（材料加工工程专业论文）多孔ha和haβtcp骨架与mg合金复合材料的制备与表征(1).pdf

多孔h a 和h a i b - t c p 骨架与m g 合金复合材料的制各与表征 摘要 本文采用c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 为湿法合成的反应物，通过控制c a p 初始 比和反应过程中的p h 值来合成h a 和h a i b t c p 浆料，并向浆料中加入一定量的分散 剂和粘结剂后，采用有机泡沫浸渍法制备不同孔径的多孔h a 和h a o t c p 骨架材料。 最后向不同孔径的多孔h a 和h a o t c p 内吸铸镁合金来制备h a m g 1 c a ，( h a o t c p ) m g 1 c a 和( h a p t c p ) m g 3 z n 1 m n 复合材料。通过扫描电镜( s e m ) 、x 射线衍 射仪( ) 、光学显微镜、精密影像测量仪、万能材料实验机和电化学工作站等分析 测试手段，测试了多孔h a 和h b t c p 的孔隙率、孔径和压缩性能，并研究了多孔 h a 和h a b t c p 的孔径大小对复合材料组织、压缩性能和耐腐蚀性能的影响。 对多孔h a 和h a p t c p 的研究表明，由5 0 p p i 和6 0 p p i 聚氨酯泡沫采用浸渍法烧 结得到的多孔材料平均孔径分别约为o 8m m 和0 41 1 1 i i l ，属于贯通性开孔结构且孔隙率 都在9 0 左右，孔径为0 4 m m 的多孔h a p t c p 的抗压强度最高可以达到0 5 m p a 。 对h a m g 1 c a 和( h a p t c p ) m g 1 c a 复合材料的研究表明，由孔径为0 4 r a m 多 孔材料制备的复合材料的抗压强度高于由孔径为0 8 m m 多孔材料制备的复合材料， ( h a p t c p ) m g 1 c a 复合材料的塑性比h a m g 1 c a 的好。两种复合材料在h a n k s 模拟体液浸泡过程中，体液的p n 值变化趋势是先快速上升后缓慢上升直至基本稳定， 其中由孔径0 8 m m 的h a p t c p 制备的( h a p t c p ) m g 1 c a 复合材料的变化最慢， 且失重速度也是最慢的，进一步说明其抗腐蚀性能最好。 对( h a p t c p ) m g 3 z n - l m n 复合材料的研究表明，由孔径为0 4 m m 的比由孔径 为0 8 m m 的多孔h a b t c p 制备的复合材料的抗压强度高，但由孔径为0 8 m m 的多孔 h a p t c p 制备的( h a p t c p ) m g 3 z n 1 m n 复合材料的抗压强度也达到了1 8 0 m p a 。 电化学极化曲线和模拟体液浸泡实验结果表明，由孔径为0 s m m 的多孔h a p t c p 制备 的( h a o t c p ) m g 3 z n 1 m n 复合材料的p h 值变化最慢，且失重速度最慢，说明其抗 腐蚀性能最好，适合作为生物医用材料。 关键词：多孔h a 、h p t c p ；镁合金；复合材料；抗压强度；耐腐蚀性能 多孔h a 和h a p t c p 骨架与m g 合金复合材料的制备与表征 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w eu s e dc a ( n 0 3 h 。4 h 2 0a n d ( n h 4 ) 2 h p 0 4a st h er e a c t a n t so fw e ts y n t h e s i s ， h aa n dh a 1 3 一t c ps l u r r ys y n t h e s i z e db yc o n t r o l l i n gt h ei n i t i a lc a pa n dt h er e a c t i o np r o c e s so f p h ，a n da d d e dac e r t a i na m o u n to fd i s p e r s a n ta n db i n d e r , p r e p a r e dd i f f e r e n tp o r es i z e so fp o r o u s h aa n d l v d t c pu s e dp o l y m e r i cs p o n g ei m p r e g n a t i o np r o c e s s i nt h el a s t , p r e p a r e dt h e c o m p o s i t em a t e r i a l sh a m g - 1c a , ( h a p t c p ) m g - 1 c aa n d ( r w l 3 - t c p ) m g 一3 z n 一1m nb y s u c t i o np o u r i n gm g a l l o yi nd i f f e r e n tp o r es i z e so fp o r o u sh a a n dh a 1 3 - t c eb yu s i n gs e m ， x r d ，o p t i c a lm i c r o s c o p e ，p r e c i s ei m a g ei n s t r u m e n t ，u n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n ea n d e l e c t r o c h e m i c a lw o r k s t a t i o n a n a l y s i s a n dt e n s i l et e s t , t e s t e dt h e p o r o s i t y , p o r es i z ea n d c o m p r e s s i v ep r o p e r t yo ft h ep o r o u sh a a n dh p - t c p , a n da l s os t u d i e dt h ei n f l u e n c eo fp o r e s i z eo fp o r o u sh aa n dh 刖b t c pc o m p o s i t eo nm a t e r i a l sm i c r o s t r u c t u r e ，c o m p r e s s i v ep r o p e r t y a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e t h er e s e a r c ho ft h e p o r o u sh a ，h a t 3 一t c ps h o w e dt h a tp o r o u sm a t e r i a l w h i c hu s e d i m p r e g n a t i o nm e t h o dw a ss i n t e r e db y5 0 p p ia n d 6 0 p p ip o l y u r e t h a n ef o a m ，t h ea v e r a g ep o r es i z e w h i c hw e r e0 8m ma n d0 4m m r e s p e c t i v e l y , t h ep o r eb e l o n g e dt op e n e t r a b i l i t ys t r u c t u r e ，t h e p o r o s i t yw a sa b o u t9 0 ，t h em a x i m u mc o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ep o r o u sh a 1 3 一t c pw h i c h p o r es i z ew a s0 4 m m r e a c h e d0 5 m p a s t u d i e do nt h ec o m p o s i t em a t e r i a l so fh a m g 一1c aa n d ( h d - t c p ) m g 一1c as h o w e d ，t h e c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lw h i c hp r e p a r e db yt h e0 4 m mp o r es i z ep o r o u s m a t e r i a lw a sb e t t e rt h a nw h i c hp r e p a r e db yt h e0 8 m mp o r es i z ep o r o u sm a t e r i a l ，m o r e o v e rt h e p l a s t i c i t yo f ( h p - t c p ) m g 一1 c aw a sb e t t e rt h a nh a m g - 1c a d u r i n gt h et w oc o m p o s i t e m a t e r i a l sw h i c hi m m e r s e di n t ot h eh a n k ss i m u l a t e db o d yf l u i d ，t h ep hc h a n g i n gt r e n do ft h e b o d yf l u i d w a sf i r s tf a s tr a i s e dt h e nr a i s e d s l o w l y , a n db a s i c a l l y s t a b l ea tl a s t ，t h e ( h a p t c p ) m g 一1c aw h i c hp r e p a r e db yt h e0 8 m mp o r es i z eh a p - t c pc h a n g e dm o s ts l o w l y , a n di t sm a s sl o s sr a t ew a sm o s ts l o w l y , f t l r t h e ri l l u s t r a t e di t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew a sb e s t s t u d i e do nt h ec o m p o s i t em a t e r i a lo f ( h p - t c p ) m g 3 z n 1m ns h o w e d ，t h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a lw h i c hp r e p a r e db yt h e0 4 m mp o r es i z ep o r o u sh a i ，- t c p w a sb e t t e rt h a nw h i c hp r e p a r e db yt h e0 s m mp o r es i z ep o r o u s1 - i 1 3 - t c p , b u tt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t ho ft h ec o m p o s i t em a t e r i a l ( h a p t c p ) m g - 3 z n - lm nw h i c hp r e p a r e db yt h e0 8 m m p o r es i z ep o r o u s 地v d t c pa l s or e a c h e d18 0 m p a , i tc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n to fh u m a nb o n e s c o m p r e s s i v es t r e n g t h t h ee l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nc u r v e sa n dt h es i m u l a t e db o d yf l u i d 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i m m e r s i o nt e s ts h o w e d ，t h ep hc h a n g i n gt r e n do f ( h a p - t c p ) m g - 3 z n - 1m nw h i c hp r e p a r e db y t h e0 8 m mp o r es i z ep o r o u sh a 1 3 - t c pr a i s e dm o s ts l o w l y , t h em a s sl o s sr a t ew a sa l s om o s t s l o w l y , i l l u s t r a t e di t sc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew a sb e s t ，s oi ts u i t e df o rb i o m e d i c a lm a t e r i a l k e yw o r d s ：p o r o u sh a ，h a p - t c p ；m ga l l o y ；c o m p o s i t em a t e r i a l ；c o m p r e s s i v ep r o p e r t y ； c o r r o s i o nr e s i s t a n c e 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着材料科学和医学科学的发展，生物医学材料以其学科交叉范围广，应用潜力巨 大，挑战性强且与人类的生命和健康密切相关，而成为- - f - j 综合性新兴学科【1 。2 】。它主 要研究生物体材料和生物医用材料的宏观机能与微观结构，以及植入材料与人体组织器 官相互作用的生物理化特性等。生物医学材料的开发和研究，对于人类的健康生活，国 家的经济前途以及社会的和谐发展都具有重要意义。 生物医用可降解材料以其安全、无毒、无刺激性，与人体生物相容性好且在完成医 疗功能后，可被生物体内的溶解酶分解吸收，而得到越来越多的关注和发剧3 1 。生物可 降解材料现已广泛应用于骨折固定、癌症治疗、医用缝合线、计划生育、药物释放体系、 器官和组织修补等领域m 】。生物医用可降解材料主要分为：高分子生物降解材料、生 物衍生材料、生物活性物质与无生命的材料结合而成的杂化材料以及生物陶瓷材料和生 物医用金属材料【_ 7 1 。 磷灰石是具有相同结构的无机磷酸钙大家族的总称，羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e 简称h a p & h a ) 是磷灰石一种典型结构的代表，分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，它的骨传导 性和生物活性良好，可以与骨直接形成键性结合，所以骨诱导性非常好。磷酸三钙 ( t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，简称t c p ) 也是一种非常重要的钙磷陶瓷，分子式为c a 3 ( p 0 4 ) 2 ， 它的理化性能、可降解性和生物相容性良好，所以可以发挥骨传导作用，而且可以引导 新骨生成，修复骨缺损。双相钙磷生物陶瓷( b c p ) 是一类由羟基磷灰石和磷酸三钙按 不同比例组成的硬组织替换、修复材料，由于其优异的生物相容性和直接与骨形成键合 的特点以及降解速度可以控制的优点，而被认为在硬组织损伤的置换、修复应用中具有 广阔的应用前景。但多孔生物陶瓷机械性能不佳，易脆，对负荷承载性差，不能完全达 到骨组织工程的要求。 镁是人体不可缺少的矿物质元素之一，是细胞新陈代谢中各种酶系统的重要活化 剂，可激活许多重要酶类，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。镁及其合金以其出色的生物相容性而成 为生物医学材料研究的前沿，但镁在人体体液中的耐腐蚀性比较差大大限制了其作为生 物材料的应用。 如向多孔陶瓷中注入镁合金液来制备多孔陶瓷镁复合材料，这样既可以缓解多孔 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生物陶瓷作为植入材料机械性能差的弱点，也可以解决镁合金降解速度过快的缺点，有 望开发出一种具有良好力学性能和生物相容性的组织工程材料。 1 2 骨组织工程材料的研究现状 骨组织工程材料是指将工程科学、生命科学的基本原理和技术，应用于体外制备的 具有生物功能的人工替代材料，用以替代失去功能或功能衰竭的骨组织的部分或全部【8 】。 骨组织工程材料有着严格的要求：( 1 ) 有良好的生物相容性，不引起免疫排斥反 应，不引起炎症反应；( 2 ) 对受体无毒，且降解产物无毒性，不会因为骨组织材料的 植入而产生毒害作用；( 3 ) 有与缺损骨类似的外形及组成成分等；( 4 ) 具有一定的顺 应性和机械强度，可为新生的骨组织提供支撑，而且力学性能可与人体骨的力学性能相 匹配，密质骨的弹性模量在1 2 1 8g p a ，抗压强度在1 3 0 1 8 0 m p a ，人体松质骨的弹性模 量在0 1 0 5 g p a ，抗压强度在4 1 2 m p a 9 1 ；( 5 ) 有良好的骨传导性和骨诱导性，能够诱 导周围骨质沉积和生长，且有良好的降解速度，骨组织工程材料的降解速度必须与再生 骨的速率相匹配；( 6 ) 骨组织工程材料的修复移植过程对患者损伤d , t 1 0 】。 现已应用的骨组织工程材料很多，大致可以分为四大类：有机高分子材料、医用金 属材料、生物活性陶瓷、复合材料。 1 2 1 有机高分子材料 有机高分子材料分为人工合成的高分子材料和天然高分子材料，天然高分子材料主 要包括：胶原、纤维蛋白、同种异体骨、异种骨和壳聚糖等。这些天然聚合物具有很好 的生物相容性，而且具有细胞识别信号( 如某些氨基酸序列) ，有利于细胞的粘附、增 殖以及分化。胶原和纤维蛋白是哺乳动物的骨头、肌腱、皮肤等组织的主要成分，它们 的生物相容性好、对寄主无抗原性且参与组织愈合过程，但它们的强度较弱、赋形能力 差、大规模获取困难、不同生产批次的产品存在的差异非常大、有传播某些传染性疾病 的隐患等缺点【1 1 】。天然高分子化合物甲壳素在自然界中的生物合成量仅次于纤维素，广 泛存在于真菌细胞壁和昆虫、以及甲壳类动物的外壳中，壳聚糖是其最重要的衍生物之 一，但壳聚糖存在力学强度差，材料与宿主的整合性差，降解速率与新生组织的生成速 率不匹配等限制了它的发展【1 2 1 。人工合成高分子材料的结构、相组成、机械性能以及降 解时间都是预先设计和调控好的，所以它是组织工程材料中研究最多和应用最广泛的材 料。主要包括聚乳酸( p l a ) 、聚乙醇酸( p g a ) 以及它们的共聚物( p l g a ) 。聚乳 酸( p l a ) 有p l d a 、p l l a 、p d l l a 三种异构体，在体内降解的产物为乳酸。聚乙醇 2 第1 章绪论 酸( p g a ) 在体内降解为羟基乙酸。可通过改变两者的比例来调控它们共聚物( p l g a ) 的降解速度。人工合成高分子材料具有良好的生物相容性、无毒，且已经在临床上得到 了广泛的应用，如手术缝合线、血管支架及药物控制释放的载体等。但它们仍有亲水性 比较差、机械强度不高、细胞吸附能力弱，易引起免疫性反应和无菌性炎症等缺点。 1 2 2 医用金属材料 医用金属材料是最早应用于骨组织工程修复的生物惰性材料，应具有较强的韧性和 强度以及良好的生物相容性和抗生理腐蚀性。常用的骨修复的金属材料有不锈钢、钴基 合金【l3 1 。近年来钛合金和镁合金的发展速度很快，医用钛合金质轻，比重与人体骨相近， 生物相容性好、强度高，耐腐蚀性和抗疲劳性优秀，是金属中较为理想的永久性植入材 料，主要应用于整形外科和四肢骨和颅骨修复。镁及其合金作为骨组织工程材料的研究 才刚刚起步，镁及合金以其突出的优点引起了大家的关注，但镁在人体生理环境下腐蚀 速度过快限制了它的发展，镁及其合金对人体生物机能的影响也有待进一步验证。 1 2 3 生物活性陶瓷 生物活性陶瓷以其能长期在体内保持原有性质不变和良好的生物相容性而成为骨 组织工程材料研究的重点，它的植入对患者全身和局部无毒副作用，且具有足够的生物 学强度，力学性能可以满足人体骨等硬组织的需求。但它们的缺点是脆性非常大且加工 困难。目前研究的生物活性陶瓷主要有羟基磷灰石、磷酸三钙、珊瑚礁等。羟基磷灰石 ( h a ) 的化学组成与自然骨无机矿物质相似、具有良好的生物相容性、骨引导性和融 合性、比较高的机械强度，但它的脆性太大和降解速率太慢限制了它在骨组织工程中的 应用。磷酸三钙( b t c p ) 具有良好的生物降解性，植入人体内后能逐渐降解并被新生 的骨组织完全取代。自凝固磷酸钙骨水泥( c p c ) 以其更好的细胞相容性、成骨性、可 降解性以及可自行固化性等而成为研究的前沿。珊瑚是一种海生无脊椎动物的骨骼，其 化学成分和形态类似无机骨，且具有非常好的生物相容性。但珊瑚的机械强度较差，脆 性大，与人体骨的抗压强度相差较大，且降解速度过快。 1 2 4 复合材料 将性质不同的各种材料进行复合，以得到具有更佳性能的骨组织复合材料是当今骨 组织工程研究领域的热点。单一材料有时很难满足骨组织工程材料的要求。生物活性陶 瓷如羟基磷灰石具有良好的骨诱导性，生物活性，但降解缓慢，力学性能差、脆性大， 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 不能完全满足骨组织工程的要求。如聚乳酸等有机高分子材料具有良好的可降解吸收 性，但降解产物呈酸性，容易引起无菌性炎症，且它的机械强度偏低。通过合适的方法 将两种或多种材料组合起来，让其在性能上取长补短，才能获得性能更好的骨组织材料。 有机高分子材料可提高骨组织材料的韧性，满足力学性能要求，而磷酸钙陶瓷具有融合 性和骨诱导性，可以缓冲高分子材料的酸性降解物，将它们结合起来研制具有良好力学 性能和生物活性的复合材料，是骨组织工程材料中最有前景的研究方向之一【1 4 1 。 1 3 羟基磷灰石( h a ) 和磷酸三钙( 1 3 - t c p ) 的制备方法和性能 羟基磷灰石和磷酸三钙同属于磷酸钙类陶瓷，它们具有优异的生物相容性，无毒、 无刺激、无致敏性、无致突性和致癌性，对于大部分人体蛋白具有亲和性，还能传导骨 生长，新骨可以沿着原骨与植入体的表面或植入体内部的贯通性空隙攀附生长。它们还 具有很好的生物活性，可以在植入的界面上形成键性结合，用光学显微镜观察发现：新 骨和磷酸钙陶瓷植入体在界面上直接接触，其间没有任何纤维组织存在。新骨和植入体 的结合强度，等于甚至超过骨自身的结合强度，即使发生断裂，也在陶瓷的内部，而不 是在新骨与植入体的界面上【1 4 1 。磷酸钙类陶瓷的生物相容性和生物活性均优于其他医用 金属及硅橡胶基骨移植用碳素材料。 1 3 1h a 和 3 - t c p 粉体的制备方法 1 3 1 1 水热合成法 水热法是指物质在高温、高压的过饱和水溶液中进行化学合成的一种方法。 用水热法制备羟基磷灰石粉体的主要工艺是王友法等 1 5 1 用c a ( n 0 3 ) 2 和( n 地) 2 h p 0 4 为原料，用氨水调节p h 值制备的，所得羟基磷灰石粉体为单晶体。d e l i am r o y i l 6 】通 过水热反应用p 0 4 孓置换珊瑚c a c 0 3 中的c 0 3 厶，用来复制有珊瑚多孔结构的羟基磷灰石， 并且制各大的羟基磷灰石单晶。 水热法合成磷酸三钙的常用工艺是用c a h p 0 4 为原料合成得到晶粒直径大、晶格完 整的1 3 - t c p 粉末。 但是由于水热合成法不好控制，所以应用非常少。 1 3 1 2 液相沉淀法( 湿法合成) 液相沉淀法指几种水溶性化合物的水溶液混合后，发生反应生成不溶于水的沉淀， 该沉淀物经过滤、洗涤、煅烧等处理后，获得符合要求的粉体。羟基磷灰石和磷酸三钙 4 第1 苹绪论 的合成常用的钙盐和磷盐有c a 3 ( p 0 4 ) 2 、c a c 0 3 、c a ( o h ) 2 、c a c n 、c a o 和( n h 4 ) 2 h p 0 4 、 h 3 p 0 4 、k 2 h p o , 4 、n a 2 h p o , i 。 用沉淀法合成羟基磷灰石的常见反应为： 6 ( n h 4 h h p 0 4 , + 1 0 c a ( n o ；h + s n h 3 + 2 h 2 0 - c a l o ( p 0 4 0 6 ( o h 3 2 0 n h 4n 0 3 ( 1 1 ) 控制c a p 比为1 6 7 ，p h 值大于1 0 一般可以得到纯相羟基磷灰石。 常用合成磷酸三钙的方法是将上述反应的p h 值控制在5 5 到6 之间，c a p 比为1 4 8 反应关系式如下： 2 ( n f h ) 2 h p 0 4 + c a ( n 0 3 ) 2 + 2 n h 4 0 h c a 3 ( p o ) 2 + 6 n h 4n 0 3 + h e o ( 1 - 2 ) 也有报道用：3 c a c l 2 + ( n i - h h h p 0 4 + n h 3 h 2 0 l - n i - 1 4 c i + h 2 0 + c a 3 ( p 0 4 h ( 1 3 ) 在反应过程中用碱溶液控制反应的p h 值，生成钙磷比约为1 5 的沉淀，离心干燥后 焙烧，得到p t c p 粉末，当p h = 7 4 时得到纯相p - , t c p ，当p h = 8 时则得到地v p t c p 的混合 相【17 1 。还有报道在蒸馏水中加入2 ：1 的c m p 0 4 2 h 2 0 和c a c 0 3 球磨2 0 h ，在8 0 c 下干燥1 0 h 后升温到8 5 0 保温2 h ，自然冷却到室温，获得较细的粉末。该法反应完全，煅烧温度 低，游离氧化钙非常少。所得到的粉末平均粒径接近超微粒的下限( 1 - - - , l o o n m ) 1 8 】。 液相沉淀法制备羟基磷灰石和磷酸三钙粉末具有成本低、工艺简单等优点，所以被 广泛应用。 1 3 1 3 固相合成法( 干法合成) 固相合成法是指在高温下，一般有水蒸气作用，固相之间相互作用，生成新的物质 的一种方法。 常见的制备羟基磷灰石粉体的固相反应是用c a c 0 3 和c a 3 ( p 0 4 ) 2 为原料，在1 2 0 0 - - , 1 3 0 0 下通水蒸气处理2 - - - 3 h ，反应如下： 3 c a 3 ( p 0 0 2 + c a c 0 3 + h ： ：o - - c a , o ( p 0 0 6 ( o h ) ：+ c 0 2 ( i - 4 ) 熊兆贤1 9 1 用蛋壳煅烧成c a o ，再经和磷酸钙煅烧制备h a 。反应如下： 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + c a o + h 2 0 - - c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ( 1 - 5 ) r r a m a c h a n d r a 等口0 1 用t c p 和c a ( o h ) 2 制备羟基磷灰石，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 c ，8 h 的工艺下当j b - t c p 和c a ( o h ) 2 的摩 尔比为3 ：2 和3 ：3 时合成的产物为纯羟基磷灰石；当摩尔比为3 ：l 和3 ：1 5 时合成的产物 为h a 和i b - t c p ；当摩尔比为3 ：4 时合成的产物为h a 和c a o 。 磷酸三钙常用的合成方法是在大于9 0 0 。c 的高温下。用原料为c a h p 0 4 2 h 2 0 和 c a c 0 3 ，或c a ( o h ) 2 ，制备p t c p i 粉末，按下列反应式进行： 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c a h p 0 4 2 h 2 0 + c a c 0 3 - c 0 2 + h 2 0 + c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( 1 - 6 ) 武汉理工大学口1 1 用此法制得高纯度的p t c p 粉末，然后制备多孔陶瓷药物载体。 固相合成法制得的羟基磷灰石和磷酸三钙粉末无晶格收缩结构，结晶性良好，可是 这种粉末晶粒组成不均匀，一般都存在杂相。 1 3 1 4 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是让金属醇盐或酯类化合物溶解在有机溶剂中，加入其他组分形成均 匀的溶液，然后在一定温度下反应形成溶胶体系，再经过干燥、脱水、烧结等，最后得 到粉末。 溶胶凝胶法制备h a 主要有以下几种方法：邬鸿彦掣2 2 1 以四水硝酸钙和磷酸三甲脂 的质量比为2 8 6 ：1 ，p h 值为7 5 ，加热温度为7 5 0 c ，保温时间3 h 的工艺可以制得比较 好的羟基磷灰石粉末。c m l o p a t i n 等口3 1 以c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 和磷酸丁脂为原料制备轻基磷 灰石，l a y r o l l e 等以磷酸和二甲脂钙为原料制备轻基磷灰石。 溶胶凝胶法制备磷酸三钙主要有以下几种方法：m a s a h i r ot o y o d a 等【2 4 】在二氯苯磷 和硝酸钙中分别加入2 乙氧基乙醇，并在1 2 0 c 回流，蒸馏，分别得到c a 的醇盐和p 的醇盐。将c a 的醇盐和p 的醇盐混合，并在1 2 0 回流，蒸馏后，得到c a - p 的醇盐。 再经过水解、焙烧后，得到 3 - t c p 粉末。j o n g s h i n gb o w 等【2 5 】在室温下将磷酸溶于甲醇， 然后将乙酸钙粉末缓慢溶于甲醇和磷酸的混合溶液中，过滤后，在8 0 c 下直接干燥过夜， 即可得到白色的磷酸三钙粉末。 采用溶胶凝胶法制备的羟基磷灰石粉末和磷酸三钙粉末颗粒小，易得到纳米级，且 纯度高。 1 3 2 多孔h a 和 3 - t c p 的制备方法 1 3 2 1 发泡法 发泡法是将羟基磷灰石料浆或磷酸三钙料浆和在较高温度挥发产生气体或发生化 学反应产生气体的化学物质混合成形，在一定温度下加热，发泡再烧结后产生多孔结构。 但要严格要求发泡剂的残留物不影响陶瓷的性能和组成，或残留物经简单的处理可以除 去。 张文龙等【2 6 l j 羽( n n 4 ) 2 h p 0 4 和n a 2 h p 0 4 在配有回流和搅拌装置的微波反应器中处理 c a c l 2 和( n 地) 2 c 0 3 混液，调整p h 值获得了多孔球形h a 。k l e i n 等阳将含5 h 2 0 2 与 3 聚乙烯醇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 c 并保 6 第l 章绪论 温5 h 使n 2 0 2 分解，经低温预烧和高温烧结制得孔洞贯通性良好的多孔h a 。n o z g t i r e n g i n 掣2 8 1 使用甲基纤维素溶液混合羟基磷灰石粉末制成泡沫膏状物，固化烧结后得到 孔为近标准圆球相切结构，大小孔相互交错排列的多孔h a ，孔隙率在6 0 - - - 9 0 ，孔径 大小在1 0 0 耻n 2 5 0 1 m a 。 江昕等【2 0 1 ) 羽1 3 t c p 粉末发泡法制备出的多孔生物陶瓷，通过微观形貌观察和性能测 试证明控制料浆含水率可以控制材料的理化性能，具体做法是将松香放入饱和的n a o h 溶液中煮沸，冷却得到发泡剂，将蒸馏水，1 3 - t c p 粉末和粘结剂按一定比例进行球磨， 得到含一定水分的料浆，然后将料浆与发泡剂混合均匀，干燥、烧结得到多孔p t c p 。 王方瑚掣3 0 1 将一定粒径的p t c p 粉末、粘结剂( 聚乙烯醇和丙烯酸) 和双氧水，严格控 制固液比混合。在5 5 - 8 5 下采用程序升温，干燥2 4 h ，即得连通的多孔胚体，烧结 即得多孔p t c p 。 发泡法得到的孔洞大多是封闭的，气孔贯通率较差。 1 3 2 2 有机泡沫浸渍法 有机泡沫浸渍法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。典型制备工艺过程如图1 1 所示。 图1 1 泡沫塑料浸溃泥浆高温处理法制备多孔陶瓷流程图 s c h w a r t z w 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。 清华大掣3 l 】将处理好的聚氨酯泡沫浸入陶瓷料浆中，陶瓷浆料由清华大学自制合成的羟 基磷灰石粉末和粘结剂、增韧剂、去离子水等混合调制成，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，在空气中自然干燥后，以小于1 m i n 的速度升温烧成， 使泡沫挥发制成平均孔隙率在7 0 8 0 、孔径为2 0 0 p x n 3 0 0 肛n 的多孔h a 。杨晓红等 【3 2 】直接将c a c 0 3 和c a h p 0 4 按一定比例制成料浆后浸渍干燥，在1 0 5 0 。c 1 1 5 0 。c 间锻烧 合成h a 和 3 - t c p 的多孔复合体。赵俊亮等p 3 j 用羧甲基纤维素做流变剂和硅溶胶做溶剂 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 和粘结剂，将它们与一定比例的羟基磷灰石和生物玻璃混合制成预制料浆。聚氨酯泡沫 在料浆中反复挤压后经干燥、烧结后形成气孔得到多孔h a 。 樊东辉等1 3 4 采用有机泡沫浸渍法，制备出平均孔径为2 4 3 2 u n ，孔隙率约4 1 2 ， 孔洞相互连通，呈三维网状孔结构且具有优良生物降解特性的多孔1 3 - t c p 陶瓷材料。刘 朝红等【3 5 】将1 3 - t c p 粉末与粘结剂( a 1 2 0 3 m g o h 3 p 0 4 ) 按一定比例调和成浆料，采用 有机泡沫浸渍法，形成预制体低温干燥后于9 5 0 。c 1 2 5 0 c 烧结制得多孔p - t c p 支架，具 有三维的网状开孔，并且具有良好的生物相容性。 有机泡沫浸渍法具有成本低廉、工艺过程简单、适于工业化大生产等优点。孔径均 匀、孔隙连通构成网状结构，有利于细胞的生长。缺点是多孔结构受泡沫塑料的结构影 响限制，泡沫塑料的强度如果比较低或弹性较小，多孔材料的强度和结构的均匀性会显 著降低。 1 3 2 3 添加造孔剂法 造孔剂法包括有机物填充法和无机物填充法以及气体分解法等。通过向羟基磷灰石 或磷酸三钙中添加造孔剂，造孔剂在高温下挥发或完全燃烧掉而在羟基磷灰石或磷酸三 钙预制体中留下孔隙。造孔剂主要分为无机造孔剂和有机造孔剂，无机造孔剂主要有高 温可分解的盐类( ( n h 4 ) 2 c 0 3 、n h 4 h c 0 3 、m 4 c i ) 、煤粉、碳粉等。有机造孔剂主要有 有机酸、高分子聚合物( 聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇缩丁醛) 和天然纤维。 d e a n m ol i u 3 6 1 使用羟基磷灰石粉体与造孔剂聚乙烯醇缩丁醛( p v b ) 混合加热到 5 0 0 。c 以去除聚乙烯醇缩丁醛，并在1 2 0 0 。c 锻烧制成多孔h a 。a r i t ai h 【3 7 】将羟基磷灰石 粉末与碳酸钙混合，通过流延成形技术制各多孔h a ，可达到6 2 的孔隙率，但孔径大 小只有几个微米。姚秀敏等1 3 8 , 3 9 1 将羟基磷灰石粉体与造孔剂生物活性玻璃混合球磨烘干 后烧结，通过分析造孔剂添加量的多少、粒径大小、烧结温度、保温时间等，最终制得 孔隙率为3 0 4 5 、孔径 2 0 0 “m 、抗弯强度 5 0 ) 增强相的一种技术【。7 6 墙0 1 。首先这种技术在 获得分布相当均匀的增强相、消除残余孔隙和增强相和基体之间的界面反应方面具有优 越性【7 6 3 7 】。其次，这种工艺在制备最终或近终成型复合材料构件，减少复合材料的难加 工方面也有优越性【7 引。最后，当在某些部位阻止熔融金属渗入的时候，也可以有选择性 的获得增强部分，从而实现金属只有在需要的地方被增强【7 6 , 7 9 1 。澳大利亚的苗教授【8 0 】 结合p t c p 的骨诱导性和聚乳酸的优良机械性能，在多孔b t c p 中注入聚乳酸制备 c a p 聚乳酸复合材料，研究了复合材料的机械性能和生物学性能。但聚乳酸的强度和 刚度低，组织相容性差，降解产物会引起严重的炎症反应，这在一定程度上又限制了应 用。重庆大学的吴泽宏申报的专利( 中国专利，公开号c n l 01 6 9 8 1 1 6 a ) 采用熔体浸渗 法将镁或镁合金渗入到多孔磷酸三钙坯体中，制得可生物降解的镁或镁合金与磷酸三钙 1 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 复合材料。制得的复合材料具有很好的连通度，骨诱导性能和降解性能具有良好保证， 可用做硬组织替换或骨修复材料，这种材料植入体内后一定时间后，能够完全降解，并 诱导新骨的生成。但应用熔体浸渗法在制备复合材料过程中，需要在7 0 0 。c 8 0 0 保温 熔渗1 8 小时，以保证镁或镁合金充分渗入到多孔磷酸三钙的孔隙中。 1 5 选题的意义和主要研究内容 骨组织工程是组织工程研究中的热点，对骨组织工程支架材料的研究也在不断深 入。目前研究较多的材料主要有可降解聚合物和磷酸钙基生物活性陶瓷材料。可降解聚 合物主要有聚乳酸( p l a ) 和聚羟基乙酸( p g a ) 等，其性质稳定，可塑性及重复性良 好，但强度和刚度低，组织相容性差，降解产物会引起严重的炎症反应。可吸收磷酸钙 生物陶瓷对人体无毒、无免疫反应，具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导甚至骨 诱导作用，植入机体后利于骨组织的生长，因此磷酸钙生物陶瓷在骨组织工程研究中得 到广泛的应用。其中d 磷酸钙( p t c p ) 具有良好的生物降解性，其钙磷质量比为1 5 ， 与正常骨组织接近，而且多孔1 3 t c p 还可以提供大的比表面积，有利于细胞的增殖、分 化和代谢，将其植入生物机体中，降解下来的c a ，p 进入活体循环系统，对形成新生骨 有一定的促进作用。因此，普遍认为p t c p 是一种较理想的骨组织工程无机支架材料， 具有诱人的应用前景。但是，由于多孔b t c p 的强度较低，韧性太低，使其在骨缺损修 复方面的应用受到一定的限制。众多学者为了提高多孔p t c p 的力学性能，在其内部掺 杂金属、陶瓷相、高分子材料，或者在多孔1 3 t c p 表面制备涂层，如此形成各种各样的 复合材料，但是改善的幅度均比较小。致密的p t c p 可提高机械强度，但生物活性发挥 缓慢，不利于新生骨的形成。羟基磷灰石作为种植体替代材料时降解速度较慢且强度较 低、韧性较差及力学性能差使得它难以承受负载或冲击力，这就限制了其作为植入体的 使用范围，只能用于非承载的小型植入材料，如人工齿根、耳骨、口腔骨种植等。 镁合金具有较低的弹性模量，适当的强度，优异的生物相容性及可降解性等优良特 性，是具有临床应用前景的一种新型金属材料。镁是细胞新陈代谢中各种酶系统的重要 活化剂，激活许多重要酶类。镁可以促进新骨组织的生长，镁以一定速率降解时不会对 人体产生不良影响，因此镁对于调节细胞的生长和维持膜结构有重要作用。同时，镁在 含有氯离子的溶液( 如人体体液) 中易生成镁离子被周围肌体组织吸收或通过体液排出 体外，因此镁可以被人体体液完全降解。镁合金是最轻的结构材料之一，其密度在 1 7 4 9 c m 3 左右，与人骨密度( 1 7 5 9 c m 3 ) 相当，且具有高的比强度和比刚度。然而由于 镁在体内的降解作用，会改变细胞周围的微环境，可能会引起对细胞的毒性作用，同时， 1 6 第1 覃绪论 镁合金在体内降解速度过快的问题也尚待解决。 因此开发出一种具有良好力学性能和生物相容性的组织工程材料十分必要。本文结 合多孔羟基磷灰石、磷酸三钙和镁合金的优势，制备多孔h a 和多孔h a p t c p 复合陶 瓷，并通过向多孔h a 或h a p t c p 陶瓷中注入镁合金液来制备镁合金与多孔h a 及 h a p t c p 的复合材料，这样既可以缓解多孔生物陶瓷作为植入材料机械性能差的不足， 也可以解决镁合金降解和生物相容性的问题。而且可以通过调节多孔材料的孔隙率和孔 径大小来达到控制复合材料降解速度和性能的目的。制备的复合材料最初是无孔的和具 有很好的机械稳定性和机械强度，这样有利于骨修复，一定时间后，镁合金降解，就可 形成内部相互贯通的多孔生物陶瓷结构，这样可以支持骨长入。在众多的镁合金体系中， m g 一1 c a 和m g 3 z n - l m n 合金的材料学特点更加符合当今骨折的b o 原则。所以本论文 选择这两种合金体系，期望开发出一种具有良好力学性能和生物相容性的镁合金与多孔 h a 和多孔h a b t c p 复合材料。 本文的主要研究内容如下： 1 采用湿法合成分别制备h a 和n g f 1 t c p 浆料，再利用有机泡沫浸渍法制备多孔 h a 和多孔乩v b t c p 骨架材料，分析多孔材料的组织、相结构和性能。 2 研究不同孔径的多孔h a 和多孔乩v p t c p 对h a m g - 1 c a 和( h a p t c p ) m g - 1 c a 复合材料的组织，力学性能及生物学腐蚀性能的影响规律与机理。 3 研究不同孔径的多孔h a p t c p 对( h a 1 3 t c p ) m g 3 z n 1 m n 复合材料的组织， 力学性能及生物学腐蚀性能的影响规律与机理，并与( h a p t c p ) m g 一1 c