（材料学专业论文）通过仿生法在纯镁表面制备磷灰石涂层的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 生物医用金属材料在骨缺损替换中表现出良好的力学性能。但是，由于在 生物体内易受体液腐蚀，且某些分解出的金属离子对生物体有毒性，生物相容 性不佳，使生物金属材料在临床应用中受到限制。 金属镁由于其弹性模量与生物骨较为接近，生物可降解且在人体内降解后产 生的镁离子是人体所需的微量元素，已经引起国内外越来越多研究者的关注。 但是金属镁的活性高，在生物体内受体液腐蚀严重。羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ， 简称h a ) 是人体硬组织骨和牙齿的主要矿物成分，该材料植入人体后，对人体无 毒，与骨组织能形成紧密的化学结合，具有良好的生物相容性和生物活性。但是纯 h a 生物材料力学性能差，不易加工成型。因此，如果能在金属镁表面制备一层 磷灰石涂层，就可以结合二者的优点，获得理想的骨缺损替换材料。 仿生溶液法是近年来发展起来的制备磷灰石涂层的新方法。仿生合成具有独 特的工艺优点，它适于在多种材质、各种形状的基片上制备磷灰石类涂层。用 仿生法在金属基片表面形成磷灰石，通常需要其表面存在能诱导晶核生成的基 团，如o h ，c o o h ，一s i o h 等。本文分别利用酸碱两步法和e d t a 自组装 单分子层活化纯镁基片表面，然后用c a c l 2 溶液在基片表面引入c a 2 + 离子，并与 k 2 h p 0 4 3 h 2 0 溶液反应，可在其表面形成一层预沉淀层；形成的预沉淀层在模拟 体液中能迅速诱导磷灰石晶核形成，晶核形成后在纯镁基片表面就能自发形成 磷灰石涂层。 通过x r d 、s e m 分析发现，表面活化及预钙化处理，同时采用钙磷饱和溶 液( c ps o l u t i o n ) 可以缩短磷灰石晶核的诱导期和生长期。经过e d t a 自组装以及 预钙化处理后，在钙磷饱和溶液中浸泡6 天后以h a 为主晶相的涂层就覆盖了整 个基片表面，且形成的涂层均匀、致密。 关键词：纯镁，涂层，磷灰石，仿生合成 武汉理工大学硕十学位论文 a b s t r a c t b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a l sp o s s e s sf i n em e c h a n i c sp r o p e r t i e sw h i c ha r eu s e d t or e s t o r ea n dr e p l a c et h eh a r dt i s s u eo fh u m a nb o d i e s b u tt h eb a dr e s i s t a n c et o e r o s i o na n db i o c o m p a t i b i l i t ym a k et h em e t a l l i cm a t e r i a l sa w a yf r o mt h ei d e a l s u b s t i t u t e dm a t e r i a l t h em o d u l eo fe l a s t i c i t yo fm gi sc l o s et ot h eb o n eo fh u m a n ，a n dt h em gi o ni s n e e d e dt ot h eb o d y b u tt h et h el o wr e s i s t a n c et oe r o s i o nm a k e st h em gs u b s t r a t e d e s t r o y e db a d l y h ai st h em a i nc o m p o n e n to f b o n ea n dt e e t ho fh u m a nb o d y , w h i c h c a nf o r mas t r o n gb o n dw i t ht h en e i g h b o r i n gb o n ea f t e ri m p l a n t e di nt h eh u m a n b o d y , b u tt h eb r i t t l e n e s so ft h ec e r a m i cl i m i t si t su s e a t t e m p t st op r e p a r ea b o n e - l i k ea p a t i t c - - m e t a lc o m p o s i t eh a v eb e e nm a d eu s i n ga b i o m i m e t i cp r o c e s si nw h i c ht h em e t a ls u r f a c ei sm o d i f i e dw i t hf u n c t i o n a lg r o u p s e f f e c t i v ei ni n d u c i n ga p a t i t en u c l e a t i o n 一o h ，一s i o h ，a n dc a r b o x y lo rc a r b o x y l a t e g r o u p sh a v eb e e nu s e da st h ef u n c t i o n a lg r o u p s i nt h ep r e s e n ts t u d y , w ea c t i v a t i n gt h em a g n e s i u mm a t r i xw i t ha c i da n dd i l u t e a l k a l is o l u t i o na n de d t af i r s t l y ，c d + w a si n d u c e do n t ot h es u r f a c eo fm a g n e s i u mb y i m m e r s i n gi ti n t ot h ec a c l 2s o l u t i o n ；a n dt h e nt h es p e c i m e nw a sd i p p e di np h o s p h a t e i o ns o l u t i o nt od e p o s i ta p a t i t en u c l e io n t oi t ss u r f a c e t h e nt h es p e c i m e n sw e r e i m m e r s e di ns b fa n dm e t a s t a b l ec a l c i u mp h o s p h a t es o l u t i o n ( c ps o l u t i o n ) r e s p e c t i v e l yt of o r mal a y e ro n i t ss u r f a c e t h ec o a t i n gf o r m e do nt h em a g n e s i u mi sc h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n ds c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t si n d i c a t e t h a t ：w h e n s o a k e di nc ps o l u t i o nf o r6 d ，a nh al a y e rc o m p o s e do fw e l l - g r o w nf l a k e l i k ec r y s t a l s i sf o r m e do nt h es u r f a c eo ft h em a g n e s i u m k e yw o r d s ：m a g n e s i u m ，c o a t i n g ，a p a t i t e ，b i o m i m e t i cs y n t h e s i s i l 独创性声明 本人声明，所呈交的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。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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 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守此规定) 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 骨组织的力学性能及其对替换材料的要求 硬组织替换材料( 包括人工骨，人工关节，牙齿等) 作为生物材料的重要 组成部分，特别是近二十年来得到了长足的发展。随着社会，科技与医学的发 展，这类材料将会产生重要的经济效益和社会效益。为了更充分的了解硬组织 替换材料的使用要求，以便为此类材料的设计和制备提供依据，以下简要介绍 了骨骼的组成，结构和力学性能。 营 二盘 骨 a t u r n ) 图1 1 骨的分级结构示意图 f i 9 1 1t h e s t r u c t u r eo r g a n i z a t i o ni nah u m a nl o n gb o n e 骨由两种不同结构的骨质构成，表面一层十分致密而坚硬，称密质骨。密 质骨位于长骨的骨干和扁平骨的表层，又称皮质骨。长骨内层和两端有许多不 武汉理工大学硕士学位论文 规则的片状或线状骨质结构，称骨小梁。骨小梁普遍沿最大应力和张力线排列， 相互连接呈疏松的海绵状，称松质骨。其中，皮质骨是骨主要的承力部位。从 成分上来讲，骨主要由大约7 0 的矿物质( 主要成分为羟基磷灰石) ，2 2 的蛋 白质( 胶原纤维占9 5 ) 和8 的水构成，其中，水主要是赋予骨的黏弹性。骨 的成分随年龄的不同而有所改变。长骨的基本结构见图1 2 【l 】。 人体的任何活动都会对骨产生三种类型的力，即直接作用于骨的外力，肌 肉收缩产生的内力和骨对外力，内力产生的反作用力。这些力的作用使得骨产 生变形。在运动或静止状态下，由于骨骼要受到剪切力，张力，压缩力和这些 力的复合作用，人体骨必须要具有良好的生物力学性能。正常皮质骨的弹性模 量为1 5 - - 2 0 g p a ，拉伸强度极限为1 2 4 m p a ，压缩强度极限为1 7 0 m p a 。人体不 同骨骼力学性能见表1 1 【2 】。 表1 - 1 部分骨骼的力学性能 t a b l e1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh u m a nb o n e s 弹性模量抗张强度压缩强度 组织试验方向 ( g p a )( m p a )( m p a ) 股骨纵向 1 7 21 2 11 6 7 胫股纵向 1 8 61 4 61 2 3 肱骨纵向 1 7 21 2 51 3 2 桡骨纵向 1 8 61 4 91 1 4 尺骨纵向1 8 o1 4 81 1 7 颈椎纵向 0 2 33 11 0 腰椎 纵向0 1 63 75 为了适应这些力学环境，天然骨的结构具有特殊性。在构建人工骨时，也 应该考虑到这些生物力学功能的特殊性。如果骨修复替代材料的力学性能与自 然骨有较大差异，骨修复的效果就会显著降低。1 8 9 2 年，w o l f f 提出了著名的 w o l f f 定律：骨组织结构是长期生物进化过程的产物，符合最优化设计原则，即 用最小结构承受最大外力。通过骨改建使应力较高区域骨生长而得到加强，而 2 武汉理工大学硕士学位论文 在应力低的区域骨吸收萎缩而使结构减弱，从而维持最优化设计。根据w o l f f 定律【3 , 4 】，如果因植入体内的种植体承受了负荷，而使周围骨组织受到的负荷显 著减少，则周围的骨组织会萎缩或疏松，这个现象称为应力遮挡。反之，若由 于植入体的形态和材料性质造成在某些局部区域应力特别大，超过骨组织正常 生理状态的许可值，会使骨组织产生病理性吸收，这种现象称为应力集中。以 上两种情况都会严重影响植入体的寿命【5 , 6 , 7 】。 目前，大量的研究集中在通过结构形态的优化来减少应力遮挡作用，取得 了一定的效果，但不是最根本的解决办法，应力集中和应力遮挡作用产生的根 本原因是植入体和自然骨之间的力学性能( 主要是弹性模量) 的不匹配。因此， 解决问题的根本办法是制备出一种与自然骨力学性能匹配的植入材料。 1 2 镁及镁合金生物材料的研究现状 1 2 1 镁及镁合金的性能特点 镁，是人体不可缺少的矿物质元素之一。镁几乎参与人体所有的新陈代谢 过程，在细胞内它的含量仅次于钾。镁影响钾、钠、钙离子细胞内外移动的“通 道”，并有维持生物膜电位的作用。镁元素的缺乏，必然会对人体健康造成危害， 容易引发心血管疾病，诱发痛经、偏头痛，缺镁还增加了癌症的发病率【8 ，9 】。 镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高，较低的弹性模量，加工性能 良好等优异的综合性能，已经被广泛地应用在航天航空、电子通信、汽车制造 等领域。但将镁及其合金作为生物医用材料的临床应用，国内还尚未见详细报 道，这主要是因为镁的化学性质极为活泼，其标准电极电位为2 3 7 v 。镁在腐蚀 介质中产生的氧化膜疏松多孔，不能对基片起到良好的保护作用，尤其是在含有 c l 。的腐蚀介质中，m g o 表面膜的完整性会遭到破坏，导致腐蚀加剧【l o 1 1 ，1 2 】。 从这十几年来国内外镁及镁合金各方面的报道不难发现，镁若作为硬组织 植入材料，与现己投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有以下突出的优 占 、 1 镁资源丰富，价格低廉，金属镁锭的价格在2 万元吨以下，而钛锭的价格 在6 万元吨以上l i 副： 2 良好的生物相容性和生物可降解性 1 4 , 1 5 1 ； 武汉理工大学硕士学位论文 3 是人体内仅次于钾、钠、钙的细胞内正离子，参与蛋白质合成，能激活体 内多种酶，调节神经肌肉和中枢神经系统的活动，保障心肌正常收缩。镁几乎参与 人体内所有新陈代谢过程。在美国规定【9 】，3 1 岁成年男子每日需摄入镁的量为 4 2 0 m g 。因此，用镁及镁合金作硬组织植入材料，不但不用考虑微量金属离子对 细胞的毒性，而且植入材料中的镁离子对人体的微量释放还是有益的； 4 镁及镁合金有高的比强度和比刚度，且加工性能良好。纯镁的比强度为 1 3 3 g p a ( g e r a 3 ) ，而超高强度镁合金的比强度已达至1 j 4 8 0g p a ( g e m 3 ) ，l 匕t i 6 a 1 4 v 的比强度( 2 6 0g p a ( g c m 3 ) ) 高出近1 倍【1 6 】； 5 在金属材料植入人体时，因两种材料的弹性模量不匹配而产生的应力屏 蔽效应是影响骨生长的负面因素之一【l 7 1 。而镁及镁合金的杨氏模量约为4 5 g p a 更接近人骨的弹性模量( 2 0 g p a ) ，如果用镁及其合金替代现有金属植入材料，将能 有效降低应力屏蔽效应； 6 镁与镁合金的密度约为1 7 9 c m 3 , 与人骨密度( 1 7 5 9 c r n 3 ) 接近，远低于 t i 6 趾4 v 的密度( 4 4 7 9 e r a 3 ) ，符合理想接骨板的要求【1 8 】。 7 初步的细胞毒性研究表明：镁对于骨髓细胞的生长没有抑制作用，也没有 发现细胞溶解现烈1 9 】。最近还有研究者指出：金属镁可以促进骨细胞的形成，加速 骨的愈合等。 表1 2h a p 、骨、钛合金及镁的主要力学性能的比较 t a b l e1 - 2m a i nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh a p 、b o n e 、t i t a n i u ma n dm a g n e s i u m 学性能密度 ( g c m 3 ) 抗压强度 ( m p a ) 抗弯强度 ( m p a ) 弹性模量 ( g p a ) h a p ( 2 0 孔隙率) 致密骨 t i 6 砧4 v 镁合金 2 4 2 1 4 5 1 7 3 0 06 14 2 - - 一4 4 8 8 1 6 48 8 1 1 4 3 9 1 1 7 9 6 5 3 0 9 0 8 7 5 8 0 1 2 0 1 1 0 4 5 金属材料应用中的主要问题是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周 围组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常 4 武汉理工大学硕十学位论文 导致植入体的失效。故用镁及合金作为硬组织的植入替代材料，不但不用考虑 微量金属离子对生物体组织的毒性，相反地，植入材料中的镁离子微量释放对 人体还是有益的。 由此可见，镁及镁合金如能作为硬组织植入材料，有很多优于其他金属生 物材料的性能。但是，由于镁及镁合金的耐腐蚀性能较差，尤其是在含有c l 。的 腐蚀介质中会更加剧，而人体的生理环境又是一个对硬组织植入材料要求苛刻 的腐蚀环境。因此，对镁及镁合金腐蚀本质的研究，进一步改善镁及镁合金材 料与组织的生物相容性，如何降低镁及其合金在人体生理环境内的腐蚀降解速 率并使其达到临时植入器件要求的服役时间是目前研究的热点和方向，也是解 决镁及镁合金在生物医用材料领域应用的关键。 1 2 2 镁合金的体内外腐蚀行为 除了贵金属，其他材料腐蚀阻抗不是依赖于其固有的惰性而是表面防护氧 化物薄膜。到目前为止，国内外有不少学者针对纯镁及镁合金的抗腐蚀性做了 研究。但是关于镁合金的体内外腐蚀行为仍存在争议，其中包括相对于其它植 入金属材料，镁合金抗腐蚀性能的好坏与生物相容性等问题。 1 ) 镁及镁合金的体外腐蚀行为 目前，对镁合金的体外腐蚀行为研究主要围绕材料热处理方式，腐蚀条件 与腐蚀介质等方面进行【2 0 2 1 2 2 1 。 以铸态，锻态纯镁作为参照，任伊宾等人【2 3 】通过研究不同纯度和不同热处 理状态的镁合金在生理盐水中开路腐蚀电位及长时间浸泡腐蚀，表明镁合金在 生理盐水中的腐蚀速率可以通过控制杂质含量，加工处理状态等因素进行调整。 降低镁合金中杂质元素的含量可以提高镁合金在生理盐水中的开路腐蚀电位， 减缓腐蚀速率；通过锻造，轧制等加工方法对镁合金进行晶粒细化也可达到同 样的效果。 高家诚等人 2 4 1 通过微机电化学分析系统测试了纯镁热处理前后在模拟体液 ( s b f ) 中的电化学腐蚀速，并结合正交试验对热处理的工艺参数进行了优化。 试验表明：采用热处理方法，可以在纯镁试样表面生成结合良好的致密m g o 层， 而切该层物质可以改善纯镁在模拟体液溶液中的耐蚀性能。 2 ) 镁及镁合金的体内腐蚀行为 为了能够更清楚地认识镁合金的生物安全性，人们对镁合金的短期和长期 武汉理工大学硕士学位论文 植入后的腐蚀行为进行了研究。 张二林等人【2 5 】采用大白鼠动物植入试验研究了镁合金在体内的降解行为和 骨组织反应。研究发现：在植入5 周后，有5 0 的植入体得到固定，部分有炎 症存在，骨组织已经在镁合金表面沉积；植入9 周后，1 0 0 固定，炎症消失， 没有感染，2 0 3 0 镁合金降解，大量的骨组织在镁合金表面沉积，并且随着 镁合金的降解骨组织不断在原合金基片上生长；植入1 8 周后，1 0 0 固定，没有 感染，4 0 6 0 镁合金降解。需要特别指出的是，由于所采用合金中含有的m n 和z n 元素都是人体必须的微量元素，因此可以迅速地被人体吸收，没有在镁合 金降解的基片上以及周围新形成的骨组织中形成合金元素的偏聚，表现出了良 好的生物相容性。 1 3 磷灰石涂层制备方法 使用涂层技术，在高强度、高韧性的基材表面制备具有生物活性的羟基磷 灰石复合涂层，综合利用了金属材料优良的力学性能和羟基磷灰石优异的生物 学性能，使植入体人骨结合牢固，并减少金属离子的释放。基于羟基磷灰石与 人体骨组织成分的相似性以及其合成方法的日趋成熟，目前，世界各国学者研 究最为活跃的领域之一便是开发h a 金属生物复合材料，即在金属基片表面制备 羟基磷灰石生物涂层材料。可以预见这一生物复合材料是未来生物硬组织损伤 后修复或取代的理想材料。制备这种具有生物活性涂层的方法很多，具体制备 方法如下： 1 3 1 等离子喷涂法 等离子喷涂羟基磷灰石涂层是目前最广泛并已临床应用的汰及钛合金表面 改性的方法，它是利用电极间的高电势发生电弧放电，将电极周围气体电离成 等离子体，再以高速撞击悬浮h a p 粉末，使之沉淀于金属基片表面【2 6 1 。 虽然该方法应用时间相对较长，而且技术相对成熟，但涂层仅仅是由单一 的无机物组成，所含有的熔融相在体内会导致涂层的降解，同时，由于等离子 喷涂是在一个相当高的温度下( 1 0 0 0 0 ) 进行的，蛋白质分子等生物活性大分子 不可能同时进入涂层内部，只能是植入体内后简单的吸附在表面上。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 溶胶凝胶法 溶胶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。 其基本原理是将涂层原料配置成溶胶，使之均匀涂覆于基片的表面，由于溶剂 迅速挥发，配料发生缩聚反应而胶化，再经过干燥和热处理，即可获得涂层。 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。溶胶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。但是溶胶凝胶法难于制备出形状复杂的薄膜 2 7 1 。 1 3 3 电泳沉积法 这种方法的基本原理是在一定直流电场中，存在于胶体溶液中的h a 带电胶 粒在电流作用下经过电泳和沉积两个主要过程，获得羟基磷灰石生物涂层。由 于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 在热应力间题，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实验条件都会对电沉积 钙磷产物的组成、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的缺点【2 8 2 9 1 。 1 3 4 阳极氧化法 阳极氧化法就是以含少量水的n a n 0 3 的甲醇溶液为电解液，以钛或钛合金 为阳极进行阳极氧化， 直接合成甲氧基钛， 使钛表面带上荷负电的烷氧基 ( o c h 3 ) ，再由甲氧基钛经过水解和缩聚作用，在钛基片上形成由t i o t i 构 成的多孔无机网络结构，类似于溶胶凝胶法制得的钛凝胶。这样的基片在模拟 体液中将促进钙、磷离子的快速扩散，并有助于在氧化物基片的纳米尺寸的孔 7 武汉理工大学硕士学位论文 洞中合成磷酸钙纳米束，合成结合性能良好生物相容性的涂层材料。 阳极氧化法不仅可以制备出具有化学键合的复合涂层，还是生长固定有机 化合物如氨基酸、肽、蛋白质等的有效基片，因为这些有机物的极性基团对多 孔氧化物基片具有强烈的吸附力【3 0 】。 1 3 5 离子束辅助沉积法 该方法是采用离子束轰击h a p 靶材，使溅射出的粒子沉积在基材表面形成 涂层，同时利用载能离子轰击h a p 陶瓷薄膜与t i 基片界面，通过形成c a t i 过 渡层，实现涂层与基片的牢固结合，再经过退火处理，涂层由非晶态转变为晶 态【3 l 】。 1 3 6 仿生溶液法 仿生法是模拟自然界中生理磷灰石的矿化过程，在自然温和的条件下，在 类似于人体组织内环境条件的模拟体液( s i m u l a t e db o d yf l u i d ，s b f ) 中自发沉积出 来的。因此仿生法具有其他方法无可比拟的优越性【3 2 】： 1 由于是在类似于人体组织内环境条件下沉积出来的，所以仿生磷灰石层 的成分更接近人体的骨无机质，可望具有更高的生物相容性和骨结合能力； 2 仿生法在低温下进行可避免高温过程引起的相变和脆裂，有利于增强金 属基片和陶瓷涂层之间的结合离； 3 在低温下进行，又可为共沉积蛋白质等生物大分子提供可能性，通过改 变溶液的成分来改变涂层的成分，可以使蛋白质、骨生长因子、抗生素等有机物 质在仿生溶液中与羟基磷灰石共沉积； 4 涂层形成后不需要在经热处理即可形成致密的晶体层； 5 利用仿生技术可在形状复杂和多孔的基片上形成均匀的涂层； 6 所需设备简单、操作方便、沉积工艺易控制、费用较低 在仿生合成制备磷灰石涂层的工艺过程中，主要的工艺步骤包括：基片表面 的粗糙化和清洗一基片表面的预处理活化_ 溶液中钙、磷离子经诱导在基片表 面形成晶核_ 磷灰石涂层在模拟体液中的形成和生长。仿生合成的关键是控制 无机晶体的异相成核长大而抑制匀相成核。其中，基片表面的预处理和浸渍溶 液的成分对涂层的生成最为关键，这是因为预处理工艺对基片表面的活化效果 武汉理工大学硕士学位论文 直接决定钙、磷离子在基片材料表面异相形核的能力；而浸渍溶液的成分、浓 度以及p h 值等直接决定磷灰石涂层形成时涂层的成分、结晶度和生长速度等。 目前有多种方法可以在金属基片表面进行预处理来诱导晶核，每种方法都有 其优缺点。 1 3 6 1 碱热处理 k i mhm 等【3 3 】将钛片经抛光清洗，用n a o h 浓溶液处理，再6 0 0 热处理 1h ，最后在模拟体液中3 7 下浸泡。结果表明钛基片上形成了机械性能稳定、 强键结合的磷灰石涂层。 这种处理法使基片表面官能团化的机理探讨如下。碱液处理，基片表面受 o h 攻击，t i 0 2 层部分溶解到碱液中( t i 0 2 + o h 。一h t i 0 3 ) ；同时暴露的钛发生 水合作用，生成z i 0 2 n n 2 0 ；o h 。进一步攻击水合t i 0 2 ，这时基片表面形成荷负 电的水合物h t i 0 3 - o n n 2 0 。这些荷负电的水合物与o h 结合，基片表面就带上了 o h ，形成钛酸钠水凝胶层。热处理时，水凝胶脱水，变得致密并形成一个稳 定的无定形或晶态的碱性钛酸盐层。当基片浸在模拟体液中，水凝胶层的钠离 子与水溶液中的h 3 0 + 进行交换，使得基片表面的p h 值升高，p h 值的升高提高 了磷灰石的离子活性，促进了磷灰石的成核；另外，如h t i 0 3 这类负电荷通过 库仑力吸引c a 2 + ，又通过氢键吸附p 0 4 孓，提高了基片表面钙、磷离子的过饱和 度，再加上基片呈多孔网状，网孔中的二氧化钛密度较大，为磷灰石的异质成 核提供了优先位置，这就能诱导磷灰石从模拟体液中快速沉积出来【3 4 1 。 碱热处理法诱导形成的磷灰石层具有很强的韧性且能与钛合金紧密结合。 这可能是由于钛酸钠层和基片间形成梯度界面结构，使最后得到的磷灰石层与 基片间也形成梯度界面结构，即从基片表面到基片内部磷灰石层逐渐转变为金 属钛，这就使磷灰石层与钛基片之间的结合强度较高【3 5 1 。 1 3 6 2 酸碱处理 w e nhb 等采用简单的两步处理法。钛基片先用1 8 h c l 和4 8 h 2 s 0 4 混合酸处理：再用n a o h 或k o h 稀溶液1 4 0 下处理5 h ；最后基片在模拟体液 中迅速沉积出结合良好的磷灰石涂层。 酸的腐蚀作用使基片表面产生大量的酸蚀凹点或沟槽，增大了基片的表面 9 武汉理工大学硕士学位论文 积； 再用碱液处理，这时表面产生大量亚微米的微孔，在微孑l 表面层中还形成 大量的钛氧化物，这样的多孔表面有利于非均相成核，更有利于磷灰石的形成， 而且使磷灰石层与基片间的结合力较强，既有化学结合力又有机械结合力。这 种方法不需要对基片进行表面磨光，更适合于复杂形状的基片。用h 3 p 0 4 对基 片进行酸处理，也可以增大基片表面的粗糙度。 1 3 6 3h 2 0 2 处理 m a oc h u a n b i n 等【3 7 】用h 2 0 2 预处理钛基片，再将基片浸泡于h a 过饱和溶液 中，并在室温下沉积诱导生成h a 涂层。 在h 2 0 2 水溶液中，钛表面促进h 2 0 2 的分解以及钛的氧化。基片表面产生 孔洞，溶液中产生o h ，o o h ，这些离子优先化学吸附到基片多孔表面的氧化 钛层上，这样基片表面就带上o h 或o o h 。这同碱液处理的效果很接近，基片 表面形成钛凝胶，在模拟体液中以相似的机理诱导磷灰石涂层成核和生长。实 验证明在双氧水中混合加入t a c l 5 或s n c l 2 ，更有利于钛表面带上强碱性t i o h ， 这样更有利于基片在模拟体液中诱导形成h a 涂层。 1 3 6 4n a + 处理 p h a mmt 【3 8 】报道先将钛基片置于n a + 中处理，再浸泡在s b f 中，研究了引 入n a + 的基片表面的反应活性，结果是表面涂覆上羟基磷灰石。 基片在n a + 中处理，n a + 攻击钛表面，表面生成n a 2 t i 0 3 ，由于引入离子的 渗透，钛酸盐相与基片紧密结合，并使表面形貌粗糙。在s b f 中浸泡时，n a 2 t i 0 3 发生水解和离子交换，使基片表面生成氧化钛水凝胶层即形成羟基化表面，并 使溶液的p h 值升高，导致s b f 相对于h a 的过饱和度提高，促进了磷灰石以类 似于碱处理法的机理成核和生长。 1 3 6 5h 3 p 0 4 处理引入含磷基团 将含磷基团引入基片的表面也是一种官能团化的方法。在基片表面引入含 磷基团可以通过将钛基片磷酸化和预钙化来完成。将钛基片抛光，碱液处理后， 在饱和n a 2 h p 0 4 溶液中浸泡，这时含磷基团就引入到基片上了；在环境温度下 浸到饱和c a ( o h ) 2 溶液中【3 9 】，最后用s b f 溶液处理。含磷基团的引入创造了有 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 利的局部条件，又经过预钙化，提高了基片表面的钙、磷离子浓度，使基片表 面附近的钙、磷离子浓度高度过饱和，刺激了基片表面磷灰石涂层的生长。测 定发现， 经过预钙化的样品磷灰石的平均沉积速度比无预钙化的快了1 倍。 1 3 6 6 自组装单分子层法 生物矿化中的无机相成核和生长是由生物体所提供的高分子模板控制的， 是一种自组装的过程。单分子膜( s a m ) 是自然界中自组装的典型例子。仿生 法制备h a 复合材料时，可在基片上合成自组装单分子层，再通过单分子层的端 基官能团即能在模拟体液中诱导h a 的沉积，并且能得到结合强度较高的复合材 料。 q i n gl i u 4 0 】等用自组装技术发展了一种在t i 表面快速沉积h a 矿物相的方 法。他们用o e t s 无水戊烷溶液处理钛基片使其表面形成s a m 单分子层，再 将s a m 的双键官能团化，可在基片表面带上o h ，- h 2 p 0 4 ，c o o h 。处理 过的样品经过钙、磷溶液处理，在1 5 s b f 溶液中浸泡即能在基片上迅速诱导仿 生磷灰石层的形成。 1 4 本文的研究目的和方法 1 4 1 本文的选题背景与研究目的 羟基磷灰石( c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 是人体硬组织骨和牙 齿的主要矿物成分。该材料具有良好的生物性能，在医学临床上引起了广泛的重 视。研究表明：h a 生物相容性和界面生物活性均优于各类医用钛合金。h a 植入 人体后，对人体无毒，与集体骨组织能形成紧密的化学结合，具有极好的生物相容 性和生物活性。该材料已成为最有发展前景的生物硬组织替代材料之一。但是 纯h a 生物材料力学性能差，脆性大，容易断裂，这极大地限制了该生物材料的 应用范围【4 1 1 。在金属基片表面涂覆羟基磷灰石制备得到的复合材料能综合利用 金属材料优良的力学性能和羟基磷灰石优异的生物学性能，是理想的骨替代材 料。 本研究的整体思路是在大量参阅相关文献的基础之上，尝试用纯镁作为一 种新型的硬组织替换材料的基质，并通过对纯镁进行合理的表面设计和改性， 武汉理工大学硕士学位论文 包括表面修饰和活化处理，在其表面获得一层具有优良的生物相容性的仿生磷 灰石涂层，用以提高材料的生物学性能和耐腐蚀性。在此基础上，通过对磷灰 石析出的热力学条件的分析，探讨通过仿生法在金属表面制备磷灰石涂层的一 般方法和相关机理。 1 4 2 采用的实验方案 实验材料选用纯度为9 9 9 的铸态纯镁。 1 对纯镁基片表面进行活化处理。由于纯镁的化学性质较为活泼，其表面 总是覆盖有一层m g o 氧化膜钝化层，使镁基片表面生物活性降低，会阻碍磷灰 石的核化诱导。所以本文采用了酸蚀和稀碱液水热处理法，利用c a c l 2 溶液在纯 镁基片表面引入c d + 离子，再与k 2 h p 0 4 3 h 2 0 溶液反应在其表面预沉淀出一层 无定形磷酸钙，预沉淀层能在特定环境中快速诱导磷灰石的形核生长。 2 在不同的溶液环境中，磷灰石薄膜的形态和结构会有所不同。本文将经 过表面预沉淀处理的纯镁基片分别浸渍于模拟体液和钙磷饱和溶液中，一段时 间后考察磷灰石薄膜的生长情况。结合扫描电子显微镜、x r a y 衍射分析等手段 对材料表面进行表征和分析。 3 利用自组装单分子层的处理方法，将其和仿生技术相结合，采用预钙化 处理和钙磷饱和溶液来制备磷灰石涂层，即先在基片上快速合成自组装模板，再 通过端基官能团在预钙化处理过程中吸附磷酸盐，最后在钙磷饱和溶液中诱导 生长有序、均匀致密的涂层快速沉积。 4 利用电光分析天平监控试样在不同离子成分的模拟体液中的质量变化， 对试样在处理前后的耐腐蚀性能进行评估。 1 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 第2 章实验材料与工艺路线 2 1 表面改性实验材料 本实验采用的原料均为9 9 9 的铸态纯镁。实验所用试剂见表2 1 。 表2 1 表面改性处理所用试剂 t a b l e2 1t h er e a g e n t sf o rs u r f a c em o d i f i c a t i o ne x p e r i m e n t s 试剂名称纯度产地 氯化钠分析纯天津市博迪化工有限公司 无水氯化钙分析纯 上海实验试剂有限公司 碳酸氢纳分析纯上海实验试剂有限公司 氯化钾分析纯上海实验试剂有限公司 氯化镁分析纯上海实验试剂有限公司 三( 羟甲基) 氨基甲烷分析纯天津市福晨化学试剂厂 无水乙醇分析纯上海振兴化工一厂 丙酮分析纯上海恒利精细化工有限公司 硫酸钠分析纯武汉华飞试剂厂 磷酸氢二钾 分析纯武汉华飞试剂厂 乙二胺四乙酸分析纯国药集团化学试剂有限公司 2 2 表面处理及分析测试所用的主要仪器设备 k q 2 2 0 0 e 型超声清洗机 p h s - 2 5 型p h 计检测模拟体液p h 值的变化。 武汉理工大学硕士学位论文 a x 2 0 0 型电光分析天平监控试样在模拟体液中的质量变化。 j s m 5 6 1 0 l v 型扫描电子显微镜对经过不同处理时间的基片进行表面形 貌观察，观察前进行喷金处理。 d m a x r b 型x 射线衍射仪分析试样处理后的表面物相。测试条件为 c u 为靶材，工作电压及电流分别为3 5 k v 、3 0 m a ，测量角度范围为5 , - - , 7 0 0 , 转速为 】o o m i n 。 2 3 模拟体液和钙磷饱和溶液的配制 自从k o k u b o 等【4 2 】提出仿生法制备磷灰石涂层以来，随着仿生合成工艺的不 断深入，模拟体液也历经改进，如表2 2 所示。 表2 2 人体血浆和各种模拟体液的离子浓度的比较m m o l l t a b l e2 - 2c o m p a r i s i o no ft h ei o nc o n c e n t r a t i o n si nb l o o dp l a s m aa n ds b fs o l u t i o n n a +k + c a r , m 酽+ c l h c 0 3 h p 0 4 2 。 s 0 4 2 。 h u m a nb o d y1 4 2 05 02 51 51 0 3 02 7 01 00 5 p l a s m a o r i g i n a l $ b f 1 4 2 05 d2 51 51 4 8 g 4 2 1 0 c o r r e c t e ds b f1 4 2 05 02 51 51 4 7 84 2 r e v i s e ds b f1 4 2 05 口2 51 51 0 3 02 7 01 0 口 0 5 口5 n e w l yi m p r o v e d 1 4 2 05 02 51 51 0 3 04 21 0d 5 s b f 最开始k o k u b o 等人使用的模拟体液相对于人体血浆缺少s 0 4 2 离子，k o k u b o 在后来的工作里作了修正。现在修正过的模拟体液( c o r r e c t e ds b f ，c s b f ) 配 方被许多工作者广泛使用。但是可以看到修正过的模拟体液配方在c l 和h c 0 3 的离子浓度上和人体血浆仍有较大差距，o y a n e 等人又对模拟体液的配方进行了 修正，降低了c 1 。的浓度，提高了h c 0 3 - 的浓度【4 3 彤】。不过因为提高了h c 0 3 的 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 浓度，碳酸钙的过饱和度增加，模拟体液中很容易发生碳酸钙的沉淀。2 0 0 4 年 t a k a d a m a 等人又提出了一种新的s b f 配方( n e w l yi m p r o v e ds b f ，1 1 s b f ) ，只 把c 1 。的浓度降低到血浆里c 1 。浓度水平而不提高h c 0 3 的浓度【4 5 1 。但从对n s b f 和c s b f 进行的一系列的稳定性和可重复性的实验结果上看，1 3 s b f 和c - s b f 并无明显差别。2 0 0 3 年c s b f 配方被提交国际标准化组织技术委员会 i s o t c l 5 0 ，提议将c s b f 作为植入材料形成磷灰石能力体外实验的标准溶液， 该提议仍在讨论中。 由于模拟体液是一个过饱和溶液，配制的时候要确保溶液是无色透明的，如 有沉淀产生应重新配制。配制模拟体液应使用洁净的没有刮痕的塑料烧杯，因 为磷灰石形核很可能会在烧杯的刮痕处诱导生成。在加入试剂时必须按一定的 顺序( 如表2 3 ) 进行，不能将多种试剂同时加入溶剂中，而且要在一种试剂完 全溶解后再加入下一种试剂。特别要注意的是c a c l 2 ，由于它很容易引起磷灰石 沉淀的析出，故最好将起破碎成微小的粒状粉末，在加入时慢一点并且要在确 保其完全溶解后再次加入。最后，在用 i r i s 和1 mh c i 调整模拟体液p h 值的时 候不能将 i r i s 一次加入溶液中，要注意观察p h 值的变化，不要使p h 值的波动 太大。 表2 3 配制1 0 0 0 m l 模拟体液( c s b f ) 时试剂的用量和加入顺序 4 6 】 t a b l e2 - 3t h ep r e s c r i p t i o no f p r e p a r i n g10 0 0 m lc - s b f 武汉理工大学硕士学位论文 钙磷饱和溶液相对于模拟体液来说具有更高的钙离子和磷酸根离子浓度， 更有利于磷灰石涂层生长。而且钙磷饱和溶液中没有m 矿+ 和s 0 4 2 。离子，溶液更 加稳定，不容易发生沉淀。钙磷饱和溶液的配制方法和注意点和模拟体液的大 致相同。 表2 4 配制10 0 0 m l 钙磷饱和溶液( c ps o l u t i o n ) 时试剂的用量和加入顺序 t a b l e2 - 4t h ep r e s c r i p t i o no fp r e p a r i n g10 0 0 m lc ps o l u t i o n 人体血浆、模拟体液和钙磷饱和溶液中离子浓度对比如表2 5 所示。 表2 5 人体血浆、s b f 及c ps o l u t i o n 中离子浓度的对比 t a b l e2 - 5c o m p a r i s i o no ft h e i o nc o n c e n t r a t i o n si nb l o o dp l a s m a ，s b fa n dc p s o l u t i o n 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 表面改性工艺流程图 在表面改性实验中，酸碱处理及仿生沉积的工艺流程图见图2 1 。自组装单 分子层及仿生沉积的工艺流程图见图2 2 。 酸碱处理及仿生沉积工艺流程图 打磨清洗i i i s e m 表面观察 x r d 物相分析 测定溶液p 珏1 匿 试样失重( 图2 1 酸碱处理及仿生沉积工艺流程图 f i g2 - 1t h ef l o wc h a r to fa c i d - a l k a l i - t r e a t m e n ta n db i o m i m e t i cd e p o s i t i o np r o c e s s 1