（材料学专业论文）电纺法制备磷酸钙超细纤维及其与明胶的复合膜的研究.pdf

中文摘要 电纺是一种制备超细纤维的重要方法，电纺纤维由于其直径小、比表面积高 等优点在过滤装置、创伤敷料、控制释放领域和组织工程支架等方面备受关注。 近几年，随着电纺技术的日趋成熟，电纺已不仅仅局限于制备传统的聚合物超细 纤维，而可以与其他技术结合，应用于功能超细纤维材料的制备。 本文将电纺和凝胶一溶胶法相结合，以硝酸钙和亚磷酸三乙酯为钙磷前驱体 溶胶( s o l ) ，利用聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 为电纺的赋形剂，得到电纺超细纤维 后再经煅烧得到了磷灰石超细纤维。在详细研究了p v p 的电纺性能的基础上， 系统地研究了在磷灰石初生电纺纤维的制各过程中p v p 的浓度、s o l 与乙醇的 体积比以及热处理温度对其形貌的影响，并用偏光显微镜和扫描电镜( s e m ) 进 行了表征。用差示扫描量热和热重分析、傅立叶转换红外光谱( f t i r ) 和x 射 线衍射( m ) 对煅烧后纤维膜的性质加以分析，证实6 0 0 0 c 下煅烧所得纤维是磷 灰石纤维。 虽然磷灰石材料被广泛应用于骨修复材料，但是它具有质脆、韧性差等缺点， 为了改善其力学性能，本文将其与明胶同时电纺得到复合电纺纤维膜，并将其在 6 0 0 c 下真空干燥处理1 2 h 后，得到了明胶低晶态磷酸钙复合膜。经研究，明胶 的电纺性能与溶剂的选择密切相关，并且受到溶液性质和过程参数的影响。用 s e m 对电纺膜形貌进行了分析，并用x r d 、f t - i r 和x 射线光电子能谱对复合 膜的组成进行了表征。由于明胶极易溶解于水，因此对明胶纤维膜和复合膜均用 戊二醛蒸汽进行了交联，并分别研究了其吸水率和力学性能。结果表明交联在一 定程度上提高了纤维膜的力学性能，明胶纤维膜的弹性模量和拉伸强度分别由 4 1 5 3 + 6 1 5 a 和1 1 2 4 - + 0 1 5 7m p a 提高到1 0 0 7 + 1 0 4m p a 和1 3 9 8 + 0 2 8 6m p a ， 复合膜的弹性模量和拉伸强度由7 1 9 4 + 1 0 8 8m p a 和1 3 0 0 - 土0 2 3 9 m p a ，分别增加 到了2 1 9 4 3 + 1 3 2 5 m p a 和5 1 8 1 土- 0 8 2 0 m p a 。由于复合膜中不仅含有韧性强度较好 的天然生物材料明胶，而且一定量的低晶态磷酸钙无机成分的引入使其在骨修复 材料方面具有潜在的应用价值。 关键词：溶胶一凝胶电纺超细纤维磷灰石明胶复合膜 a b s t r a c t e l e c t r o s p i n n i n gi sa ni m p o r t a n tm e t h o dt op r e p a r eu l t r a f m ef i b e r sw h i c hw e r e 讲d e l yc o n c e r n e di nt h ef i l t e rd e v i c e s ，w o u n dd r e s s i n g ，c o n t r o lr e l e a s ea n dt i s s u e e n g i n e e r i n gs c o f f o l d sb e c a u s eo fi t ss m a l ld i a m e t e ra n d1 1 i 曲s p e c i f i cs u r f a c ea r e a r e c e n ty e a r s ，e l e c t r o s p i n n i n gi sn o to n l yl i m i t e dt op r o d u c ep o l y m e r i cu l t r a f m ef i b e r s ， b u ta l s oc o m b i n e dw i t ho t h e rt e c h n i q u e st op r e p a r eu l t r a f i n ei n o r g a n i cf i b e rm a t e r i a l s i nt h i sw o r k , u l t r a f i n ea p a t i t ef i b e r sw e r ep r e p a r e db ye l e c t r o s p i n n i n gas o l g e l p r e c u r s o rs o l u t i o n ( s o l ) o ft r i e t h y lp h o s p h a t ea n dc a l c i u mn i t r a t ew i t ha d d i t i o no f p o l y ( v i n y lp y r r o l i d o n e ) ( p v p ) a n df o l l o w e db yc a l c i n a t i o n f i r s t l ye l e c t r o s p i n n i n go f p v pw a ss t u d i e d a n dt h e nt h ei n f l u e n c eo fp v pc o n c e n t r a t i o n , s o l e t h a n o lv o l u m e r a t i oa n dd r yt e m p e r a t u r eo nt h em o r p h o l o g yo fp v p s o lf i b e r sw e r eo b s e r v e db y s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) a n do p t i c a lp o l a r i z i n gm i c r o s c o p e c a l c i n e d f i b e r sw e r ec h a r a c t e r i z e db yt h e r m o g r a v i m e t r i e d i f f e r e n t i a lt h e r m a la n a l y s e s ，f o u r i e r t r a n s f o r mi n f r a r e ds p e c t r o s c o p yf i t - m ) a n d x r a yd i f f r a c t i o nc a r d ) r e s u l t ss h o w e d t h a tf i b e r sc a l c i n e da t6 0 0 。cw e r ea p a t i t ef i b e r s a l t h o u g ha p a t i t ei sw i d e l yu s e di nb o n er e g e n e r a t i o n , i th a ss h o w nb r i r l e n e s s a n dp o o rt o u g h n e s sp r o p e r t i e s t o i m p r o v e i t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sc o m p o s i t e f i b r o u sm e m b r a n eo fg e l a t i n l o wc r y s t a l l i n ec a l c i u mp h o s p h a t ew e r ep r e p a r e db y c o - e l e c t r o s p i r m g ，f o l l o w e db yh e a t - t r e a m a e n ti nt h ev a c c u l na t6 0 。cf o r1 2h e f f e c to f t h es o l v e n t ，s o l u t i o n sp r o p e r t i e sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ee l e c t r o s p i n n i n go f g e l a t i nw e r es t u d i e d t h ef i b e r sm o r p h o l o g i e sw e r eo b s e r v e db ys e ma n dt h e c o m p o s i t i e so ft h ec o m p o s i t em e m b r a n ew a sv e r i f i e db yx r d ，x - r a yp h o t oe l e c t r o n s p e c t r o s c o p ya n df t - i i lg e l a t i na n dc o m p o s i t em e m b r a n ew e r ec r o s s e db y g l u t a r a l d e h y d ev a p o rb e c a u s eo ft h es o l u b i l i 锣o fg e l a t i ni nw a t e r m e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r ee v a l u a t e d w a t e ru p t a k ew a st e s t e db yi n c u b a t i n gt h em e m b r a n ei n p h o s p h a t eb u f f e rs o l u t i o n r e s u l t ss u g g e s t e dt h a ta f t e re r o s s l i n k i n gt h et e n s i l e m o d u l u sa n ds t r e n g t ho fg e l a t i nm e m b r a n ei n c r e a s e df r o m4 1 5 3 + 6 1 5 【p aa n d 1 1 2 4 + 0 1 5 7m p at o1 0 0 7 + 1 0 4 m aa n d1 3 9 8 _ + 0 2 8 6m p ar e s p e c t i v e l y , a n dt h e c o m p o s i t em e m b r a n ei m p r o v e di t st e n s i l em o d u l u sa n ds t r e n g t hf r o m7 1 9 4 + 1 0 8 8 m p aa n d1 3 0 0 _ + 0 2 3 9m p a , t o2 1 9 4 + 1 3 2 5 m p aa n d5 1 8 1 + 0 8 2 0 m p ar e s p e c t i v e l y b e c a u s eo fb o t hg e l a t i n 、) v i t hg o o dt o u g h n e s sa n dl o wc r y s t a lc a l c i u mp h o s p h a t ei n t h i sc o m p o s i t em e m b r a n e ，i th a dag o o dp o t e n t i a la p p l i c a t i o ni nb o n er e g e n e r a t i o n k e y w o r d s ：s o l g e i ，e l e c t r o s p i n n i n g ，u l t r a f m ef i b e r s ，a p a t i t e ，g e l a t i n , c o m p o s i t e m e m b r a n e 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。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 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 了龟信飞多签字日期：) 加年 ，月 习日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者躲j 爷母导师躲彭班 签锢期：洲年t 月刁日 签字醐6 年矿私日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 纳米纤维与普通纤维相比有许多特殊性质，如比表面积大、吸水性好等，因 此可广泛用于催化剂载体、传感器、创伤敷料等领域。静电纺丝( 简称“电纺”) 以其简便、快捷的操作特点以及所得纤维直径小、比表面积高等优点得到科学家 们广泛的关注。迄今为止，人们已经成功地将近百种聚合物电纺成丝【i - 3 1 。近几 年，随着电纺技术的发展，电纺物质已经不仅仅局限于单一聚合物，众多科研学 者纷纷将电纺技术应用于无机功能材料的制备研究，成功地得到了金属氧化物、 碳纳米管等功能性材料。功能性物质直接加入到蒙合物电纺溶液中，或将聚合物 与前驱体混和电纺，可得到均质的或中空结构的功能纳米纤维，提高其效用。 1 2 静电纺丝的介绍 1 2 1 静电纺丝原理 电纺是指电纺溶液或熔体在高压电场的作用下带电，进而被持续作用的电场 力和静电斥力拉伸成丝的过程，其实验装置如图1 1 所示。电纺的基本装置主要 包括三部分：电纺溶液推动装置、静电发生器以及电纺纤维收集装置。在电纺过 程中，在喷丝口施加一定的电压时，悬垂于喷丝口的聚合物溶液或熔体液滴由于 电场的作用而带有电荷，并在液滴表面电荷间的斥力和表面张力的共同作用下呈 凸形的半球形 4 1 。继续增加电场强度，液滴曲面的曲率将逐渐改变，当施加的电 场强度超过某一临界值时，半球状液滴从圆形变为锥形，其锥形的角度为母= 4 9 3 。，这一带电的锥体称为t a y l o r 锥【5 】。随着电场强度的继续增加，t a y l o r 锥沿 直线拉伸变形，当电场力达到一定值时，带电的电纺溶液从喷丝口喷出形成喷射 细流1 6 - 7 。s p i v a k 等人例建立了稳定的射流模型，指出在电纺过程中稳定的拉伸 是弯曲不稳定性的初始点，与弯曲不稳定性的产生关系紧密。经不稳定运动和溶 剂的挥发或冷却后，在接收装置上形成超细纤维膜，该超细纤维的直径可为 5 0 - 5 0 0n r i l ，常以无纺布的形式存在，具有很高的比表面积和孔隙率，可以用来 制备组织工程支架，过滤、分离膜和创伤敷料等。r e n e k e r 等人对电纺理论进行 了深入地研究 9 1 ，指出喷射细流的运动不稳定性主要是受电纺溶液的粘度、电导 率、表面张力，以及电纺过程参数如电压、接收距离和溶液流速的影响。通过调 第一章绪论 整以上参数，可以获得直径均匀分布的纳米纤维膜。近年来，为了改进电纺纤维 在各应用领域的应用价值又有一些新改进的电纺工艺问世，如混合电纺，多层电 纺和芯一壳电纺。混合电纺是一种可以将两种或多种不同组成的聚合物溶液同时 进行电纺的纺丝方法，电纺后在接收装置上得到多组分的均匀的复合膜，并且这 种复合膜兼具各种组分的优良性能；多层电纺则是利用各组分溶液在同一接收装 置上依次进行间歇电纺，通过调整各电纺溶液的电纺时间来调整其组分在复合电 纺纤维膜中的含量，从而形成不同材料的单组分电纺膜层层相叠的结构；芯壳 电纺是近几年发展起来的电纺技术，利用内外管同时送液和同轴双喷丝头技术， 可以在一次电纺过程中得到芯壳结构的电纺纤维即其纤维的内芯和外壳由不同 的物质组成，这种特殊结构的纤维在药物控释方面具有潜在的应用前景。 图1 - 1 静电纺丝的实验装置 f i g 1 1s c h e m a t i cs e t u po f e l e c t m s p i n n i n g 1 2 2 静电纺丝法在制备功能材料中的应用 用电纺法可将无机成分引入聚合物超细纤维【1 0 1 ，这样制备的功能性复合超细 纤维不仅拥有电纺膜比表面积大的优点，而且还具有无机膜优良的力学性能、耐 化学腐蚀性和耐高温性能，可提高无机材料在光电、纳米复合材料等领域的应用 价值。以聚合物为赋形剂可以电纺制备金属氧化物、碳纳米管等功能性复合超细 纤维。 1 2 2 1 氧化物纳米纤维 随电纺技术的日趋成熟，国内外学者纷纷以聚合物为赋形剂，将传统的溶胶 一凝胶过程应用于电纺，得到了c u o 、z n o 、f e 2 0 3 等各种金属氧化物纳米纤维。 第一章绪论 溶胶一凝胶过程是指将前驱物溶解在一定的有机溶剂中形成均质溶液，溶质 水解形成纳米粒子并形成溶胶，再经溶剂挥发或热处理而使溶胶转化为凝胶。在 这一过程中一般用酸、碱或中性盐来催化前驱物水解及前驱物溶胶向凝胶的转 变。将溶胶凝胶法与电纺结合起来，使由聚合物无机氧化物组成的溶胶，在高 压电场作用下形成喷射细流，使溶胶与空气的接触面积急剧增加，在不需要催化 剂的情况下便可发生由溶胶向凝胶的转变。 ， c h o i 等人【“j 将二氧化硅( s i 0 2 ) 溶胶进行电纺，煅烧后得到了s i 0 2 纳米纤 维。研究表明，溶胶的组成、熟化温度及熟化时间直接影响着电纺纤维的形貌。 在电纺过程中，前驱体的线性结构以及适当的粘度都有利于电纺的进行。 ) 【i a 等人1 1 2 】对电纺过程中的溶胶凝胶法制备聚乙烯吡咯烷酮( p v p ) 铁酸镍 复合纳米纤维进行了详细分析。采用n i 和f e ，+ 离子的醇盐作为溶胶。凝胶前驱体， 加入适量p v p 来增加溶液的粘度，电纺过程中空气的相对湿度保持在2 0 。醇 盐的水解、缩聚以及凝胶网络的形成均发生在细流喷射之后，其中空气中的水分 提供了醇盐水解所需的水，水解过程是影响超细纤维直径均一性的重要因素。电 纺纤维由于直径小、比表面积大的特点而使醇盐的水解过程进行的较为充分，因 此所得纤维直径分布较为均匀。 聚合物金属氧化物复合电纺纤维经高温煅烧后可以得到纳米纤维状的陶瓷 材料。v i s w a n a t h a m u r t h i 等人【”】将氧化铌前驱体与聚醋酸乙烯酯( p v a c ) 的混合 溶液电纺后再煅烧。煅烧前的复合纤维表面光滑而规整，在7 7 3 k 下煅烧后，由 于p v a c 的分解导致纤维直径减小了5 0 ；在9 7 3 k 下煅烧，其扫描电镜( s e m ) 和原子力显微镜照片均表明，由于p v a e 的完全分解而导致纤维表面出现了孔结 构；在1 2 7 3 k 下，由于金属氧化物结晶结构的进一步完善而使纤维表面较为光 滑。 国内s h a o 等人1 1 4 j 以聚乙烯醇( p v a ) 为赋形剂，对聚合物金属氧化物电纺 体系进行了大量的研究。p v m s i 0 2 溶胶在1 5 2 0 k v 下电纺，由于p v a 的亲水 性，复合电纺纤维膜的亲水性随着s i 0 2 含量的增加而降低，但p v a s i 0 2 电纺膜 比浇铸膜的亲水性有明显的提高。将p v a 无机物复合电纺纤维煅烧之后。分别 得到了f e 2 0 3 、z 哟2 、 f _ _ q 2 0 3 、z n o 、c u o 等金属氧化物的纳米纤维【”_ l6 】并用红 外光谱、x 射线衍射、s e m 等方法进行了表征，为其结论提供了有力的证明。 1 2 2 2 电纺聚合物纤维的金属氧化物涂层 二氧化钛( t i 0 2 ) 是一种重要的光催化剂和传感器材料，二氧化锡( s n 0 2 ) 则被广泛地应用于液晶显示器、发光二极管等。在传感器，催化荆载体等应用领 域中，材料比表面积的增加可以显著提高其性能。电纺与溶胶一凝胶法相结合翻 第一章绪论 备的金属氧化物纤维虽然可以显著增加功能材料的比表面积，但是由于一部分金 属氧化物被包埋在纤维内部而降低了材料的灵敏度或活性。s a m u e l s o n 等【1 刀用液 相沉积法，在室温下将t i 0 2 和s n 0 2 涂敷于聚丙烯腈( p a n ) 电纺纤维的表面。 在涂敷过程中金属氧化物先在纤维表面上成核，随时间的增长最终在纤维表面形 成了连续的涂敷层。反应物或中间产物的溶解性将直接影响其涂敷速度。 1 2 2 3 中空纳米纤维和芯壳纤维 中空纳米纤维被广泛用于催化剂、分离装置、药物释放、传感器等诸多领域。 在制备中空纤维的诸多方法中，由于纤维间的缠结，模板法仅局限于短纤维的制 备。而机械拉伸法虽然可以解决纤维问的缠结问题而被广泛用于中空纤维的制 备，但其纤维内径一般为微米级，因此电纺法作为一种可以得到纳米级纤维的方 法，其在制备中空纳米纤维的应用便应运而生了。 芯，壳纤维一般是指纤维芯、壳为两种不同组分的复合纤维。对于溶剂蒸发之 后可以产生相分离的溶液体系，可以用传统的电纺装置电纺得到芯壳纳米纤维。 然而当溶液不能满足上述要求时，需要对 电纺装置进行改进，如图1 - 2 所示o s l 。在 芯壳纳米纤维的电纺中，x i a 等人【i 嘲用 p v p 与t i 0 2 的前驱体混合得到适当粘度 的电纺溶液并置子外管中，内管中放置矿 物油，由于摩擦力作用，矿物油随外管溶 液纺制成纤维状，然后用溶液萃取法去除 内部的矿物油组分即得到t i 0 2 p v p 的中 空纳米纤维。如果再进行煅烧，则可进一 步得到多孔t i 0 2 中空纳米纤维。调整电纺 参数如电场强度、内外管中溶液的浓度以 及给料速度，可以得到不同内径和壁厚的 中空纳米纤维，其直径范围一般为几十至 几百纳米。l a r s e n 掣19 】将s i 0 2 、z r 0 2 等 金属氧化物的溶胶置于外套管中，同样使 印，嗍耐p 准 l 图1 - 2 芯，壳纳米纤维电纺装置示意囝 f i g ，i - 2s c h e m a t i cs e t u pf o re e c t r o s p i n n i n g c o r e s h e l ln a n o f i b e r s 用矿物油作内管成形物进行电纺，经煅烧得到中空纳米纤维。由此可认为，通过 这种同轴双套管装置进行电纺是得到功能性中空纳米纤维和芯壳纳米纤维的有 效方法。 第一章绪论 1 2 2 4 聚合物碳纳米管的电纺 k o 等1 2 0 】认为将碳纳米管( c n t s ) 包埋在k a n t 纤维之中可以提高纤维的导热、 导电性和力学性能，而电纺则成为制备聚合物c q i s 复合纤维、c n t s 增强纤维 的有效途径。在电纺中，由于c n t s 与聚合物溶液的导电性能不同，以及喷丝口 处的高剪切作用，使c n t s 沿纤维方向规则排列。他们分别得到了p a n 单壁碳 纳米管( s w n t s ) 、聚乳酸( p l a ) s w n i s 复合纤维，透射电镜照片证明s m n t s 在p a n 中均匀分布且沿纤维轴向规则排列，而在聚乳酸中s m n t s 的分散性及取 向性均不好，这主要是由于p a n 纤维直径较p l a 要小得多，s m n t s 在p a n 纤 维中不易团聚所致。当然两种聚合物的导电性及吸湿性的不同也是造成这种差异 的主要因素。p a r k 等人将直径为1 2 1 6 n m 、长为3 1 m a 的单壁碳纳米管浸入到聚 酰亚胺溶液中电纺，所得到的超细纤维直径在5 0 0 n m 2 i t m 范围内。y e 等人【2 7 则分别研究了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管( m w c n t s ) 对p a n 电纺纤维的增强 作用。 在电纺聚合物c n t s 的过程中，尤其是s w n t s ，由于范德华力的存在而使 其极易团聚，c n t s 的分散程度以及其沿纤维方向的取向程度将严重影响复合纳 米纤维的导电性能和力学性能。为了解决碳纳米管在溶液中的分散问题，人们做 了诸多尝试如将表面活性剂十二烷基磺酸钠( s d s ) 或聚乙烯吡咯烷酮等吸附于碳 纳米管的表面来实现其在水相中的均匀分散。d r o r 等圈将聚氧化乙烯( p e o ) s d s m w c n t s 体系进行电纺，均匀分散的m w c n t s 随电纺细流的喷射而沿纤 维轴向取向。透射电镜照片表明，m w c n t s 以单一分散状态被包埋在p e o 纳米 纤维之中。 1 3 骨诱导材料 1 3 1 骨组织 骨是人体的支架，运动的支撑，人体中最坚硬的结缔组织，在维持基体功能 时有不可替代的作用。骨的功能主要表现在以下几个方面：保护体内器官；运动 时为肌肉提供附着部位；产生红细胞和白细胞，红细胞与氧结合，白细胞为其它 组织提供免疫保护；是钙、磷酸根以及其它重要离子的存储器田】。骨是胶原纤维 贯穿于羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，h a ) 形成的复合材料，h a 占骨的7 0 ，胶 原纤维为交联的螺旋状多肽链束，它们赋予骨很好的强度，且使骨受应力时可弯 曲。骨组织通过破骨细胞代谢，这类细胞能产生酸溶解h a ，使其吸收、生成酶 使胶原降解，释放出钙和磷，引起骨细胞合成新的细胞外基质( e c m s ) ，又矿化 第一章绪论 形成h a 和胶原。骨细胞本身某些生长因子如骨形态发生蛋白等可调控骨重建。 从骨的组成上看，则是由细胞、纤维和基质三种成分组成，细胞外基质中含 有大量的钙盐沉积，这使它成为很坚硬的组织。骨组织细胞包括成骨细胞、骨细 胞和破骨细胞。而骨基质由胶原、非胶原蛋白、蛋白多糖类、脂质和磷酸钙( 主 要是结晶度很差的羟基磷灰石) 等组成。 1 3 2 骨修复材料的骨诱导性 由创伤和疾病等原因造成的骨折、骨缺损和缺失伤患人数全世界每年达几百 万。国际骨科修复器材以1 4 7 亿美元的年销售额约占世界医疗器械产业年销售额 的1 1 0 ，且年增长率高达2 6 。国内每年因交通事故、工伤等造成的骨组织伤员 超过3 0 0 万人。从来源看，骨修复材料主要有三种，即自体骨、异体骨和人造骨。 虽然自体骨是理想的骨移植材料但是供骨来源有限，且二次手术会造成患者的二 次损伤和痛苦，供骨区可能出现形态和功能障碍；异体骨存在免疫排异反应和疾 病传播等生物安全性隐患。因此人工骨修复材料的研究就越来越受到临床亲睐， 它是一类可以对机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能的材料，为伤患 进行机体恢复提供了可能，同时也可以有效地解决自体骨和异体骨所带来的问 题。骨组织工程中常用的骨修复材料主要有金属材料、天然有机材料及其复合物、 合成高分子可降解材料及其复合物、生物无机材料及其复合物等几种。 大多数的医用金属材料、些氧化物陶瓷、医用碳素材料和医用高分子材料 都是生物惰性材料，生物惰性材料是指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材料。它所引起的组织反应，是围绕植入体的表面形成一 薄层包被性纤维膜，与组织间的结合主要是靠组织长入其粗糙不平的表面或多孔 中，从而形成一种机械嵌合即形态结合。生物活性材料是指能在材料界面上诱导 出特殊生物反应或调节生物活性的生物材料，这种反应导致组织和材料之间形成 键接【2 4 2 6 1 。h a 是自然骨的主要无机成分，植入体内不仅能传导成骨，而且能与 新骨形成骨键合，在肌肉、韧带或皮下种植时，能与组织密合，无炎症或刺激反 应，是一种典型的生物活性陶瓷1 2 7 。可吸收生物陶瓷，如d 磷酸三钙( b t c p ) 等，在体内可被降解吸收并为新生组织所替代，具有诱出特殊生物反应的作用， 所以也被称为生物活性材料。生物活性材料具有的这些特殊的生物学性质，有利 于人体组织的修复，是生物材料研究和发展的一个重要方向【2 8 - 2 9 1 。 ， 生物材料，尤其是生物活性材料植入骨环境中，骨组织将沿植入体表面和内 部孔隙攀附生长，这种现象称为材料的传导成骨性1 3 0 】。骨诱导性则是材料诱导间 充质细胞分化为骨原细胞、成骨细胞，进而形成骨组织的性能。具有诱导性的材 料即使在非骨环境中也具有激发骨生成的能力，并促进骨的愈合。近几年，国内 第一章绪论 外学者纷纷报道了多孔h a 和磷酸三钙双相陶瓷、多孔1 3 t c p 陶瓷以及磷酸钙骨水 泥中的异位成骨现象，并通过早期细胞分化和骨组织细胞形成的组织学研究，证 实了磷酸钙生物材料诱导骨形成的过程是正常骨发生和形成的过程，属膜内成 骨，而不是病理性钙化，进一步提出骨诱导性是钙磷生物材料在一定条件下固有 特性的观点。 磷酸钙生物材料的本身组成和结构将影响其诱导成骨性，通常t c p h a 双相 多孔陶瓷比h a 多孔陶瓷易于诱导骨形成。i $ - - t c p 多孔陶瓷虽可诱导成骨，但随 着在体内存留期延长，诱导的生骨会被逐渐吸收，n t c p 陶瓷则未发现有骨诱导 作用。诱导成骨作用也受材料结构，特别是多孔结构的强烈影响。致密磷酸钙陶 瓷未见发现诱导成骨现象，只有多孔的磷酸钙陶瓷才可能诱导成骨，但也不是所 有的多孔磷酸钙陶瓷都能诱导成骨【3 1 1 。只有那些不仅具有可容纳新骨长入的大 孔，而且孔壁具有丰富的微孔的磷酸钙陶瓷才具有诱导成骨作用。 1 3 3 磷酸钙陶瓷诱导成骨原理 u r i s t 认为骨诱导的发生必须满足三个条件：( 1 ) 存在可分化为成骨细胞的间 充质细胞( 即靶细胞) ；( 2 ) 存在引导间充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信 号，如骨生长因子( b m p ) ( 3 ) 适当的成骨环境。 国内科学家通过近几年的工作逐步证实了磷酸钙陶瓷的成骨过程符合骨诱 导材料的成骨机理 3 2 1 ，现分述如下： ( 1 ) 存在可分化为成骨细胞的间充质细胞( 即靶细胞) 。研究发现，多孔磷 酸钙生物陶瓷植入早期，孔隙内充满了纤维结缔组织和毛血管，毛血管末梢存在 的正在分化的间充质细胞，即是可向成骨细胞分化的靶细胞。 ( 2 ) 存在生物化学信号。诱导间充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信号， 来自磷酸钙陶瓷的多孔结构以及材料对于体内骨生长信号分子的富集，特别是微 结构等生物力学因素对成骨细胞表型表达的影响。体内外试验证明，多孔磷酸钙 陶瓷对于b m p 及其他骨生长生物化学信号分子具有强烈的吸附作用，而且体内 的富集发生于新骨发生之前。 。 ( 3 ) 适当的成骨环境。具有骨诱导作用的钙磷生物材料植入体内后，表面 形成类骨磷灰石层。材料的多孔结构及孔隙表面类骨磷灰石层的形成，不仅在孔 隙内造成了个有利于新骨形成的高钙、磷离子浓度的环境，而且特别有利于蛋 白、骨组织细胞等在陶瓷表面吸附以及骨组织细胞的分化和增殖，从而提供了一 个优良的成骨环境。 第一章绪论 1 4 羟基磷灰石 1 4 1 羟基磷灰石组成和性质 h a 是一种微溶于水的弱碱性磷酸钙盐，它是脊椎动物骨和齿的主要无机成 分，在人骨中约占7 2 ，齿骨中则高达9 7 。其理论密度较大，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。离子交换能力强，c a 2 + 很容易被c d 2 + ，h f + 等有害金属离子和s p 、b a 2 + 、 p b 2 + 等重金属离子置换。o h 一也常被f 一。c l - 置换，并且置换速度非常快口3 1 。h a 生物陶瓷具有良好的生物相容性和化学稳定性，能与骨形成紧密的结合 3 4 - 3 ”。 大量的生物相容性试验证明h a 无毒、无刺激、不致过敏反应、不致突变、不致 溶血，不破坏生物组织，并能与骨形成牢固的化学结合，是一种很有应用前景的 人工骨和人工口腔材料；h a 能吸附葡萄糖，有利于防止牙龈炎，被用于牙添加 剂【3 6 1 。 h a 的理论组成为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，c ap 为1 6 7 ，但由于受到制备过程的影响， 其真正的组成是相当复杂的。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，其结构为六角柱体，与c 轴垂直的面是一个六边形，a ，b 轴夹角1 2 0 。, 其晶胞参 数为a - 9 4 3 9 3 8 a ，c = 6 8 8 6 s 6 a ，z = 2 ，单位晶胞含有1 0 个c a ”、6 个p 0 4 3 。和2 个o h 一。图1 3 是h a 结构在( o 0 0 1 ) 面的投影。从图中可看至t o h 一位于晶胞的四个 角上，1 0 个c 2 + ，分别占据两种位置，4 个c a 2 + 占据c i ) 位置，g p z = 0 和z = t 2 位置 各两个，该位置处于6 个o 组成的c a - o a 面体的中心。6 个c a ：+ 处于c a ( ) 位置， 目p z = i 4 和z = 3 4 位置各有三个，位置处于二个o 组成的二配位体中心。从图中还 可以看出，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p 0 4 3 四配位体分别位于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 结构 具有较好的稳定性川j 。 h a 微晶表面具有几种可能的表面状态：( 1 ) 当o h 位于晶体表面时，o h 与 2 个c a ( i i ) 离子相连；当h a 在水溶液中时，这个表面o h 位置至少在某一瞬间 空缺，由于2 个c “i d 离子带正电荷，形成了一个吸附位置，这个位置能吸附p 0 4 3 或大分子上的磷酸根基团或羧基基团。( 2 ) 当c a 2 + 位于晶体的表面时，由c a ( d 与 6 个带负电电荷的o 原子相连；当h a 在水溶液中时，表面的c a ( i ) 位置在某_ 瞬间空缺时，就在c a ( i ) 位置形成较强的吸附位置，能吸附s r 3 + 、k + 等阳离子及 蛋白质分子的基团，而在c a ( i i ) 位置则形成一个较弱的吸附位置。( 3 ) p 0 4 位于 晶体的表面时，h 2 0 通过氢键与p 0 4 3 离子结合。 第一章绪论 1 4 2 制备方法 oo o h oc h i ) a 日i i p 图卜3 姒在( o 0 0 1 ) 面的投影 f i g 1 3r e f l e c t i o no fl i ao nt h e ( o o o df a c e 纳米h a 的合成有很多方法，一般均为水相合成。在水相合成法中包括固相 法，化学沉淀法，水热反应法，溶胶一凝胶法等。 ( a ) 固相反应法 通常用固相法制备h a 的途径有如下几种： a 、用c a c 0 3 ，c a 3 ( p 0 4 ) 2 或c a 4 p 2 0 9 为原料，在1 2 0 0 0 c 1 3 0 0 0 c 下通水蒸气处理2 3 d 时，通过固相反应合成h a 。反应如下： 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + c a c 0 3 + h 2 0 _ c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o n ) 2 + c 0 2 ， r a m a c h a d r a 等1 3 8 】用6 t c p 和c a ( o h ) 2 $ 1 j 备h a ，研究了不同摩尔比的配料在不 同温度下的物相，结果发现在1 0 0 0 0 c ，8 h 的工艺下，当p - t c p 和c a ( o f 0 2 的摩尔比 为3 ：2 和3 ：3 时，合成的产物为纯的h a 。当摩尔比为3 ：1 和3 ：1 5 时，合成的产物为 h a 和b t c p 。当摩尔比为3 ：4 时，合成的产物为h a 和c a o 。 b 、文献【蚓用蛋壳煅烧成c a o ，再和磷酸钙煅烧制备h a 。反应如下： 3 c a 3 ( p 0 0 2 + c a o + 1 2 0 c a l o ( p 0 0 6 ( 0 i 0 2 c 、把固态c a 3 ( p 0 4 ) 2 及其它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 ( 2 ，可以得到结晶较好的h a m l 。但以上反应必须严格控制反 应的温度，因为在1 2 0 0 0 c 煅烧温度下，反应物的晶相为h a ；而在1 2 5 0 0 c 煅烧温 度下，晶相为h a 和t c p 两种混合物。这是由于h a 在1 2 5 0 。( 2 煅烧温度下发生如下 的分解反应【4 ” c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h h _ c a l o ( p 0 4 ) 6 0 + h 2 0 ( 气) 2 c a l o ( p 0 4 ) 6 0 - 2c a 3 口0 4 ) 2 + c a 2 p 2 0 7 + 3c a 4 p 2 0 9 口 第一章绪论 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。虽然以上反应的方 程式不尽相同，但原理还是一样的。从上面反应我们也可以看出，传统的固相反 应属于高温固相反应，尽管能给出符合化学计量、结晶完整的产品，但是要求较 高的反应温度和热处理时间，而且还存在着粉末的可煅烧性差、原料粉末需要长 时间混磨、易污染、反应速度慢、产物粒径大等一系列缺点，其应用受到了一定 的限制。 ( b ) 液相沉淀法 液相沉淀法制备纳米h a ，大多采用无机钙盐和磷酸盐反应得到。王志强等 m 2 】以c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 着1 3 ( n h 4 ) 2 h p 0 4 为前驱体合成了粒径为2 0 5 0 n m 的h a 粉末。 c t m e y t 等t 4 3 坝u 将c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和( n h 4 ) 2 h p 0 3 溶于模拟体液中，在3 7 0 c 、p h 为7 4 条件下沉淀出纯度大于9 9 、5 0 a m 左右、热稳定性好的h a 粉末。a o k i 等采用 c a ( n 0 3 ) 2 和h 3 p 0 4 为原料研究发现原料配比、p h 值、加料方式以及超声波照射等 都对颗粒的大小和形态有较大影响。y 。i l a g u c h i 等采用共沉淀法获得无机相为 长2 3 0 r i m 、宽5 0 r i m 的h a 的h a 一壳聚糖复合材料。 ( c ) 水热法 其特点是在特制的密闭反应器内，水溶液为反应介质，在高压环境中，不受 沸点限制，可使介质温度上升到2 0 0 4 0 0 0 c ，从而使o h 一进入晶格，该法可获得 高纯度、高有序度、结晶较好( 粒径 o k n m ) 的h a 粉末，但难定量生成c a p 比不 同的h a ，一般能生成正常配比的h a 【4 5 删。其代表反应式有：在2 0 0 4 0 0 0 c 下 c a i - i p 0 4 + h 2 0 - c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 c a h p 0 4 h 2 0 + h 2 0 - - c a l o f p 0 4 ) 6 ( 0 i t ) 2 ( d ) 溶胶一凝胶法 溶胶一凝胶法是6 0 年代发展起来的一种制备无机材料的新工艺。其基本原理 是：将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合胶化，再将凝胶干燥、煅烧， 最后得到无机材料。溶胶凝胶法除了用来制备纳米微粒，还可用于制备纳米粒子 薄膜。粒子化学均匀性好、纯度高、颗粒细；该法可容纳不溶性组分或不沉淀组 分；烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，块体材 料烧结性不好；干燥时收缩大。h a p 微粉可通过此方法制备。 袁媛等【47 j 以硝酸钙( c a ( n 0 3 ) 2 4 1 4 2 0 ) 和磷酸三甲酯( p o ( o c h 3 ) 3 ) 为前驱 体，水和无水乙醇为溶剂其摩尔比为0 2 5 ，乙二醇为添加剂，氨水调节p h 值为8 ， 然后将其置于8 0 。c 水浴中搅拌形成稳定的溶胶，将形成的溶胶移至烘箱中，在恒 定的温度下干燥，待水分完全蒸干形成于凝胶。将干凝胶在玛瑙研钵中研碎，然 第一章绪论 后放于马弗炉内，在一定的温度下干凝胶燃烧直接生成白色的粉末，将粉末在 6 0 0 0 c 煅烧3 h h p 可得纳米h a 粉末。文中还对影响溶胶一凝胶形成的工艺条件( 溶 剂的选择及加入量) 溶液的p h 值以及干凝胶的低温燃烧特性进行研究。利用乌氏 粘度计测定溶胶凝胶转化过程中溶液粘度的变化；用t g d t a 研究了干凝胶的 热历程；通过红外光谱和x 射线衍射研究干凝胶燃烧前后组成及其物相的变化， 并采用透射电镜观察合成粉末的形貌。结果表明：在溶剂中引入一定量的乙二醇 和控制合适的p h 值有助于形成稳定、均一的溶胶。生成的干凝胶具有低温燃烧 的特性，燃烧后直接生成h a 粉末晶体，经煅烧可得至0 5 0 n m 左右、分散良好的纳 米h a 。郭大勇等i 郇j 采用c a 烈0 3 ) 2 4 h 2 0 和p o ( o c h 3 ) 3 分别作为钙和磷的前驱体， 技c a 与p 摩尔比为5 ：3 配制溶液，采用柠檬酸作螯合剂。在配制溶液前和 c a f n 0 3 ) 2 4 h 2 0 溶液均匀混合，氨水调节前驱溶液p h 值至7 5 ，陈化4 8 h ，1 0 5 0 c 下干燥后，在6 0 0 0 c 燃烧2 h 。制备前驱体时，将c a ( n 0 3 h 4 h 2 0 溶于水，p 0 ( 0 c h 3 ) 3 溶于乙醇，然后混合。文中重点讨论了柠檬酸对制备纳米h a 的影响，结果表明： 在p a c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2