（材料加工工程专业论文）钙磷多孔生物陶瓷骨修复材料的制备.pdf

摘要 摘要 钙磷多孔生物陶瓷具有良好的生物相容性，在骨修复领域得到广泛的研究和 应用。为了降低磷酸钙多孔生物陶瓷的烧结温度，本研究采用有机泡沫浸渍法制 备了i - i a 1 3 - r c p c a c 0 3 - n a h 2 p 0 4 和h 口t c p ( n a p 0 3 ) # m g ( h 2 p 0 4 ) 2 两种陶瓷坯 体，分别经9 0 0 。c 和8 5 0 烧结得到多孔陶瓷。对陶瓷成型性能和基本力学性能 的对比研究发现，后者的综合性能较好，因此，后续研究都围绕该体系进行。 采用x 射线衍射( ) 、扫描电镜( s e m ) 、能谱( e d s ) 等方法对钙磷 多孔生物陶瓷h a p - t c p 一( n a p 0 3 ) 6 - m g ( h 2 p 0 4 ) 2 的组织、结构和性能进行了表征 与测试。该多孔生物陶瓷在8 5 0 即可烧结成型，具有良好三维连通的孔隙结构， 孔径为2 0 0 5 0 0 9 m ，孔隙率达8 1 ，抗压强度为1 4 5 m p a ，主要由1 3 - t c p 、 i 3 - c a 2 p 2 0 7 和c a o m g o - n a 2 0 一p 2 0 5 磷酸盐玻璃组成。 为提高钙磷多孔生物陶瓷的力学强度，分别采用明胶和p l l a 涂覆对其进行 增强处理。研究表明，明胶和p l l a 涂覆均能提高支架的力学性能，而明胶涂覆 效果更佳。对增强处理前后的多孔生物陶瓷进行了兔骨髓间充质干细胞体外细胞 相容性评价，涂覆前后的钙磷多孔生物陶瓷均无细胞毒性，明胶涂覆处理后陶瓷 的生物相容性最好，p l l a 涂覆处理后陶瓷的生物相容性较差。 关键词：骨修复材料，钙磷陶瓷，烧结温度，增强处理，生物相容性 a b s t r a c t p o r o u sc a l c i u mp h o s p h a t eb i o c e r a m i c sp o s s e s sg d o db i o c o m p a t i b i l i t ya n dh a v e b e e ns t u d i e da n du s e de x t e n s i v e l yi nb o n er e p a i r i n g t w ok i n d so f p o r o u sc e r a m i co f h a 1 3 - t c p c a c o r n a h 2 p 0 4a n di b t c p 一( n a p 0 3 ) 6 - m g ( h 2 p 0 4 ) 2w e r ef a b r i c a t e d b yt h ep o l y u r e t h a n ep o l y m e rm e t h o da n ds i n t e r e da t9 0 0 a n d8 5 0 c r e s p e c t i v e l y i t w a ss h o w e dt h a tt h el a t t e ro n ew a sb e t t e rt h a nt h ef o r m e ri nt h ea s p e c t so ff o r m a b i l i t y a n db a s i cm e c h a n i c a lp r o p e r t y , s ot h el a t t e rw a sf o c u s e di nt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h w o r k s n ep r o p e r t i e so fh a p t c p 一( n a p 0 3 ) 6 一m g ( h 2 p 0 4 hp o r o u sb i o c e r a n a i e sw e r e c h a r a c t e r i z e da n dt e s t e db yx r d ，s e m ，e d s t h ep o r o u sc e r a m i c sp o s s e s s3 - dw e l l i n t e r c o n n e c t e dp o r e sw i t ht h ed i a m e t e ro f2 0 0t o5 0 0 “m ，t h ep o r o s i t y8 1 a n d c o m p r e s ss t r e n g t h1 4 5m p a a f t e rb e i n gs i n t e r e d ，t h ec e r a m i c sw e r ec o m p o s e do f 1 3 - t c p , p - c a 2 p 2 0 7a n dc a o m g o n a 2 0 p 2 0 sp h o s p h a t eg l a s s i no r d e rt oi m p r o v et h ec o m p r e s s i v es 血e n g t ho ft h ep o r o u sb i o c e r a m i c , t h eg e l a t i n a n d p o l y l a e t i d ea c i d ( p l l a )c o a t i n g s w e r eu s e df o rr e i n f o r c i n gt r e a t m e n t , r e s p e c t i v e l y i tw a ss h o w e dt h a tt h ec o a t i n gt r e a t m e n to fb o t hg e l a t i na n dp l l ac a n i n c r e a s et h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fp o r o u ss c a f f o l d sm a r k e d l y , a n dt h eb e t t e rr e s u l t h a p p e n e dw h e ng e l a t i nu s e d t h ep o r o u s ，b i o c e r a m i c sb o t hb e f o r ea n da f t e rt r e a t e d , d on o te x h i b i tc e l lt o x i c i t yw h e ne v a l u a t e db ye o c u l t u r ew i t hr a b b i tb o n em a r r o w m e s e n c h y m a ls t e mc e l l s ( b m s c s ) i nv i t r o i nt h ev i e wo f b i o c o m p a t i b i l i t y , t h eg e l a t i n c o a t i n gw a st h eb e s ta n dt h ep l l ac o a t i n gw a st h ew o r s t k e y w o r d s ：b o n er e p a i r i n gm a t e r i a l s ，c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c s ，s i n t e r i n g t e m p e r a t u r e , r e i n f o r c i n gt r e a t m e n t , b i o c o m p a t i b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：垂啦日期：塑 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：匀盘牡导师签名：赴日 期：兰吐占 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 随着社会进步和经济发展，人们的生活水平和生活质量逐渐提高，对自身的医疗健 康越发重视。由于创伤、炎症、感染、肿瘤切除和先天畸形等因素造成骨缺损和肢体不 全，给患者的正常生活带来极大的不便。据民政部门报告，每年发生创伤的人数在全世 界约数千万，我国约数百万，其中相当一部分骨创伤者需要进行不同程度的早期救治或 晚期修复【l 】。骨科用材料是生物材料领域发展最快、成熟较早的。其中的生物陶瓷材料 因化学性质类似于人骨材料，无毒副作用，又有很好的生物力学性能，与生物体组织有 良持的生物相容性，而成为人们注目的一个焦点。 在过去的3 0 年中，生物陶瓷材料的研究取得了一定的进展，但是同样也存在一些不 足：支架的烧结温度较高，一般在1 1 5 0 以上。烧结温度对降解材料的结构、降解特性 及生物学性能有着直接的影响。h a r a d a z 】等在不同烧结温度1 2 0 0 、9 0 0 、1 1 0 ) 下 制备h a 颗粒，研究发现，h a 颗粒的生活性强弱次序为1 1 0 9 0 0 1 2 0 0 。原因可 能是较高的温度烧结使得材料的晶粒尺寸变大、结晶度增高，使材料的降解性能下降。 同时当温度超过1 3 0 0 时，h a 会变得不稳定，有部分h a 受热分解，转化为a - t c p p j 。 在材料的强度能得到保证的情况下，采用适当低的烧结温度将使得材料中的微孔较 多，从而增加了材料与组织和体液的接触面积，有利于提高材料的降解性能【4 】。在降低生 物陶瓷烧结方面已经有人做了相关的研究，如麻省理工学院的j a c k i ey i n d 习已成功地把 无压烧结温度降低到1 0 0 0 ，热压烧结温度降低到9 0 0 。本研究也希望通过对陶瓷配 料的优化，能降低多孔钙磷生物陶瓷的烧结温度，同时，为提高多孔钙磷生物陶瓷支架 的强度，对其增强处理工艺进行探索。 1 2 骨修复材料简介 1 2 1 内外固定材料 骨骼在人体中起着支架作用，担负着支撑身体、保护其它器官，承重、造血、贮钙、 代谢等功能，是人体重要的组织和器官。当骨受到超过其力学强度的力作用时，会发生 骨折。骨折是骨科临床上一种常见病例，外固定是骨折的常用治疗手段。石膏的塑性好， 方便可靠，是创伤外科、骨科较理想的外固定材料。它是用无水硫酸钙制作而成的。随 着临床上的需要，石膏已经从单一的材料发展出多种复合材料。其中较突出的是树脂石 东南大学硕士学位论文 膏。其塑性和强度高，使外固定架可以根据固定点形状而改变自身的形状。使用树脂石 膏为固定架，既减轻了外固定架的质量，便与进行功能锻炼，又降低了费用，无需特殊 器械及固定材料。但是石膏类外固定材料也有缺点：石膏固定术后引起患者的精神压力 及各种并发症【o j 。 骨折的另外一种固定方法是内固定，它是利用钢板、螺丝钉、骨内针等内固定材料， 直接对骨折断端进行手术固定的方法。目前，内固定材料主要是不锈钢、钻金属【”和钛 合金。它们的共同特点是金属表面可以形成钝化膜，以减少电化学破坏。不锈钢中应用 最多的是奥氏体不锈钢，如a i s l 3 0 4 不锈钢，最近又有一种双相不锈钢问世，它既有奥 氏体相又有铁素体相，因此耐腐蚀性和屈服强度均得到提高。钴基金属具有很多优异的 性能，如生物相容性好、高强度、低模量等，是一种应用广泛的骨折内固定材料。医用 钛合金是金属中最理想的体内植入材料，它的密度与人骨相似，生物相容性好，组织反 应轻微，表面活性好，而且具有高强度、良好的耐腐蚀性与抗疲劳性。常用的钛合金有 t i - 6 a 1 4 一v 、t i 一5 灿- 2 5 f e 、t i 6 a 1 7 n b 等。其他内固定材料还有钢丝、各种固定针、螺 钉、髓内钉或棒。金属材料强度高，可以保证肢体手术后早期的功能训练，但也存在使 用过程中离子释放的问题。金属在体液腐蚀作用下释放出的离子会诱发一系列的不良反 应，研究已探明，不锈钢中的n i 离子析出后会诱发严重的病变【8 】；钴合金中的c o 、n i 元素会引起严重的致敏性【9 】，钛合金中的舢、v 也对人体有一定的危害【1 0 1 。 1 2 2 关节替换材料 随着人口老高龄化的到来，患有关节疾病的人数也日益增加，对人工关节的需求相 应日趋高涨。用人工股关节来替换坏死的股关节的手术在全世界每天有2 0 0 0 例以上【l i 】。 人工关节作为重要的骨修复材料组成部分，近百年来，特别是近2 0 年来得到了长足的 发展。人工关节是模拟人体关节制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其 功能【l “。目前，人工关节包括有髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节，其中以髋关节和膝关 节置换为主。作为一种植入材料，人工关节首先必须满足对人体无不良影响即生物相容 性的要求：其次人工关节与人体骨骼的弹性模量、热膨胀性能及其强度应尽量一致，并 且耐磨性要好即要满足生物力学相容性的要求【1 3 】。人工关节的设计目标为能满足人体生 理功能的要求、寿命长( 超过3 0 年) 、几乎没有磨损碎片，并且不产生松动。关节替换材 料主要是金属材料和高分子材料。 金属材料强度高，可以保证人工关节所需的力学性能。为了克服其存在的离子释放 问题，目前开发了多种表面处理技术，利用在金属表面涂覆隔离涂层的方法，避免材料 与体液直接接触，提高材料的使用性能。聚乙烯( p e ) 是最早用于人工关节的高分子材料， 后来又开发出性能更好的超高分子聚乙烯( u h m wp e ) ，现已成功用于人工腕关节、膝 关节与髋臼等，较好地解决了人工关节前期的摩擦磨损问题。但是p e 或u h m w p e 晚 2 第一章绪论 期磨损严重，产生磨损碎屑迁移和骨吸收，以致支撑关节的固定消失、松动并最终使置 换失败。在人工关节方面，陶瓷也得到一定的应用，但由于陶瓷材料脆性较大，所以仅 在非承重部位得到应用。 1 2 3 骨缺损修复材料 在骨科临床，由于多种原因引起的骨丧失一些骨质而形成间隙的病例十分常见，这 种疾病称为骨缺损，其可由多种因素引起，如创伤、骨肿瘤切除之后、骨组织炎症及先 天性缺陷等。我国每年涉及骨缺损疾病的患者多达数百万人。骨缺损部位的骨骼不完整， 使其外形和功能出现缺陷，不同程度上影响着病人的生活质量。对于小范围的骨缺损， 人体组织自身的修复潜能通过局部骨诱导生成新骨进行填补，而对于大范围的骨缺损只 能通过移植的方法来修复。 在早期的骨缺损修复中，同种骨移植研究较多，而同种骨移植中又以自体骨移植最 常用。自体骨移植后不引起任何免疫排斥反应且血管化快、抗感染性强，几乎具有骨修 复材料所有的理想特性。但自体骨移植的缺点也很明型】：( 1 ) 来源受限制，在同一个个 体上不易取到够量的同种性质骨；( 2 ) 造成取骨部位的第二次手术创伤，即将骨从人体某 一部位取出后再移植到损伤部位，不仅增加病人的痛苦，还易于引发手术后并发症，失 败率高达1 0 3 0 ；( 3 ) 供区还会出现跋行、疼痛等各种并发症；( 4 ) 移植骨在形态、大 小、数量及塑形方面不易满足要求。故仅适用于较小的骨缺损的治疗。 自1 8 8 0 年，m a c e w e n 首次应用同种异体骨修复骨缺损获得初步成功以来，异体骨移 植经历了一个多世纪的发展，并已经成为替代自体骨移植的首选材料。异体骨可以由骨 库提供，避免了自体骨的不足之处，而且容易被患者所接受，但是移植后的同种异体骨 仅起到支架作用，而无骨诱导活性i l ”。新鲜的同种异体骨，移植后其自身的成骨作用也 是无效的，其诱导活性也只有在将其脱钙后才能表现出来【j 6 】，而脱钙又失去了异体骨的 机械支撑作用。具体的说，就是新鲜异体骨移植常常引起强烈的免疫排斥反应( 1 7 , 1 s 】，导 致吸收、感染而失败，而且制样、处理和存贮的成本很高，所以应用受到限制。 异种骨移植是用经过处理的动物骨骼，结合或不结合生长因子的情况下修复人体骨 缺损。异体骨的种类较多而且取骨丰富、价格低廉，经过适当的处理能提供骨支架具有 骨传导作用，结合生长因子时还有一定的骨诱导作用。异种骨有很强的免疫抗原性，直 接植入人体会引起强烈的免疫排斥反应。大量研究表明，如果能克服异种骨的免疫抗原 性，则异种骨将是一种良好的骨修复材料 1 9 - 2 1 】。目前最常用的是去抗原牛松质骨载体， 它具有天然的多孔结构，微孔规则，相互贯通。s a l a m a 等【2 2 】利用其这一特点体外组装红 骨髓成功治疗了多例骨缺损。多数学者认为，部分脱钙骨比非脱钙骨有更强的骨诱导能 力，可能因为部分脱钙骨能够释放成骨诱导因子，从而更快地促进新骨的形成。另一方 面，对新鲜异体骨进行低温、尤其是冷冻干燥处理，也可以明显降低异种骨的抗原性， 东南大学硕士学位论文 无须免疫抑制剂，也无须作组织相容性抗原配型【矧，虽然可以采用冻干、脱钙或辐照的 方法减少异体骨的免疫排斥反应，但由此产生的骨结构破坏和病源的引入是其固有的弱 点。 为了克服同种骨和异种骨移植存在的种种问题，人们开始研究可用作骨修复的人工 合成材料。理想的骨修复材料应该具有以下特性： ( 1 ) 有良好的生物相容性和弱的免 疫原性，易被缺损的个体接受，而不引起免疫排斥反应： ( 2 ) 对受体无毒，不会因修 复材料的植入而产生毒害作用；( 3 ) 有与缺损区相似的外形和组成成分； ( 4 ) 有一定 的机械强度和顺应性；( 5 ) 有良好的骨诱导和骨传导性，能够诱导周围新骨的形成： ( 6 ) 骨修复移植过程对患者损伤小。根据上述要求，目前用于骨修复的人工合成材料 中，生物陶瓷得到较多的研究和应用。 骨缺损修复手术操作已经成熟，主要难题集中在用于修复的材料上。目前，临床上 所用的骨修复材料有同种骨( 包括自体骨和异体骨) 、异种骨和合成材料制备的骨修复 材料。 1 3 骨修复生物陶瓷材料研究进展 生物陶瓷是目前在骨科得到较多应用的骨修复材料，它由金属离子及非金属离子两 部分以离子键结合的晶体材料，金属离子包括c a 2 十、k + 、m 矿+ 、n g 、a 1 3 十、t i * 等，非 金属离子部分包括p 0 4 3 、c 1 、s i 0 4 3 。、c 0 3 2 等 2 4 1 。生物陶瓷作为无机生物医学材料， 没有毒副作用，与生物体组织有良好的生物相容性，不仅可以完全避免免疫反应和疾病 传播，同时还能克服供体不足的问题。 生物陶瓷材料作为生物医学材料其始于十八世纪初瞄】。1 8 0 8 年初成功地制成了用于 镶牙的陶齿，1 8 9 2 年d r e e s m a n 发表有关使用熟石膏填充骨缺损的第一篇报告。1 9 6 3 年 在生物陶瓷发展史上也是重要的年，该年s m i t h 报告发展了一种陶瓷骨替代材料【2 6 l 。 然而，在医学上广泛研究和应用各种生物陶瓷材料，还是近二十年来的事。如今，生物 陶瓷材料根据其在生物体内的行为可分为惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和可降解生物陶 瓷。 1 3 1 生物惰性陶瓷 生物惰性陶瓷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一类 生物材料，主要有氧化物陶瓷，如氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等。对生物陶瓷的研究始于 生物惰性陶瓷，生物惰性陶瓷的结构稳定，分子间的键力较强，而且都具有较高的强度、 耐磨性和化学稳定性。实际上，完全惰性的材料是没有的，生物惰性材料在机体内基本 上不发生化学反应和降解反应，它所引起的组织反应是围绕其表面形成一层纤维膜，与 4 第一章绪论 组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面所形成一种机械嵌联，即形态结合。 生物惰性陶瓷应用较早的是氧化铝陶瓷。1 9 6 3 年s m i t h 成功研制的人骨的陶瓷代用 品，是由多孔铝酸盐陶瓷，灌注环氧树脂而制成。陶瓷的孔控制在4 8 左右，与天然人 骨的数值相当，使它的物理性质与人骨的非常接近，在二十世纪六、七十年代临床使用， 取得了非常大的成功。在这期间，h u l b e r t 等研究工作，对生物陶瓷的发展起了很大的 作用，它们令人信服地证明了氧化物陶瓷的生物兼容性f 2 刀。氧化铝陶瓷实际用作骨修复 材料始于1 9 7 0 年，该年法国整形外科医生b o u t i n 首先用多晶氧化铝制成了人工股关节 头和关节窝组合并用于临床治疗 2 8 。由于化学结构的稳定，在体内不释放可溶性化合物， 也不引起毒性反应，因此被认为是一种生物相容性材料。氧化铝陶瓷的主晶相为刚玉 ( a - a 1 2 0 3 ) 。视制造方法的不同，有三种产物：单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔质氧化铝。 随a 1 2 0 3 含量的增加，其主晶相一a 1 2 0 3 增多，陶瓷的性能逐渐提高，这主要是由于各 种氧化铝陶瓷的微观结构不同所致。大多数医用氧化铝陶瓷使用非常细的晶粒。但是， 当其中添加少量( 9 9 5 ) 、高密度 ( 3 9 0 9 c m 3 ) 、晶粒小而均匀( 平均晶粒 7 f u n ) 的氧化铝陶瓷，才能显示出作为生物陶瓷 的优越性，即具有优良的生物相容性、摩擦系数小、耐磨损、抗疲劳、耐腐蚀等特性。 但是，氧化铝陶瓷也存在几个问题：( 1 ) 与骨不发生化学结合，长时间使用后会发生松驰； ( 2 ) 机械强度并不十分高；( 3 ) 杨氏模量过高( 3 8 0 g p a ) ；( 4 ) 摩擦系数和磨耗速度较大。 氧化锆陶瓷具有高强度和韧性，部分稳定的氧化锆和氧化铝一样，生物相容性良好， 在人体内稳定性高，而且比氧化铝的断裂韧性值更高，耐磨性也更为优良，用作骨修复 材料有利于减小植入材料的尺寸和实现低摩擦、磨损，也是得到较多关注的一种生物惰 性陶甜2 9 1 。 1 3 2 生物活性陶瓷 生物活性材料是指能在材料界面上诱导产生特殊生物反应的材料，这种反应导致组 织和材料之间形成键合。这个概念由h e n c h 在1 9 6 9 年首先提出。与以往的生物惰性陶瓷 相比，生物活性材料在骨组织修复能力上有了很大提高。一方面由于植入体在生理环境 中发生一种特殊的表面反应，与骨组织形成化学性结合界面( 即生物活性结合) ，使植入 体牢固地固定于骨组织内：另一方面生物活性材料还具有优良的骨传导能力和良好的细 胞及组织亲和性。生物活性陶瓷主要包括羟基磷灰石、生物活性玻璃。 对羟基磷灰石研究的历史很长p u j ：早在1 7 9 0 年，w e m e r 用希腊文字将这种材料命名 为磷灰石。但是直至1 9 2 6 年，b a s s e t t 用x 射线衍射方法对人的牙齿和骨骼的矿物成分进 行分析认为其无机成分很像磷灰石。6 0 年代，f n e u m a n 等大量报道了羟基磷灰石与钙化 东南大学硕士学位论文 的关系。1 9 7 2 年，日本学者青木秀希成功合成羟基磷灰石并烧结成陶瓷。1 9 7 4 年1 9 7 5 年，a o k i 等发现烧成的羟基磷灰石陶瓷具有很好的生物相容性。自此以后，世界各主要 国家都对羟基磷灰石材料进行了广泛的研究。 在一般情形下，h a 是不吸收的，但是有关研究说明，它具有缓慢的生物降解性【3 ”， 这主要是由于：物理化学溶解，这取决于材料的溶解产物及周围环境的p h 值；生理 因素，例如吞噬作用可以降低周围的p h 值。同时伴随着多孔h a 孔隙率的提高和比表面积 的增加，其降解速度明显增加。 由于多孔h a 的强度低，脆性大，易产生裂纹等缺点，目前多孔h a 植入人体后一般 不能承受较大载荷。其机械强度除与陶瓷原始粉的烧结性能有关外，与陶瓷烧结的程度、 烧结工艺，以及孔隙度、孔径、孔和孔径的分布、孔壁的厚度和致密度均有关系p 2 】。体 外实验显示，孔径和孔隙率的增加都会降低陶瓷的机械强度。烧结过程中，烧结温度影 响多孔羟基磷灰石的强度，多孔羟基磷灰石陶瓷的孔隙率与烧结保温时间有关，并随保 温时间的延长先升高后降低。目前，烧结温度在1 1 0 0 1 3 0 0 左右，这个温度区间内h a 晶粒异常长大，使生物活性大大降低。m i c h e l 【3 3 】在1 2 7 0 的高温下烧结出h a 陶瓷支架； t a m p i e r i 圳等用有机泡沫浸渍法，以h a 为原料，在1 2 0 0 c 下烧成多孔支架，最小处孔径 小于5 0 p a n ，最大处为2 0 0 9 m 5 0 0 1 a x n ，孔隙率大于6 6 。叶金风【3 5 】采用浆料发泡法在 1 2 5 0 烧结得到多孔h a 生物陶瓷，具有三维无序孔和二维直通孔复合结构，总气孔率 可达7 0 8 5 ；宏观孔径主要分布在0 3 m m 0 6 m m ，微观孔在l l a m 3 1 m a 之间，抗压 强度可达0 8 5 m p a 。 在体内，羟基磷灰石能与组织在界面上形成化学键性结合。它与骨键合表现在：( 1 ) 新骨和羟基磷灰石植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；( 2 ) 羟基磷灰石植入 体与骨界面的结合强度等于甚至超过了植入体或骨自身的结合强度，如果发生断裂往往 是在陶瓷或骨的内部，而不是在界面上；( 3 ) 新生骨中盐晶体系由植入体中晶粒外延生长 形成。经过近4 0 年来国内外学者的共同努力，羟基磷灰石生物活性陶瓷作为骨修复材料 方面的研究取得了很大的进展。然而，纯羟基磷灰石用于骨修复还存在一些不足：韧性 差，脆性大 3 “，所以到目前为止，它在临床上的应用仅限于小的非承重部位的修复。 s c k l i e p h a k e ”】等在小型猪下颌上造成缺损用孔径2 0 0 9 m 和5 0 0 i n n 的h a 以钛螺钉固定 修复，认为内孔径5 0 0 1 m a 的h a 更适合于下颌骨缺损的修复，能在较短期内引导骨细胞 长入，达到和周围宿主骨的良好结合。 生物活性玻璃陶瓷是一类能与生物骨组织键合的生物活性材料。大量实验表明该材 料之所以具有生物活性在于它与体液或组织结合时表面形成一层富c a 、p 层，此层在一 定条件下晶化为羟基磷灰石，为材料与骨组织的键合提供了基础。自从1 9 7 2 年美国佛 罗里达大学教授h e n e h 发明了n a 2 0 c a o s i 0 2 p 2 0 5 系统生物玻璃以来，生物玻璃便因 与惰性生物材料所不同的生物活性和良好的稳定性而引起了人们的广泛关注。目前，研 究比较成功的生物玻璃有c a o p 2 0 5 s i 0 2 系统 3 8 】、s i 0 2 - n a 2 0 c a o p 2 0 5 系统( 4 5 s 5 【删和 6 第一章绪论 5 8 s t 4 0 1 ) 和k 2 0 m g o s i 0 2 b 2 0 3 f 系统等，其中研究最多的是4 5 s 5 系统。生物玻璃材 料被广泛应用于软骨、硬骨的修复阻】，此外还用于人体骨缺损的填充和整形外科手术骨 头移植用的支架【4 3 制造等方面。 1 3 3 可降解生物陶瓷 可降解生物陶瓷是一种暂时性的替代材料，植入体内后会被逐渐吸收和降解，同时 被新生骨逐渐替代。目前广泛应用的是磷酸钙系列陶瓷，主要包括1 3 一磷酸三钙、m 磷酸 三钙，其中b 。磷酸三钙的应用最广泛。 p 一磷酸三钙可降解生物陶瓷的分子式为1 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，简称p t c p ，钙磷比为1 5 。它 是磷酸三钙低温型的p 相，磷酸三钙分子式c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，简称t c p ，它的高温型是a 相。a 相的结晶为单斜晶，密度为2 8 6 9 e m 3 ，晶格常数a = 1 2 8 9 a ，b = 2 7 2 8 a ，e - = 1 2 6 6 0 a 。b 相是六面体，a = 1 0 3 2 a ，b = 3 6 9 a 。b - t c p 转变a - t c p 的相转变温度为1 1 8 0 ，在1 1 8 0 以下b t c p 为稳定相，在1 1 8 0 以上则弘t c p 为稳定相。目前生物活性陶瓷材料的研 究与应用一般选择p t c p 而非a - t c p 。其中主要原因如下【删：( 1 ) 1 3 - t c p 的相稳定温度更 低，具有比g t t c p 更高的生物活性；( 2 ) 当温度升高，t c p f l q 3 相转变为啪时，体积增大， 会使陶瓷发生膨胀，从而降低其力学性能；( 3 ) a - t c p 的溶解度过大，植入人体后降解过 快，导致人工骨材料不能较好地发挥作用。通常情况下，f l - t c p 在水溶液和体液中的溶 解度是羟基磷灰石的1 0 1 5 倍。因其具有良好的生物相容性、容易生物降解吸收、具有 骨传导性以及无毒副作用，被视为优良的骨修复材料。 多孔的1 3 - t c p 生物陶瓷具有大的比表面积，植入骨内后，材料表面的降解产物可使 局部c a 和p i ( 指全部游离的无机磷酸根离子，如h p 0 4 、h 2 p 0 4 一，p 0 4 3 。) 浓度升高，有 利于钙化组织的形成【4 5 1 ，随着新骨的逐渐形成材料随之降解，最终完全被新生骨组织所 替代，达到完美的生物修复目的。多孔1 3 - t c p 的生物力学性能取决于孔隙结构，按其孔 径大小分为微孔和大孔两类，微孔是由于烧成过程中颗粒未充分靠拢造成的与粉末大小 相仿的孔，大孔是指孔径达几百微米的孔。微气孔决定材料的降解速度，大孔则可以使 骨组织长入，多孔材料的总抗压强度是由总孔隙率决定的。实际情况下，b 一磷酸三钙的 降解还受材料降解产物及周围环境的p h 值、个体的差异、植入部位的不同等因素影响， 同时 3 - t c p 在降解过程中，强度大幅度下降，使其达到材料吸收和新骨生长速度的较好 匹配难度较大。 单一的h a 踯- t c p 生物陶瓷都不能很好满足体内植入的要求。为了解决这一问题，研究 者制备出h a p 目c p 双相生物陶瓷( b c p ) ，通过调节h a 旷r c p 复合物e e - 者的比例控制其 降解速度。b c p 具有优异的生物活性、生物降解性和力学强度，同时具有骨传导成骨能力和 一定的骨诱导能力。双相磷酸钙陶瓷结合羟基磷灰石极好的强度和b 磷酸三钙的可降解 性，将两种材料在高温下烧结，制备的多孔羟基磷灰石邝磷酸三钙陶瓷具有两种材料 7 东南大学硕士学位论文 的优势。2 0 世纪8 0 年代，在j a r c h o 等人的努力下，b c p 陶瓷作为骨修复材料进入了临床【矧。 蔡舒哪在1 1 8 0 c 烧成的b c p 双相生物陶瓷，具有良好的微观结构、力学性能和组成。2 0 0 1 年a l a m 等【4 8 】报道：用h a 和p t c p 做成了不同比例的复合支架，通过实验发现h a 和p t c p 复合支架是很好的骨修复材料。其中h a 和b t c p 比, 例为6 0 和4 0 的材料倍受学者的青 睐。o h g u s h i 4 9 】将含有6 0 的h a 与4 0 的b t c p 浸a x 鼠骨髓基质细胞悬液中，获得每块 含约1 x 1 07 2 x 1 07 个细胞的复合材料，实验证明其有明显的异位成骨能力，并可在陶瓷 空隙内直接成骨并增强了与宿主骨干的结合，二者共同增加了植入物的抗压强度及刚 性。 随着材料科学和生物科学的发展，在本世纪六十年代兴起了组织工程学，组织工程 学是应用细胞生物学和工程学原理与方法，研究、开发用于修复和改善损伤组织结构和 功能的生物替代物的一门科学。这门新兴学科为骨修复找到了新方法，并促进了其迅速 的发展。 综上所述，磷酸钙陶瓷能与宿主骨形成牢固的键合，并可被吸收，新骨随着陶瓷尤 其是b t c p 的吸收而形成。组织学研究结果证实了在脊柱融合中多孔钙磷陶瓷种植体具 有生物活性和骨诱导性。但是烧结温度对b c p 的性能有一定的影响。普遍认为b c p 陶瓷 的烧结温度不应超过11 5 0 ，因为过高的烧结温度会使陶瓷颗粒发生长大，降低其生物 活性，甚至发生h a 的分散和b t c p 向a - t c p 的转变；在烧结温度低于1 0 0 0 时，对生成 的h a b t c p 比例影响不大【5 0 。因此，希望在制备过程中能适当地降低陶瓷的烧结温度。 1 3 4 多孔生物陶瓷的制备方法 多孔陶瓷制备的关键与难点是形成多孔结构，单纯得到孔隙率很高的陶瓷并不困难， 但要控制孔径的大小、形状、数量及分布则有一定的难度。对于实践中应用的多孔陶瓷 制品，需要严格控制多孔陶瓷材料的表征。因此，选择适当的方法和工艺是生产多孔陶 瓷制品的关键一环。目前，多孔陶瓷制备的方法主要有： ( 一) 颗粒烧结形成多孔结构 生物陶瓷颗粒堆积后烧结可形成多孔结构。这种多孔支架的孔隙率一般较低，为 2 0 3 0 左右，为了提高孔隙率，也可在原料中加入成孔剂，该类物质在坯体内占有一 定体积，但烧成、加工后又能够除去形成孔隙。如碳粒、碳粉、纤维等。也可用难熔化 易溶解的无机盐类作为成孔剂，它们能在烧结后通过溶剂浸蚀作用除去。此外，可以通 过粉体粒度配比和成孔剂等控制孔径及其它性能。这样制得的多孔支架孔隙率可达6 5 左右，孔径可在微米到毫米之间 s h 。 1 9 9 8 年t a n e r e d 、m c c o 彻a c k f 5 2 】等报道了用此方法合成的骨移植材料，用颗粒大小 为2 1 6 岬的羟基磷灰石粉末和颗粒大小为o 9 7 1 m a 的i b - t c p 粉末，按3 ：1 混合，加入 3 的氰乙烯短纤维作为成孔剂，将混合物装入试管，在混合机上慢速旋转5 天，使原 第一章绪论 料混合均匀。然后在高温炉中于1 2 0 0 烧结3 h ，升温和降温速率都控制在4 c n f i n 。通 过上述方法得到了与人体骨形态相似的多孔材料，孔径为1 0 p m 2 0 0 1 t m ，孔隙率达到 6 0 以上。 ( 二) 发泡法 发泡工艺的主要方法有：化学发泡法和物理发泡法。化学发泡法是将在较高温度能 够分解产生气体，或能发生化学反应产生气体的物质与钙磷陶瓷粉体浆料混合成型，在 一定温度下加热处理发泡，再烧结生成大孔陶瓷。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。用来做发泡剂的化学物质有很多 种类，应用较多的是双氧水，以聚乙烯醇等水溶性聚合物为粘结剂。k l e i n t 5 3 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 h ，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 孔羟基磷灰石陶瓷。 物理发泡法是向水中加入少量的具有表面活性的物质，通过强烈搅拌卷入空气，使 其体积增大而发泡，随后将陶瓷混合料加入其中不断搅拌，使浆体内形成细小的、均匀 的大量气泡。原位凝胶发泡法【跏是物理发泡法的一种，即对含有表面活性剂的水溶液进 行强烈搅拌使其卷入空气，产生泡沫，再加入陶瓷与有机单体、催化剂和引发剂的混合 物充分搅拌，单体聚合凝胶，固定住大量均匀的气泡，从而形成陶瓷泡沫体。e n g i n e 5 5 】 等将羟基磷灰石粉末与甲基纤维素粉末混合后，再与去离子水混合成浆料，经超声震动 脱气，在烘箱中5 0 9 0 慢慢地烘干，然后以0 5 m i n 的速度升温至2 5 0 ，再以 3 c m i n 的速度升温到1 2 5 0 ，保温3 h ，随炉冷却到室温。可获得孔隙度6 0 9 0 ，孔 径1 0 0 1 m a 2 5 0 9 m ，互通性良好的多孔羟基磷灰石陶瓷。 与其它方法相比，发泡工艺更容易对多孔陶瓷的形状、成份和密度进行控制，但制 备的孔隙结构多为小孔径的闭口气孔。 ( 三) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶工艺主要利用凝胶化过程中胶体粒子的堆积，以及凝胶和热处理等过程 中留下的小气孔形成可控多孔结构。该方法主要用来制备微孔陶瓷材料，特别是微孔陶 瓷薄膜。利用溶胶凝胶方法可以制各孔径在纳米级、气孔分布均匀的多孔陶瓷薄膜， 正在成为无机分离膜制备工艺中最为活跃的研究领域。但由于其孔隙直径过小，在多孔 生物材料的制备中并不适用。 ( 四) 有机泡沫浸渍法 有机泡沫浸溃法制备多孔陶瓷支架的基本工艺过程如下：h a 或1 3 - t c p 粉末与一定 量的粘结剂混合，加入2 0 4 0 的水配成浆料，然后把经预处理后的有机泡沫浸入浆 料，反复挤压使泡沫充满浆料，去除表面多余浆料，所得样品在室温条件下自然晾干， 最后在高温下烧结成形，有机泡沫在高温下挥发，得到了多孔状的h a 或b t c p 支架。 该技术工艺简单，孔径大小和孔隙率易于控制，孔径分布均匀。 9 东南大学硕士学位论文 清华大学的田杰谟胪6 j 利用该方法制成了平均孔径2 0 0 p m 3 0 0 1 m a ，孔隙率在7 0 8 0 的多孔羟基磷灰石。西安交通大学的赵俊荆”l 以羟基磷灰石粉、生物玻璃粉为料浆， 以硅溶胶作溶剂和粘结剂，以羟甲基纤维素为流变剂，采用该方法制备出了孔径约 4 5 0 m 5 0 0 岬，结构均匀、孔隙相连通的多孔生物活性复相陶瓷。佳木斯大学的杨涵 崧h8 】用该方法以羟基磷灰石掺加少量( 2 6 ) 的生物玻璃制备出了孔径2 0 0 岬4 0 0 岬、 孔隙率7 0 8 0 、抗压强度2 m p a 左右的多孔羟基磷灰石陶瓷。因此，该技术制备的 支架能基本上满足骨组织工程的要求，具有较好的实用性和广阔的应用前景。 表1 - 1 无机多孔骨支架制备工艺的比较 对比以上几种制备无机多孔支架常用的方法，它们有着各自的优缺点，如表1 1 所 示。相比之下，有机泡沫浸渍工艺是一种发展较早，应用较成熟的支架制备工艺。它的 操作工艺简单，可以通过选择泡沫孔隙形态来调节支架的孔隙，而且容易得到相互连通 的孔隙结构。 1 4 课题目标和主要研究内容 在前期工作中，本研究组采用泡沫浸渍法制备多孔生物陶瓷支架，对成形工艺及 其多孔陶瓷的基本性能进行了研究【5 9 舯】：以本实验室自制的h a 和b t c p 粉体为原料， 以a 1 、m g 酸式磷酸盐为粘结剂，在1 1 5 0 ( 2 烧结制备了骨组织工程多孔支架；通过对 原料和成形过程的控制，可以改变支架中磷酸盐组成，调控支架的降解速度。 在这些研究工作的基础上，本论文通过支架的组成的调整来降低烧结温度，采用 对支架进行后期增强处理的方法，以得到强度更好的支架。 主要研究内容为： 1 在本实验室制备多孔生物陶瓷支架前期研究的基础上，设计两种组分： h a p - t c p - c a c 0 3 一n a h 2 p 0 4 和h b t c p ( n a e 0 3 ) 6 一m g ( h 2 p 0 4 ) 2 制备多孔生物陶瓷，并 对其基本性能( 孔结构，孔隙率，抗压强度) 进行测试，优化支架组成。 2 研究工艺因素对磷酸钙陶瓷多孔支架性能的影响规律。 3 采用浸涂法，以一定浓度的聚乳酸、明胶溶液对多孔生物陶瓷支架进行增强处 1 0 第一章绪论 理，测试处理前后支架的孔隙结构和力学性能，并进行体外细胞培养实验，测试多孔生 物陶瓷支架的毒性。 东南大学硕士学位论文 2 1 设备与原材料 2 1 1 实验设备 第二章实验方法 实验中所用设备如表2 - 1 。 表2 - 1 实验用设备 2 1 2 实验原料 实验所用原料如表2 - 2 。 表2 - 2 实验用原料 原料名称生产厂家备注 磷酸 氢氧化钙 氧化镁 六偏磷酸钠 无水碳酸钙 二水磷酸二氢钠 无水乙醇 明胶 聚乳酸 上海化学试剂有限公司 上海凌峰化学试剂有限公司 上海通亚精细化工厂 上海久亿化学试剂有限公司 上海久亿化学试剂有限公司 南京化学试剂一厂 上海久亿化学试剂有限公司 天津市科密欧化学试剂研发中心 中科院成都有机化学研究所 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分析纯 分子量3 0 万 第二章实验材科与方法 三氯甲烷上海久亿化学试剂有限公司分析纯 2 2 测试方法 2 2 1 物相分析 研究中采用s h i n a d z ux d 一3 a 型x 一射线衍射仪( ) 对合成的粉体进行物 相分析，实验条件为：c u - k 。辐射，电压4 0 k v ，电流3 0 m a ，测量角度误差小 于士0 0 1 。 用热分析测试研究材料的相变点及重量变化，结合x r d 测试结果分析多孔 生物陶瓷的烧结过程物理化学变化。热分析在t g 8 1 2 0 型设备上进行，加热速率 1 0 m i n ，升温范围室温到1 2 0 0 之间。 2 2 3 微观结构分析 采用j s m 6 3 0 0 扫描电子显微镜，对多孔支架样品的孔隙形貌和微观特征进 行观察分析。 2 2 4 孔隙率测定 采用阿基米德法来测试多孔支架的孑l 隙率【回。烧结的样品经洗涤后，9 0 c 烘干，称出烘干后样品的质量。然后将样品在蒸馏水中煮沸3 h ，随水冷却2 4 h 。 在此过程中称出样品的湿重以及悬挂在水中的质量。通过以下公式可以计算出样 品的孔隙率： p o r o s i t y = 缈一d ) 缈一s ) ( 2 1 ) 其中w 一样品的湿重 d 一样品的干重 s 一样品悬于水中的质量 对每组实验中的1 0 个样品进行孔隙率测试，取其平均值作为该组样品的孔 隙率。 东南大学硕士学位论文 2 2 5 力学性能测试 采用c m t 5 1 0 5 电子万能试验机( 深圳市新三思计量技术有限公司) 测试支 架样品的抗压强度，加载速率l m m