（生物医学工程专业论文）可控多孔生物陶瓷的制备及表征.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 研究结果证明本发明技术是制备高显气孔率、高比表面积和孔径连通可控的 多孔生物陶瓷的有效方法；只需对坯体进行冷却即可让其固化且易于脱模，操 作简单、经济快捷，大大缩短生产周期：通过模具设计或对坯体预前加工可制 备结构复杂，形状特殊产品：可推广用于制各其它多孔材料；不仅适用于实验 室制作，而且适用于工业化生产。 关键词：多孔b 一磷酸三钙生物陶瓷，有机泡沫微球，热压注成型技术 i i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o r o u st r i c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c ( b t c p ) ，ak i n do fe x c e l l e n tm a t e r i a l s u b s t i t u t i n gb o n e i tc a nb eb i o d e g r a d e di nb i o l o g yb o d ya n de f f e c t i v e l yr e p a i rb o n e d e f e e t s h o w e v e rp r e s e n t p r e p a r a t i o na n ds h a p et e c h n o l o g i e sh a v ed i f f i c u l t i e s i n m a k i n gp o r o u sb i o c e r a m i c sw i t hc o n t r o l l a b l em a c r o s t r u c t u r e o n 也eb a s eo fp r e s e n t p r e p a r a t i o na n ds h a p et e c h n o l o g i e s ，i nt h ep a p e ran e wp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g yt o m a k e p o r o u sb i o c e r a m i c sw i t h c o n t r o l l a b l em a c r o s t r u c t u r ew a si n v e n t e d t h em e t h o dc o m b i n e dt h eh o tp r e s s u r ec a s t i n g - s h a p i n g t e c h n i q u ew i t ho r g a n i c f o a ms m a l l - s p h e r ea sp o r e m a k i n gr e a g e n t t o o kb t c pc e r a m i c sp o w d e ra sb a s e b o d y , a d d e di nb i o g l a s sa d h e s i v ea n do r g a n i cf o a r ns m a l l s p h e r e ，a n ds t u d i e dt h e d i 虢r e n ti n f l u e n c ef a c t o r s ，p o r o u sb i o c e r a m i c sw a sm a d ea n dh a dt h ef o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s ：ah i g ha p p a r e n tp o r o s i t y , 3 - d i m e n s i o n - t h r o u g hh o l e ，h i g hs p e c i f i c s u r f a c ea r e aa n dc o n t r o l l a b l em a e r o s t r u c t u r ea n dh o l er a t ea n ds oo n t h ep a d e rs t u d i e dt h a t1 3 t c pb i o c e r a m i c sp o w d e rw a sm a d ea n dt r e a t e dw i t l l b ys u r f a c ea c t i v ea g e n t ，o r g a n i cf o a ms m a l l s p h e r ew a s t r e a t e dw i t h ，s l u r r yw a s m a d e ， g r e e nb o d yw a ss h a p e db y h o tp r e s s u r ec a s t i n g s h a p i n gt e c h n i q u e ，a n da f t e rp r e f i r e d a n ds i n t e r e d p o r o u sb i o c e r a m i c sw e r ef i n a l l yg a i n e d a n dt h ec o n t r o l l a b i l i t y o f m a c r o s t r u c t u r ew a ss t u d i e d c a p a b i l i t yo fs l u r r y , t h ec h a n g e so fg r e e nb o d yi n s i n t e r i n g a n dt h ec a p a b i l i t yo f s t r u c t u r ea n dt 1 1 es t r e n g t ho f p o r o u sb i o c e r a m i c sw e r e t e s t e da n ds t u d i e db vd i 位r e n tm e t h o d s t h eb e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r sw e r eg a i n e da sf o l l o w s ：也ea d d i t i v ec o n t e n to f p a r a f f i nw a s4 0 - 6 0 ：t h em a s sr a t i oo fo r g a n i cf o a ms m a l l s p h e r ea n d 0 t c p b i o c e r a m i c sp o w d e rw a s0 1 2 o 5w h e n s h a p e db y h a n da n dt h em a s sr n i ow a s0 1 o 2 5w h e ns h a p e db ym a c h i n e ；t h et e m p e r a t u r eo fs l u r r yw a s6 0 4 8 0 a n dc o u l d u s e5 o rs oo l e i ca c i dt oi m p r o v es l u r r yp e r f o r m a n c e ；c o m p r e s s i v es t r e s so f s h a p e w a s0 3 o 5 m p a t h et i m eo fs t e a d ys t r e s sw a s1 5s e c o n d s ；i nt h ep h a s eo fl o w t e m p e r a t u r et h es p e e do ft e m p e r a t u r er i s ew a s 3 0 1 5 0 e h ，t h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e s h o u l db ec o n t r o l l e d1 0 wt h a n7 0 0 ：i nt h ep h a s eo f h i g h e rt e m p e r a t u r et h es p e e do f t e m p e r a t u r e r i s ew a s1 0 0 3 0 0 h t h et i m eo fc o n s t a n tt e m p e r a t u r ew a s2h o u r so r s o t h er e s u l t so fp h y s i c a lc a p a b i l i t yi n d i c a t e d ：t h ep o r e sd i s t r i b u t e do r d e r l y ，t h e m a c r o - p o r ea n d s m a l l p o r ea n dm i c r o - p o r ec o n n e c t e d o n ea n o t h e r ；a p p a r e n tp o r o s i t y w a sh i g ha n dv o l u m ew e i 曲tw a sl e s st h a n0 7e d c m ；t h ep e r v a s i o nr a t eo fw a t e r c o u l db em o r et h a n2 x 1 0 “c m p a ；t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hc a nb em o r et h a n 1 ，6 m p a t h er e s u l t so fa n a l y s i so fc o n t r o l l a b i l i t yo fm a c r o s t r u c t u r ea n dh o l er a t e i n d i c a t e d ：m a c r o - p o r ec a nb ec o n t r o l l e db yc h o o s i n gt 1 1 e s i z ea n da r t a yo r d e ro f 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 o r g a n i cf o a ms m a l l s p h e r e ；a p p a r e n tp o r o s i t ya n dc o r m e c t e d n e s so fm a c r o p o r ec a n b ec o n t r o l l e db yt h ec o n t e n to f o r g a n i cf o a n s m a l l s p h e r e t h er e s u l t so ft h er e s e a r c ht e s t i f i e dt h a tt h et e c h n o l o g yw a sak i n do fe f f e c t i v e m e t h o d ，w h i c hc o u l dm a k eah i g ha p p a r e n tp o r o s i t y , 3 - d i m e n s i o nc o n n e c t e d n e s s ， h i g hs p e c i f i c s u r f a c ep o r o u sb i o c e r o m i c s w i t l lc o n t r o l l a b l em a c r o s t r u c t u r e a n dm a k e s a m p l eb e c o m es o l i do n l yb yc o o l i n gg r e e nb o d ya n de a s i l yt a k e i tf r o mm o u l d o p e r a t i o nw a ss i m p l e ，q u i c ka n de c o n o m i c ，a n d t h ep e r i o do f p r o d u c t i o nw a ss h o r t e d t o om u c h ；t h ec o m p l e xp r o d u c t i o nc o u l de a s i l yb eg a i n e db yd e s i g n i n gm o u l do rb y p r o c e s s i n g b e f o r e h a n d t h et e c h n o l o g yw a ss i m p l ea n de c o n o m i c a n dc o u l db e e x t e n d e di nm a n yf i e l d s ，c o u l dn o to n l ye a s i l yb eu s e di nl a b ，b u th a v ei n d u s t r i a l i z i n g a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e y w o r d s ：t h ep o r o u s t r i c a l c i u m p h o s p h a t ec e r a m i c ( 1 3 一t c p ) ，o r g a n i c f o a m s m a l l - s p h e r e ，t h eh o tp r e s s u r ec a s t i n g s h a p i n gt e c h n i q u e 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 三维连通、高显气孔率、高比表面，并且大孑l 、小孔和微孔相结合的生物 陶瓷多孔结构，可提供宽大的表面积和空间，有利于细胞粘附生长、细胞外基 质沉积、营养和氧气进入以及代谢产物排出，也有利于血管和神经长入和无生 命的多孔生物陶瓷向有生命物质转化。具有这种多孔结构的多孔生物陶瓷的研 究与制备具有重要的意义。 1 2 生物陶瓷材料的研究历史进程 生物陶瓷材料是用于医学并具有特殊的生理功能的高技术多孔陶瓷材料， 它具有良好的生物相容性和生物力学性能，不仅已成为医学临床应用的一类主 要材料，也是目前高技术材料研究开发的一类特种材料，还是目前及今后研究的 热点之一。 第一个得到广泛应用的生物材料是普通的熟石膏，c a s o 。h ：o 。十九世纪末 有人用它来修复骨损伤，一直延伸到2 0 世纪5 0 年代。它只有很小的组织反应， 并且在人体中被新组织置换的速度和它被人体生理系统吸收的速度相当，但是 在被吸收的过程中强度衰减较快。 1 9 2 0 年，磷酸钙生物陶瓷c a 。( p 0 ；) ：得到成功的应用8 1 ，用兔子做临床生理 实验，结果表明骨损伤的愈合时间从4 l 天减小到3 1 天。 1 9 6 3 年s m i t h 成功研制“c e r o s i u m ”开辟了生物陶瓷的新时代。“，它是一 种人骨的陶瓷代用品，由多孔铝酸盐陶瓷，灌注环氧树脂而制成，孔隙率在4 8 左右，与天然人骨的数值相当，物理性质与人骨非常接近。2 0 世纪6 0 、7 0 年代， 在临床应用中取得很大成功。在此期间，h u l b e r t 的研究对生物陶瓷的发展做出 了重大的贡献，证明了氧化物的生物相容性。 1 9 7 0 年，美国佛罗达大学l l h e n t h 教授开发了一种n a o s i o 。- c a o p z o i 系 玻璃材料，植入体内后，它会与生物环境发生一种特殊的表面反应，使材料与 组织形成牢固的化学键结合。他命名具有该种特性的材料为生物活性材料；命 名这种玻璃叫做生物活性玻璃( b i o a c t i v eg l a s s e s ) 或简称生物玻璃 武汉理工大学硕士学位论文 ( b i o g l a s s e s ) ；第一次在生物陶瓷领域引入了生物活性的概念，开创了一个新 的研究领域一生物活性陶瓷材料研究一，。 1 9 7 1 年，西德对c a ，( p 0 4 ) z 陶瓷进行了开发性的研究。将其制成多孔体，对 动物骨骼进行置换。1 9 7 4 年，美国的j a r c h o 、1 9 7 5 年日本的青木秀希相继用不 同的方法研制出羟基磷灰石烧结体，用作人工齿根和人工骨。1 9 8 0 年初，国际 上开始出现机械强度高的磷酸钙陶瓷材料。对生物可降解材料b 一磷酸三钙 ( 8 一t c p ) 和磷酸钙骨水泥的研究也相当重视0 1 。 2 0 世纪9 0 年代初，四川大学张兴栋教授的研究组发现具有一定组成和结构 的磷酸钙生物陶瓷植入动物的非骨部位，可以诱导新骨再生”3 ，并提出了通过材 料自身因素的控制，可赋予无生命的无机磷酸钙陶瓷以诱导骨再生的作用。3 。经 过国际学术界多个研究组十余年的进一步研究，此学术观点已为国际生物材料 界认同93 。目前，大量的研究证明这类材料不仅是骨组织工程的良好的支架材料， 优良的骨生长因子控释载体，而且可直接用于体内作为骨缺损修复的支架材料 诱导骨再生，重建有生命嚣，实现骨缺损的永久修复。武汉理工大学生物中心 研究开发出的人工骨产品在国内已广泛应用于骨缺损的修复和骨肿瘤的治疗。 近年来，寻找适宜的新型支架材料以及优化复合体体外培养条件已经成为 软骨组织工程研究的热点9 “。国外初步研究结果表明：b t c p 多孑l 生物陶瓷是 一类具有广阔应用前景的组织工程支架材料“。骨髓基质细胞和骨生长因子具 有诱导骨形成的能力，与多孔生物陶瓷的结合，使得原本骨诱导性能比较弱的生 物陶瓷，具有了较强的新生骨组织的能力。多孔陶瓷的几何形态，特别是孔洞表 面的粗糙度、微孔，孔洞的互通性等因素影响着这类复合物的成骨能力。通过对 多孔生物陶瓷的制备工艺的控制，获得有利于吸附骨形成蛋白或骨髓基质细胞 等骨生长因子的多孔结构，并合理地匹配复合物中骨生长因子的浓度，这种生物 活性的多孔羟基磷灰石陶瓷生物材料可望在骨组织缺失修复、组织重建、骨病 治疗等骨科临床治疗方面获得良好的应用。骨形成蛋白或骨髓细胞与大孔生物 陶瓷的复合，更有利于骨组织的迅速再生3 。 模拟、仿制或者复制生物骨组织的多孔结构，研制孔洞相互贯通的生物活性 的和生物可降解的多孑l 生物陶瓷材料，是目前生物陶瓷研究的主要方向。 1 3 $ 一t o p 多孔生物陶瓷的研究现状与发展 b 一磷酸三钙陶瓷( 1 3 - c a 。( p 虢) ：，简称b - t c p ) 因与人体骨骼无机成分相似， 武汉理工大学硕士学位论文 生物相容性好，易生物降解吸收、无毒副作用等优良性能，被视为优良的生物 降解材料。大量的研究表明：致密型0 一t c p 生物陶瓷不利于材料在体内的降解， 而且其较高的烧成温度也会降低其生物活性；而多孔型b t c p 生物陶瓷其巨大 的比表面面积可促进材料在体内的降解，同时材料的微孔结构也有利于骨组织 的长入，对材料的早期固定和骨缺损修复提供了有益的物理结构。而且其较低 的烧成可使材料保持良好的生物活性。因此，越来越多的研究者投入到对多孔 型b t c p 生物降解陶瓷的研究中去。 首先，研究者们探讨了陶瓷的组成及结构对降解的影响。陶瓷的宏观结构， 尤其是气孔尺寸、连通程度、孔隙率等对陶瓷的降解有显著的影响。如法国学 者卢建熙认为多孔陶瓷的两大微观结构对细胞的侵入极为重要，即孔径以及孔 和孔之间的连接桥。有研究表明：孔径大于l o um ，能使细胞长入孔内；1 5 2 0 um ，可形成纤维组织；5 0 - - 1 0 0um ；可形成类骨样组织；而大于1 5 0um 以上， 在陶瓷孔内可形成矿化骨。与此同时他还对连接与材料的生物学效应关系进行 了定量的研究，揭示了最佳连接桥长度等指标。研究表明：连接桥大于2 0 um 就能使成骨细胞长入，并在孑l 内繁殖；连接桥在2 0 5 0um 之间，能使成骨细 胞长入并形成类软骨组织和成骨样组织：但如果要形成矿化骨，其大小必须大 于5 0um 。 k l e i n 研究发现含6 0 微孔( 孔径小于5 bm ) 的b t c p 植入3 6 个月有明 显吸收，而含有大孔( 2 0 0 5 0 0 um ) 者吸收不明显，反应滞后至少2 个月。微 孑l 陶瓷周围骨髓腔中出现大量的巨噬细胞及多核破骨细胞，它们的吞噬作用导 致陶瓷吸收。k l e i n 认为，烧结陶瓷的微粒间相互连接的部分，是陶瓷溶解的薄 弱环节，决定了陶瓷粒子的分散能力，称为瓶颈效应“。它与陶瓷制备工艺有 关。 z s t r i n a d 研究发现，陶瓷的形态( 颗粒、粉末或致密块) 、结晶度、品格 缺陷、比表面积等也影响降解性能“。在低结晶度陶瓷或微晶玻璃中，若结构 的连续相是无定形相，且溶解度高，它将导致结晶相变疏松，促进降解。反之， 若结构的连续相是结晶相，则不利于降解“。在微晶玻璃中残存的玻璃相影响 其化学稳定性及生物活性“。 b t c p 陶瓷降解过程主要是通过体液溶解和细胞吞噬两种途径来实现的。 其中细胞的吞噬作用是主要的，它包括巨噬细胞、破骨细胞等“。而对于材料 在体内的转化过程，即材料如何从无生命的无机物转变成生命体的一部分这一 武汉理工大学硕士学位论文 过程的研究还不是十分深入，相关的文章和报道也极少“2 。b t c p 陶瓷的生 物降解主要有两条途径：在生理溶液中的溶解和细胞介导的降解，降解初期以理 化过程的溶解降解为优势”“。1 3 t c p 陶瓷的理化特性将影响其溶解降解性能。 多孔b t c p 陶瓷是种大孔微孔结构，陶瓷的孔道，尤其是微孑l ，有利于组织液 的渗入，产生局部酸性环境，促进材料的降解。“。d e g r o o t 研究也指出，降解的速 度取决于微孔的多少1 。因此，了解多孔b t c p 的降解机理对我们研究制备具有 良好孔隙结构的多孔1 3 一t c p 陶瓷具有一定的重要的指导意义。 当代多孔生物陶瓷的制各与应用研究己进入一个新的发展阶段，赋予多孔 生物陶瓷新的生物结构和生物功能，使其植入体内后可诱导骨组织的再生，充 分调动人体自我修复和完菩的能力，从而实现损伤或病变骨组织的永久修复， 已成为2 1 世纪多孔生物陶瓷发展的方向和前沿。 1 4 多子l 生物陶瓷制备成型方法的现状与发展 1 4 1 多子l 生物陶瓷制备方法 由于多孔生物陶瓷具有优良的生物性能，近数十年来一直受到人们密切的 关注和广泛的研究。目前制备多孔陶瓷的方法主要有如下一些： l 添加成孔剂工艺“ 该工艺是通过在生物陶瓷粉料中添加成孔剂，利用这些成孔剂在高温下燃 尽或挥发从而在陶瓷中留下孔隙。这种方法可制得形状复杂、气孔结构各异的 多孔制品，但气j l 率不是很高，且气孔分布均匀性差。 2 发泡工艺“1 该工艺是向生物陶瓷组份中添加有机或无机化学物质，在加热处理时形成 挥发性气体，从而产生泡沫，经干燥和烧成后制得多孔生物陶瓷。与泡沫塑料 浸渍法相比，发泡法可以更容易地制备出一定形状、组成和密度的多孔陶瓷， 而且还可以产生小孔径的闭口气孔。但发泡法同样也存在一定的缺点，首先采 用这种方法制各多孔生物陶瓷的工艺较为复杂，其次是整个制备工艺过程不能 进行精确的量化控制，许多情况需要靠经验来调节，从而导致成品率不高。 3 有机泡沫浸渍工艺1 也称为利用多孔靠模制备多孔陶瓷方法，是s c h w a r t z w a l d e ro ”在1 9 6 3 年 发明的，其原理是利用可燃尽的多孔载体( 一般为泡沫塑料) 吸附陶瓷料浆， 4 武汉理工人学硕士学位论文 然后在高温下烧尽载体材料而形成空隙结构。这种方法具有制备出的陶瓷气孔 分布均匀、成本低廉工艺过程简单、适于工业化大生产等优点。但也存在较大 的缺点：首先，制备出的多孔陶瓷结构受泡沫塑料的结构影响很大。虽然海绵 或泡沫本身的结构比较好，但采用泡沫浸渍法制备出的多孔陶瓷结构却是泡沫 的一次反型。其次，制备过程中泡沫塑料的强度和弹性对多孔陶瓷的结构和性 能有很大的影响，如果泡沫材料的强度比较低或弹性小那么多孔陶瓷材料的强 度和结构的均匀性就会显著降低。另外，因需要用有机泡沫材料作中间体，工 艺复杂成本较高，易产生烧结残留物，泡沫在烧结残留物，泡沫在烧结过程中 变为有害气体，对环境造成污染。 4 溶胶一凝胶工艺等m “1 其主要利用凝胶化过程胶体粒子的堆积以及凝胶及热处理过程中留下小气 孔，形成可控多孔结构材料。该方法大多数产生纳米级气孔，属于中孔或微孔 范围内，这是前述方法难以做到的，实际上这是目前最受人们重视的一个领域。 溶胶一凝胶法和其他手段相结合是制备高规整度、亚微米尺度多功材料的方法。 例如：以均一半径的粒子微模板并结合溶胶一凝胶法，以表面活性剂为模 板并结合溶胶一凝胶法，以特殊结构的化合物为模板并结合溶胶一凝胶法。 尽管溶胶一凝胶法制备多孔陶瓷的原理比较清楚，但对具有不同孔径、形状与厚 度等理化性质的多孔陶瓷膜的制备技术还需进一步研究。 5 盐析法工艺。“ 是通过把食盐和生物陶瓷粉及粘结剂混合在一起，然后成型烧结得含均匀 分布食盐的生物陶瓷块，再放在沸水里溶去食盐从而得到多孔生物陶瓷。该方 法工艺比较简单，但是由于孤立或深层的食盐颗粒难以溶出而会保留在生物陶 瓷里面为其应用造成隐患，故不适合制备闭气孔或大块体生物多孔陶瓷。 6 颗粒堆积形成气孔结构” 陶瓷粗粒粘结、堆积可形成多孔结构，颗粒靠粘结荆或自身粘合而成。这 种多孔材料的气孔率较低，一般为2 0 3 0 左右。因为气孔率较低，为了提高气 孔率，常常结合其他方法，如结合添加成孔剂方法，在料中加入成孑l 剂即是能 在坯体内占有一定的体积，烧成、纤维、塑料等烧成时可以烧去的物质。此外， 可以通过粉体粒度配比和成：l 齐u 等控制孔径及其他性能。这样制得多孔陶瓷气 孔率可达7 5 左右，孔径可在微米与毫米之间。 7 气体发泡形成多孔结构。” 武汉理工大学硕士学位论文 可以在制各好的料浆中加入发泡剂：如碳酸盐、硫酸盐、氢氧化钠等，在 烧结过程中发生化学反应、在熔融体内产生气体而得到多孔结构陶瓷。该方法 适宜制造闭气孔的陶瓷材料。 8 化学沉积原位注凝法”“ 利用甲基纤维素的原位聚合特性，用含甲基纤维素的生物陶瓷水基料浆制 成高坯体强度的生物多孔陶瓷。该方法可制备出高气孔率、良好微观结构和易 切割的生物陶瓷生坯，但由于其周期长、料浆含水率高易造成干燥不均等问题。 1 4 2 多子l 生物陶瓷成型方法 1 注浆成型技术0 8 1 可分为空心注浆和实心注浆，前者也叫单面注浆。为了提高其注浆速度和 坯体的质量，又出现了压力注浆、离心注浆和真空注浆等新方法。该成型技术 特点：设备简单，对大小形状复杂的制品都适用，但劳动强度大，占地面积大， 生产周期长，不利于机械化和自动化操作，制品质量差，产量低。 2 热压铸成型技术“” 热压铸成型技术是制各高可靠性、复杂形状陶瓷部件的有效方法，它从根本 上变革了传统的陶瓷成型工艺，是一种低成本，高可靠性的陶瓷成型技术。随着 该技术的发展，陶瓷制备科学将被提高到一个新的水平，使陶瓷材料的应用前景 更加广阔。热压铸成型工艺由于其显而易见的优势在小型、复杂的产品类型以 及工业化生产中应用有较广泛的发展前景。 1 4 3 多子l 生物陶瓷制备成型方法的发展 尽管多孔生物陶瓷制备技术已从初期的摸索逐步进入了应用阶段，但仍有 很多问题有待解决。今后面临的主要挑战有i ”。q ：( i ) 多孔生物陶瓷的首要特征 是其多孔特性，多孔生物陶瓷的制备首要关键与难点就是形成多孔结构，即成 型。选择适当的方法和工艺可以得到合适的多孔生物陶瓷。单纯得到气孔率很 高的多孔生物陶瓷并不困难，但要控n ；f l 径及其分布、形状、三维排列等，目前 还很不理想，还需进行大量的研究与探索；( 2 ) 均匀、可控的三维连通、高显 孔率、高比表顽，并且大孔、小孔和微孔相结合的，可提供宽大的表面积和空 间，有利于细胞粘附生长、细胞外基质沉积、营养和氧气进入以及代谢产物排 6 武汉理工大学硕士学位论文 出，也有利于血管和神经长入和无生命生物材料向有生命物质转化的多孔结构 还得今后进行深入和大量研究；( 3 ) 为新生组织提供支撑，并保持一定时间直 至新生组织具有自身生物力学特性方面的研究工作还面临着很大的困难：( 4 ) 对于一定的实际应用必须使其同时具有相应的易加工性能，如提供适当的强度 和加工特性以便医生针对不同进行修剪和处理，所以在这方面的研究还得大大 加强；( 5 ) 为了增强多孔生物陶瓷性能和丰富其功能，多孔结构的生物化学修饰 与处理将是另一个研究热点；( 6 ) 目前多孔生物陶瓷的制备生产基本上还处在 实验化阶段或作坊式阶段，低成本、高生产率的工业化生产技术也是今后研究 的重点。 1 5 本课题研究的目的、意义和内容 多孔生物陶瓷的孔隙的尺寸、数量和分布是影响多孔生物陶瓷生物性能的 主要因素，但目前的各种多孔材料的制备技术与成型技术都存在很大的局限性： ( 1 ) 对孔隙的尺寸、数量和分布都无法做出较准确控制；( 2 ) 工艺复杂，操作 烦琐，生产率低，成本高，费时，难以工业化应用。所以急待研究开发一种新 的制备技术。 1 5 1 本课题研究的目的 本课题研究的目的是研究一种新的多孔陶瓷的制各技术，以便制备出具有 优良性能的多孔生物陶瓷。这种多孔陶瓷应该具有如下几方面的特点： ( 1 ) 高显孔率、高比表面积； ( 2 ) 大孔、小孔和微孔相结合，可提供较大的表面积和空间，有利于细胞 粘附生长、细胞外基质沉积、营养和氧气进入以及代谢产物排出，有利于血管 和神经长入和无生命生物材料向有生命物质转化的多孔结构： ( 3 ) 三维连通、大孔分布均匀可控，具有良好的渗透性； ( 4 ) 适用于制各复杂形状； ( 5 ) 易进行工业化生产。 1 5 2 本课题研究的意义 本文把有机泡沫微球作为成孔剂和热压铸技术结合起来，用来制备多孔材 武汉理工大学硕士学位论文 料在国内还属首次，该方法己申请了发明专利，发明专利公开号为c n l 4 5 4 8 7 1 a 。 该制备技术具有当前其他方法没有的两个突出优点：第一，通过本文发明技术 可以对孔的尺寸、数量和分布进行比较准确的控制，即通过有机泡沫微球成孔 剂的大小、含量及分布可以控制孔的尺寸、数量和分布；第二，该技术工艺简 单，成本低，生产率高，无污染，成品的形状容易通过模具的设计或通过对坯 体的预加工来获得，原材料易于获取等等这些特点使得该技术在工业化应用方 面具有其他方法所没有的优点。并且，其他非金属和有机物材料也可以采用本 研究技术制成可控多孔结构，从而可以满足结构和功能上不同需求。以该种技术 制成的高显孔隙率、孔三维连通可控的多孔材料将使其在减重、过滤、催化、 减震、分离等以及在石油、化工、宇航、冶炼、医药、环保、光电器件等领域 应用提到一个新的水平，并且能促进石油、化工、宇航、冶炼、医药、环保向一 个高水平高层次方向发展。并将对制各开发新型细胞支架材料和组织工程材料 大有作为，将产生重要的社会意义和经济效益。 1 ，5 3 本课题研究的内容 本课题是国家“8 6 3 ”计划研究项目：“新型可生物降解：可诱导成骨复合 材料的研究与开发”的重要部分，主要内容是采用有机泡沫微球作为成孔剂的 热压铸多孔陶瓷的制备技术来制备高显孔率、三维连通、高比表面积、形状易 获得的多孔生物陶瓷，并对其结构性能进行测试和表征研究。具体有以下几个 方面： ( 1 ) 以0 - t c p 陶瓷粉体为基体，加入生物玻璃为粘结剂，用聚苯乙烯泡沫 球为成孔剂，利用热压注成型技术经过配方选择，配制浆料、制坯、脱蜡和烧 结等工艺步骤制备多孔生物陶瓷。主要研究不同的配方、浆料性能、保温时间、 烧成温度和升温速度对多孔陶瓷的性能的影响： ( 2 ) 对多孔陶瓷的力学性能、渗透性和宏观及微观结构等测试和表征； ( 3 ) 大孔结构和7 l 隙率的可控性研究。 武汉理t 大学硕士学位论文 第二章技术原理、工艺实现过程及工艺路线h 胡 2 1 技术原理 热压铸成型技术是一种实用性很强的技术，它具有以下几个显著特点：( 1 ) 可适用于各种陶瓷材料，成型各种复杂形状和尺寸的陶瓷零件。( 2 ) 由于在热 压铸成型中，料浆是在一定的工作压力下，以流体的形式均匀填充模具的各部 位，根据流体力学的原理，模具型腔中各部位均受到相同的工作压力。即使形 状奇特的坯件，均能保证坯件中各部位组成十分致密、均匀成型坯体组分均匀、 密度均匀、缺陷少。( 3 ) 热压铸成型无粉尘、噪声的危害，大大改善了操作工 人的工作环境和降低了生产劳动强度。( 4 ) 成型工作压力为3 0 0 6 0 0 k p a ，仅为 同样尺寸粉压产品的压力的1 l o w l 2 0 ，热压铸成型机结构简单，维修方便，无 噪音，成本低，投资小、产量高，产品质量稳定的特点。( 5 ) 可对坯体进行机 械加工( 车、磨、刨、铣、钻孔、锯等) ，从而取消或减少烧结后的加工。由于 坯体的组分和密度均匀，因而在干燥和烧结过程中不会变形或变形很小，烧结 体可保持成型时的形状和尺寸比例。( 7 ) 所用陶瓷料为高固相( 体积分数不小 于4 0 ) 、低粘度( 小于5 p a s ) 。浆料的固相含量是影响成型坯体的密度、强 度及均匀性的因素，粘度的大小关系到所成坯体形状的好坏及浆料的排气效果。 这也是应用该技术的难点和能否成功的关键。这些突出优点使得该技术有着广 泛的应用发展前景。 将热压铸成型技术和有机泡沫微球作为成孔剂结合起来，是制造多孔生物 陶瓷的一种很好的方法。本文发明技术就是：( 1 ) 以有机泡沫微球( 如聚苯乙烯 泡沫球、聚氨脂泡沫球、聚氯乙烯泡沫球等等) 作为多孔材料的成孔剂，用熔点 为4 5 8 0 的石蜡( 切片石蜡、蜂蜡等等) 进行处理，使其能易分散于熔点为 4 5 - - 8 0 。c 石蜡( 切片石蜡、蜂蜡等等) 熔液中，然后加入陶瓷粉体( 粉体需经 表面处理，处理剂为聚乙二醇、油酸等等中的一种或几种) 混合均匀后，用热 压铸成型技术成型；( 2 ) 根据有机泡沫微球的大小( 球径大小为0 0 l m m 2 r a m ) 和配比及球与球之间接触面积的大小来控制孔径通道的大小：( 3 ) 根据 对多孔陶瓷的孔道大小及分布要求的不同来确定有机泡沫微球的大小及球交叉 排列规则( 可通过均匀混合来实现) 、有机泡沫微球与粉体的配比、有机泡沫微 9 武汉理工大学硕士学位论文 d , t d 烧结时的升温制度。该新技术将具有以下几个方面的突出优点： ( 1 ) 料浆是在一定的工作压力下，以流体的形式均匀填充模具的各部位， 根据流体力学的原理，模具型腔中各部位均受到相同的工作压力。故即使形状 奇特的坯件，均能保证坯件中各部位组成十分致密、均匀。故采用该工艺能够 很好地制备结构复杂，形状特殊，尺寸要求严格和精度要求高，机械性能好的 产品，体现其特有的优势。 ( 2 ) 石蜡( 切片石蜡、蜂蜡等等) 作为分散剂( 5 0 时熔成熔液作为骨 料分散剂) 和固化剂( c a 3 ( p 0 4 ) 2 + h 2 0 ( g ) + c o z ( g ) ( 3 ) 制得的c a 3 ( p 0 4 ) 2 即为0 t c p ( 1 3 - c a 3 ( p 0 4 ) 2 ) 粉末。 把制得的$ 一t c p 粉末进行x r d 分析，分析结果如图2 1 所示。 图3 10 t c p 的x r d 分析图谱 由图可知，成品的主晶相为b t c p ，其中混有少量的第二相a t c p 、羟 基磷灰石和c a o 。 对制成的p t c p 粉末，加水球磨1 2 个小时左右，然后测试其粒径分布， 测试结果如图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2b t c p 粉末的粒度分布 由图3 2 可知，经湿法球磨后的0 一t c p 粉末平均粒径在2 4p tm 左右，大 部分粉末的粒径分布在1 4 3 8 um 之间。另外，在湿法球磨前，b t c p 粉 末手感粗糙，在湿法球磨后，变得手感滑腻，这说明经过湿法球磨，b t c p 粉粒径大有改善。 3 3 2 生物玻璃的制备 3 3 2 1 生物玻璃粘结剂的必要性 b t c p 的生物降解性能与其溶解性能关系密切。生物陶瓷的物理形态 ( 如密实的或多孔的，大孔、小孔和微孔含量等) 是影响其溶解性能的重要因 素，另外生物陶瓷的组成、晶体结构和结晶程度也对其降解性能有重要的影响。 0 一t c p 的生物降解性能与其烧成温度关系密切，随着烧成温度的降低，b t c p 的晶体结构和结晶程度变弱，其溶解度逐渐增大，生物降解性能增强。因此， 为了提高生物陶瓷的生物降解性能，就要求尽可能降低烧成温度和提高材料的 显气孔率。但是，为了同时要保证生物陶瓷有足够强度，就得加入具有生物活 性的生物玻璃粘结剂来降低1 3 t c p 生物陶瓷的烧成温度，提高其强度。 3 3 2 2 生物玻璃的熔制 本研究采用固体一熔融淬冷法合成玻璃 5 ”。将c a c 0 3 ，n i - h h 2 p 0 4 ， ( m g c 0 3 ) 4 m g ( o h ) 2 5 h 2 0 ，n a 2 c 0 3 以一定比例混匀，加水配成浆料，排除c 0 2 与n h 3 气，将水蒸干，再经熔融、淬冷之后，得到c a o p 2 0 s 系列生物玻璃，然 后干燥，磨成粉末。 武汉理工大学硕士学位论文 塞j ：! 生塑堕堕塑堡童 盛坌旦2 q 2 盟丝q曼塑坠g q 含量( )5 0 6 0 2 0 3 0 1 5 3 0o 5 为了进一步减小生物玻璃粉体的粒径和改善其粒度分布，又考虑到生物玻 璃易水解，所以在粉体中加入无水乙醇来进行湿法球磨，干燥磨碎后，测得其 粒径大小和粒度分布如图2 3 所示。 图3 3 生物玻璃粉末的粒度分布 由图3 3 可知，经无水乙醇湿法球磨后生物玻璃粉末平均粒径在1 9 5 “m 左 右，大部分粉末的粒径分布在06 1 3 3i xm 之间。另外，球磨前生物玻璃粉末 手感粗糙，而球磨后，变得手感滑腻，这说明经过湿法球磨，粒径大有改善。 3 3 ，3b t c p 粉体和生物玻璃的处理及表面处理 由于p 磷酸三钙和生物玻璃粉体表面性能是亲水的，为了提高b 一磷酸三钙 和生物玻璃粉体在切片石蜡等有机溶剂里的分散性和浆料的稳定性，必须在配 制浆料前要对p 磷酸三钙和生物玻璃的粉体进行表面亲油处理。本研究选用油 酸作为表面处理剂。把制备好的一定配比的烘干了的b - 磷酸三钙和生物玻璃的 粉体先用干球磨罐球磨2 3 个小时，让其充分混合均匀，然后加入适量( 2 1 0 ) 的表面处理剂( 如油酸) ，再球磨4 6 个小时，打开后手工搅动混合几分 钟，然后再球磨1 2 个小时，如此反复3 5 次。 3 4 聚苯乙烯泡沫微球处理和石蜡的选取确定 本研究选用的有机泡沫微球为聚苯乙烯泡沫微球，从理论上来说，选其它 武汉理工大学硕士学位论文 类型的有机泡沫微球也是可以的，但应满足以下基本要求： ( 1 ) 容易制各或容易获取，微球的大小易于控制和选取； ( 2 ) 与骨料粉末、溶剂和分散剂等浆料的其它组分不发生化学反应，预 烧或烧结时易于全部排出且不易残留有害杂质，所放出的气体对操作人员和炉 子发热元件等不能有损害作用，或这种有害作用易于采用其他措施加以解决； ( 3 ) 软化点较高，比有机溶剂的熔点要高足够的程度，不易因浆料温度升 高而熔化，其大小形状等物化性能在浆料中热稳定性好。 由于切片石蜡具有在高温时石蜡熔液和粉体均匀混合形成的具有很好的流 动性和润滑性，低温时固态石蜡分子把粉体粘接成一定形状且紧密堆积的具有 一定强度的坯体的特有性能，成型时浆料具有很好的充模性，对模具损伤小， 在热压铸时所需压力小；得到的坯体强度好，成品的形状规格容易通过对坯体 加工来获得，这提高了产品形状控制的灵活性和简便性，并且易于制备各种复 杂形状的产品，所以在本研究中选择切片石蜡。事实上可以选用蜂蜡，但切片 石蜡价格便宜，仅为蜂蜡的二分之一左右，所以选用切片石蜡( 熔点为4 8 5 0 ) ，不仅效果更好，而且更经济，更有助于降低大规模生产的成本。可行性实 验研究表明，聚苯乙烯泡沫微球在不高于1 0 0 。c 的温度范围内长时间( 4 8 小时) 不溶于切片石蜡溶液中，并且切片石蜡熔液对聚苯乙烯泡沫微球有很好的浸润 性、具有良好的润滑性以及适当的粘性且易于和粉末均匀混合，尤其是切片石 蜡既作为分散剂( 5 0 。c 时熔成熔液作为粉体分散剂) 、又作为固化剂( 4 0 4 c 时 冷却成固态石蜡分子把粉体粘接成一定形状、紧密堆积的且具有一定强度的坯 体) 。 选择5 0 0 um 左右、2 0 0 3 0 0 um 左右的泡沫微球，用切片石蜡熔液充分浸 泡处理后有很好的分散作用。切片石蜡主要是平均分子量为3 9 4 的正构烷烃， 对聚苯乙烯泡沫球有很好的浸润性，用切片石蜡对聚苯乙烯泡沫球充分浸泡， 使其孔道充满石蜡，一方面增加聚苯乙烯泡沫微球的密度，另一方面防止以后 的$ 磷酸三钙和生物玻璃粉体侵入到聚苯乙烯泡沫微球的里面孔道里去，再有， 很大程度上增加了聚苯乙烯泡沫微球的相对硬度，这对保证孔的形状和孔结构 提供了很好的条件。 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 浆料的制备及性能分析 3 5 1 浆料的制备 根据不同的加料顺序，取一定的质量比的经表面处理过的聚苯乙烯泡沫球 和生物陶瓷和生物玻璃粉体( 质量比约为o 1 o 5 ：1 ) 与4 0 6 0 的切片石蜡熔 液( 质量百分比) 于5 0 c 9 0 c 处混合均匀，制成高固相含量浆料。 3 5 2 浆料的性能分析 3 5 2 1 浆料的流动性 1 浆料的流动性与切片石蜡添加量的关系： 由于切片石蜡在本研究中作用特殊：即其既在高温时作为分散剂，又在低 温时作为固化剂，所以，当在大于石蜡的熔点处，切片石蜡熔液必须有一个最 低的添加量才能保证浆料具有流动性，实验表明切