（材料学专业论文）ha316l不锈钢生物功能梯度材料的理化性能及体外生物活性研究.pdf

硕十学位论史摘要 摘要 羟基磷灰石( h a ) 和3 1 6 l 不锈钢都足临床上普遍使用的生物材料。 h a 具有优良的生物相容性，但力学性能较差，不能用作承载骨修复材料。 3 1 6 l 不锈钢虽然具有良好的力学性能，但其生物相容性较差，常常引起不 良反应或导致失效。本论文对h a 3 1 6 l 不锈钢这一新的材料体系进行了研 究，试图制备出兼具二者优点的生物复合材料，并采用梯度结构来改善界 面结合。 采用于粉铺叠法和热压工艺制备了h a 3 1 6 l 不锈钢非对称生物功能梯 度材料( f g m ) 、h a 3 1 6 l 不锈钢对称生物f g m 以及各梯度层对应成分配 比的h a 3 1 6 l 不锈钢复合材料。测定了相对密度和抗弯强度，采用x 射线 衍射( ) 、扫描电镜( s e m ) 和金相显微分析等技术对材料进行了物相 和微观结构的分析。结果表明，随着3 1 6 l 不锈钢含量的增加，材料的相对 密度增加，抗弯强度大大提高，材料的力学性能得到大幅度提高。h a 和 3 1 6 l 不锈钢两相在热压过程中发生了不同程度的固溶，表明h a 陶瓷和 3 1 6 l 不锈钢能够形成好的结合。h a 3 1 6 l 不锈钢f g m 在宏观上呈现明显 的梯度，微观上则表现出成分连续变化，且各成分分布均匀、弥散。各梯 度层之间没有明显的宏观界面，在各梯度层内部及界面都没有裂纹及大孔 洞出现，界面结合紧密。 采用模拟体液( s b f ) 浸泡实验对h a 3 1 6 l 不锈钢生物f g m 的体外生 物活性进行了研究。结果表明，h a 3 1 6 l 不锈钢生物f g m 经模拟体液浸泡 一段时间后，表面会有类骨磷灰石层形成，且随着h a 含量的增加和浸泡 时间的延长而增加，而体液的p h 值变化不大。表明通过合理设计梯度层的 成分配比能够制备出具有良好生物活性的h a 3 1 6 l 不锈钢f g m 。 探讨了h a 3 1 6 l 不锈钢f g m 在静态和动态s b f 中表面类骨磷灰石的 形成机理。类骨磷灰石的形成包括晶核形成和晶体长大两个过程。影响类 骨磷灰石形成的主要因素材料的表面状态和s b f 中的钙、磷离子浓度。因 而磷灰石晶核首先在粗糙表面或表面缺陷部位形成，而钙、磷离子浓度的 增加能促进磷灰石的形成。由于钙、磷离子浓度的影响，静态s b f 中磷灰 石的形貌会发生变化，由针状和层片状变为球形多晶，而动态s b f 类骨磷 灰石的形成较困难，但形貌为球形，且分布均匀弥散。可见局域钙磷离子 竺竺丝丝兰 塑墨 浓度不但是类骨磷灰石形成的藿要原因，也足影响其晶体形貌的关键因索 之一。 关键词羟基磷灰石( h a ) ，生物材料，功能梯度材卡：i - ( f g m ) ，3 1 6 l 不锈钢， 模拟体液( s b f ) ，生物活性 i i 预t 学付论文a b s 下r a ( 1 a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) a n d3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e l ( 3 1 6 ls s ) a r eb o t ht h e b i o m a t e r i a l sw i d e l yu s e di nc l i n i c h ah a se x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t yb u tb a d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss ot h a tc a nn o tb eu s e da sb e a r i n gb o n er e p a i rm a t e r i a l w h i l e316 ls sh a sg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb u tb a n db i o c o m p a t i b i l i t y , i t a l w a y sl e a d st oi l lr e a c t i o no ri n v a l i d a t i o n i nt h i sp a p e qan e wm a t e r i a ls y s t e m h a 31 6 ls sw a ss t u d i e d ，w i t ht h ep u r p o s eo fp r e p a r i n gab i o - c o m p o s i t ew h i c h p o s s e s s i n gt h ee x c e l l e n c eo fb o t hh a a n d316 ls s f u r t h e r m o r e ，ag r a d i e n t s t r u c t u r ew a sd e s i g n e di no r d e rt oi m p r o v et h ec o m b i n a t i o n h a 31 6 ls sa s y m m e t r i c a lb i o l o g i c a lf u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l ( f g m ) ， h a 31 6 ls ss y m m e t r i c a lb i o l o g i c a lf g ma n dh a 31 6 ls sc o m p o s i t e sw e r e p r e p a r e db ya d o p t i n gt h ew a yo fp i l i n gd r yp o w d e ra n dh o tp r e s s i n gt e c h n i c s n l er e l a t i v e d e n s i t ya n db e n d i n gs t r e n g t hw e r ed e t e r m i n e d m e a n w h i l e c o m p o n e n ta n dm i e r o s t r u c t u r ew e r ea l s oe x a m i n e db yu s i n gx r d ，s e ma n d m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i st e c h n o l o g i e s 1 h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f t h e 31 6 ls sc o n t e n t t h er e l a t i v e d e n s i t y a n d b e n d i n gs t r e n g t h o ft h e b i o m a t e r i a l si m p r o v eg r e a t l y , a n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h eb i o m a t e r i a l s a r ep r o m o t e db yal a r g e t h et w op h a s e so f h aa n d3 1 6 ls sd i s s o l v ei n t oe a c h o t h e ri ns o m ed e g r e ed u r i n gh o tp r e s s i n g ，w h i c hi n d i c a t e st h a th ac e r a m i ca n d 3 1 6 ls sc o u l dc o m b i n ef i r m l y t h eh a 3 1 6 ls sb i o l o g i c a lf g m sp r e s e n t o b v i o u sg r a d i e n to nt h em a c r o s c o p i c ，w h i l ec o m p o n e n t sc h a n g ec o n t i n u o u s l yi n m i c r o c o s m i c ，a n de a c hc o m p o n e n ti sd i s t r i b u t e de q u a la n dd i s p e r s e d l y t h e r ei s n e i t h e ro b v i o u sm a c r o s c o p i c a l l yi n t e r f a c eb e t w e e ne a c hg r a d i e n tl a y e rn o rc r a c k a n db i gh o l ei nb o t hl a y e r sa n di n t e r f a c e s ，a n dt h ei n t e r f a c e sa r ec o m b i n e dc l o s e t h ei nv i t r ob i o a e t i v i t i e so f h a 31 6 ls sb i o l o g i c a lf g m sw e r es t u d i e db y s o a k i n gi ns i m u l a t e db o d yf l u i d ( s b f ) r e s u l t ss h o wt h a t t h es u r f a c eo f h a 31 6 ls sb i o l o g i c a lf g m sa r ec o v e r e dw i t hal a y e ro f b o n e l i k ea p a t i t ea f t e r s o a k i n gi ns b ff o rap e r i o d , a n dt h ea p a t i t ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fh a c o n t e n ta n dt h el e n g t h e n i n go fs o a k i n gt i m e h o w e v e r ，t h ep ho fs b fh a so n l ya l i t t l ec h a n g e i tr e v e a l st h a th a 3 1 6 ls sb i o l o g i c a lf g mw i t hg o o db i o a c t i v i t y i l l 硕卜学佾论文 a b s t r a c t c o u l db eo b t a i n e db y d e s i g n i n gr e a s o n a b l ec o m p o n e n to f g r a d i e n tl a y e r s t h ef o r m a t i o na n dm e c h a n i s mo fb o n e 1 i k ea p m i t eo nt h es u r f a c eo f h a 316 ls sb i o l o g i c a lf g m si nb o t hs t a t i ca n dd y n a m i cs b fw e r ea l s o d i s c u s s e d t h ef o r m a t i o no fb o n e - l i k ea p a t i t ei n c l u d e st w oc o u r s e so fc r y s t a l n u c l e u sf o r m a t i o na n dc r y s t a lg r o w t h t h es u r f a c ec o n d i t i o na n dc a ，pi o n c o n c e n t r a t i o n si ns b fa r et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ff o r m a t i o na n dg r o w t ho f b o n e l i k ea p a t i t e t h e r e f o r e ，t h ea p a t i t ec r y s t a ln u c l e u sf i r m l yf o r m sa tr o u g h s u r f a c e sa n dp o s i t i o n sw i t hd e f e c t s i n c r e a s i n gt h ei o nc o n c e n t r a t i o n so fc aa n d pc o u l da c c e l e r a t ef o r m a t i o no fb o n l i k ea p a t i t e b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fc a a n dpi o nc o n c e n t r a t i o n s ，t h em o r p h o l o g i e so fa p a t i t ei ns t a t i cs b fa r ec h a n g e d f r o ma c i c u l a rc r y s t a l sa n ds h e e tc r y s t a l st os p h e r i c a lm u l t i c r y s t a l s w h i l ei n d y n a m i cs b f t h ef o r m a t i o no fb o n e 1 i k ea p a t i t ei sm o r ed i f f i c u l t ，b u tt h e m o r p h o l o g i e so fa p a t i t ea r es p h e r i c i t y , a n dt h ed i s t r i b u t i o n s a r ee q u a l l ya n d d i s p e r s e d l y i tr e v e a l st h a tp a r t i a li o nc o n c e n t r a t i o n sa r en o to n l yt h ei m p o r t a n t c a u s a t i o no fb o n e - l i k ea p a t i t ef o r m a t i o n ，b u ta l s oo n eo ft h ek e yi n f l u e n c e f a c t o r so f a p a t i t ec r y s t a lm o r p h o l o g y k e yw o r d s h y d r o x y a p a t i t ef f t a ) ，b i o m a t e r i a l ，f u n c t i o n a l l yg r a d i e n t m a t e r i a l ( f g m ) ，31 6 ls t a i n l e s ss t e e l ( 3 1 6 ls s ) ，s i m u l a t e d b o d yf l u i d ( s b f ) ，b i o a c t i v i t y 预 学位论史第一章史献综述 第一章文献综述 1 1 绪论 生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称生物材料( b i o m a t e r i a l s ) ，它是对生物体 进行诊断、治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料【l l 。生物材料是新型材料 的重要组成部分，是生物医学工程学的四大支柱之一，其研究内容涉及材料、医学、物 理、生物化学、高分子科学、药学和现代高苎产等诸多学科领域。在一定程度上反映了 国家的科学水平、工业化水平和人民生活水平，是一个具有重要意义的学术和技术领域。 生物材料学是一个崭新的领域，但生物材料本省却有着古老的历史1 2 l 。约公元前 3 5 0 0 年，古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。墨西哥的印第安人使用木 片修补受伤的颅骨。公元前2 5 0 0 年前，中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假 耳。众多历史记载也表明，玻璃义眼和木制的假牙也曾被普遍应用过。到1 9 世纪，金、 银、铂等会属开始用作人体硬组织修复材料，1 9 世纪末，可吸收陶瓷熟石膏也在临 床中得到了应用。2 0 世纪初，高分子材料开始得到应用并迅速发展起来。2 0 世纪7 0 年 代，生物玻璃及玻璃陶瓷、羟基磷灰石等进入临床应用后，将生物材料的研究推向一个 新的阶段，成为在全世界影响巨大的新的学科。8 0 年代以来各种复合材料的出现，开始 了多学科对生物材料的共同研究，并衍生出多个研究方向。2 0 世纪9 0 年代以来，我国 在生物材料方面的研究也取得了快速的发展。 生物医用材料按照材料的成分和性质，可分为医用金属和合金、医用高分子材料、 生物陶瓷，以及由它们结合而成的生物医用复合材料。经过处理的天然组织，由于其来 源特殊，另成一类生物衍生材料。根据在生物环境中发生的生物化学反应水平，可分为 近惰性的生物材料、生物活性材料以及可降解和可吸收的生物材料。根据临床用途，还 可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼肌肉系统修复和替换材料，皮肤、乳房、食道、呼 吸道、膀胱等软组织材料，人工心脏瓣膜、血管、心血管内插管等心血管系统材料，血 液净化和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接触镜等医用膜材料，组织黏合荆和缝线材 料，药物释放载体材料，临床诊断及生物传感器材料，齿科材料等。 1 2 骨修复材料的发展概述 骨修复材料的研究与开发一直就是生物材料研究的重点之一。随着社会发展，人口 剧增，交通工具大量涌现，工伤事故频繁发生、局部战争以及人口老龄化等社会现象， 人体因外伤、炎症、肿瘤和先天畸形造成的骨缺损或肢体不全者不计其数，因而对骨修 复材料的需求也是与日俱增。 竺! 竺竺堡茎苎二皇苎堕堡堕 从束源来看，骨修复材料主要有三种，即自体骨、异体骨和人工合成材料。虽然临 床证实自体骨足最理想的骨修复材料，但其来源有限，取骨区有一定的并发症。异体骨 具有自体骨优越的组织性能，但其存在免疫排斥反应，并有感染h i v 和肝炎等病毒的可 能，而且制样、处理和存贮的成本很高，所以应用收到很大限制1 3 4 1 。因此，研究和开发 理想的替代骨移植的人工合成材料已成为医学和生物材料科学的莺要课题。 1 2 1 人体骨的基本结构及性能 人体骨骼中含有水、有机物和无机盐等成分。其中水的含量较少( 9 ) ，有机物 主要是胶原( 2 0 w t ) ，而大量的无机物为磷酸钙盐类即骨盐( 6 9 w t ) 。无机盐决定骨 的硬度，而有机物则决定骨的弹性和韧性【5 6 j 。 骨中的无机相主要为结晶羟基磷灰石( h a ) ，但含有c 0 3 厶、c i 。、f 、n a 2 + 、m 矿+ 等 杂质离子。其中c 0 3 2 - 的含量较高，它可取代h a 中的o h - 或p 0 4 3 - 的位置而成为a 型或 b 型碳酸磷灰石( c h a ) ，一般骨中这两相同时存在。另外在骨中还发现了非晶磷酸钙 ( a c p ) 、磷酸八钙( o c p ) 、透磷酸钙( o c p d ) 、磷酸氢钙( d c p ) 和六方碳酸钙。骨的主要有 机质为胶原纤维，约占骨中有机质的9 5 ，此外还有少量的骨盐酸蛋白、硫酸软骨索、 脂类和肽类 - q 。 人体骨具有非常特殊的结构。骨中的胶原纤维直径在1 0 0 2 0 0 0 n m ，纤维之问通过 两种不同方向的编织排列构成网状同轴结构体一胶原纤维束( 如图1 1 ) 。从骨的结构分 析来看，可以分为两个不同层次的复合1 8 l ：增强胶原纤维构成3 7 9 m 的同轴层坏状结构 并互相重叠构成有机骨基质；骨盐主要以针状羟基磷灰石( 4 0 - - 6 0 n m x 2 0 n m x i 5 n i n l 以及 无定形磷酸钙的形式分布在胶原基质上，沿胶原纤维长轴方向定向排列构成骨盐的框架 结构。 图1 1 典型骨组织的解剖结构 f i g 1 1 t h ea n a t o m i cs t r u c u r eo f t y p i c a lh u m a nb o n e 2 硕卜学付论定第一章史献综述 此外，在骨中心中空部分，周围环绕着育很多陷窝和微管，这些陷窝和微管呈随机 分布并有很多组织液分布其间。血管、陷窝和微管等不连续的组织可以阻止裂纹的扩展， 而组织液也能够通过在互相联通的空隙中流动而吸收应力的能量，从而有效增加了骨的 韧性 9 1 。这些特殊的结构特征和相关增韧机制的存在使得人体骨具有很好的机械性能( 见 表1 1 ) 。综上所述，人体骨足通过j e 常复杂的方式巧妙地将有机的骨基质结构和无机的 骨盐框架结构紧密地结合起来，在人体中实现生物和力学上的要求，因此人体骨也可以 看成是由纳米无机盐和生物大分子规则排列所形成的复合材料。 表1 1 人体部分骨骼的机械性质 t a b l e l 1m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s o m eh u m a nb o n e 组织测试方向弹性模瞢，t g e a )抗拉强度，( m p a )抗压强度( m p a ) 股骨轴向 1 7 2 01 2 1 0 01 6 7 0 0 ： 胫骨轴向 1 8 1 0 1 4 0 0 01 5 9 0 0 腓骨轴向 1 8 6 01 4 6 0 01 2 3 0 0 肱骨轴向 1 7 2 0 1 3 0 0 0 1 3 2 0 0 二 桡骨轴向 1 8 6 01 4 9 0 01 1 4 0 0 尺骨轴向 1 8 0 01 4 8 0 01 1 7 0 0 脊 颈骨轴向 o 2 33 1 01 0 0 0 椎 腰骨轴向016 3 7 0 5 0 0 8 海绵骨轴向 0 0 91 2 01 9 0 1 2 2 骨修复材料的性能要求 迄今为止，用于骨修复与替代的材料主要有金属与合金、生物陶瓷、高分子聚合物、 复合材料以及人和动物的骨骼衍生物等。由于人体生理环境非常复杂，而材料植入体内 又必须保证长期的稳定性，因此骨修复材料除了要满足生物材料的共同特性外，还需满 足一些特定的要求。综合多种因素，用作植入体的骨修复材料必须满足以下条件 1 0 , 1 1 l ： ( 1 ) 生物学条件： 对人体无毒、无刺激，无致癌、无突变等有害的副作用； 生物相容性好，对人体无排异反应； 与周围的骨骼和组织能够牢固地结合，最好能形成化学键合，亦即具有生物活性； 无溶血、凝血反应，即抗血栓性。 ( 2 1 化学条件； 在体内长期稳定，不分解、不变质； 耐腐蚀，不产生有害的降解物质； 耐腐蚀疲劳和腐蚀蠕变。 硕 学位论史第一事史献 宗述 ( 3 ) 力学条件： 具有足够的机械强度，如抗张、抗压、抗弯以及抗剪切等强度； 弹性模量要与自然骨匹配i 耐磨擦磨损，耐疲劳。 ( 4 ) 其它条件： 具有一定的气孔率，便于活体组织长入； 易加工成型，临床使用操作方便； 消毒方便，具有良好的耐消毒灭菌性。 综合以上的条件，严格来说，尚无一种现存材料能够满足要求。因此对现有材料进 行改良或开发新型骨修复材料仍是需要长远努力的课题。 1 3 生物医用金属材料 生物医用金属材料( b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a l ) 是用于生物医学材料的金属或合 金，又称外科用金属材料 s u r g i c a lm e t a l ) ，是一类惰性材料。金属材料在医学上的应用 已有很长的历史，是最早被采用的生物材料，这类材料具有较高的机械强度和抗疲劳性， 适用于硬组织系统的修复，是临床应用最广泛的承力植入材料。 最先应用于临床治疗的金属是金( a u ) 、银( a g ) 、铂( p t ) 等贵重金属，它们具有良好的 稳定性和加工性能，之后铜( c u ) 、铅( p b ) 、镁( m 曲、铁( f o 、钢等也曾用于临床试验，但 因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能偏低而未受到广泛应用。随着冶金技术的进 步，不锈钢逐渐应用于临床，特别是后期开发的3 1 6 和3 1 6 l 不锈钢，不仅具有较高的 综合机械性能以及易加工、价格低廉等优点，而且有效改善了抗腐蚀的性能，因而被广 泛用作金属植入材料，是目前应用最广泛的金属材料。表1 2 给出了3 1 6 和3 1 6 l 不锈 钢的力学性能【1 2 1 。 表1 23 1 6 和3 1 6 l 不锈钢材料的力学性能 t a b l e1 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f 3 1 6a n d3 1 6 ls t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l s 不锈钢具有优良的综合力学性能，但其耐磨性能较差，且耐腐蚀性能仍然不能满足 长期植入的要求。后来又开发了钻基合金和钽。钴基合金的耐磨性能是所有金属中最好 的，且易成形，是齿科的常用材料，但有研究表明钻铬合金对成骨细胞有一定的毒性作 4 竺! 兰堡堡苎兰二! 塞堕堡堕 用，因此用于骨内种植应十分慎重。钽是化学活性很高的金属，在生物体内可立即生成 一层化学稳定的氧化膜，从而具有很好的化学稳定性和抗腐蚀能力，并有良好的生物相 容性l l 硼。近年来钛和钛合金成为研究热点，主要应用于整形外科，其质量轻，弹性模量 与骨相近，在四肢骨和颅骨整复中应用较多。钛属于惰性金属，不影响成骨细胞附着、 生长和代谢，是较好的骨修复材料，但钛的耐磨性能也不好，应力腐蚀较明显，对于作 为承力骨材料有一定弊端。在钛合金中，镍钛形状记忆合金已经被证明有良好的生物相 容性【l “，它的耐磨性能较好，同时又兼有高的耐腐蚀性，它的形状记忆温度为3 6 2 ， 符合人体温度。多孔镍钛合金是目前医用金属材料的研究热点，已有研究表明它的多孔 结构可使新骨长入，因而可形成牢固的嵌合【1 5 1 。 1 4 陶瓷( 姒) 及其复合材料的研究进展 1 4 1h a 的晶体结构和性能 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 分子式是c a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，c ap 为1 6 7 ， 但受制备过程的影响，其组成相当复杂【1 6 1 。h a 晶体为六方晶系，属l 6 p c 对称型和p 6 3 m 空间群，其结构为六角柱体( 见图1 2 ) 。晶胞参数a o = 0 9 3 4 , - 0 9 3 8 n m ， c o = o 6 6 8 , - , 0 6 8 6 n m f l 7 1 ，单位晶胞内有十个c a 2 + 、六个p 0 4 3 和两个o h ，晶体结构如图 1 3 所示。 图1 2h a 的晶形 f i g 1 2 c r y s t a lm o r p h o l o g y o f h a t 1 w a s a “随l 提出h a 表面主要存在两种吸附位置：当o h 位于晶体表面时，与 o h 相连的两个c 巩。，离子带正电荷，形成一个吸附位置，能吸附p 0 4 3 、大分子上的磷 酸根基团或羧酸基团；当c a 位于晶体表面，与六个带负电荷的o 原子相连的c a ( 。l 形成 较强的吸附位置，能吸附s t 2 + 、k + 等阳离子及蛋白质分子的基团，而与三个带负电荷的 o 原子相连的c 却。，则形成较弱的吸附位置。h a 表面水化层通过氢键与水有较好的相容 性，在水中的表面能较低，能长时间保持细小的分散状态【1 9 1 。 碗 学付论史第一审定献圣末述 图1 3h a 的晶体结构示意图 f i g i 3 s c h e m a t i cc r y s t a ls t r u c t u r eo f h a h a 陶瓷是构成人体骨组织的主要成分，占人体骨成分的6 7 ，齿骨中更是高达 9 7 【2 0 2 1 1 ，具有良好的生物相容性和化学稳定性。h a 的理论密度为3 1 5 6 9 e r a 3 ，性脆， 折射率为1 6 4 - - 1 6 5 ，莫氏硬度为5 。微溶于水，水溶液呈弱碱性( p h7 - 9 ) ，易溶于酸 而难溶于碱，离子交换能力很强。致密h a 陶瓷的机械性能取决于h a 粉末中的c a p 比值、气孔率和杂质。随着c a r p 增加，强度增加，在c a p = - i 6 7 时达到最大值，而c a p 大于1 6 7 时强度又会降低。致密h a 陶瓷的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度分别为 3 8 - - , 3 0 0 m p a 、1 2 0 - - 9 0 0 m p a 和3 8 2 5 0 m p a ，强度值取决于气孔、杂质和晶粒尺寸等。致 密h a 的y o u n g s 模量( e ) 在3 5 1 2 0 g p a 的范围内，维氏硬度( h v ) 在3 o 7 0 g p a 之间， 在1 0 0 0 - - 1 1 0 0 表现出超塑性。致密纯h a 陶瓷的断裂韧性( k i c ) 约在0 8 1 2 m p a o m m ， 随着气孔率的增加呈线性降低，与自然骨( 2 1 2 m p a m 1 2 ) 相比，h a 的韧性很低僻- 2 4 1 。 1 4 2h a 生物陶瓷的合成方法 1 4 2 1h a 粉体的制备1 2 5 2 s l 制备h a 粉末有很多方法，概括起来分为湿法和干法。湿法主要包括沉淀法、水热 合成法、溶胶凝胶法及乳液剂法 2 9 1 等，干法即固相合成法，这些方法都各有优劣。 ( 1 ) 沉淀法 利用钙离子和磷酸根离子在水溶液中以一定条件下发生化学反应，产生胶体h a 沉 淀物，在定温度下煅烧得到h a 晶体粉末。比较典型的有两种制备过程：一种是酸碱 溶液的中和反应：另一种是钙盐和磷酸盐的反应，其反应式如下： l o c a ( o h ) 2 + 6 h 3 p 0 4 一c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 1 8 h 2 0( 1 - 1 ) 6 硕 学位论文第一章史献综述 1 0 c a c l 2 + 6 n a 2 h p 0 4 + 2 h 2 0 c a l o ( p 0 4 ) “o h h + 1 2 n a c l + 8 h c i ( 1 2 ) 1 0 c a ( n 0 3 ) 2 + 6 ( n 1 - 1 4 ) h p 0 4 + 2 h 2 0 一c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 1 2 n h 4 n 0 3 + 8 h n 0 3 ( 1 3 ) 沉淀法反应温度不高，合成粉料纯度高，颗粒较细，工艺相对简单，成本较低，是 国内外广泛采用的方法之一。但是，该方法必须严格控制反应条件，以保证h a 的c a p 比值，因此需注意以下两点；一是要合理控制混合溶液的p h 值及反应产生沉淀的时间， 采用分散设备使溶液混合均匀【3 们，保证反应完全进行。为此，a o k i 3 1 1 曾设计了一套装置 ( 如图1 4 所示) ，用p h 计准确控制反应的p h 值；二是反应完全后要反复过滤，使固 液相完全分离，提高粉料的纯度。 图1 4 沉淀法制备h a 的装置示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cp r e p a r a t i o nd e v i c eo f h ab yd e p o s i t i o nm e t h o d ( 2 ) 水热合成法 水热合成法是在一个密封的压力容器( 高压釜) 内，用水溶液作为反应介质，通过 对反应容器加热，在高温高压的环境中，使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重 结晶，然后再结晶物在一定压力和温度下进行水热处理的方法【3 2 捌。水热法制备的粉体 不但具有晶粒发育完整、粒度小且分布均匀、颗粒团聚较轻、原材料便宜以及易得到合 适的化学计量比和晶型的优点，而且制备的粉体不需煅烧处理，从而避免了烧结过程中 的晶粒长大、缺陷形成及杂质产生等问题，因此所制得的粉体具有较高的烧结活性。水 热反应法适合制各完整的h a 单晶，该方法制备的h a 的晶格常数由反应温度和压力决 定，通常情况下，温度为1 0 0 - - 5 0 0 ，压力为o i 一5 0 0 m p a 。 ( 3 ) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合，形 成溶胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏 松的干凝胶，再将干凝胶作高温煅烧处理，即可得到纳米陶瓷粉体1 3 4 3 5 1 。该方法的优点 在于纯度高，有利于高纯生物陶瓷的制备，所得粉体粒度分布窄，但是，其原料价格高、 有机溶剂毒性及高温热处理时颗粒容易快速团聚等因素制约了这种方法的应用p 6 l 。 ( 4 ) 固相合成法 7 硕t 学位论芷第一章文献综述 周相合成法足将碳酸钙j 弓磷酸或磷酸盐混合均匀，在高温下发生固相反应，生成磷 酸钙陶瓷【3 7 】。如以c a h p 0 4 2 1 1 2 0 和c a c 0 3 在9 0 0 c 以上时发生如下反应： 9 0 0 6 c a h p 0 4 2 h 2 0 + 4c a c 0 3 ，c a m p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + 4 c 0 2 + 1 4 h 2 0 ( 1 4 ) 固相反应法合成的h a 粉体纯度很高，结晶性好，且晶格常数不随温度变化。但该法要 求较高的温度和热处理时间，粉末的可烧结性差，晶粒尺寸较大，在研磨时不仅费时， 且易沾污，因此在生物陶瓷领域较少采用。 1 4 2 2h a 陶瓷的制备 虽然羟基磷灰石早就被人工合成，但直至上世纪7 0 年代才有h a 生物陶瓷的成功 报道。这里h a 陶瓷主要是指除粉体外的其它成型的h a 陶瓷，它通常利用烧结技术制 备，可制成多孔和致密颗粒及各种形状的块状修复体。 h a 陶瓷可采用模压成型、等静压成型等技术成型。无压烧结和热( 等静) 压烧结 是制备h a 致密陶瓷的主要方法，但h a 的物理化学特性、烧结温度、烧结时间以及烧 结气氛和压力等都会对h a 的烧结过程产生影响【3 8 1 。 多孔h a 陶瓷可采用气体分解法、浸渍法、水热热压法、有机物添加法和微波工艺 法等制备【3 9 1 。这些方法主要是利用一些可分解产生气体的物质和h a 粉体混合，在一定 条件下产生气体，在陶瓷中形成气孔。 1 4 2 3h a 涂层的制备 羟基磷灰石最重要的医学应用之一是用作金属植入体的表面涂层| 4 0 - 4 2 1 。在制备生物 医用材料时，在植入体金属表面涂覆上一层h a 陶瓷涂层，所制得的金属基底生物活性 h a 涂层材料兼具h a 生物材料的生物性能与金属材料的力学性能，如它能与骨组织进 行生物结合，无毒性，不产生有害组织，不引起炎症，无排斥反应，耐腐蚀，植入人体 后短时间就具有较大的附着力，有利于移植材料的初始固定1 4 3 4 4 1 。此外还具有骨传导和 骨支撑的作用，骨组织可在涂层表面生长并长入涂层表面微孔内形成生理结合，因而是 目前公认的最理想的硬组织替代材料之一f 4 5 删。h a 涂层的制备是涂层材料的关键技术， 也是研究热点，现己发展了许多种制备方法，简要介绍如下： ( 1 ) 等离子喷涂( p l a s m as p r a y i n g ) 等离子喷涂足制备h a 涂层最成功，也是最广泛使用的方法。它是以等离子焰流为 热源的热喷涂，利用等离子枪产生的等离子流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的 状态下喷向基底表面形成涂层，其工艺参数如表1 3 所示。喷涂后的涂层要经过水蒸气 处理或热处理。等离子弧产生的温度高达1 6 0 0 0 c ，喷流速度达3 0 0 - - 4 0 0 m s ，因而可以 喷涂各种商熔点、耐磨、耐热涂层，更适合于陶瓷涂层的喷涂【4 7 l 。该方法制备的涂层本 8 婴兰笪堡兰箜= 皇苎壁堡堕 身有较高的结合强度，气孔及夹杂少，尺寸易于控制，但其高温过程对f 材料的界面有 不良作用，易引起相变和脆裂，使涂层与基体的结合强度不高。此外该技术设备和原料 昂贵，不适于喷涂多孔金属表面。 表1 3 等离子喷涂h a 涂层的典型工艺 t a b l e1 3 t y p i c a lt e c h n i c so f p r e p a r i n gh ac o a t i n gb yp l a s m as p r a y i n g ( 2 ) 水热合成法 水热合成法可用于制备h a 块体材料，并被认为是成型多孔h a 涂层的较为有效的 方法。据报道f 4 8 ，4 9 】，该方法可在铝、钛、铜和铁等基底上制备h a 涂层，其工艺过程是 将金属基底及乙二胺四乙酸钙和磷酸二氢钠的混合液密封于高压釜中，用氢氧化钠调节 p h 值，把p h 值调节在3 4 1 0 范围内，温度控制在1 4 0 2 0 0 。c ，金属表面便会形成h a 涂层。形成的涂层一般要进行适当的热处理，以使非晶态的磷酸钙向晶态的磷酸钙转化， 涂层成分均匀化，界面结合强度进一步提高。水热合成法制备涂层材料的设备简单，操 作容易，生产成本低，涂层与基体结合强度相对较高，是生产涂层材料的常用方法之一。 ( 3 ) 电化学沉积法( e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n ) 电化学沉积h a 涂层是在9 0 年代发展起来的新方法【5 2 1 ，包括电化学结晶法、电 泳沉积和阳极氧化法。羟基磷灰石或其它磷酸钙陶瓷的电沉积机理是复杂的，涉及到电 化学反应和沉淀反应等过程。电化学方法是在低温下进行，避免了高温引起的相变和脆 裂，且由于是非直线过程，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，并可通过改变工艺条件来控制电沉积层的厚度和表面形貌。设备简单，原料便宜易 得且操作方便。 以电泳沉积为例，电泳沉积是由电泳和沉积两个过程联合而成，几乎所有的固体颗 粒都可以用电泳的方法在电极表面沉积。电泳沉积磷酸钙类生物活性陶瓷是一个相当活 跃的研究领域。例如，将羟基磷灰石微粉加入载体介质( 无水乙醇或异丙醇) ，滴加微 量的酸，制成不同浓度的悬浮液，然后将表面粗糙化处理后的钛片清洗后进行电泳沉积， 沉积完成后进行热处理就得到h a 涂层f ”1 。电泳沉积是一种极有可能实现工业化的制备 方法。 ( 4 ) 激光熔覆 激光熔覆法是在基底材料表面上预先涂覆一定配比的c a h p 0 4 2 h 2 0 和c a c 0 3 混合 粉末，然后用激光器进行多道搭接熔覆处理，使合成与涂覆h a 涂层一步完成。合成 h a 涂层的原理【钏为： 6 c a h p 0 4 + 4 c a c 0 3 - c a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( 0 1 - 0 2 + 2 h 2 0 + 4 c 0 2( 1 5 ) 9 堡兰壁堡皇 兰二兰苎坚堡垄 激光熔覆法制得的涂层与基底结合良好，不仅硬度、强度较高，韧性良好，且改善 了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性，但涂层的均匀性和稳定性较难控制。该方 法在金属热处理、金属表层防护等领域已获得广泛应用，它在制备生物涂层材料方面才 刚刚起步，但已经显示出极大的优越性，很有希望成为生产临床用生物医用材料的途径 之一。 此外，还有离子束辅助沉积、放电等离子烧结、涂覆烧结、溶胶凝胶、爆炸喷涂 等多种方法。这些制备方法各有其优缺点，但迄今为止还没有一种方法生产出的生物涂 层材料能在临床上成功应用。然而随着国内外对生物涂层材料的深入研究，必将开发出 更多更完善的方法来为人类造福。 1 4 2 ah a 复合材料的制备i s s - 嘲l h a 的复合材料有h a - 无机复合材料、h a - 医用高分子复合材料等，其中无机增强 体主要是一些陶瓷材料和金属，如a 1 2 0 3 、z r 0 2 、t i 0 2 和生物玻璃等；有机高分子主要 有硅橡胶、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、胶原、聚己内酯和壳聚糖等。制备h a 复合材 料的方法多种多样，通常与单一h a 的制备方法大致相同，也有经改进后发展的新制备 技术。 一般的h a 有机高分子复合材料的制备过程比较简单，如h a - 硅橡胶的复合是将 h a 粉末和硅橡咬按一定工艺混炼，然后在适当条件下模压而成。溶胶凝胶法也可用来 制备复合材料，主要是h a 复合涂层。采用适当条件，湿式法也可出多种新型的h a 复 合材料，如碳酸羟基磷灰石、h a - 胶原复合材料和具有纳米结构的h a - 壳聚糖复合材料 等。电化学方法可以在金属基体上进行共沉淀，制备h a 复合材料，如h a 壳聚糖复合 膜层以及h a 有机高聚物复合陶瓷涂层等。此外，利用聚合反应可制备h a - 高分子复合 材料，将h a 粉末和有机高分子单体混合，进行聚合反应可制备h a 聚甲基丙烯酸甲酯 复合物和h a 聚己内酯复合物。 1 4 3h a 基生物陶瓷复合材料发展现状 虽然h a 陶瓷具有良好的生物学性能，但其极差的机械性能使得单一的h a 陶瓷往 往不能满足实际要求。为改善h a 陶瓷的力学性能，近年来已经有许多方法用于h a 陶 瓷的增韧补强，如涂层结构、金属间化和物颗粒、金属颗粒、纳米颗粒、晶须、