高植入物的生 物相容性。 植入物的表面粗糙度、润湿性、表面化学组成、晶态、异质和表面电荷等 表面性能对生物性能相容性有直接影响。对于具体的植入部位，这种影响又有 本质的区别。因此对于不同用途的生物材料，对其进行表面改性的机理也有所 不同。各种生物相容性表面薄膜种类及制备方法见表12 、表1 _ 3 。 浙江大学硕士学位论文 表1 2 常用的表面改性技术及应用 浙江大学硕十学位论文 表1 3 生物相容性表面薄膜种类及制备方法 9 浙江大学硕士学位论文 硬组织修复与重建材料是生物材料中发展最早，最成熟的领域。对其实旆 表面改性可以通过各种表面涂层或薄膜技术在金属基体表面制备生物涂层，由 此制成的复合材料作为植入体，既具有金属的强度及韧性，表面有具有较好的 生物相容性。目前，研究者们对金属基体上制各生物活性陶瓷涂层很感兴趣， 其中，羟基磷灰石( h a ) 涂层或薄膜是目前国内外研究最多的一种生物活性陶 瓷，它与人体骨、牙齿中的无机成分接近，植入后能够诱导新的骨、齿长出， 可获得较好的植入物一骨组织结合界面。 1 3 羟基磷灰石( h a ) 薄膜的研究现状 1 3 1 羟基磷灰石的结构及性质 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) ，分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，是c a 3 ( p 0 4 ) 2 和c a ( o h ) 2 的复盐。h a p 晶体属于p 6 3 m 空间群，为六角柱体，其晶格常数 a = b = 0 9 4 1 2 n m ，c = 0 6 8 8 5 n m 。体积质量为3 1 6 9 c m l 性脆，折射率为1 6 4 1 6 5 ，微溶于水，水溶液呈弱碱性( p h 7 9 ) ，易溶于酸，难溶于碱，h a 是强 离子交换剂，分子中的c a 2 + 容易被c d 2 + 、h 9 2 + 等有害金属离子和s r 2 + 、b a 2 + 、 p d ”等重金属离子交换，还可与含有羟基的氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交 换反应3 4 1 。 h a 的表面性能取决于其结构，h a 表面主要存在2 个吸附位置，当o h 一 位于晶体表面时，该位连接着2 个c a 2 + ，在水溶液中，这个表面的o h 至少在 浙江人学硕士学位论文 某一瞬间空缺，由于2 个c a 2 + 带正电，形成一个吸附位置。同理，当表面的c a 2 + 在某一瞬间空缺时，表面形成另外一个吸附位置，而该位置带负电荷，能吸附 s r 2 + 等阳离子和蛋白质分子上的e 基团。h a 表面水化层通过氢键与水有较好的 相容性，在水中的表面能较低，能长时间保持细小的分散状态【3 5 】。 羟基磷灰石与人体骨中的无机磷灰石的晶体结构相同。如人骨成分中h a 的质量分数约为6 5 ，人的牙齿釉质中的h a 的质量分数则在9 5 以上。羟基 磷灰石植入体内，具有极好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无 致癌作用，可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合，以生 物力学方法测定其破坏剪切强度达1 2 6 m p a ，高于钛合金植体骨结合强度 的8 1 2 倍，解决了因金属、有机高分子等生物医用材料中的生物相容性和人 体适应尚不能令人满意这一难题，从而被认为是最有前途的生物医学材料，为 生物医学材料增添了新的奇葩。 自5 0 年代以来，人工合成的h a 得到了深入的研究，人们不仅合成出纯度 很高的h a 单晶，还合成出了与人体骨骼极为接近的含碳酸盐h a ，具有较高 稳定性的含氟h a ，并采用陶瓷致密烧结工艺，制备出了强度和韧性均与人体 牙齿相近的h a 多晶陶瓷体口“。这些人工合成的h a 与人体的生理环境具有良 好的生物相容性，作为优良的人工骨材料及组织材料得到了广泛的应用。 虽然羟基磷灰石生物陶瓷材料的生物活性好，但是其是脆性材料，韧性差， 强度低，莫氏硬度仅为5 ，断裂韧性( k i c ) 不超过1 0 m p a m 1 2 ，且强度随材料 中孔隙率v p 的增多而降低，具有如下关系： 多孔h a p 的抗压强度oc = 7 0 0 e x p ( 5 v p ) m p a 多孔h a p 的抗拉强度0t z 2 2 0 e x p ( 2 0 v p ) m p a 因此羟基磷灰石力学性能的不足，限制了它在人体承力部位的应用。单一 的羟基磷灰石往往难以满足医学要求，为此，人们采用不同的工艺方法，开发 了多种羟基磷灰石复合材料。特别是在金属基体表面涂覆上羟基磷灰石生物陶 瓷，制各成生物陶瓷医用金属复合材料，既保持了基底金属的强度和韧性，又 具有涂层的生物活性及生物相容性，成为理想的人造植骨材料。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 羟基磷灰石薄膜制备方法简介 目前作为薄膜的金属基体材料主要有多孔金属钛、钛合金、一些系列的不 锈钢。这些材料具有强度大、重量轻、耐腐蚀性能好、生物相容性好等有点。 将羟基磷灰石涂覆在金属表面的方法主要有：等离子喷涂法，电化学沉积 法，激光熔覆法，溶胶一凝胶法等等【3 0 , 3 8 , 3 9 1 。 等离子喷涂法是制备h a 涂层最成功，也是最广泛使用的方法，并且被投 入了商业应用。等离子喷涂的基本过程是喷涂粉体以气体位载体被送到等离子 区，经高温熔融或半熔融后喷涂到金属基体上。喷涂后的涂层要经过水蒸汽处 理或热处理。等离子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不高。另外，这种技术设备昂贵，不适 于喷涂多孔金属表面。 电化学沉淀h a 涂层是在9 0 年代发展起来的新方法。包括电化学结晶法、 电泳沉积和阳极氧化法。羟基磷灰石或其他磷酸钙陶瓷得电沉积机理是复杂的， 涉及到电化学反应和沉积反应等过程。电化学方法制备生物陶瓷涂层是在低温 的条件下进行，基体和涂层界面不参在热应力问题，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过 程，可以在形状复杂和表面多孔的基底上制备均匀的生物陶瓷涂层，通过改变 电化学沉积工艺条件控制电沉积层的厚度和表面形貌。这种方法所需设备简单， 原料便宜易得，且操作方便。在电化学沉积过程中，电解液温度、基底材料和 电解液组成等多种试验条件都会对电沉积钙磷产物得组成、结构及表面形貌等 特性产生影响，影响因素较复杂。此方法有时也存在h a 涂层与金属表面结合 强度低得缺点。 激光熔覆法是在基底材料表面上预先涂覆一点比例的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渠道搭接熔覆处理，使合成与涂覆h a 涂层一步完成。合成h a 涂层的原理为： 6 c a h p 0 4 + 4 c a c 0 3 - - c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 2 h 2 0 + 4 c 0 2 此方法制得的涂层与基底结合良好，硬度高，强度较高，韧性良好，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， 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岂不，但已显示 浙江大学硕士学位论文 出了巨大的优越性，很有希望成为生产临床生物医用材料的途径之一。 溶胶一凝胶法制备羟基磷灰石是一种新型的方法，近年来这方面的研究较 多。例如，将c a ( n 0 3 ) 2 、p 2 0 5 和乙醇配成溶胶，把此溶胶均匀涂覆到钛合金或 氧化铝基底上，溶剂迅速挥发，配料发生剧缩反应而胶化，经干燥和5 0 0 热 处理，可获得羟基磷灰石涂层。这种方法工艺简单、易控制和成本低。但涂层 结合强度不高。h s i e h 等人则发展了一种使用溶胶一凝胶法在t i 6 a 1 4 v 基底上制 各h a 涂层的简单快速的方法。溶胶一凝胶法是一个相当简单而且温和的过程， 可以避免高温喷涂中温度高，过程剧烈，结构不完整，产生多相f 如c a o 、 c a 3 ( p o ) 2 1 等问题以及等离子喷涂中涂层薄，易破裂等缺点，可以被广泛的应用。 但是溶胶一凝胶法难于制备出形状复杂的薄膜。 在实际应用中，由于羟基磷灰石在人体中的降解速度较快，在临床应用过 程中发现，由于羟基磷灰石生物降解或由于生物降解产生的崩裂，导致种植体 在人体内失效。目前许多国内外学者为了解决这一问题，对羟基磷灰石进行了 许多改进，加入了其他元素来降低它的溶解度。目前研究较为深入的是含氟羟 基磷灰石。 1 3 3 各类添加元素对羟基磷灰石薄膜性能的影响 在实际人骨中的无机组元，并不是一种纯的羟基磷灰石，含有碳酸根和 钠、镁等金属离子。另外，目前，科学家仍无法人工合成出与人骨完全相同 的材料，因此在羟基磷灰石应用中，为了满足临床应用的要求，常常需添加 一些元素，如氟、锌等元素，来改善其临床性能。 1 3 3 1 氟对羟基磷灰石薄膜性能的影响 氟是人类生命活动的必需微量元素之一。正常 人体内的含氟量为2 6 9 ，仅次于硅和铁。人体的平 均含氟量为3 7 1 0 。6 7 0 1 0 一。9 0 的氟分布在 于人体的骨和牙齿等硬组织内，主要以无机氟的形 态沉积于松骨质中，氟对全身骨骼的生长发育和维 持骨生理结构功能具有重要作用 4 0 1 。 图1 1 氟羟基磷灰石的结构 浙江大学硕士学位论文 含氟羟基磷灰石，c a 】o ( p 0 4 ) 6 f 2 一。( o h ) x ( o x 2 ) 与羟基磷灰石具有相同 的晶体结构，与羟基磷灰石不同之处只是其氟部分取代了羟基在沿平行与c 轴 的方向排列位置，如图1 1 所示。 根据羟基磷灰石的结构，o h 应位于由c a 2 + 所构成的六棱柱中间，形成 o h 链。f 的存在状态与o h 相同的。但是o h 与f 是以单独的o h 链和单独的 f 链存在，还是以f 一0 h 链形式存在，尚是一个值得探讨的问题。有学者认为 4 1 1 ：当样品中氟含量较少时，o h 基本以o h 链形式存在，f 位于该链中，故 振动体现为o h 链振动；随着氟含量的增多，f 以f 链形式存在，因此形成o h 链与f 链相互交替共存：当氟含量的进一步增多，样品中的o h 量越来越少， 逐渐不能以o h 链形式存在，o h 只能以单个形式存在于f 链中。 1 3 3 1 1 溶解性能1 4 2 i 由于f 比o h 基团小，使得氟磷灰石比羟基磷灰石晶体结构更加紧密，因 此相应的f a 晶格常数( a 轴9 3 6 8 4 a ，c 轴6 8 8 4 a ) 小。由于结构较紧密， 使含氟羟基磷灰石的溶解性较小，这一特性在临床应用中是十分有意义的。因 此许多学者研究了在不同环境中f a 溶解现象与机理，通常认为其溶解过程可 以归纳为一下两个方程： c a l o ( p o a ) 6 f 2 + 7 h + 1o c 一+ + h 2 p 0 4 + + 2 h f 或c a l o ( p 0 4 ) 6 f 2 _ lo c a 2 + + 6 p 0 4 3 + 2 f 一般认为骨是由纳米态的磷灰石与胶原相结合而形成的，并且一些学者认 为骨组织在愈合时其环境为酸性环境( p h 约为5 5 ) ，所以研究纳米态的磷灰石 在酸性环境下的溶解过程对研究骨损伤和愈合有一定的指导意义1 4 7 。 s v d o r o z h k i n 研究了在酸性环境中的溶解过程，他认为纳米态的f a 在酸性溶 解过程包含了5 个反应： c a 5 ( p 0 4 ) 3 f + h 2 0 + h +_c a s ( p 0 4 ) 3 ( h 2 0 ) + + h f ( 1 ) 2 c a 5 ( p 0 4 ) 3 ( h 2 0 ) + 一c a 3 ( p 0 4 ) 2 十c a 2 + + h 2 0 ( 2 ) c a 3 ( p 0 4 ) 2 + 2 h + _ c a ”+ 2 c a h p 0 4 ( 3 ) c a h p 0 4 + h + _c a 2 + + h 2 p 0 4 一 ( 4 ) c a h p 0 4 十2 h + c a 2 + + h 1 p 0 4( 5 ) 浙江大学硕士学位论文 同时他也分析了微观溶解的动力学过程，认为多核溶解于蚀洞溶解机理同 时起作用。溶解最初阶段为多核溶解机理，蚀洞溶解很小，当溶解进行时，蚀 刻孔洞越来越大，蚀洞溶解的作用也越来越