（材料学专业论文）βTCPHAP复合生物陶瓷的制备.pdf

中文摘要 羟基磷灰石( m 屺c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ) 是人体骨主要的无机组成成分，具有良好 的骨传导作用；1 3 - 磷酸三钙( p - t c p , 1 3 - c a 3 ( p 0 4 ) 2 ) 是一种具有生物活性和生物降解 性的材料。1 3 - t c p h a p 双相陶瓷改善了h a p 陶瓷的生物降解性能，在不改变 h a p 骨传导作用的同时更有利于自然骨的长入，但是由于1 3 相向a 相的转变温度 低于烧结温度，造成了难以制备出致密的1 3 - t c p h a p 复合陶瓷。 本课题中，将b t c p 粉料与明胶溶液混合料浆在导热油中进行分散，制各了 粒径在3 1 4 8 0 0 p a n 的b t c p 明胶凝胶小球。成型烧结后通过浸渍法与h a p 进行 复合而制备出具有薪的复合结构的b t c p h a p 复合生物陶瓷：以 ，- t c p 小球构 成陶瓷坯体，h a p 填充于小球之间的空隙中。并引入m g ：+ 和n a + 改善其机械性 能。 本文分析了油温、搅拌速度、添加剂含量和冷却工艺对液相分相成球工艺的 影响，并确定了最佳的工艺条件；通过对烧成过程中失重曲线的分析确定了最佳 的升温制度；探讨了m 矿+ 和n a + 的添加量对机械性能的影响规律以及两种离子 对复合生物陶瓷机械性能影响的机理；采用t r i s h c l 模拟体液对复合生物陶瓷 进行了初步的体外降解实验，分析了其降解性能以及降解规律。 实验结果表明：控制油温3 0 0 c ，搅拌速度为2 5 0 r p m ，分散成球后于o o c 下 急冷处理能够制备出粒径在3 1 4 - - 8 0 0 1 a m 的凝胶小球并保持较好的球型；m 矿+ 的 引入将p t c p 向c t t c p 转变的相变温度提高到了1 2 0 0 0 c 以上；m g o 含量1 w t 的1 3 t c p 小球压制的复合陶瓷在1 1 5 0 0 c 下烧成的试样的抗压机械强度能够达到 1 7 2 9 m p a ；添加了2 w t n a 2 0 的陶瓷试样内形成了c a l o n a ( v 0 4 ) 7 ，使得陶瓷中出 现了微量的液相，进一步促进了陶瓷的烧结，机械强度可以达到8 1m p a 。 体外降解实验结果表明：1 3 - t c p h a p 复合生物陶瓷具有一定的降解性能， 在降解过程中1 3 t c p 小球部分发生了降解而其表面包裹覆盖的h a p 未发生降解。 关键词：1 3 - t c p ，h a p ，生物陶瓷，复合材料，掺杂 a b s t r a c t c a l c i u mh y d r o x y a p a t i t e ( h a p 9c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ) i sam a j o ri n o r g a n i cc o n s t i t u e n t o fb o n e i th a so s t e o c o n d u c f i v ep r o p e r t y h o w e v e r , h a ph a sap r o b l e mo fp o o r b i o d e g r a d a t i o n 1 3 - t t i c a l c i u mp h o s p h a t e ( p - t c p , p - c m ( p 0 4 h ) i sab i o a c t i v ea n d b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l 1 3 - t c p h a pb i p h a s i eo g r r m i c sh a v eb e e n 订i e dt oi m p r o v et h e p o o rb i o d e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fh a pc e r a m i c s 3 - t c p h a pc e r a m i c si s e x p e e t e dt oi n d u c eb o n eg r o w t hw i t h o u tc h a n g i n gt h eo s t e o c o n d u c t i v ep r o p e r t i e so f h a p h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt o s i n t e rd e n s e b - t c p h ac e r a m i c s ，f o rt h ep h a s e i r a n s i t i o nt e m p e r a t u r ef r o mb - t oa - t c pi sl o w e rt h a nan o r m a ls i n t e r i n gt e m p e r a t u r e t h e1 3 - t c pg r a n u l e sw i t ht h er a n g eo fd i a m e t e rf r o m3 1 4 p mt o8 0 0 mw e r e p r e p a r e db yd i s p e r s i n gt h eb l e n do f 3 - t c pa n da q u e o u ss o l u t i o no fg e l a t i n a f t e r m o u l d e d ，s i n t e r e da n dc o m p o u n d e db yd i p p i n gi nt h eh a ps o l ，t h ec o m p o s i t e c e r a m i c sw a sp r e p a r e d i th a san e ws t t u c t u l - e ：t h eb o d yi si n f l d eu po fj 3 - t c pg r a n u l e s a n dt h ei n t e r s p a c ea m o n gg r a n u l e si sf i l l e db yh a p m 矿a n dn a + w e r eu s e dt o i m p r o v et h es i n t e r i n gp r o p e r t yo f t h ec e r a m i c s i nt h i s p a p e r , b ya n a l y z i n gt h et h e r m o g r a v i m e t r i e c h i v eo f1 3 - t c p g e l a t i n g r a n u l e sa n dt h ei n f l u e n c eo fo i lt e m p e r a t u r e ，s t i rr a t e ，a d d i t i v ec o n t e n ta n dc o o l i n g t e m p e r a t u r eo nt h ed i a m e t e r so fg r a n u l e s ，t h eo p t i m u mt e c h n i q u ew a se s t a b l i s h e d ；t h e i n f l u e n c eo fm 矿a n dn a + 0 1 1s i n t e r i n ga n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw a sa n a l y z e da n d t h em e c h a n i s mw a ss t u d i e d ；t h eb i o d e g r a d a t i o ne x p e r i m e n to f t h ec o m p o s i t ec e r a m i c s w a sm a d ei ns o l u t i o no f t r i s h c l ，a n dt h ed a t ao f d e g r a d a t i o nw a sa n a l y z e d t h e1 3 - t c pg r a n u l e sw i t l lt h er a n g eo fd i a m e t e rf r o m3 1 4 p r ot o8 0 0 p mw e r e p r e p a r e db yc o n t r o l l i n gt h eo i lt e m p e r a t u r ea t3 0 。c ，s t i r r i n ga t3 0 0 r p ma n dc o o l i n ga t 0 。c t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h eb i o c e r a m i c sr e a c h e d1 7 2 9 m p aw h e nt h e1 3 - t c p w a sd o p e db yl w t m g oa n ds i n t e r e da t1 1 5 0 。c ：d u et ot h ea d d i t i o no fn a i n 仃o d u c e dt h el i q u i dp h a s ea th i g l lt e m p e r a t u r e ，t h es i n t e r i n gp r o p e r t yo fb i o c e r a m i c i m p r o v e da n dc a l o n a ( p 0 4 ) 7a p p e a r e di nb i o c e r a m i c s t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f b i o c e r a m i e sw i t h2 w t n a 2 0r e a c h e d8 1m p a t h er e s u l t so fd e g r a d a t i o ns h o w e dt h a t1 3 - t c pg r a n u l e sw e r ed e g r a d e da n dt h e h a pf i l l e dt h ei n t e r s p a c ea m o n gg r a n u l e sw a sh o l d k e yw o r d ：i b - t c p ，h a p ，b i o c e r a m i c s ，c o m p o s i t e ，d o p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘茎或其他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。 学位论文作者签名：铂l 刁零 签字日期：j 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 引弓军导师錾名：铂德扩 签字r 期：o 0 年，月，日签字日期：0 年1 月0 日 第一章前言 第一章前言 磷酸钙生物陶瓷主要包括羟基磷灰石c a l o ( p 0 0 6 ( o i - i ) 2 ( h y d r o x y l a p t i t e ，简称 h a p ) ；p 一磷酸三钙p c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( t r i e a l c i u mp h o s p h a t e ，简称p t c p ) 。在目前研究 和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶瓷占有很大的比重【1 】，主要是因 为磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无致癌作用， 并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合1 2 j 。多孔b t c p h a p 陶瓷是生物陶瓷方面的研究热点，而目前这种材料主要用于骨植入，大多是 采用添加造孔剂法制得，其孔径在2 0 0 岫以下，这种多孔陶瓷的力学性能不能够 满足骨植入体的要求。 本课题将b t c p 粉料与明胶溶液混合得到的料浆在导热油中进行分散，以制 备b t c p ，明胶凝胶小球，并控制粒径在3 1 4 - - 8 0 0 1 a r n 。采用合适粒径的小球进行 成型，然后再通过浸渍的方法与h a p 进行复合，使得h a p 填充在b t c p 小球之 日j 的空隙孔。复合陶瓷试样烧成后的理想结构如图1 1 所示。 图1 1 复合陶瓷结构示意图 在降解过程中，h a p 较稳定降解速度慢，而降解速度快的b t c p 小球会逐 渐降解而在其原来的位置形成球型空隙，从而更有利于骨组织在h a p 内的生长 和重建。同时由于最初植入人体内的复合生物陶瓷较多孔的h a p 致密，机械强 度高，能起到一定的支撑作用。 根据h y u n s e u n g d 等人的研究表明m g o 添加入b t c p h a p 复相陶瓷中可以 对生物陶瓷的相转变温度产生影响；在l vf a t e e v a 4 1 的研究中表明n a + 添加入 b t c p h a p 复合生物陶瓷中，同样会对其烧结性能有明显的影响；同时，m 9 2 + 、 第一章前言 n a + 等都是人体体液中含有的离子 y l ，在一定量的范围内不会对人体产生副作用。 本课题对制备合适粒径的b t c p 明胶小球的工艺进行了研究，制备出复合上 述设想的复合生物陶瓷试样。并且进一步提高1 3 - t c p 小球烧结后的致密度，小球 之间的连接强度，和h a p 填充的密度，从而提高复合生物陶瓷的抗压机械强度。 通过本课题的研究，可以制备出不仅具有较高抗压强度，而且具有一定生物 降解性能的1 3 t c p h a p 复合生物陶瓷材料。 第二章文献综述 2 1 生物材料 第二章文献综述 生物医用材料是用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物体组织或 器官，增进或恢复其功能的材料。有人工合成材料和天然材料；有单一材料、复 合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。生物医用 材料本身不是药物，其治疗途径是与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。 生物医用材料是材料科学领域中正在发展的多种科学相互交叉渗透的领域，其研 究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、 药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴叫。 自1 9 世纪8 0 年代以来，以医疗、保健、增进生活质量、造福人类为目的的生 物材料取得了快速的发展。目前，生物材料主要包括医用高分子材料、生物陶瓷、 医用金属材料等。具有主动诱导生物组织自身修复、再生，从而达到使病变或受 损器官、组织最终完全或主要是由再生的自身天然健康的组织或器官所取代；以 及利用靶向给药载体并控制药物释放速度达到治疗和杀死病原体或癌细胞。实现 这些功能的生物材料复合技术和纳米技术成为最有发展活力的研究方向。 生物医用材料是材料学重要研究领域之一，目前较活跃的研究内容有用于人 工心脏、人工血管和人工心脏瓣膜的高抗凝血材料；用于人工骨、人工关节、人 工种植牙的生物陶瓷和玻璃；用于骨科修补及矫形外科的钛及其合金；用于局部 控制释放的药物载体的高分子材料；用于替代外科手术的缝合、组织结合的生物 粘合剂，以及血液净化材料等。 理想的骨移植替代材料应具备以下的性甜”： 1 1 植入初期有足够的机械强度，能保持缺损骨的形态，为骨重建提供过渡性支 架； 2 ) 生物相容性好，能活化或诱导骨生长，促进修复过程； 3 ) 降解速度与骨再生速度相匹配。随着新骨逐渐替代植入物，完成骨组织的自 我修复，不必手术取出异物。 随着生物医学工程学的发展，生物医用材料已经远远不能满足对传统材料的 选择使用和改性，而是利用仿生学、组织学、分子生物学、材料学等学科交叉， 对用于生物体的人工材料进行仿生设计。生物医用材料设计方法除了遵循一般材 料设计的原则，还应考虑一下因素【s j ： 1 生物机体组织以及器官的组成与构造； 2 生物机体及器官的功能； 第二章文献综述 3 生物机体的生物力学性能； 4 材料的选择应该满足生物功能、性能、制备加工以及消毒等要求。 2 1 1 医用高分子材料 生物医用高分子材料根据来源，可以分为天然生物医用高分子材料和合成生 物医用高分子材料。根据其稳定性可以分为生物降解型医用高分子材料和不可降 解型生物医用材料。根据其应用，可分为人工脏器。固定、缝合材料，药用高分 子材料，诊断用高分子材料及血液净化高分子材料。 医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一，特别是2 0 世纪 6 0 年代以来发展更快，已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释 材料应用到各个医学领域。然而，医用高分子材料的研究目前仍然处于经验和半 经验阶段，还没有能够建立在分子设计的基础上，以材料的结构与性能关系，材 料的化学组成、表面性质和生命体组织的相容性之间的关系为依据来研究开发新 材料。医用高分子材料要应用于生物体必须同时要满足生物功能性、生物相容性、 化学稳定性、可加工性等严格的要求。当前研究主要集中在外科植入件用高分子 材料和生物降解及药物控制释放材料【9 】。 2 1 2 医用金属材料 生物医用金属材料用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植入人 体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官的功能，是生物医用材料的重要组 成部分。 生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一。本世纪3 0 年代，随 着钴铬合金、不锈钢和钛合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到了广泛的应 用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。7 0 年代，n i t i 形状记 忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展，使得生 物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科等临床医学中的不可缺少 的材料。最近2 0 年来生物医用金属材料相对于生物医用高分子材料、复合材料以 及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲劳和易于加工等优良 性能仍在临床上占有重要地位。目前，在需要承受较高荷载的骨、牙部位仍将其 视为首选植入材料，最重要的应用有：骨折固定板、螺钉、人工关节和牙根种植 体等。 修复、替代或增进人体组织或器官功能的医用金属和合金及金属化合物材 料。医用钛合金是目前临床上应用的最具发展潜力的医用金属材料，例如：镍钛 形状记忆合金为一种新型医学生物材料已广泛应用于临床各领域，镍钛形状记忆 4 第二章文献综述 合金在相变区具有形状记忆特性和超弹性，在低温下( o 。c 左右，处于马氏体状 态) 比较柔软，可以变形。将其加热到人体温度时( 高温相状态) 立刻恢复到原来形 状，产生持续柔和的恢复力。而此时材料较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用。 其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒等特征，被称为2 1 世纪的新型生物 功能材料。 金属植入物与有机体的亲和性、生物相容性往往较差，在体液中存在材料腐 蚀等问题。因此，除进一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注 入等技术处理。8 0 年代开发了钛合金表面等离子喷涂羟基磷灰石陶瓷涂层技术， 使钛合金具有生物活性，成功应用于钛种植牙根和人工关节柄部，提高了植入物 与骨组织的结合强度。近年来，随着涂层技术的不断发展，电化学沉积法、浸渍 一热解法、水热处理法不断出现，它已成为金属基生物复合材料研究的一个重要 方向，涂层材料的研究已从生物惰性涂层发展到生物活性材料以及非氧物化涂层 材料【1 0 1 。 2 1 3 生物陶瓷 生物陶瓷又称生物医用非金属材料，从广义上讲包括陶瓷、玻璃、碳素等， 主要构成成分为无机非金属材料及其制品，与高分子材料和金属材料相比，生物 陶瓷在人体内极其稳定，压缩强度高，对生物组织有良好的相容性与亲和性，且 耐腐蚀，无毒副作用几乎看不到与生物组织的排斥反应，因而受到人们的普遍关 注，是近年来研究较多且进展较快的领域。当前的研究主要集中在具有特异性功 能的活性材料，良好的力学性能且促进组织生长的功能材料，具有生物体组织结 构的复合材料，高抗凝血功能的医用碳素材料，以磷酸盐为基体材料的生物活性 陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域【i “。 2 1 4 生物医用敏感材料 生物医用敏感材料属于敏感材料范畴，是功能材料在医学上的一个重要分 支。功能材料就是通过电、磁、声、光、热等直接效应和耦合效应以及化学和生 物效应实现某种使用功能的材料。一般包括无机非金属功能材料、有机高分子功 能材料、金属功能材料和复合功能材料等。 生物敏感材料具有以下特剧6 】： 1 良好的生物相容性： 2 极高的灵敏度； 3 具有良好的稳定性和可靠性； 4 具有较长的使用寿命 第二章文献综述 2 1 5 生物医用仿生材料 近2 0 年来，试图仿制天然生物材料制备出具有生物功能，甚至是真正有生物 活性的材料成为生物材料科学极为活跃的前沿研究领域。目前，人们已经成功的 把骨、韧带的力学性能及其结构应用到了聚合物和复合材料学方面。可以说，仿 生学的研究已经扩展成了一个涉及面极广的学科，仿生学在材料科学的分支称之 为仿生材料科学。仿生材料是参照生命系统的式样和器官材料的规律而设计制造 的人工材料。生物仿生材料学是- - i 新型的交叉学科，包括了材料科学与工程、 分子生物学、生物化学、物理学以及其他科学内容。 仿生材料为集复合化、智能化、能动化、环境化等特征为一体的新型材料。 仿生材料学的发展及成功将影响到社会的各个角落。首先，对人体器官的置换带 来变革及对生物体系统可人为地改良；其次，将对材料的制备及应用带来革命性 变化。 2 2 生物陶瓷材料 用于骨科手术的陶瓷可通过在骨组织中的组织反应进行分类，分为生物活性 ( 有组织反应) 或生物惰性( 无组织反应) 。在临床实践中，因为高强度惰性陶瓷具 有独特的抗关节磨损的特性，它们被用于人工关节的表面。生物活性陶瓷具有骨 传导特性而作为骨移植物或被用作人工关节假体骨植入部的涂层增强假体牢固 程度的固定。 2 2 1 人工关节陶瓷材料 目前临床大量使用的人工关节是由金属股骨头与超高分子量聚乙烯 ( u h m w p e ) 髋臼杯组合成。由c o 。c r - m o 合金或t i 合金制备的股骨头硬度低、耐 磨性差，对髋臼磨损大。 为了解决聚乙烯髋臼杯磨损问题，人们进行了多方面的探索。采用高硬度、 耐磨损的陶瓷材料作为股骨头假体，或者采用“陶瓷与陶瓷”及“陶瓷与金属” 的人工关节是延长人工髋关节使用寿命的几种有效的途径。其中的氧化铝陶瓷股 骨头已经于上世纪7 0 年代开始在临床中大量使用，取得了较好的临床效果，与之 配合的聚乙烯髋臼的磨损显著减小【1 2 】。 j c h e c a l i e r l l 3 】对髋关节磨损性能进行了一系列模拟实验，结果表明，氧化锆 股骨头氧化铝髋臼组合的摩擦磨损性能最好，其磨损系数分别是氧化锆股骨头 乙烯髋臼和金属股骨头乙烯髋臼组合的1 3 和1 6 。而且在摩擦接触面上，氧化锆 也没有因为温度升高发生四方相到单斜相的相变。因此j c h e c a l i e r 认为，氧化锆 6 第二章文献综述 股骨头氧化铝髋臼组合是人工关节假体的最佳选择“4 1 。 2 2 2 氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷是指主晶相为刚玉( a 诅1 2 0 3 ) 的陶瓷材料。氧化铝陶瓷具有机械强 度高、耐高温、耐化学侵蚀、生物相容性好等特点。氧化铝陶瓷包括的范围很广 泛，其中舢2 0 3 含量在4 5 以上的均属于氧化铝陶瓷。 用于骨料的高密度氧化铝是通过在1 6 0 0 - - 1 8 0 0 0 c 高温下烧结氧化铝粉末获得 的。得到的物质是它的最高氧化状态，具有热力学稳定性、化学惰性以及良好的 抗腐蚀能力。制造技术的提高减少了它颗粒的大小，改善了颗粒排列。这是减少 它发生破裂的重要因素。氧化铝是一种脆性物质，它有良好的抗压缩性能，但抗 弯曲力比较差。它的弹性模量是松质骨的3 0 0 倍，聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 的 1 9 0 倍。 氧化铝从1 9 8 4 年( i s 0 6 4 7 4 ) 应用于临床。在近二十年的临床实践中，使用氧化 铝的化合物填充进行人工关节固定，取得了令人满意的结果【l5 1 。 2 2 3 生物医用复合陶瓷 陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、 晶片、晶须或纤维等形状的增强材料而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复 合材料虽然没有多少品种达到临床应用阶段，但它已经成为生物陶瓷研究中最活 跃的领域其研究主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研 究等【。 最近一种结合了氧化铝的生物学特性以及钇氧化锆的机械特性的新型材料 被研制出来。这种含有4 0 8 0 氧化锆的氧化物混合陶瓷比氧化铝陶瓷的磨损 率低。在模拟人上进行的初步实验的结果是有前途的，但将来的研究要评估它们 的长期性能1 7 1 。 2 2 4 生物活性陶瓷 生物陶瓷可以分为惰性生物陶瓷、表面活性材料和可再生吸收的生物陶瓷。 羟基磷灰石和d - 磷酸三钙是最有代表性的生物活性陶瓷。 生物活性陶瓷具有骨传导性，它作为一个支架，成骨在其表面进行。它还可 作为多种物质的外壳或充填骨缺损。骨传导物质只能在骨环境中引起成骨反应， 但是即使在骨外环境下它仍可以促进成骨。 7 第二章文献综述 2 2 5 磷酸钙陶瓷 2 2 5 1 磷酸钙陶瓷简述 在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶瓷占有很大的比 重，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，它可通过选 择与人体骨组织中无机矿物十分近似的微孔材料，植入后，对人体无毒、无害、 无致癌作用，并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合。磷 酸钙在体内有较大的溶解度，稳定性较差，易发生水化作用，并通过体液的侵蚀 和细胞的吞噬作用被机体部分或完全吸收而被取代。在骨缺损修复中起暂时的骨 性支架作用，能促进骨组织生长。 生物降解陶瓷主要包括磷酸三钙( 洳t c p ，p - t c p ) 、磷酸四钙( t e c p ) 、羟基磷 灰石( h a p ) 和它们的混合物等磷酸钙陶瓷，其成分与骨矿物组成类似，生物相容 性好，这类磷酸钙陶瓷材料被植入人体内经过一段时间，可部分或全部被吸收， 发生陶瓷生物降解，其降解能力依次为：a t c p o t c p h a p t l 9 a o 。羟基磷灰石 ( h a p ) 和磷酸三钙( t c p ) 都是磷酸钙陶瓷家族中优秀成员的代表，它们的降解速 率和人体的吸收速率相匹配，能诱导骨细胞生长，是理想的骨修复材料。 可生物降解磷酸钙陶瓷具有以下优点1 2 q ： ( 1 ) 最终无异物存留； ( 2 ) 材料完全吸收后所形成新骨的塑型不再受材料存在的影响； ( 3 ) 材料吸收形成的新骨塑型后强度优于新骨与材料结合的强度。 1 3 - t c p 生物陶瓷的制备一般分为三个步骤：粉末的制备、成型和烧结。粉末 的制备一般有湿法工艺 2 2 t2 3 1 、干法工艺 2 4 1 和水热法工艺1 2 5 1 。成型、烧结得到的 陶瓷人工骨分为粉末型( 使用时调成浆料) 、颗粒型、多孔型和致密型，1 3 - t c p 生 物降解陶瓷以多孔型为主，其制备有发泡法和加致孔荆法两种。 2 2 5 2 磷酸钙生物陶瓷的力学性能 磷酸钙陶瓷人工骨分为粉末型( 使用时调成浆料) 、颗粒型、多孔型和致密型 4 种。致密型表面仅有微孔或表面光滑无孔，除力学性能较多孔型好外，不利于 骨组织和血管长入。多孔型结构类似于松质骨，利于骨和血管长入。k l a w i t t e r 2 6 认为骨组织长入人工材料的最小孔径为1 0 0 p r o ，1 5 0 p a n 为理想孔径。但也有人认 为孔径5 0 0 9 i n 为合适。因此，目前制作的多孔型陶瓷孔径在1 0 0 5 0 0 p m 之间。孔 径小于5 9 m 称微孔，致密型仅有微孔。多孔型既有微孔也有大孔( 1 0 0 5 0 0 i _ u n ) 。 大孔利于骨组织长人，微孔增大了材料与组织液接触面积，有利于生物降解。 从力学性能上看，相对于金属材料，磷酸钙陶瓷的脆性大且抗折强度低。致 第二章文献综述 密型强度高于皮质骨，其抗压强度为2 1 2 7 7 , - , 9 2 1 9 9 m p a ，抗折强度为 7 0 。9 2 - - 6 9 ，9 6 m p a ( 正常皮质骨分别为1 4 1 。8 4 m p a 和7 0 9 2 m p a ) 。多孔型强度相当于 松质骨。抗压强度为7 0 9 7 0 9 2m p a ，抗折强度为2 5 5 m p a ( 正常松质骨分别为 5 0 k a 和3 5 m p a ) 。 近年来，许多学者对多孔生物活性陶瓷进行了大量研究 2 7 - 3 1 】，使所研制的材 料类似骨的结构，有利于骨组织长入和骨再生。概括起来，多孔材料有以下优点： ( 1 ) 比致密型材料易塑形，重量轻； ( 2 ) 能为新生骨组织长入材料提供通道和场所； ( 3 ) 多孔结构增大了材料与受植区组织、血管和界面的接触，有利于加速界 面结合的反应过程，并为携载骨诱导物质( 如b m p 等) 提供空间； ( 4 ) 内部空隙通道有利于长入材料的血管彼此连通，以保证长入材料深部的 组织有营养供应； ( 5 ) 多孔结构使机体骨组织长入形成机械性锁结，增强彼此结合。 此外，多孔材料还有潜在优点，当组织逐渐长入孔隙后形成种植体骨组织 复合体，可以显著改善材料的力学性能。 性能烧结羟基磷灰石 烧结1 3 一磷酸三钙 皮质骨 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 1 3 - c a 3 ( p 0 4 ) 2 成分 ( 9 9 2 )( 9 9 7 呦 物相 磷灰石磷钙矿 密度( g c m 2 ) 3 1 63 0 7 1 6 2 1 维氏硬度( h v )6 0 0 压缩强度( m p a )5 0 0 1 0 0 04 6 0 石8 01 0 0 2 3 0 弯曲强度( m p a )1 1 5 2 0 01 4 0 1 5 45 0 1 5 0 杨氏模量( g p a ) 8 0 1 1 03 3 9 0 7 3 0 断裂韧性 1 o 2 1 2 k i c ( m p a i t l l 尼) 2 2 5 3 磷酸钙生物陶瓷的生物性能 生物相容性是指在某一特定用途中材料能正常发挥作用而只引起适当宿主 反应的能力。生物材料植入体内后可有下列几种宿主组织反应f 3 3 】： ( 1 ) 若材料有毒，周围组织发生坏死： 9 第二章文献综述 ( 2 ) 若材料无毒且可溶解，周围组织将取而代之； ( 3 ) 若材料无毒且系生物惰性材料，其周围将形成不同厚度纤维组织包膜； 若材料无毒，且系生物活性材料，将会与组织形成相互间结合。 生物骨代用品应具有良好的生物相容性，其要求为： ( 1 ) 无毒； ( 2 ) 无热原，无致癌性，不致畸； ( 3 ) 对周围组织无刺激性，不干扰机体的免疫机制，不引起免疫排斥反应； ( 4 ) 植入组织后不引起溶血、凝血反应，不破坏和改变血液成分。 许多实验证实例磷酸钙陶瓷具有良好的生物相容性。它们对宿主全身和局部 无毒副作用，不引起炎性反应和异物反应，能与骨形成化学性结合，无纤维组织 包膜将其和受区骨分开，不引起骨组织正常骨化过程改变。 骨再生具有三个基本机制，即骨诱导和骨传导，还有骨生成。骨传导是指骨 宿主床的内外骨膜、骨髓和周围组织向植入人工骨的缺损区长入毛细血管和血管 周围组织的骨前体细胞( 包括间充质细胞、成软骨细胞和成骨细胞) 、软骨细胞和 骨细胞，产生新骨组织修复骨缺损，植入材料逐渐被宿主骨取代。大量研究表明， 磷酸钙陶瓷具有良好的骨传导作用，在骨修复中作为支架，引导缺损周围骨床血 管和成骨细胞长入，修复骨缺损。 2 2 5 ，4 磷酸钙生物陶瓷的降解机理 对生物降解陶瓷的研究主要集中在生物降解陶瓷的生物相容性和生物活性 的研究，生物降解陶瓷在体内的降解机理和代谢过程的研究，生物降解陶瓷的骨 诱导性，即是否能诱导骨生长这三点上。要达到以上的研究目的，国内外学者普 遍采用以下3 种实验方法1 3 5 1 ： ( 1 ) 生物学性能实验 ( 2 ) 体内实验 ( 3 ) 体外模拟实验 具体的体外模拟实验方法如下，也是本实验将要采用的方法。选择具有一定 p h 值的溶液模拟生理环境，如：去离子水，生理盐水，含有有机酸盐的缓冲溶 液，含酶或氨基酸溶液，模拟体液等。改变溶液的酸度、浓度、温度、组成、固 液比例等实验条件，可以观察到陶瓷溶解度、失重、浸出成分、表面结构、相成 分等变化，从而建立降解过程的动力学模型。 体外模拟实验虽然不能代替体内植入实验。但是，由于此法可以有目的的设 计实验体系，选择实验参数，实验条件易控制，重复性好，可同时监测大批试样， 目前仍被广泛使用【3 6 1 。模拟体液有多种配置方法。 1 0 第二章文献综述 作为一种暂时性骨替代材料，若吸收太快，无法使新生骨“蔓延”；过于缓 慢则又抑止了新生骨生长，因而要求i j - t c p 及其复合骨在体内的降解速率与新骨 的成骨速率相一致，i i - t c p 在临床上主要用于治疗脸部和颌部的骨缺损、填补牙 周的空洞以及与有机或无机复合制作人造肌腱及复合骨板，还可作为药物的载 体。 2 2 5 5 多孔1 3 t c p 陶瓷人工骨 1 3 - t c p 具有骨传导性，能够为骨组织的长入提供支架。材料孔隙结构的许多 方面都对其骨传导性有重要影响，包括孔径、孔隙率、孔的贯通行等。 多孔b t c p 陶瓷是一种大孔微孔结构。微孔结构对于材料的生物可吸收性具 有重要影响，有利于组织的渗入，产生局部酸性环境，促进材料的降解；而大孔 结构则有利于发挥材料的骨传导性，4 0 0 - - 6 0 0 p , m 的大孔有利于纤维血管组织和骨 组织的长入。许多学者研究发现有利于骨组织长入的理想孔径为1 5 啦5 0 0 岫口”。 随着研究的深入，各种形式的1 3 一t c p 材料已经在临床医学中展现了优良的性 能，并得到了广泛的应用。现在人们正在积极探索和发展其应用于非冲击或非抗 压部位的外科修复以及将其作为药物载体，d 枷l s ig 【3 9 】等制备了一种注射型骨 替代材料o b s ) ，可作为一种新的外科修复材料，应用于整形外科、牙科等。 控制b t c p 的微观结构以及组成，例如增大表面积、降低结晶度、减小晶粒 以及利用c 0 3 、f 。，m f + 等离子取代，可加速降解。通过控制降解速度，可以 制备得到适应于不同人体及人体不同部位的修复材料1 3 9 1 。 z h a n gy o n g 4 0 1 等在d - t c p 中加入了少量的n a 2 0 、m g o 、t i 0 2 或z r 0 2 ，在适当 的温度下加热结晶得到一种玻璃陶瓷，当其中的可溶相被生理体液溶解后即可制 得多孔结构得生物陶瓷。实验发现，这种通过改性的生物陶瓷植入体内，可很好 地被用作骨修复或再生材料以及药物载体。 m i t e n m u l l e r , s c h m i d t t 4 l 】等采用带微孔的陶瓷颗粒作为抗结核药物以及抗菌 素的载体，添塞至骨髓炎患处，约1 0 周后，缺损骨基本修复，陶瓷粒子几乎全部 被组织吸收。 以b t c p 为基体地药物载体是一种药库型药物载体，载体连同药一起手术植 入人体内忠处，体液由微孔渗入载体，使得药物溶解，形成药液。这种药物载体 具有良好的生物相容性和可降解性，是由骨肿瘤结核等引起的骨变手术后辅助化 疗的一种有效手段。 2 2 5 6i i - t c p b m p 复合人工骨 骨形态发生蛋白( b m p s ) 是一种存在于人和动物骨基质中的非胶原蛋白，能 够刺激骨髓基质干细胞( m s c s ) 向成软骨和成骨方向分化，其骨诱导活性具有非 第二章文献综述 种属特异性，能跨种诱导成骨。具有生物活性和骨传导作用的b t c p 与b m p s 复合 能更好地发挥陶瓷和b m p 之间地协同作用 4 2 1 。1 3 - t c p 为细胞生长和分化提供基 质，同时其骨传导性可刺激骨形成。 研究发现【4 3 州，b m p 2 和b m p - 4 具有良好地骨诱导能力，它们骨折修复和重 建过程中起着非常活跃的作用。 2 2 5 7 骨髓b t c p 复合人工骨 骨髓具有成骨特性，当骨髓被植入到骨缺损部位后可诱导新骨形成，从而修 复骨缺损。实验研究已经证明在人和动物健康红骨髓的基质细胞中含有定向性前 成骨细胞( d o p c ) ，d o p c 具有定向地分化为骨组织的能力。n a d c l 4 5 】等将自体红 骨髓钙磷陶瓷复合材料埋入动物皮下或肌肉内，结果见到在磷酸钙陶瓷孔内和 表面有新骨形成。这表明白体红骨髓b t c p 陶瓷复合人工骨具有良好的骨作用。 当骨髓与1 3 - t c p 复合应用时，1 3 - t c p 可为骨髓提供钙、骨传导性和生物活性 表面，利于骨髓发挥成骨作用。多孔b t c p 的孔道有利于血管的长入，同时孔隙 结构也有利于细胞的附着。 2 2 5 8 聚合物d t c p 复合人工骨 f l - t c p 陶瓷生物材料相容性好，但其疲劳强度低，将其与可生物降解的聚酸 ( 酯) 类材料复合，结合磷酸钙材料生物相容性好和有机聚合物具有长的碳链、韧 性好、强度高的特点，可弥补各单一材料的缺点，产生单一材料所不具有的优良 性能。 在深入的研究中m ，模仿人体骨组织结构构造了一种6 t c p 聚乳酸层压复合 材料。无机相以骨板形式存在，晶相结构未被破坏，材料强度高；而有机层作为 增韧相和骨板之间粘结相，充分发挥了有机材料的性能优势。 b e n n e t t h 7 i 利用b t c p 增强二氧杂环己烷和乙交酯的共聚物，得到一种可注 射、模塑性好的灰泥。聚富马酸丙稀酯( p p f ) 可生物降解，并在常温下能任意塑 型，将其与b t c p 复合增强其机械性能，作为一种可注射式填充材料，能很好的 用于不规则骨缺损部位的修复，还可作为药物载体【4 s 1 。s u s a nj r 4 9 1 等在将p p f 用于 骨缺损修复以及细胞支架方面也作了大量的研究。 2 2 5 9 - t c p 生物陶瓷存在的问题 可降解p t c p 生物陶瓷具有良好的生物相容性，能与骨直接结合，是良好的 骨修复材料。但是其疲劳强度低，脆性大，抗折以及抗冲击性能远不能满足高负 荷人工骨要求。研究中利用其生物降解性能，复合同类其他磷酸钙类陶瓷或有机 物，或采用陶瓷的表面活化以及钝化技术控制降解速度，实现与骨再建相匹配的 1 2 第二章文献综述 目标。 另外，p - t c p 生物陶瓷只具有骨传导作用，而没有骨诱导作用，在临床上仅 具有骨传导作用的材料只能用于相对较小的骨缺损修复，为新骨提供支架。将其 与成骨或具有骨诱导活性的物质如骨形态发生蛋白( b m p ) 复合【绯5 2 1 ，制备出既有 骨传导性又具有骨诱导作用的复合磷酸钙人工骨，这对磷酸钙陶瓷生物材料的应 用与发展具有重要意义。 2 3 羟基磷灰石( h a p ) 及其制备方法的概述 2 3 i 羟基磷灰石( h a p ) 简述 人造h a p 钙磷比率是1 6 7 ，因为结构与骨骼的无机矿物质结构类似，它作为 骨替代物被用于骨移植。生物学上h a p 能使成骨细胞附着在h a p 的表面。在h a p 表面与骨组织之间一个不定形的范围内填充了稀少的磷灰石结晶。到了成熟时， 这个连接地带逐渐萎缩，并且h a p 通过薄的晶体外层成为骨的一部分，结果在 h a p 和骨之间的坚强的接触面上没有出现纤维组织层。骨骼结构从h a p 表面向着 孔洞中心生长。 由于羟基磷灰石陶瓷具有良好的化学稳定性和生物相容性，能与骨形成紧密 的结合，大量的生物相容性试验证明它无毒、无刺激、不致过敏反应、无畸变、 无致突变、不致溶血、不破坏生物组织，并能与骨形成牢固的化学结合，是一种 很有应用前景的人工骨和人工口腔材料。h a p 外涂技术被广泛用于股骨修复术以 及作为固定方法用于填充空洞，从而可避免与使用骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯 ( p m m a ) 有关的并发症。经常通过等离子体喷雾技术使用h a p 。美国的一个多中 心的研究报道了令人满意的结果。在平均8 年的连续观察中，术后股骨翻修率为 0 3 ，即在3 2 4 例植入病人中只有l 例出现了松动。研究得出结论：骨骼的向内或 向外生长被h a p 增强了。长期的l 临床和x 线检查结果发现h a p 涂层也没有改变。 但是，一些并发症也有报道，比如h a p 的颗粒导致的磨损，或者增加的骨折。从 目前研究得出的结论是，h a p 涂层与其他一些非骨水泥固定方法的结果没有明显 优势，仅有一些表现了h a p 外层相对于没有h a p 外层修补术的优势。但与骨水泥 比较，h a p 仍然没有提供良好的固定。h a p 外层的厚度、物质的化学特性、粗糙 程度以及基底物质的性质是取得良好结果的关键因素。 限制h a p 作为骨移植物临床应用的主要不利因素是其易碎的特性和较差的 抗压强度。因此，有关陶瓷作为骨移植物的临床应用的报道很少。o o n i s