（材料加工工程专业论文）有机泡沫浸渍法制备多孔羟基磷灰石生物陶瓷的研究.pdf

佳木斯大学硕士学位论文 摘要 多孔羟基磷灰石生物陶瓷，是一种性能优异的人体硬组织修复材料。本文采用聚氨 酯泡沫浸渍法，添加生物玻璃( b g ) 作助烧剂制备多孑l 羟基磷灰石陶瓷。研究了陶瓷 浆料的流变性及不同玻璃添加量对多孔羟基磷灰石生物陶瓷机械强度、孔隙率的影响， 并讨论了多孔材料在模拟体液中的生物活性。通过分析聚氨酯泡沫的1 b d s c 曲线制定 烧结工艺，采用s e m 观察表面形貌，利用分析物相成分。 研究表明，本试验制各的陶瓷浆料的绝对粘度随剪切速率的增加而明显降低， 浆料的非牛顿行为显著。a 9 3 0 0 分散剂加入量对浆料的流变性有显著的影响。随着 分散剂含量的增大，浆料的粘度先减小，达到最低粘度后，又呈上升趋势。分散剂 含量为0 2 5 时，可有效地改善浆料的流动性，满足浸渍成型工艺的要求。 多孔陶瓷中加入b g 后，可通过液相烧结降低界面能，提高烧结动力学，使多孔试 样在1 2 5 0 烧成。不同含量的b g 的加入可将多孔h a 试样的孑l 隙率提高至7 0 以上， 使试样体内孔隙间能相互贯通，有利于新骨长入。当b g 加入量为6 、v c 时，产生的适 量液相起到抑制h a 晶粒长大作用；冷却过程中，玻璃相有在晶界附近富集的倾向，可 减少晶界上的内应力，降低系统的能量，使多孔陶瓷的强度达到最大值2 3 0 7 m p a 。加 入生物玻璃后的烧结体，其主晶相仍为羟基磷灰石相，保持了多孔材料的生物活性。 模拟体液浸泡试验表明，多孔h a 、多孔h a b g 表面均可形成缺钙的含碳酸根的 类骨磷灰石，说明两种材料均具有较好的形成类骨磷灰石的能力。表面类骨磷灰石形成 均是溶解、沉积、离子交换的过程，其中钙磷离子的浓度是影响材料表面类骨磷灰石层 的形成的关键因素。多孔h * b g 在s b f 的浸泡过程中，存在着生物玻璃中的n a + 、k + 等离子交换和s i 的渗出，这些过程会减弱h a 的稳定性，促进c 矿的溶解，故多孔 h “b g 具有比多孔h a 较快的溶解速率。 采用有机泡沫浸溃法制备的多孔羟基磷灰石陶瓷具有均匀的开孔结构，且孔隙相互 贯通，孔径分布范围2 0 0 岬砌肛m ，孔隙率达到7 0 ，孔壁上分布着丰富的由姒颗 粒堆积形成的微孔。多孔体里网状结构，类似于生物活体松质骨构架，有利于纤维组织 和骨组织的长入，作为骨组织工程支架材料具有广泛的应用前景。 关键词：有机泡沫浸渍法：多孔羟基磷灰石；生物玻璃；烧结；模拟体液 佳木斯大学硕士学位论文 s t u d y o nt h ep o r o u sh y d r o x y a p a t i t eb i o c e m m i c s p r e p a r e db ”h ep o l y m e r i cs p o n g ei m p m g n a t i o np r o c 伪s a b s 蛔c t p o m l l sh y d r o x ) ，a 删t ei sa 删t y p eo f b i o i l 枷c a lm 砷喇触l l s e dt or 印l a c et h eh a r dt i s s u e o fh u m a nb o n e hn l i sp a p p o r o u s 姆d r o x y a p 撕t eb i o c 蹦m i c s 材eo 比i j i l e db y 也e p o l ”俄h a n cs p o n 簪面即猡嘶o n ) c e s sw l i i c hb i o 西a s sw a sa d d e dt 0 孵出t e r i n ga d d i t i v e s t h er h e o l o 瘿c a lb e m v i o ro fc 啪觚cs l 嘶e sa n dm ee 髓c t so fm c 酉a s sa 蛐t i o no nm e m e c l l a i l i c a lp i o i e r 如s 锄dp o i o s i t yw e s t i 埘e d t h eb i o 删v i 够o fp ( d l l sm a c e r i a l so nm e s i n l u l a t c db o d y 州d s ( s b f ) 啪sa l s od i 9 咖s e d n es 蛐p m c e 蹬w 孙瑚d e b ym er g - d s cc u r v ea i l a l y s i so fp o l y u r e l h 锄e s u 舭em o 刑h 0 1 0 9 ya i l a l y s i sw a sp e 哟舯e d 埘m s c 枷n ge l e c 讯mr i l i c r o s c o p y ( s 踟缸l dp h a s ec o m p o n 即t sw e 他d l a r a c t e r i z e db yx m y d i m 孤t i o n ( x r d ) t h er e s i l l t sh a v es h o 州也a tl l l ea b s o l u t ev i s c o s i t yd e c r e a s c de v i d e n 廿y 谢mm ei f l c r e a s i i l g s h e a rv e l o c 时d l i c hi n d i c 硫dt l m t 吐l es l u r r i e sh a ds i 鲥f i c a n tn o n 埘e 、咖n i a nb e h a _ 、，i o r t h ea 9 3 0 0d i s p e 捌1 ta d d i t i o nh a d 黼1 积a b l e 础u c n c e so n 也er h c o l o g i c a lb e h 撕o ro fc e r 砌c s l 咖e s w i mn l e i n c r e a 豳g 锄o m to f m ed i 删m ev i s c o s 时d e 删瓤t l y a n dh a da t e n d e n c yt oi n c r 髓s ea n e i i tr e 甑【l g 也em i i l 砌v i s s i t y w h e nm ea f n o u l l to fd i s p e r 豫n ti s 0 2 5w 慌，m er h e o l o g i c a lb e l m ：v i o ro fs l i 】r r i e sw a si m p m v t 蛆e 丘b c 吐v 弓l yw 1 1 i c hc o u l dm e 毗m e n e e d so f i m p i 疑乒硼。小m o l d i i 增p i 仪船s a f h 也eb - 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g l a s ss a m m e s t l l i si i l d i c 砒c dl l l a tb o l l lt 、v om a l e r i a l sh a dg o o db o n e - l i k ea p a t i t e f b m 饿i o n 唧a c m e s t h ef b 锄崩o np m c e s so fb o 船1 i k ea p a t i t ei i l c l u d e dd i s s o l 砸o na 1 1 d 2 佳木斯大学硕士学位论文 p r e c i p i t a 廿o n 卸d i o l l i c e x c h 龇g e a m o u s tt l l er e s t ，t h ec a l c i 岫a n dp h o s p h a t ci o l l i c c o n c e 删o n 、a sm ec 尚c a lf h c t o r st l l a ti i l n m c e dt h ef o 肌a d o no f b o n e - 1 m ea p a t i t eo n 廿l e s 删f a c e ，b e c a l 】s et l l e r e 喇鼬e d 吐l en a 十柚dk 十e x c h a l l g ea 1 1 dp r i p i t 撕o no fs i ，t h e s ep m c e e d s 、o u l d 吧a k c nt l es t a b i l 时o fh y d 唧p a 右t e 趾dp m m o 把dt l ：i ed i s s o l 埘0 no fc a s om 6 p o r o u sh y d r o x y 印a t i t e 西a 龉h a d 觑池rd i s s o l i n i o n 撇et l mm ep o r o l l sh y d 0 x y 印a t e t h ep o r o i l sh y d r o x y 印a t i t e sp i 邙i a r e db y 吐l ep o l y i n 舒cs p l o n g ei i l l p r e 伊m t i o np r o c e s sh a d e a n 叩e n ，l l i l i f o r i i la n di m 即c o r m e c t e dp o r o u ss 劬孵t u r ew m lap o r es i z eo f2 0 0 m - 4 0 0 岬a n d i l i 曲p o r o s 时o f7 0 t h e r ca d s 刚出d a n tr n i 铽) p o m sa c c 岫u l a t e db yh y d r o x y a p 撕t e 舯i 璐o nm ep o r ew a l lm o r e o v e r m ep o r o u sb o d yh a d 山es l a p co fc o r a ls 蛐t oc o m c a l b o n es 蚋j c t l l r eo fb i o a g t i v eb o d yw 场c hw 勰c 0 1 l v e l l i e n tf o rf i g e rt i s s u e 砒l db o n et i s s u et og m w i n t o n e r e f o r e ，i tw o u l dl l a d 嘣锄i v e 触g r o u n du s e da sb o n cd s s u cc r d g 锄gs c a 肋l d m a l e 而a l s k e yw o r d s ： p o 坶m e r i cs p o n g ei 童n p 代驴柏np m c e 瞒，p o m 骷h y d r 0 碍a p a t i t e ， b i o g l a s s ，s i n t e 山g ，s i l n l i l a t e db o d yn u i d 3 独创性说明 本人郑重声明：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。 签名：l 导也日期：上剃。：；“7 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，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循此规定) 佳术斯大学硕十学位论文 1 1 引言 随着科学技术的飞速发展和人类生活水平的不断提高，人类寿命得以延长，如何改 善康复治疗水平来提高患者的生活和生命质量受到了重视和关注。生物医学工程的快速 发展为实现这一需求提供了可能，其研究的焦点一直集中在对生物医用材料的探索上。 生物医学材料是指一类具有特定功能和特殊性能，用于人工器官、外科修复、理疗康 复、诊断、治疗疾患等，且对人体组织、生理生化不会产生不良影响的材料 1 】。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。人工骨、人工关节及人工种植 牙等人体硬组织替换材料，由于应用颐广、需求量大，已成为各国开发研究的热点，制 品及产业化的速度很快，是生物材料研究的重要内容之一引。 我国是一个具有十几亿人口的大国，据民政部报告，我国仅肢体不自由患者近1 5 0 0 万，其中残疾约7 8 0 万；全国每年骨缺损和骨伤患者近3 0 0 万；牙缺损和牙缺失患者人 数达总人口的1 5 - l ，3 ；2 0 0 0 年，我国人口中6 5 岁以上者达7 4 ，2 0 4 0 年将高达2 1 4 。可见在我国开展硬组织修复研究肯定有重大的社会意义和巨大的经济效益1 3 】。 人体骨组织的缺损，特别是骨髓炎、骨肿瘤、骨囊肿等手术切除，以及创伤引 起的较大面积的骨缺损，严重影响了人体骨组织的生理功能。骨缺损的手术治疗， 用适当的骨填充材料修复缺陷，是快速恢复病态的或创伤性的骨缺损组织生理功能 的有效方法【4 j 。 长期以来，骨修复材料主要采取自体或异体骨移植物。在美国每年约有1 0 万到 2 0 万自体或异体骨移植的病例垆】。自体骨易被患者接受，是骨填充的理想材料，但 来源有限，还需要二次手术；异体骨取材简单，但可能存在免疫排斥反应和潜在疾 病传播等问题，脱蛋白骨的成骨活性较弱，陶瓷骨无诱导成骨活性等均限制了其广 泛临床应用【6 7 】。所以，随着外科技术和医疗水平的不断提高，对于合成的骨替代材 料的需求不断增加。临床上越来越广泛地采用人工制备材料作为硬组织修复材料。 在美国每年的骨修手术中约8 0 需植入人工骨材料捧j 。 在众多的骨修复材料中，以羟基磷灰石为基的生物陶瓷及其复合材料由于良好 的生物活性及相容性而备受关注。目前最主要的生物活性硬组织修复和替换材料， 基本上是以羟基磷灰石为基的生物陶瓷及其复合材料。由于骨组织的多孔结构，使 其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使血液流通，保证了骨组织的 佳木斯火学硕士学位论文 正常生长代谢，因此近年国内外学者对钙磷陶瓷人工骨，特别是对多孔羟基磷灰石 的研究十分活跃，成为骨修复领域研究的热门课题【9 】。 1 2 人体硬组织修复材料 1 2 1 人体硬组织修复材料发展 在公元前，人们就不断探索利用柳条、象牙等天然材料来修复骨和牙的缺损。十九 世纪开始应用金属板针固定骨折，此法一直沿用至今【1 0 1 。1 8 9 4 年d i 踟m 用熟石膏作 为骨替换材料。1 9 3 7 年丙烯酸树脂的应用标志着高聚物作为替换材料的开始。七十年代 以来，一些接近惰性的材料开始应用于临床，包括氧化铝陶瓷、碳素材料等。1 9 6 9 年， l l h e n c h 研制出生物活性玻璃，标志着“生物活性”这一核心概念的形成，为无机生物 材料的发展开辟了崭新的道路【l ”。j 砌。在1 9 7 6 年研制羟基磷灰石( h a ) ，c o r i e l l o 研究了p 磷酸钙( p t c p ) 陶瓷，磷酸钙陶瓷目前已经是各国学者研究的重点【1 2 13 1 。磷 酸钙骨水泥的出现拓展了磷酸钙陶瓷的制备和成型方法【1 4 】。2 0 世纪八十年代以来，人们 开始研究活性材料与具有生理活性的大分子复掣”】。 2 0 世纪九十年代硬组织修复的新兴方向骨组织工程开始崛起。组织工程包含 三个重要因素，即支架材料、种子细胞及培养手段。它体现了生物材料今后发展的趋 势，与生命科学结合越来越紧密。骨组织工程显示了令人瞩目的前景，对作为支架的生 物材料也提出了相应的要求。支架材料将起着支持细胞生长、维持体系强度的重要作 用，是整个培养体系的框架，因此，硬组织修复材料己将骨组织工程支架材料作为主要 研究内容【坶1 8 j 。 1 2 2 骨修复材料的分类 目前用于骨修复的生物材料，按照材料属性可分为以下四种：无机非金属材料、生 物医用金属材料、医用高分子材料、医用生物陶瓷材料、医用生物复合材料i 嘲。 1 2 2 1 医用金属材料 在骨修复材料中应用最早就是金属材料。金属和合金以高强度、耐疲劳和易加工等 优良性能，在l 临床上占有重要地位。目前，在需承受较高载荷的骨、牙部仍将其视为首 选的植入材料。最重要的应用有：骨折内固板、螺钉、人工关节和牙根种植体等幽川。 其常用的骨修复材料有不锈钢( 铁基合金) 、钴基合金和钛基合金田l 。但是医用金属 材料的结构和性质与骨组织相差很大，通常不像生物活性材料那样与骨组织发生化学键 性结合。而且金属材料在体液作用下，能持放出金属离子，这些释放物本身不具有亲和 性，也不能参加生物组织的正常代谢。生物组织对其会产生排斥反应，在材料周围形成 2 佳术斯大学硕士学位论文 纤维包裹物，随着时间的延长，释放的离子或单体增多，纤维包裹层也逐渐增厚，并逐 渐致密化、钙化，甚至导致纤维样瘤形成，同样伴随积液、炎症及坏死等排异现象等， 并且绝大多数医用金属弹性模量较骨过高，易造成骨应力吸收，引起种植体松动 2 3 2 4 。 1 2 2 2 医用高分子材料 用于硬组织修复的高分子材料可分为人工合成聚合物和天然高分予材料两类。天然 高分子材料包括胶原( e o l l a g e n ) 、纤维蛋白( f i 蜥n ) 、几丁壳( 出曲) 和藻酸盐 ( 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 殖和分化等特点，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【2 5 j 。其中几丁壳和藻酸盐多用于骨水 泥及组织工程支架材料，胶原和纤维蛋白作为细胞外基质材料多用于骨组织工程中。但 是胶原和纤维蛋白凝胶都存在天然材料共有的缺点，如缺乏机械强度、大量获取困难、 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。胶原还存 在生理学性质不稳定和外来胶原引起的免疫反应等问题【2 ”。 合成聚合物可分为人工合成不可降解聚合物和可降解聚合物两类。不可降解聚合物 有聚乙烯等，一般不单独使用在骨修复中。可降解聚合物主要有聚乳酸( p l a ) 、聚乙 二醇酸( p g a ) 、聚偶磷氮( p o p h o a z 锄e s ) 、聚原酸酯( p o l y o r 血0 d e s t c lp e 0 ) 、聚己 内酯( p 0 1 y c a p m l a c o n e ，p c l ) 、聚酯尿烷( p o l y c s c e n l e t h a n e ) 、聚酸酐亚胺共聚物 ( p o l y a n h y 出d e c o i l l l i d e s ) 、聚羟丁酯( 删y h y d r o x y r a t e ，p 皿) 等例。其中p l a 、p g a 及其共聚物是应用最为广泛的硬组织修复用可降解生物材料，但在应用过程中也发现不 少缺点：机械强度不足，尤其是抗压强度不足：降解速度过快，容易引起材料结 构失去支撑作用；引起无菌性炎症，这可能与聚合物降解过程中产生酸性降解有 关：亲水性差，细胞吸附力弱；h a 、p g a 及其共聚物中残留的有机溶剂的细胞 毒性作用和可能引起的纤维化以及与周围组织的免疫反应等口叩”。 1 2 2 3 医用生物陶瓷材料 用于骨修复的生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷两大类。 生物惰性陶瓷主要包括a 1 2 0 3 、趵2 等一些氧化物陶瓷和碳材及s i c 等一些非氧化 物陶瓷。高密度氧化铝( 姒1 2 0 3 ) 是最早被应用于临床的生物陶瓷，具有良好的力学性 能( 高强度、优良的抗腐蚀性和耐磨性) ，但其弹性模量较骨过高：9 9 7 高纯氧化铝 弹性模量为3 5 0 g p a ，而人骨的弹性模量只有5 3 0 g p a ，所以其力学相容性较差【3 2 】。 z r 0 2 是具有高的常温抗弯强度和断裂韧性的生物材料，常作为种植体。它的生物相容性 3 佳木斯大学硕士学位论文 与氧化铝相似，高温化学稳定性比氧化铝好。但生物惰性材料植入后，由于免疫排斥作 用，机体组织和材料界面处会形成纤维层，从而导致植入物松动、脱落田j 。 生物活性材料的概念是由h e n c h 提出的，按其定义生物活性材料是一类能在材料界 面诱发特殊生物反应的材料，这种反应导致组织与材料之间形成键合p 4 】。生物活性陶瓷 包括表面活性生物陶瓷和可降解生物陶瓷。这类材料的组成中含有能够通过人体正常的 新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基( o h ) 等基因。它们的表面同人体组织间可通过形成强的化学键达到完全亲和。因此，生物活 性陶瓷可作为身体渗入或取代的支架和空位填补体。这类材抖包括生物活性玻璃和玻璃 陶瓷、磷酸钙类陶瓷和可降解或可吸收陶瓷以及这类材料对金属修复体的涂层复合材料 【3 5 】。 ( 1 ) 生物活性玻璃和玻璃陶瓷 生物活性玻璃和玻璃陶瓷，最显著的特征是在植入后，表面状况随时间丽动态变 化，表面形成生物活性的碳酸羟基磷灰石( h c a ) 层。h c a 层为组织提供了结合界面， 由于h c a 相的比学组成和结均与骨中的无机相相同，故能使界面键合【3 6 】。 生物活性玻璃陶瓷是由生物活性玻璃控制晶化而制得的多晶固体。晶化就是在仔细 制定的熟处理制度下控制玻璃的成核与生长1 3 ”。大多数生物活性玻璃的组成为s i 0 2 、 n a 2 0 、c a 0 和p 2 0 5 ，它们各自占不同比例。 与传统的钠钙硅玻璃体系相比较，生物活性玻璃有三大关键组成特征：s j 0 2 含量 小于6 0 ( 摩尔分数) ；n a 扣和c a o 含量高：c a o p 2 0 5 比例高。这些组成特性，使 得玻璃暴露在液体介质中时，其表面具有高的反应性口4 ，3 羽。这类玻璃或玻璃陶瓷，通常 被命名为b i o g l a s s 。b i o g l a s s 4 5 s 5 的、v 懦为：s i o l 2 4 5 ，n a 2 0 2 4 5 ，c a 0 2 4 5 和p 2 0 5 6 ，s 代 表网络形成剂，c a o 伊2 0 5 比为5 ：l 。c a o 佻0 5 比低，与骨不键合。用5 、v c 9 6 1 5 、础的 b 2 0 3 取代4 5 s 5 玻璃中的s i 0 2 或用1 2 ，5 w t 的c a f 2 取代c a o 或热处理生物活性玻璃，使其 形成玻璃陶瓷，对材料形成骨性结合具有不可估量的影响。然而，加入小于3 w 瞒的 2 0 3 到4 5 s 5 玻璃中。将阻碍其与骨键合【3 8 】。 硫c h 等刚研究了s i 0 2 n a 2 0 c a o 和p 2 0 5 系玻璃及玻璃陶瓷骨和软组织结合的组分关系。在四组分体系中p 2 0 5 均为6 础，所得 s i 0 2 一n a 2 0 c a o 三元相图如图1 1 所示。 图中区域a 内，玻璃与骨形成化学键，区域a 称为活性骨结合区。在区域b 内的玻璃 ( 如窗、瓶或显微镜玻璃) ，表现为接近生物惰性的材料，植入后被非连续性的纤维组 织包围。在区域c 内的玻璃，植入1 0 天或1 0 天后被吸收和消失。区域d 内的玻璃，技术 上无实际意义，未进行过作为植入体的实验。在区域a 内，中部有一小区域( 从外到内 d 佳木斯大学硕士学位论文 第三范围) 的玻璃植入后，软组织的胶原组分要强烈的黏附在活性硅酸盐玻璃上，也发 生与软组织结合的反应，被非连接性的纤维组织包围1 3 9 1 。 图1 1n 恕d _ c a o - s 的2 体系相平衡图 与骨键合的还有低碱( n a 2 0 ，k 2 0 含量为0 5 、v 雠) 生物活性硅酸盐玻璃陶瓷，称 为c e m v 蹦玻璃陶瓷，例如g i d s s 等【舳】研究的i cc e 瑚【v 眦和k g sc e r a v i t a l 、k g v 2 1 3 c 啪v i t a l ，发现加入少量仙0 3 、s b 2 0 3 或加2 会抑制骨性结合，而由磷灰石 ( c a l o 口0 4 ) “0 h ，f ) 2 ) 和硅灰石( c a o s i 0 2 ) 晶体组成的氧化硅一磷酸盐和剩余的氧化硅玻 璃态基体两相玻璃陶瓷称为a - w 玻璃陶瓷( a - 、7 托配) ，也与骨键合。加2 0 3 或t i 0 2 到a w 玻璃陶瓷中，也会抑制骨性结合，而加入一个第二磷酸盐相旷磷钙矿( 3 c a o p 2 0 5 ) 就 不会发生抑制。 另一类含金云母州a ，k ) m 9 3 ( 越s i 3 0 1 0 ) f 2 和磷灰石c a l o p 0 挑( o h ，f ) 2 的磷硅酸盐多相 生物活性玻璃陶瓷，甚至组成中有a 1 存在时，也与骨直接结合。灿 掺合到晶相中而不 改变材料的表面反应动力学。在这类玻璃陶瓷中，金云母相使玻璃陶瓷具有可切削性， 磷灰石相赋予生物活性，称为可切削性生物活性玻璃陶瓷。通过控制析晶可形成一种新 型可切削玻璃陶瓷。氟金云母相呈卷曲状，称为“卷曲形( 曲b a g e s h a p e d ) ”。这种 材料的可切削性，是含平板形云母玻璃陶瓷的4 5 倍，可用一般金属加工工具加工。其成 分为s i 0 2 “5 ，a 1 2 0 32 9 9 9 6 ，m 9 0 11 8 9 6 ，c a 0 0 2 ，n a 2 0 4 4 ，k 2 0 4 9 9 6 ，p 2 0 5o 2 ， f 2 2 。 ( 2 ) 磷酸钙生物活性陶瓷 磷酸钙陶瓷( c p c ) 是生物活性陶瓷的一大类生物医学材料。目前研究和应用较多 的是羟基磷灰石( h a ) 和磷酸三钙( t c p ) 。众所周知，自然骨和牙齿的是由无机材料 和有机材料有机地结合在一起的复合材料。其中无机相大部分是羟基磷灰石( h a ) 结 晶，还含有c 0 3 ”、m 萨+ 、n a + 、c 1 、f - 等微量元素，此外有机物质的大部分是纤维性 一5 佳木斯大学硕士学位论文 蛋白骨胶原。在骨质中，h a 大约占6 0 9 6 7 0 ，它是一种长度为2 0 i l m 一4 0 n m ，厚度为 1 5 m 一3 n m 的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。齿骨的结构也类似于自然 骨，但齿骨中羟基磷灰石的含量更高，可达9 7 9 6 【4 2 】。 羟基磷灰石的化学式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ，密度3 1 6 9 c m 3 ，折射率为1 6 4 1 6 5 ，莫氏硬度为5 。烧结的h a ，一般不溶于水，呈化学中性，在盐酸、硝酸、磷 酸等强酸或中强酸中可被逐渐溶解，在弱酸和体液中可微溶，耐乳酸腐蚀性能与人 体硬组织相近。合成的羟基磷灰石在水中的溶解度比烧结的羟基磷灰石略高。离子 交换能力强，c a 2 + 容易被c d 2 + 、h 9 2 + 等公害金属离子和s p 、b a 2 + 、p b 2 + 等重金属离 子置换。0 h 也常被f 置换，而且置换速度非常快。还可以与含有羟基( c 0 0 h ) 的 氨基酸、蛋白质、有机酸等反应【4 3 1 。 h a 属于p 6 3 m 空间群的六方结构，晶胞尺寸为a = b = o 9 4 2 n m ，c = o 6 8 8 m 。h a 理 想的质量分数为：3 9 9 c a 、1 8 5 p 和3 3 8 o h ；相应的c a 伊原子比为1 6 7 。h a 的晶体结 构和结晶行为对离子种类的取代性质和排序有密切的依赖关系。 存在于自然骨中的磷灰石称为骨磷灰石，是一种晶体结构不完善的非化学计量 比的h a ，c a p 原子比小于1 6 7 。由于其结构中沿六方轴存在一个“隧道”，其中 的离子易被其它离子替换，因此，骨磷灰石结合有少量的碳酸根、氟、镁、钠及柠 檬酸等离子。羟基磷灰石的晶体结构如图1 2 所示，图1 2 a 表示h a 投影在( 0 0 1 ) 面的晶胞结构1 4 ，图2 1 b 显示( 1 0 0 ) 面上h a 的原子排列【4 3 】。从图1 2 b 可看 出，晶胞中的c a 2 + 有两种不同的位置c a i 及c a i i 。c a i 沿着c 轴呈上下直线排 列，而c a i i 则围绕c 轴形成c a 2 + 的正三角形。这种c a 2 + 的三角形一边相互围成 6 0 。旋转，一边向c 轴方向堆积。o h 处在从c a 2 + 的三角形中心向c 轴方向稍稍 偏离的位置上。磷被4 个氧包围，形成四面体，p 0 4 3 四面体的变形很小，几乎是正 四面体。c a i i 位置对于h a 吸附有机物质是至关重要的【4 3 ，4 5 1 。 h a 生物活性陶瓷具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还能传导 骨组织生长，即新骨可以从h a 植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔 隙攀附生长】。h a 生物陶瓷是典型的生物活性陶瓷，植入体内后能与骨组织在界 面上形成化学键性结合。它与骨形成键台，在光学显微镜水平下，新骨和h a 植入体 在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；h a 植入体一骨界面的结合强度等于甚 至超过植入体或骨自身的结合强度，如果发生断裂，往往是发生在陶瓷或骨的内 部，而不是在界面上；h a 植入体骨界面的高分辨率透射电子显微镜照片显示， 新生骨中盐晶体系由植入体中晶粒外延生长形成f 4 6 ，47 1 。 6 佳术斯火学硕士学位论文 图1 2h a 的晶体结构 ( a ) h a 投影在( 0 0 1 ) 面上的晶胞结构： ( 1 0 0 ) 面上h a 的原子排列 h a 生物陶瓷和骨键接的机制是通过植入骨内后，由成骨细胞直接在其表面直接 分化形成骨基质，产生一个宽为3 岬一5 岬的无定形电子密度带，胶原纤维束长入此 区域和细胞之间，骨盐结晶在这个无定形带中发生。随着矿化成熟，无定形带缩小 至0 0 5 岬一0 2 岬，h a 植入体与骨的键合是通过这个很窄的键接带实现的。羟基磷 7 佳木斯大学硕士学位论文 灰石植入体和骨之间的弹性模量差异很大，所以这层键接带的弹性模量梯度非常高 4 引。但由于h a 的脆性和生理环境中的疲劳破坏，使其还不能用作承载力大的骨替 代材料。它主要用于如口腔种植、颌面骨缺损修复、耳小骨替换、脊椎骨等机械强度要 求不高的替换部件。 1 2 2 4 生物医用复合材料 生物医用复合材料是针对单一相材料性能上的局限性而设计制造的，由于其兼顾了 各种材料间的性能，因而可以说生物医用复合材料比单一组分材料有更大的优越性。自 然骨材料也是一种复合材料，不过其各相成分在结晶形态、有序取向、空间分布有更精 细的组织结构。研制生物医用复合材料大致可归纳为三种不同类型的设计目标：利用 生物陶瓷第二相组分有利的组织反应：利用生物陶瓷材料作为第二相获得满意的强度 和刚度；为组织修复再生合成非永久性支架材料。 从生物医用复合材料研究发展看目前主要涉及到如下几种系统问的复合： 队一生物玻璃系统，用于改善材料的机械强度： 磷酸三钙一高强惰性生物陶瓷系统，兼顾生物反应性和机械性能； 生物玻璃一高强惰性生物陶瓷系统，保存生物活性并提高强度和韧性； 舱一磷酸三钙系统，调控生物活性和生物降解性； 陶瓷一有机聚合物系统模拟自然骨系统，调控生物降解性能； 陶瓷一金属系统兼顾生物相容性和机械性能。 生物医用复合材料可兼具生物相容性好、机械强度高、在人体内强度降低小、杨氏 模量低、不发生排斥反应、高可靠性、高功能性等优点。h a 与生物玻璃复合使其与骨 组织的结合强度比单一h a 材料有显著提高，得到的高强度烧结体的抗弯强度为 2 0 6 h 口a 。此外还有碳纤维增强碳材料，生物玻璃与a 1 2 0 3 或加2 氧化铝纤维或碳纤 维增强的硅橡胶、聚甲基丙烯酸甲醋( m 口i ) 、超高分子量聚乙烯；用碳纤维和有机 纤维增强的聚合物、多孔性乙烯、生物活性陶瓷粉填充的聚乙烯、聚乳酸、胶原、明胶 等；不锈钢纤维增强的骨水泥等。利用不锈钢增强的生物活性玻璃，可以使强度比单纯 玻璃大8 倍，而断裂韧性比单纯玻璃高几个数量级。在生物玻璃中加入氧磷灰石、氟磷 灰石或b 磷酸三钙可使弯曲强度提高2 5 倍。在孙心d a 中加入h a 的研究结果表明， 加入5 h a 的复合材料具有更快的稳定化速度、蠕变性能显著改善，并可以提高断裂应 力2 0 ，弹性模量也有提高，还降低了m 仰d 的最高聚合化温度10 9 6 1 5 1 4 9 1 。 一8 佳木斯大学硕士学位论文 l - 3 多孔h a 生物陶瓷 1 3 1 多孔h a 结构的优越性 生物骨组织的多孔结构，使其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使 血液流通，保证了骨组织的正常生长代谢。多孔羟基磷灰石含有适当尺寸孔隙并占有一 定体积分数，具有较大的比表面积利于活性组织长入移植材料内，使植入材料与宿主 组织有更大的接触面及更强的稳定性，是一种性能优异的硬骨组织替代材料1 5 0 】。 致密h a 植入体内后，新生组织不能长入h a 内部，仅在表面形成骨质。当多孔 h a 植入体内后，能使界面处的软硬组织都长入到孔隙内，形成纤维组织与新生骨组织 交叉结合的状态，这种界面能够保持正常的代谢关系，并具有生理性结合的特点【6 ”。此 外，由于多孔而降低了h a 材料的刚性，使其接近机体组织的弹性模量，有利于界面应 力的传导，符合界面力学要求。使界面能保持稳定，从而提高种植效应【5 2 1 。美国的生物 玻璃发明者 h l c h 认为1 5 3 1 ，这样的结构可大大降低界面上的应力，是今后解决界面问 题的一个有效方法。 从植入的角度看，由于多孔的h a 在与天然骨逐渐结合在一起后，天然骨从多孔h a 的孔隙中侵入并与其逐渐融合，植入的h a 强度和韧性无疑会越来越与自然骨相近。而 自然骨与h a 比较，其强度、韧性都比羟基磷灰石好。所以从这个角度看，尽管多孔 h a 的初始强度较低，但植入生物体后，随着植入时间的延长，植入体与自然骨组织的 融合度增加，其强度也会有很大的提高，有利于作为植入体的h a 与周围组织相匹配， 提高了生物相容性唧l 。 1 3 2 多孔h a 的生物降解性 有研究发现多孔h a 具有生物降解性。在人体生理环境下，多孔h a 会发生物理化 学溶解，或在晶界等活性较高的区域发生化学变化而分解成较小的颗粒，此外一些生理 因素的影响都会使多孔h a 发生降解。另外，材料的多孔结构使接触面积增大，加速了 降解过程。材料结晶度的下降、晶粒尺寸的减小及c 0 3 2 。，m 矿+ ，s r 等杂质离子的存在 都可以加速多孔h a 的降解速度1 5 ”。 1 3 3 多孔h a 的力学强度 强度是多孔h a 陶瓷的一个重要性能，单纯的多孔h a 陶瓷强度低，韧性差，因此补 强增韧是生物陶瓷的研究核心。发展多孔生物陶瓷，利用新骨长入及贯通孔隙并最终结 合为重建骨的体内增强方式，是多孔h a 补强增韧的根本途径，但重建骨的形成需要时 间，在重建骨未形成之前，为使种植体尽快代行骨的功能，必须赋予其一定强度。既要 一9 佳术斯大学硕士学1 ： ) = 论文 保持多孔结构又要提高强度，对单一材料来讲这两个要求相互矛盾。因此对于多孔 h a ，其补强增韧成为急需解决的新的难题郾】。 1 3 4 多于l h a 制备 h a 的制备方法主要有湿法和固态反应法。在此基础上人们对多孔羟基磷灰石进行 了广泛的研究，发明了一系列制备方法，主要有有机泡沫浸渍法、添加造孔剂法、有机 骨架复制法、快速成型法等。 1 3 4 1 有机泡沫浸渍法 s c h 啪r 咖r a l d e r 等在1 9 6 3 年首先提出泡沫塑料浸渍泥浆高温处理法制备多孔陶瓷 ”。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，然后在高温下 燃尽载体材料而形成孔隙结构。典型工艺过程如图1 3 ： 图1 3 泡沫塑料浸溃泥浆高温处理法制各多孔陶瓷流程图 自从s c h w 删d e r 发明该方法以来，经过不断改进与发展，已用于制备多孔 h a 。清华大学口8 j 将合成的h a 混合粘结剂、增韧剂、去离子水等调制成陶瓷浆料，将 处理好的聚氨酯泡沫浸入陶瓷料浆中，等泡沫完全浸渍后取出，用压轮机或离心机将多 余料浆压出，并破坏料浆膜，使成形体组织结构均匀。在空气中自然干燥后，以小于1 m i i l 的速度升温烧成，使泡沫挥发，制成平均孔径为2 0 0 肚m 3 0 0 岬，孔隙率在7 0 8 0 的多孔h a 。 l - 3 4 - 2 化学发泡法 化学发泡法是将在较高温度能够分解，产生气体或发生化学反应产生气体的化学物 质与h a 粉体浆料混合成型，在一定温度下加热处理发泡，再烧结产生大孔陶瓷。要求 成孔剂和发泡剂的残留物，不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的水洗可以除 去。 常用的发泡剂是过氧化氢( h 2 0 2 ) ，利用h 2 0 2 分解产生气体而形成多孔h a ，以聚 乙烯醇等水溶性聚合物为粘结剂。e i l l 等【5 9 1 将含2 聚乙烯醇与4 过氧化氢的水溶液 与羟基磷灰石粉末混合，制成浆料，以缓慢的速度升温至8 0 并保温4 小时，使过氧化 氢分解，经低温预烧和高温烧结，制得孔洞贯通性良好的多孔羟基磷欲石陶瓷。但由于 - l o 佳木斯大学硕士学位论文 h 2 0 2 的分解有一定的速度，受温度、料浆粘度影响，因此控制生成的 认的孔贯通性较 难，另外此法得到的孔洞大多是封闭的。 1 3 4 3 添加造孔剂 该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂，利用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶 瓷体中留下孔隙。利用这种工艺可以制得形状复杂、气孔结构各异的多孔制品。但制品 气孔率不高，且气孔分布均匀性差【砷】。 m o l i u 【6 1 l 制备了多孔羟基磷灰石模拟自然骨组织。成孔剂采用o 0 9 3 m m ， 0 1 8 8 m m ，o 4 2 m m 直径的p v b 颗粒，体积比4 2 _ 6 1 ，与h a 粉末均匀混合后，制成 压坯，5 0 0 去除p v b ，1 2 0 0 烧结。结果表明，成型压力和烧结时间对孔壁微观组织 和孔隙分布影响很大，烧结后的孔隙尺寸比p 颗粒尺寸小l o 。 1 3 4 4 水热热压法 将化学计量的氢氧化钙和磷酸氢氨置于高压釜中，在一定的温度、压力下水热热压 发生反应，产生的n h 3 形成多孔h a 中的大孔。压出的坯体具有5 1 的相对密度，开口 气孔率达4 0 ，抗压强度为1 5m p a 1 5 0 2 0 m 酽a ，孔径为1 0 0 m 一5 0 0 岬，在1 0 5 0 的 空气中烧结3 小时后，红步 谱分析表明羟基仍存在，说明h a