硕士-KBT和自然铜在骨修复中的应用毕业论文.doc

摘 要从仿生学角度开发生物材料是实现组织诱导功能的一途径，而且从最初的组织、成分模拟逐渐向结构和功能仿生发展。本文首先利用萃取天然中药自然铜得到可供实验使用的自然铜，然后利用柠檬酸盐水热法，以TiCl4、Bi(NO3)35H2O为原料，柠檬酸铵为造孔剂和助溶剂，制备钛酸铋钾(简称KBT)粉体，最后自然铜与预烧结KBT粉体混合，常压烧结制备得自然铜/KBT复合材料。研究烧结温度，预烧结温度、自然铜添加量对复合生物陶瓷机械性能和压电性能影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDAX)等表征方法研究自然铜、KBT粉体和自然铜/KBT复合材料的组成成分、微观形貌、组织结构。采用准静态测试仪测量压电常数d33，对其压电性能进行研究。利用溶血实验，研究自然铜/KBT复合材料的生物活性。研究表明，自然铜750C醋萃后，主要是Fe2O3和Fe3O4，已经不存在FeSx，并且随着温度的继续升高Fe3O4逐渐转化成Fe2O3，萃取后自然铜含有Na、K、Cl、Ca、Co、P、Y、Mn、Cr等微量元素；TiCl4溶液浓度2mol/L时，实验所得的KBT粉体较纯；烧结温度大于750C后，随着烧结温度的增大，所得粉体主相都为KBT粉体，但是由于随着烧结温度的增加，Bi、K量挥发增加；烧结时间的增加对KBT的合成并没有很大也影响，反而结晶度有所下降；晶体多呈长方形或正方形片状晶。自然铜添加量小于20%，所得自然铜/KBT复合材料主相为KBT相；自然铜/KBT复合材料微观晶粒由长方形（针状）晶粒向正方形晶粒转变；自然铜添加量、预烧结温度和烧结温度都有利于自然铜/KBT复合材料的压缩性能和硬度的提高；自然铜/KBT复合材料的压电性能随着自然铜添加量的增加而出现先增大后减少的现象、随预烧结温度和烧结温度的增加而增加；通过溶血实验证明自然铜/KBT复合材料满足医用生物材料的应用要求。综上所述自然铜/KBT复合材料具有良好的组织结构特征和满足医用生物材料的应用要求，是一种优良的电化学仿生骨修复材料。关键词：自然铜；KBT；组织结构；力学性能；生物相容性AbstractFrom the angle of bionics to develop biological materials is the way to strengthen the function of the organization that develop from the original structure, composition to structure and functions. In this study, first traditional Chinese medicine of native copper is extracted for experiment, then taking the hydrothermal method of Citrate,using the TiCl4、Bi(NO3)35H2O as raw materials, ammonium citrate as pore-forming agent and solvent, the namo-KBT power is prepared, last native copper and KBT are mixed to prepar the Composite after pressureless sintering. Research how the sintering temperature, the pre-sintering temperature, the content of Native copper effect machinery and piezoelectric performance. The composition、microcosmic type, organization structure of the native copper、KBT and the Composite is indexed by X-ray diffraction (XRD), scanning Electron Microscope (SEM), X-ray energy Dispersive Analysis(EDAS) ets. Though measuring piezoelectric constant(d33)，the piezoelectric performance is researched. And the biological activity of biomaterial ware studied by the hemolytic test.Research shows ：After the native copper is extracted by vinegar at 750C，the phase are Fe2O3 and Fe3O4，and as the temperature increasing gradually chang Fe3O4 to Fe2O3，also has the trace element of Na、K、Cl、Ca、Co、P、Y、Mn、Cr ect。when concentration of TiCl4 is less than and equal 2mol/L，the pure power is got. At the sintering temperature exceed 750C, with the increase of temperature the main phase is KBT，but more Bi and K volatilized. The sintering time made the crystallinity lower. The morstly crystal showed rectangular cube and rectangular parallelopiped. The content of native copper less than 20%, the main phase of the composite Native copper/KBT is KBT. The crystal form chang from the rectangle (the shape of square) to cube. The sintering temperature, the pre-sintering temperature, the content of Native copper is conducive to the compression strength and Hardness LEEB. The piezoelectric performance first increase and then become decrease along with the increasing the content of native copper, and increase along with the increasing the sintering temperature, the pre-sintering temperature. The hemolytic test indicate that the composite satisfy the application of the medically biological materials. In view of existing research shows that the composite Native copper/KBT have a good structure properties and satisfy the application of the medically biological materials. It is a outstanding done-repaired biometial.Key words: native; copper;KBT;microstructure;mechanicalproperty;biocompatibiliy目录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 引言11.2 生物医学材料概述21.3 骨修复材料31.3.1 骨修复材料的分类31.3.2 人骨对骨修复材料的要求31.4 压电陶瓷的研究进展41.4.1 压电效应41.4.2 压电陶瓷的压电机理51.4.3 压电陶瓷的经典结构钙钛矿型结构61.4.4 压电陶瓷的种类71.4.5 压电陶瓷的几种常见合成工艺91.4.6 压电陶瓷的性能表征101.5 自然铜的简介121.6 KBT和自然铜在骨修复中的应用131.6.1 KBT在骨修复中的应用背景131.6.2 自然铜在骨修复中的应用背景141.6.3 自然铜与KBT结合的优点141.7 主要研究内容、目标及课题来源151.7.1 主要内容151.7.2 研究目的151.7.3 课题来源15第2章 材料和实验方法162.1 原材料162.2 实验设备162.3 制备工艺172.4 材料表征方法182.4.1 热重-差热分析分析(TG-DSC)182.4.2 X射线衍射分析(XRD)182.4.3 X射线荧光分析(XRF)182.4.4 扫描电镜分析(SEM)182.4.5 能谱分析(EDAX)192.5 性能测试192.5.1 机电耦合系数的测量192.5.2 压缩强度192.5.3 硬度测试20第3章 萃取方法对自然铜成分的影响213.1 水萃自然铜213.2 醋萃自然铜223.3 本章小结23第4章 柠檬酸盐水热法合成KBT粉体254.1 引言254.2 KBT粉体的TG-DSC分析254.3 过程分析与讨论274.3.1 前躯体生成274.3.2 烧结过程分析274.3.3 KBT的合成284.4 柠檬酸盐水热法合成KBT的影响因素294.4.1 TiCl4溶液浓度294.4.2 烧结温度314.4.3 烧结时间334.5 柠檬酸盐水热法生成KBT的反应机制344.5.1 Ti(OH)4的制备344.5.2 Bi(OH)3的制备344.5.3 柠檬酸盐水热反应过程354.5.4 烧结过程354.6 本章小结35第5章 自然铜/KBT复合材料的制备及性能测试375.1 引言375.2 常压烧结制备自然铜/KBT复合材料XRD分析375.2.1 常压烧结950C制备自然铜/KBT复合材料XRD分析375.2.2 常压烧结1000C制备自然铜/KBT复合材料XRD分析395.2.3 常压烧结1050C制备自然铜/KBT复合材料425.2.4 常压烧结1100C制备自然铜/KBT复合材料435.3 常压烧结制备自然铜/KBT复合材料SEM分析435.3.1 预烧结300C制备自然铜/KBT复合材料SEM分析435.3.2 预烧结400C制备自然铜/KBT复合材SEM分析445.3.3 预烧结500C制备自然铜/KBT复合材SEM分析455.4 自然铜/KBT复合材料EDAS分析465.5 自然铜/KBT复合材料力学性能分析485.5.1 压缩强度485.5.2 硬度测试505.6 自然铜/KBT复合材料压电性能分析515.7 自然铜/KBT复合材料的生物相容性-溶血实验525.7.1 试样浸提液的制备525.7.2 实验动物525.7.3 试验方法535.7.4 评价方法535.7.5 实验结果535.8 本章小结54结 论55参 考 文 献57致 谢60第1章 绪 论1.1 引言临床上对因创伤、肿瘤或骨病等原因造成的大段、顽固性骨缺损的治疗是困扰医学界的一大难题。目前，自体骨移植仍是临床骨缺损治疗的金标准，但资源极为有限，此外，对大段骨缺损，自体骨移植治疗在实践中几乎是一件不可行的事。因而临床上常要求助于人工合成材料，而现有的骨修复材料诱导成骨作用较差，新骨形成慢且量少，达不到理想的治疗的效果。据美国的统计，其国内每年涉及骨置换的外科治疗己超过100万人次1，而对我国这样一个人口众多的发展中国家，其需求更是不言而喻。近10年来，我国生物医用材料及制品的需求量以20%左右速度增长，但是科技含量高、附加值高的产品几乎全部依靠进口，中国生物材料市场被美日欧垄断，因此，研究具有自主知识产权的优良骨诱导性的骨修复材料治愈骨缺损，降低医疗费用，以解除国民的疾苦、提高生活质量已成为一项十分迫切的任务。自从Urist2发现含有骨形态发生蛋白(BMP)的脱钙骨基质具有诱导骨生成作用以来，外加生长因子促进成骨的研究成为热点3-5。但此方法也存在一定的缺点和不足。如：涉及到材料的免疫性，生长因子体内易被酶降解，其诱导性难以充分发挥，过量输入则可能有潜在的毒性和致癌性，生长因子极其昂贵，难于产业化。此外，在治疗疾病引起的骨缺损如骨质疏松、骨髓炎、肿瘤等时，生长因子存在功能单一的缺点，因为对于此类骨缺损还需给予一定的药物治疗。从仿生学角度开发生物材料是实现组织诱导功能的又一途径6,7，而且从最初的组织、成分模拟逐渐向结构和功能仿生发展。日本学者保田于1953年报道了关于骨的压电现象8，骨在静止状态下存在静息电位、在机械应力下可产生压电和流动电。当骨受到压缩应力时，产生负电，伴随成骨细胞活动增强而引起骨沉积；受牵张应力时，则产生正电，同时破骨细胞活动加强而引起骨吸收9，骨的生长就是骨沉积与骨吸收同时进行的动态平衡过程，骨组织是天然的压电体，骨组织的生长、发育和改建过程，是通过机械能和电能之间的相互转换来实现的。1.2 生物医学材料概述生物医学材料又称生物材料，是指生物体材料和各种医用、特别是对生物体进行诊断、治疗、置换和增进某受损组织和器官的功能性材料，是与人类生命和健康密切相关的，对人体组织、血液不致产生不良反应的材料，是生命科学和材料科学相交叉的一门综合性新兴学科10,11。它主要研究生物体材料和生物医用材料的微观结构与宏观机能，同时研究生物可利用材料与人体组织器官相互作用的生物理化特性。研究的内容涉及材料学、医学、生物学、力学、工程学等诸多领域。生物材料的研究与开发，对于人的健康、生活、国家的经济前途及社会的和谐发展均具有重要意义。生物医学材料的发展及应用，不但挽救了千千万万危重病人的生命，提高了他们的生活质量，而且是一项具有极大经济实力的新经济增长点。据经济学家们统计，近10年来每年以高于10%的速度增长。早在2002年，世界市场就已达2100亿美元，仅植入人骨或与人骨生理系统直接连接的生物相容性材料与制品已达500亿美元。我国有13亿人口，随着人口老龄化、中青年创伤的增加，先天性疾病的发生，对生物医学材料的需求以每年高达30%的速度增长。据统计，我国生物医用材料与制品所占世界份额不到3%。而且高端产品主要依靠进口，基本上被发达国家垄断。因此，利用现代高技术，发展我国的生物医学材料，壮大我国的民族生物医学工程产业，减少千千万万患者疾病的困扰，减轻人们的医疗负担，满足人们健康的需求，已成为我国的一项当务之急。近几十年来，生物材料与工程已成为一个新兴起的经济主要支柱之一的重要学科，迅速发展成为国际高科技制高点之一。一般而言，生物医用材料必须满足下面几项要求：（1）具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料骨修复后不出现有损生物学性能的现象；（2）具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应；（3）具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；（4）具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制。1.3 骨修复材料1.3.1 骨修复材料的分类（1）医用金属材料金属材料是最早用于骨修复的生物惰性材料，除具有较强的强度和韧性外，医用金属材料还必须具有良好的抗生理腐蚀性和生物相容性，适用于硬组织的修复，常用于骨修复的金属材料有不锈钢（铁基合金）、钴基合金与钛基合金。近年来钛和钛合金发展很快，主要应用于整形外科，其质量轻，弹性模量与骨相近，在四肢骨和颅骨修复中应用较多，是较好的骨修复材料。（2）生物陶瓷材料用于硬组织修复的生物陶瓷可分为三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和可降解生物陶瓷。（3）医用高分子材料用于硬组织修复的高分子材料可分为天然高分子材料和人工合成高分子材料两类。天然高分子包括胶原、纤维蛋白和藻酸盐等。这些天然聚合物生物相容性好，具有细胞识别信号（例如RGD短肤序列），利于细胞粘附、增殖和分化，但天然高分子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。胶原和纤维蛋白凝胶都存在缺乏机械强度、大量获取的困难、降解时间难以控制等缺点，故其都难以单独作为骨修复材料，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。（4）生物复合材料随着现代医学水平的发展，人们发现传统的金属及其合金材料，生物陶瓷及高分子等己不能满足临床上对骨修复材料生物力学及生物活性的要求，发展兼具优良力学相容性及生物活性的复合材料己经成为必然趋势。生物复合生物材料按组分可以分为：无机/无机复合、无机/有机复合、有机/有机复合三类。1.3.2 人骨对骨修复材料的要求从生物力学观点看，骨组织是双向性组合材料，一相是无机质，以钙磷为主；另一相为有机质，以胶原和其他基质为主，这种组合材料是强而硬的无机质包容于弱而易屈的有机质中，因而使其具有特别的生物力学性能，其中最主要的是强度和硬度。正常骨弹性模量为40GPa-57GPa，拉伸强度极限为124MPa，压缩极限强度为170MPa，不同骨骼其生物力学功能有差别。如果能按正常骨的基本结构仿生制备出人工骨，这能满足骨功能适应性的要求。理想的骨修复材料应该具有以下特性：（1）具有组织、血液及受体的生物相容性；（2）具有力学相容性，避免应力遮挡效应，不发生灾难性的脆性断裂、疲劳、蠕变及腐蚀破坏，且弹性形变应当与被替换的组织相匹配；（3）它能与组织相互结合，这种结合可以是组织长入不平整的植入体表面而形成机械嵌连，也可以是植入材料和生理环境间发生生物化学反应而形成的化学结合；（4）骨传动性、骨诱导性；（5）提供成骨细胞，直接成骨；（6）可朔性，满意的修复技术应具有组织损伤小、不破坏修复区血供等优点。1.4 压电陶瓷的研究进展压电材料是一类实现机械能与电能相互转换的功能材料，在电、磁、声、光、热、湿、气、力等功能转换器中发挥着重要的作用，有着近一个世纪的应用历史，是一类重要的、国际竞争极为激烈的高新技术材料16,17。压电材料按其化学组成和形态分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物及复合压电材料四类，从晶体结构上来看，属于钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含铋层结构的陶瓷材料具有压电性，其中钙钛矿型晶体结构的陶瓷是最典型的压电陶瓷。压电陶瓷与压电聚合物和复合压电材料相比，压电陶瓷具有压电性能好，且能通过掺杂或置换取代改性得到不同特性的、能适合不同需要的材料与器件，因而得到广泛应用，特别是用它制作的滤波器、微位移器、驱动器和传感器等，被广泛应用到航空航天等高新技术领域及国民经济各个部门中，成为不可缺少的现代化关键材料和元件18,19。目前，压电陶瓷的比重已经达到整个电子陶瓷工业的左右，全球压电陶瓷销售额近110亿美元。1.4.1 压电效应压电效应是一种弹性和介电性之间的机电耦合效应，对于某些电介质材料，当其沿一定方向上受到应力的作用时，除了会产生相应的应变外还会在其内部产生极化现象，导致晶体的两端表面出现正负相反的束缚电荷，其电荷密度与外应力的大小成正比。这种在没有外界电场作用下，由机械应力的作用而使电介质材料产生极化并且形成材料表面电荷的现象被称为压电效应或正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。反之，当在压电材料的某一方向上施加电场时，外电场会引起材料内部正负电荷中心的位移。这一极化位移又会导致材料发生形变，产生应变，这就是逆压电效应。正压电效应与逆压电效应又统称为压电效应，如图2-120所示。图1.1 压电效应示意图Fig.1.1 Diagrammatic sketch of piezoelectric effect1.4.2 压电陶瓷的压电机理压电陶瓷是经过直流高电压极化处理过后具有压电性的铁电陶瓷。陶瓷是由许多细小晶粒聚集在一起构成的多晶体。这些小晶粒在陶瓷烧结后，通常是无规则地排列的。虽然构成铁电陶瓷的晶粒的结构是不具有对称中心的，存在着与其他晶轴不同的极化轴，而且它们的晶胞的正负电荷中心不重合，即有固有电矩自发极化存在，但各晶粒间自发极化方向杂乱，各晶粒间的压电效应会互相抵消，因此在宏观上往往不呈现压电性能。在外电场作用下，铁电陶瓷的自发极化强度可以发生转向，在外电场去除后还能保持着一定值剩余极化(Pr)，如图2-221所示，其中Ec为矫顽场，Psat为饱和极化强度。图1.2 铁电材料的电滞回归线Fig.1.2 The ferroelectric hysteresis loop利用铁电材料晶体结构中的这种特性，可以对烧成后的铁电陶瓷在一定的温度、时间条件下，用强直流电场处理，使之在沿电场方向显示出一定的净极化强度。经过极化处理后，烧结的铁电陶瓷将由各向同性变成各向异性，并因此具有压电效应。由此可见，陶瓷的压电效应来源于材料本身的铁电性。因此，所有的压电陶瓷也都应是铁电陶瓷。1.4.3 压电陶瓷的经典结构钙钛矿型结构大多数的压电陶瓷材料的晶相都是ABO3型钙钛矿结构。它是指具有与CaTiO3相似结构的ABO3型氧化物。A、B位离子可以被其它离子取代，形成通式为(AxA1-x”)( ByB1-y”)O3的复合氧化物。通式中A为半径较大的正离子，B为半径较小的正离子，AB的价态可为A2+B4+或A+B5+，负离子除O外，还可以是F、Cl、S等离子。图2-322是ABO3钙钛矿结构示意图。顶角被大半径、低价位的A离子占据；体心被小半径、高价位的B离子占据；六个面心则被O离子占据。这些氧离子构成氧八面体，B离子处于其中心，整个晶体可看成氧八面体共顶点联接而成，各个氧八面体之间的空隙则由A离子占据，A和B的配位数分别为12和6，各离子半径在构成钙钦矿结构化合物时，应满足 RA+RB=tRA+RO (1-1)式(1-1)中，RA为A离子的半径；RB为离子的半径；RO为氧离子的半径；t为容忍因子。只有当t=1时，才为理想的钙钦矿结构。一般情况下，t值在0.861.03之间都可以构成钙钦矿结构，但具有铁电性化合物的t值多数在11.03之间23。图1.3钙钛矿结构Fig.1.3 The structure of calcium1.4.4 压电陶瓷的种类压电陶瓷作为一种实现机械能与电能相互转换的功能材料，按其成分可分为铅基压电陶瓷和无铅压电陶瓷：(1) 铅基压电陶瓷目前在压电陶瓷领域中，锆钛酸铅基陶瓷(PZT)是应用最为广泛的压电材料，其中氧化铅的含量高达60以上。一方面由于PbO是一种易挥发物质，其在高温烧结时会产生严重的挥发，这使得材料在烧结过程中偏离化学计量比，在制备过程中需要密封烧结，不仅增大了产品成本，也导致了产品的一致性和重复性降低；另一方面含铅材料造成环境的污染，危害着人类的身体健康，基于人类生存环境的考虑，各国政府正通过立法来减少和限制铅污染。2003年欧洲议会通过了关于“电器和电子设备中限制有害物质”的法令，其中在被限制使用的物质中就包括含铅的压电器件。为此，欧洲共同体立项151万欧元进行关于无铅压电陶瓷的研究与开发。美国、日本以及我国电子信息产业部也相继通过了类似的法令，并逐年提高了研制无铅压电陶瓷项目的支持力度。从人类生存环境的长期发展战略考虑，寻找能够替代铅系的无铅材料，已经成了压电材料行业需要解决的问题。无铅压电陶瓷作为环保的一类新型功能陶瓷材料，在使用和废弃处理过程中不产生对环境有害的物质而备受注目。因此，开展无铅压电陶瓷的研究具有非常重要的现实意义。(2) 无铅基压电陶瓷无铅压电陶瓷是一种绿色材料环境协调性材料。该类材料体系本身不含有可能对生态环境造成损害的物质，在制备、使用及废弃后处理过程中不产生可能对环境有害的物质，且材料的制备工艺具有耗能少等环境协调性特征。钛酸钡(BaTiO3，简称BT)是最早实用化，也是研究相当成熟的无铅压电陶瓷，但是低居里点Tc=120C较低，导致工作范围狭隘，在室温附近(即工作温区)存在相变，使用不方便24；其压电性能虽然可以通过掺杂的方法得到改善，但是与含铅基压电陶瓷相比，还有一定的差距；烧结温度较高(13001350C)，且烧结存在一定的难度，晶粒较大，得不到较纯的陶瓷材料，因此在很大程度上限制了其应用25。钛酸铋钠(Bi0.5Na0.5TiO3，简称BNT)是1960年Smolensky等发明的，A位由Bi3+和Na+组成复合离子的钙钛矿结构铁电体(如图2-326)，其居里温度Tc为320C，在室温下为三方相，在220320C之间发生由三方相向四方相的缓慢相变，在520C以上为立方顺电相。在室温下剩余极化强度Pr较大(38C/cm2)，因而具有很强的铁电性，是一种人们较为关注的无铅压电材料。具有铁电性强，压电系数大(kt、k33约为4050)，介电常数小(为240340)、声学性能好(Nr=3200Hzm)等特点，而且具有弛豫性铁电体的特性，烧结温度属中温烧结，容易获得好的陶瓷烧结体，被认为是最有潜力的无铅压电材料体系。然而，室温下陶瓷的矫顽场较高，在铁电温区的电导率大而且难以烧结成为致密的样品。这就使得陶瓷的极化非常困难，陶瓷的压电性能不能充分表现出来。加之该系陶瓷中容易吸水，使得陶瓷的化学物理性质稳定性欠佳。因此，单纯的陶瓷难以实用27。图1.4 钛酸铋钠的晶体结构Fig.1.4 Crystal structure of Bi0.5Na0.5TiO3钛酸铋钾(Bi0.5K0.5TiO3，简称KBT)是一种A位由Bi3+和K+组成复合离子的钙钛矿结构铁电体，室温时为四方晶系。与NBT 相比，KBT 具有更高的居里温度(Tc380C)和较低的矫顽电场Ec1.5 kV/mm28，因此，KBT具有更宽的温度使用区间和较低的极化难度，陶瓷的压电性能充分表现出来，具有更广泛的应用前景。1.4.5 压电陶瓷的几种常见合成工艺1.4.5.1 固相法固相法作为压电陶瓷的传统合成方法，应为其工艺较简单、成熟、设备可靠；原料价格较便宜，主产成本较低；可根据要求任意调节化学组成等优点被广泛应用。但是粉体的化学组分不均匀；颗粒较粗，粒径分布较宽，粗细分布不均匀，产品质量差；粉体烧结活性低，需要较高烧结温度，而且陶瓷产物部分烧结粘连，粒度较大且不均匀，烧结活性差；高温下K，Bi 的强挥发易导致计量比失配，造成产物中常伴有难以消除的杂相等缺点制约着高致密度压电陶瓷的制备与压电性能研究29。1.4.5.2 水热法水热法30是在密封压力容器中的适合水热条件下，通过化学反应实现原子、分子级的微粒构筑和晶体生长。此法制备的粉体具有极化性能，粉体晶粒发育完整，粒径小且分布均匀，团聚程度小，在烧结过程中活性高，是较引人注目的一种制备方法。水热合成法是对于具有特种结构、功能性质的固体化合物和新型材料的重要合成途径和有效方法。它可以在较低的温度下得到通常需要在很高温度下才能得到的材料，且无须锻烧。用此法制备的超细粉末，最小粒径已达到数纳米的水平。由于品体是在非受限的自然条件下成核长大的，所以具有良好的几何形貌，分散性好且无团聚。而且反应条件可以控制颗粒的大小和形状。尤其是能够得到大小和形状均匀的微颗粒25。该反应有以下优点：产物有很好的结晶形态；反应的温度较低；粉末颗粒的粒径可达到纳米级。它的不足之处在于：反应不很完全，反应过程不易控制；对设备要求很高。1.4.5.3 凝胶-溶胶法凝胶-溶胶(Sol-Gel)31合成是一种近期发展起来的能代替高温固相合成反应制备陶瓷、玻璃和许多固体材料的新方法。与传统的高温固相粉末合成方法相比，这种技术有以下几个优点：(1) 通过各种反应物溶液的混合，很容易获得需要的均相多组分体系；(2) 对材料制备所需温度可大幅度降低，从而能在较温和条件下合成出陶瓷、玻璃等功能材料；(3) 溶胶或凝胶的流变性质有利于通过某种技术如喷射、浸涂、浸渍等制备各种膜、纤维或沉积材料。目前研究表明原材料的化学性质对生成产物纯度有至关重要的作用。采用该法可以合成纳米级的颗粒。在研究无铅压电材料的过程中，使用该法合成出纳米粉末，其微观结构均匀，颗粒的大小与锻烧的温度有关系，且比传统固相法制备的压电陶瓷的压电性能高32。1.4.6 压电陶瓷的性能表征压电陶瓷除了具有一般介质材料所具有的介电性能和弹性性能外，还具有压电性能。压电陶瓷经过极化处理之后，就具有了各向异性，每项性能参数在不同方向上所表现的数值不同。(1)介电常数 r (Dielectric Constant)介电常数是反映材料的介电性质或极化性质的，通常用r来表示33。不同机械条件下，测得的介电常数不同，在机械自由条件下，称为恒应力介电常数或自由介电常数，以ijT表示在机械受夹条件下，称为受夹恒应变介电常数或夹持介电常数，以句ijS表示。有时也使用相对介电常数，它与介电常数的关系为/0，0为真空介电常数，其值8.8510-12F/m。相对介电常数是没有量纲的物理量。(2)介质损耗 tg (Dielectric Loss)介质损耗是包括压电陶瓷在内的任何介质材料所具有的重要品质指标之一28。在交变电场下，介质所积蓄的电荷有两部分：一种为有功部分(同相)，由电导过程所引起的；一种为无功部分(异相)，是由介质弛豫过程所引起的。大功率的换能器要求压电陶瓷材料的损耗越低越好，如果材料的损耗大，就易于发热而毁坏。压电陶瓷的介电损耗大致分为三种漏电流损耗、介质不均匀所引起的损耗和电极化引起的损耗，其主要的介电损耗是由电极化引起损耗。(3)弹性常数(Elastic Coefficient)压电陶瓷是一种弹性体，它服从胡克定律：“在弹性限度范围内，应力与应变成正比”。(4)机械品质因数 Qm(Mechanical Quality Factor)机械品质因数也是衡量压电陶瓷的一个重要参数28。机械品质因数Qm是反映压电振子在谐振状态下，每个周期振子储存的能量和所消耗的机械能的比值大小的物理参数34，损耗越大，则Qm值越小。产生机械损耗的原因是内摩擦。(5)压电常数d33(Piezoelectric Constant)压电常数是反映力学量(应力或应变)与电学量(电位移或电场)间相互耦合的线性响应系数35。通常用dij表示，下标中第一个数字代表电场方向或电极面的垂直方向，第二个数字代表应力或应变方向。(6)机电耦合系数kp (Electromechanical Coupling Coefficient)机电耦合系数kp是一个综合反映压电陶瓷的机械能于电能之间耦合关系的物理量，是压电材料进行机电能量转换能力的反应36。压电陶瓷振子的机电耦合系数与其形状和振动模式有关，不同的振动模式将有相应的机电耦合系数。本实验中实验均为薄圆片径向伸缩模式，其耦合系数为kp(平面耦合系数)。(7)频率常数N(Frequency Constant)对于某一陶瓷材料，其压电振子的谐振频率和振子振动方向的长度的乘积是一个常数，这个常数就是频率常数。如果外加电场垂直于振动方向，此谐振频率为串联谐振频率如果外加电场平行于振动方向，此谐振频率为并联谐振频率。1.5 自然铜的简介自然铜，又名石髓铅，首载于开宝本草，其药用已有一千多年的历史31。在中药中为理血药，功能散疲、接骨、止痛，主治跌扑肿痛、筋骨折伤，是骨伤常用之药。自然铜为硫化物类矿物黄铁矿族黄铁矿，属于等轴晶系。其晶型多为立方体，集合体呈致密块状。表面亮淡黄色，有金属光泽有的黄棕色或棕褐色，无金属光泽。具条纹，条痕绿黑色或棕红色。体重，质坚硬或稍脆，易砸碎，断面黄白色，有金属光泽或断面棕褐色，可见银白色亮星38。主含二硫化铁，其中含铁、硫，还含铜、镍、砷、锑等杂质33。主产于四川、广东、江苏、云南等地。自然铜现代煅制，中国药典1995年、2000年、2005年版，均用火锻醋淬法将净自然铜锻至暗红，醋淬至表面呈黑褐色，光泽消失并酥松如不酥，可反复锻淬至酥，每100g自然铜用醋30g38。自然铜需煅制方可入药，经火锻后，FeS2分解，活性的铁离子大量溶出，较高温度下(1000C左右)煅制，易被氧化生成Fe2O3、Fe3O4，因此，自然铜实质是含铁、铜、锰、锌的多元素混合物。自然铜经煅制后实质是含铁、铜、锰、锌的多元素混合物，其中锰、锌等元素含量很低，但是其所起的作用很大，其为人体提供人体所需的微量元素。根据科学研究，到目前为止，已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种，即有铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷等。这每种微量元素都有其特 殊的生理功能。尽管它们在人体内含量极小，但它们对维持人体中的一些决定性的新陈代谢却是十分必要的。一旦缺少了这些必需的微量元素，人体就会出现疾病，甚至危及生命。目前，比较明确的是约30%的疾病直接是微量元素缺乏或不平衡所致。如缺锌可引起口、眼、肛门或外阴部红肿、丘疹、湿疹。又如铁是构成血红蛋白的主要成分之一，缺铁可引起缺铁性贫血。国外曾有报道：机体内含铁、铜、锌总量减少，均可减弱免疫机制(抵抗疾病力量)，降低抗病能力，助长细菌感染，而且感染后的死亡率亦较高。微量元素在抗病、防癌、延年益寿等方面都还起着非常重要的作用。1.6 KBT和自然铜在骨修复中的应用1.6.1 KBT在骨修复中的应用背景新型压电陶瓷植入材料的研究在国内外报道极少，在1980年和1981年，Park等曾报道过压电陶瓷钛酸钡作为硬组织替代材料的研究。他们首先将钛酸钡粉烧结、极化制成压电陶瓷，并植入狗的股骨，结果发现材料具有优良的机械性能和生物相容性，并且可与骨组织形成较强的机械连接39,40。Yamashita KS41,42等实验证明HABT (钛酸钡和羟基磷灰石) 负电荷的表面显示钙磷晶体增长，在正电荷的表面则有NaCl的沉积。而在国内，四川大学报道了有关骨替代羟基磷灰石 (HA) 陶瓷和HABT陶瓷的实验研究，发现与HA相比，HABT促进骨修复和再生能力较强，能够促进成骨细胞的增殖活性，材料的力学性能亦能满足要求，尤其在与骨组织的压电性能相匹配方面展现了其优势，可引导新生骨质定向沉积，这可以说明压电陶瓷作为一种新型的骨修复材料的良好应用前景。但此方面的研究存在所用压电陶瓷种类有限、压电性能相对较低，电学仿生可控度有限，致使诱骨量仍然较低，有待于提高。压电陶瓷的结构、压电性能与成骨性能的影响规律和机制的研究仍显薄弱。在治疗由于骨疾病等引起的骨缺损尚需药物治疗时，与添加生长因子一样也存在功能单一的缺点。此外，植入体作为异物在体内会使人发生感染，生物材料使用过程中引发的细菌性感染也是种植手术失败的一个重要原因。如果把具有诱骨功能同时具备杀菌、抗病毒作用的药物引入可能有效解决这一问题。传统的Pb(ZrTi)O3 (简写PZT) 基压电陶瓷压电性能优良，但因为含铅陶瓷，严重危害环境和人体健康，无铅压电陶瓷中，钛酸钡压电性能欠佳，钛酸铋钾 (KBT) 系是新型无铅压电陶瓷的代表，具有典型的钙钛矿结构 (ABO3)，与其它无铅压电陶瓷相比，压电性能较高，性能稳定，有很好的机械性能，具有较低的烧结温度 (1200C以下)，而且其成分均为人体必须的微量元素，无毒，无致畸作用。虽然KBT具有一系列作为生物材料的优点，但该材料与Pb(ZrTi)O3基压电陶瓷材料相比仍存在电活性低的问题，主要原因是KBT陶瓷具有相对高的矫顽场和较高的电导率而难以极化，压电性能不能充分表现出来而影响其实用化。若欲更好的发挥电学仿生功能，需进一步提高其压电性能。1.6.2 自然铜在骨修复中的应用背景我国学者应用现代科学方法研究自然铜在骨折愈合过程中的作用机理，认为自然铜可提供骨折愈合所必需的多种微量元素，使多种酶的活性增强，有助于骨基质的形成和钙盐的沉积，促进骨组织的形成43-47。现代药理学研究表明：中药自然铜具有促进细胞增殖、分化作用，单味中药自然铜可以增加成骨细胞的钙化结节数目，并目可以促进体外培养成骨细胞类胰岛素生长因子(IGF)的表达48。此外，还具有杀菌、抗病毒、无毒副作用、价格低廉等优点49。因此，中药自然铜作为诱骨材料用于骨修复具有一系列的优势。1.6.3 自然铜与KBT结合的优点压电陶瓷作为一种电化学仿生材料，在修复大段骨缺损，满足优良的骨诱导性方面存在不足之处。经过查阅中医药方剂和骨治愈文献并且理解深化的基础上，挖掘发现：治疗骨科疾病的矿物中药自然铜具有一系列与压电陶瓷结合的优点：（1）自然铜与KBT复合，可提高KBT的压电性能，有效解决KBT电活性低的问题。根据掺杂改性传统压电陶瓷PZT成熟经验，向立方相KBT中引入价态及半径与A、B位离子相近的离子时可将其置换，从而在一定区域内形成准同型相界，达到提高KBT陶瓷压电性能的目的。据报道：KBT可以与(Ba, Sr, Ca, Fe, Pb)TiO3形成固溶体且存在三角四方的准同型相界，通过引入固溶组分后降低较高的矫顽场避免极化困难，获得高的压电活性材料50,51。自然铜与KBT复合，在烧结的过程中，煅自然铜中的Fe离子可以进入到压电陶瓷的晶格中取代A、B位离子形成固溶体，提高压电性能。（2）超过固溶极限后，其余部分可以独立物质形式均匀分布于KBT基体中，一方面在KBT烧结过程中可以起到烧结助剂的作用，降低烧结温度，实现低温烧结，细化晶粒有效提高KBT力学性能和压电性能，另一方面在植入体内后继续发挥促进骨生长作用。（3）自然铜/压电陶瓷复合材料经过极化处理植入骨内，依靠机体自身活动产生合适的电场，能加强自然铜所含的微量元素在骨折部位的聚集，使其发挥更大的促进成骨作用。因此，二者复合后，各自特性能相互促进，更好地发挥诱骨功能。此发现使我们找到将电学功能仿生和添加诱骨治疗物质有机结合的有效切入点，为制备仿生、诱骨兼具治疗作用的硬组织修复材料另辟蹊径，为解决大段骨缺损的治愈难题给予了希望，为之兴奋不已。1.7 主要研究内容、目标及课题来源1.7.1 主要内容本课题把外加诱骨功能材料和采用电化学仿生技术有机的结合，共同促进诱导成骨，其主要研究内容是：(1) 柠檬酸盐水热法合成KBT及表征(2) 自然铜的锻制及成分的研究(3) 常压烧结制备自然铜/KBT复合材料及结构、性能检测1.7.2 研究目的期望通过柠檬盐水热法合成比固相法更具有优良性能的纳米晶钛酸铋钾压电陶瓷，并研究其材料结构、力学性能、压电性能等，探索成分配比、材料结构、力学性能、压电性能之间关系规律；阐述中药自然铜经煅烧后中药成分规律；阐述中药自然铜/钛酸铋钾复合材料生物性能、力学性能等。1.7.3 课题来源本课题得到国家自然科学基金项目、省研究生创新基金项目的资助第2章 材料和实验方法2.1 原材料实验原料如表2-1所示。表2-1 实验原料Tab.2-1 Chemical 药品名称生产厂家四氯化钛（TiCl4）天津市凯通化学试剂有限公司硝酸铋(Bi(NO3)3)天津市凯通化学试剂有限公司氨水天津市凯通化学试剂有限公司柠檬酸铵天津市凯通化学试剂有限公司2.2 实验设备实验设备如表2-2所示。表2-2 实验设备Tab 2-2 Experiment equipments仪器、设备名称用途制造商HANGPING电子天平称量上海天平仪器厂电子恒温水浴锅加热天津泰斯特仪器有限公司JB50-D型增力电动搅拌机搅拌上海标本模型厂101A-2型电热鼓风干燥箱式烘干上海市实验仪器总厂Sunlight热处理炉烧结北京太光节能有限公司QM-BP星形球磨机球磨南京大学仪器厂HS211-20型电热蒸馏水制备蒸馏水上海医用核子仪器厂LD5-A离心机离心分散北京医用离心机厂STA409PC/PG热分析仪差热分析德国耐驰公司Bruker 8D Advance 型X 射线衍射仪XRD分析仪美国EDAX2.3 制备工艺其中主要步骤有：(1) 自然铜醋淬：均用醋淬法和水萃法将净自然铜锻至暗红，淬取至表面呈黑褐色，光泽消失并酥松如不酥，可反复锻淬至酥。(2) 配料：根据不同的实验配方，计算出实验所需各种原料的质量，然后在JA-2003型电子天平上准确称量(精度为0.0019)。(3)