【毕业学位论文】氟金云母氟磷灰石玻璃陶瓷的制备及性能研究-粉末冶金博士论文

博士学位论文 氟金云母/氟磷灰石玻璃陶瓷的制备及性能研究 作者姓名：向 其 军 学科专业：材 料 学 学院（系、所） ：粉末冶金研究院 指导教师： 黄伯云 院士 副指导教师： 刘 咏 教授 中南大学 2007年 6月 分类号 密级 博士学位论文 氟金云母/氟磷灰石玻璃陶瓷的制备及性能研究 on of 者姓名：向 其 军 学科专业：材 料 学 学院（系、所） ：粉末冶金研究院 指导教师： 黄伯云 院士 副指导教师：刘 咏 教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 中南大学 2007年 6月 博士学位论文 摘要 - I - 摘 要 针对当前生物材料研究的现状和前景， 作者旨在研制具有良好发展前景的可用于口腔科和骨科的硬组 织修复材料。制备了氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料；通过 扫描电镜分析 /能谱分析（ 、差热分析（ 、傅里叶变换红外光谱分析 ( 分析测试手段对玻璃陶瓷材料进行了研究。论述了氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料的力学性能与物相组成及微观结构之间的关系； 讨论了玻璃陶瓷材料中可能存在的增韧机理；讨论了针状氟磷灰石晶体的生长机理和析晶动力学；对玻璃陶瓷材料进行了生物活性和生物相容性 研究。得到如下主要结论： （ 1）采用熔铸法、两步法热处理制度制备出了主晶相为钙氟金云母和氟磷灰石相的玻璃陶瓷材料， 该材料中的氟磷灰石晶体呈针状，与人体骨中磷灰石的针状形貌相似，提高了材料的生物活性和生物相容性；而层片状的钙氟金云母使得材料具有良好的可切削性，便于临床医生根据个体骨缺损情况的差异 ，加工成各种符合要求的形状。 （ 2）随着玻璃原料中的氟磷灰石成分含量的增多，氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料的力学性能都是逐渐增加的。 当氟磷灰石成分含量增加到 50%时，材料的力学性能达到最高值。材料的力学性能与目前的生物材料 45璃、 璃陶瓷比较，具博士学位论文 摘要 - 有较好优势，并符合人体密质骨的性能要求范围。 （ 3）氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料的增韧机理主要包括以下两种：即残余应力增韧和晶须拔出效应增韧。针状氟磷灰石晶体的长径比可达 10 以上，对玻璃陶瓷材料起到了很好的增韧作用。 （ 4）氟磷灰石晶体的 c（ 0001）面上的生长基元呈环状分布，从而使晶体以螺旋位错生长机制长大。 针状的氟磷灰石晶体尖端为圆锥形的凸台状，这就是螺旋位错生长机制中没有穷尽的台阶源。产生这种螺旋位错的原因可概括为以下两方面：一 是晶体内部的热应力场；二是晶核与玻璃基体间的界面失配。 （ 5）氟磷灰石晶体生长指数n 2，晶体生长维数m= 1，玻璃为整体析晶机制，氟磷灰石晶体呈一维针状生长，晶体生长过程受界面反应控制。随着原料中氟磷灰石成分含量的增多，使得玻璃的析晶活化能降低，氟磷灰石晶体更容易从玻璃中析出。 （ 6）动物实验观察表明，动物术后饮食、精神状况正常，无中毒、溶血等现象，无过敏反应。术区无红肿、出血等不良反应，切口期愈合。初步显示氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料具有良好的生物相容性。 （ 7）模拟体液浸泡实验和动物植入实验表明，氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷材料具有优异的生物活性。 关键词 玻璃陶瓷，氟金云母，氟磷灰石，生长机理，生物活性博士学位论文 to of s is to by of of in of of as (1) as by a is to in 士学位论文 it a it to (2)of in of 0%, of to 5 HA a of s (3)of of 0, a to (4) on c(0001) of a a a at of is of 博士学位论文 V - in (5) of n of m to be n2, m=1, is in It is an of a of by of of (6) s no as in a (7) in a of 士学位论文 目录 - 目录 摘 要 . I .一章 文献综述 .物材料 . 生物材料的分类 . 生物材料的性能要求 .物陶瓷 . 生物陶瓷与人体组织的结合方式 . 生物活性陶瓷材料 .物活性玻璃及玻璃陶瓷 . 物玻璃 . 物活性玻璃陶瓷 . 物活性玻璃陶瓷 . 物活性玻璃陶瓷 .切削云母基玻璃陶瓷 . 云母基玻璃陶瓷的结构 . 云母基玻璃陶瓷的可切削性 . 云母基玻璃陶瓷的制备方法 . 云母基玻璃陶瓷改性的研究 .物活性玻璃陶瓷的应用 . 骨组织缺损的修复和替代 . 组织工程支架材料 . 治疗癌症 . 药物治疗载体 .璃陶瓷的形成 . 玻璃陶瓷的热处理 . 玻璃的分相 . 玻璃的形核 . 玻璃的析晶 .验的内容、目的和意义 .二章 实验流程和测试手段 .验流程图 .析测试手段 .三章 氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷的制备 .验过程 .验结果与讨论 . 差热分析 . 物相分析 . 显微结构 .章小节 .士学位论文 目录 - 第四章 氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷的力学性能研究 .学性能研究 .韧机理 . 残余应力增韧 . 晶须拔出效应增韧 .章小节 .五章 氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷分相、形核及析晶机理的研究 .璃分相的分析 .璃形核的分析 .状氟磷灰石晶体的生长机理 . 氟磷灰石晶体生长的基元问题 . 氟磷灰石晶体的螺型位错生长机制 .磷灰石的析晶动力学研究 .章小节 .六章 氟金云母 /氟磷灰石玻璃陶瓷的生物学性能研究 .验过程 . 模拟体液浸泡实验 . 动物植入实验 .验结果与讨论 . 模拟体液浸泡实验 . 动物植入实验研究 .章小结 .七章 结 论 .考文献 . 谢 .读博士学位期间主要的研究成果 .士学位论文 第一章 文献综述 - 1 - 第一章 文献综述 物材料 生物材料也称为生物医学材料，是指以医疗为目的，用于与组织接触以完成其功能的无生命的材料。生物材料通过构建具有一定活性的基体材料，制备具有生物相容性的器件或器官，实现对人体损害或缺损组织的修复或替代1, 2。 随着科学技术的进步和医学水平的提高， 人类开始尝试利用外界材料取代和修复人体中损伤的组织，这促进了生物材料学的发展。经过长期的研究，生物材料学已经发展成一门新兴的学科， 它的发展与很多科学领域的发展息息相关， 包括医学、材料学、物理、化学等3, 4。它不仅仅关系到保护人类的健康，还成为各个国家经济新的增长点。目前，美国、西欧、澳大利亚和日本均组建了十余个高级别多学科交叉的国家生物材料与工程中心， 而且生物材料被许多国家列入高技术关键新材料发展规划，如美国国防部将生物材料列入五种高技术关键新材料发展规划。据美国医疗、卫生工业制造商协会（ 计，医疗器械产值（其中生物材料及制品占 15）在 1997 年已达 560 亿美元，相当于半导体工业产值，成为美国增长最快的六大出口产业之一，全球产值已达1200亿美元5。英国制定的2000年科技振兴计划中，生物材料及其技术占据了最重要的地位。日本到21世纪， 生物材料总产值将超过汽车工业， 成为经济增长的重要支柱之一。 据统计，近年来生物材料及医疗器械每年约以1516的速度递增。总之，生物材料及其制品已成为高新科技产业，且正在各国悄然兴起，它为临床医学的诊断与治疗开辟了新的途径，亦是人类健全和完善自身机能的又一有力武器。 我国对生物材料的需求量特别大，根据我国民政部门 1998 年的报告表明，我国仅肢体不自由患者就有 1500 万，其中残疾 780 万人，全国骨缺损和骨损患者有 300 万，我国牙科患者占全国总人口的 1/3 以上5。在 21 世纪，人类面临的重大课题之一是人的平均寿命不断地延长，而人体本身的老化现象却不可避免。由于 20 世纪先进的药物、预防接种疫苗以及抗生物质等的使用，许多国家的人口平均寿命延长到 80 岁左右，而人体的老化在 30 岁过后就开始了。人体的结缔组织，特别是保持人体直立姿势的骨骼组织开始劣化。随着年龄的增长，骨生长细胞（造骨细胞）在生成新骨和修复微裂纹方面的功能衰减，骨头的密度和博士学位论文 第一章 文献综述 - 2 - 强度逐渐降低，导致老年人的骨头容易发生骨折。由于女性在更年期体内荷尔蒙激素发生变化，以上影响在女性身上更加明显。另外，由于意外事故或疾病等原因，每年都有成千上万的人发生各类骨创伤或骨病变而需要骨替代68。 骨的替代组织有自体嫁接和异体嫁接两种。尽管自体嫁接是一项成熟技术，但它受到诸如额外手术及来源骨组织数量的限制； 而异体嫁接由于基因差异等原因，会引起排异现象和传播疾病等。于是，人们把目光转向人工合成骨替代材料7。从大约 30年前开始使用具有生理活性的材料制成人工骨替代受损的骨骼。现在，有 45种人工骨得到美国食品与药品管理局的正式使用认可在美国市场上出售，在欧盟也有几十种人工骨被批准使用，这些人工骨使用寿命达 10 20年6。 在体内用生物陶瓷替换骨方面的一个巨大挑战就是替换老化和恶化骨组织的材料要能够在病人体内正常工作的时间越长越好。 如果现代人的平均寿命为 80岁，而需要进行骨替代的年纪约在 60岁，则生物陶瓷约需要在体内待上 20年。这个生存环境对陶瓷材料来讲是比较严峻的， 如在 37腐蚀盐溶液中， 要承受多变、多轴向以及循环的机械载荷等。 经过精心设计的能够在这些严格临床条件下生存的生物陶瓷材料，将代表这个世纪在陶瓷研究、发展、生产以及质量保证方面的最显著的成就8。近几十年来，具有良好的生物相容性、生物活性和化学稳定性等优异性能的生物活性玻璃和玻璃陶瓷作为良好的骨移植材料得到了大量的开发及临床应用9。 物材料的分类 （1）医用金属和合金。主要包括：医用不锈钢；医用钴基合金；医用钛及钛合金。 （2）医用高分子。主要包括：医用聚乙烯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯，以及可生物降解高分子。 （3）生物陶瓷。主要包括强度高、耐磨性好的氧化铝、氧化锆等陶瓷；生物活性玻璃陶瓷；磷酸钙陶瓷以及碳素材料等。 （4）生物衍生材料。经特殊处理的生物组织所形成的一类材料，包括维持组织原有构型，仅消除其免疫排斥反应的轻微处理过的组织。 （5）生物医用复合材料。由两种或两种以上材料组合而成的生物医用材料10。 博士学位论文 第一章 文献综述 - 3 - 生物材料的性能要求 一般来说，生物材料应具备下列性能11： 物学性能 (1)有良好的生物相容性 ( 指材料不产生对机体有害的作用(全身及局部)，对人体无毒、无刺激、无致畸、无致敏、无发炎、无突变、无病变、无致癌和无抗原性等，在外科处理后不引起软组织及硬组织损坏反应，无变态反应， 并对机体无免疫排斥反应， 种植体不致引起周围组织产生局部或全身性反应。这是生物材料区别于其它功能材料的最重要的特征。 (2)最好具有生物活性( 所谓生物活性，是指生物材料与人体硬组织(骨)之间形成结合的能力； (3)生物细胞组织相容性，即与正常细胞粘着性良好，有增殖和活化性能； (4)血液相容性，无溶血、凝血反应，抗血栓性； (5)不引起代谢异常现象。 学性能 (1)在体内不产生有害的降解产物； (2)不产生吸水膨胀、软化变质等变化； (3)耐腐蚀疲劳和耐腐蚀蠕变； (4) 抗老化。 学性能 (1) 具有足够的静态强度，例如抗弯、抗压、拉伸、剪切等； (2)具有适当的弹性模量和硬度； (3)耐疲劳、摩擦、磨损。 理性能 (1)尺寸变化应在允许值范围内； (2) 一定的热膨胀系数； (3) 尽量避免流电现象； (4) 色彩性(针对口腔材料)。 它性能 (1) 易制造及加工成型，临床使用操作方便； 博士学位论文 第一章 文献综述 - 4 - (2) 热稳定性好，消毒方便，具有良好的耐消毒灭菌性，无论是高压煮沸、液体浸泡，还是气体(如环氧乙炔)或核辐射消毒后，材料均不产生变性。在液体或气体消毒后，不能残留消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。 物陶瓷 生物陶瓷从广义上讲，是指与生命科学、生物技术、生物医学及生物化学等领域有关的陶瓷材料； 狭义上讲， 是用来达到特定的生物或生理功能的陶瓷材料。通常用于人体组织的修复、埋植和重建等用途的材料，医学上称为种植体。常见的生物陶瓷材料有氧化锆、氧化铝、碳、生物玻璃及玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等12。生物陶瓷材料的临床应用范围见表 12。 表 1物陶瓷材料的临床应用范围12of 料 人工骨 人工关节 人工齿根 骨填充材料 骨置换材料 骨结合材料 心脏瓣 膜人工血 管人工肌 腱 人工气管 引线接头羟基磷灰石 氧化铝 碳 磷酸钙 磷酸盐玻璃 玻璃陶瓷 氧化锆 物陶瓷与人体组织的结合方式 生物陶瓷骨替换材料植入体内后，与骨组织的结合方式分为形态结合、生物结合、骨键合。它们的特点见表 13。 态结合 形态结合是组织长入植入体粗糙不平的表面而形成的一种机械锁合。主要发 生于致密生物惰性陶瓷与组织间的结合。典型材料有多晶和单晶氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等。要求植入体和组织间紧密地配合，否则界面可能发生移动，将导致 博士学位论文 第一章 文献综述 - 5 - 表 1入体与骨组织的结合类型13of 合类型 形态结合 生物结合 骨键合 植入材料 生物惰性 生物惰性多孔 生物活性 结合性质 机械琐合 机械琐合与表面交联 分子水平的化学键合 应力传递 不连续 不连续 连续 增强结合的措施 表面粗糙、多孔、压配 提高孔隙贯通程度，初期严格固定 提高表面生物活性 材料表面纤维膜增厚并最终造成修复失败。增加惰性生物陶瓷表面的粗糙度，在植入体表面制造螺纹以及采用压配等植入方法， 是使生物惰性陶瓷植入成功的有效措施14。 物结合 生物结合是通过骨和组织长入多孔植入体表面或内部交联的孔隙而实现材料与组织的结合。主要发生于多孔生物惰性陶瓷与组织间的结合。典型材料有多孔多晶氧化铝陶瓷14、多孔羟基磷灰石8、羟基磷灰石喷涂多孔金属8等。生物结合也要求植入体和组织在界面上不发生相对移动， 否则组织和血管会在界面处被切断，导致孔隙内活体组织坏死、周围组织发炎，最终造成植入失败14。 键合 骨键合也称生物活性结合，主要发生在生物活性材料与组织间的结合。可分为两种类型：一类如致密羟基磷灰石陶瓷，其表面就是羟基磷灰石；另一类如生物玻璃和生物活性玻璃陶瓷，其表面不是羟基磷灰石，但在生理环境中可以通过生物化学反应，在表面形成羟基磷灰石层。它们通过表面的羟基磷灰石层在体内发生选择性化学反应而与组织实现结合，是一种化学键性结合。这种键合的强度很高，常常高于自然骨和材料自身的结合强度，以致断裂总是发生于骨和材料自身的内部，而很少发生在界面14。 物活性陶瓷材料 生物活性陶瓷是指能与活体骨组织、软体组织形成化学键合的陶瓷材料。对博士学位论文 第一章 文献综述 - 6 - 于硬组织替代材料，这种键合主要是由羟基磷灰石在界面处的沉积而实现的。界面结合强度随时间延长而增强，与骨折愈合的情形相似13。 灰石 磷灰石是具有相同结构的无机磷酸钙体系的总称， 羟基磷灰石表征其典型结构。羟基磷灰石的化学式为 (，简称 六方晶系，晶格参数为 a=b=c=原子比为 基磷灰石广泛存在于动物的骨和牙中。存在于自然骨中的磷灰石称为骨磷灰石。骨磷灰石是一种晶体结构不完善的羟基磷灰石。同时，由于羟基磷灰石结构中沿六方轴存在一个 “隧道 ”，其中的离子易被其它离子替换，因此，骨磷灰石中的磷灰石结合有少量碳酸根、氟、镁、钠及柠檬酸等离子13,15,16。羟基磷灰石的断裂韧性较低，仅为钛合金的1/401/70；在生理环境中抗疲劳强度差。因此，羟基磷灰石生物陶瓷仅限用于不承力的部位13。 酸钙骨水泥 磷酸钙骨水泥 (用特定的磷酸钙盐以类似水泥固化的常温湿法合成羟基磷灰石，与常见的烧结合成羟基磷灰石过程不同。如将等摩尔的磷酸四钙与磷酸氢钙在水或稀酸中混匀成糊状， 2060固化反应不放热。在人体体温和体液的 化产物转化为纯的羟基磷灰石13。 磷酸钙骨水泥的主要特点是：磷酸钙骨水泥具有自固化特性，可作为一种任意塑型的新型人工材料用于骨缺损填充；对软、硬组织有良好的生物相容性和生物活性； 起始的糊状物可以经预固化成型、 注射等多种方式使用； 制备过程简单；固化产物有较大的比表面积，可用于药物控制释放；在体内形成蜂窝状结构，组织可逐渐长入其蜂窝状结构中，可与骨形成牢固的生物性键合等。由于其抗弯强度不够，目前仅限用于非受力部位的骨修复13,14,17。 李玉宝等最近开发的新型纳米磷灰石聚酰胺复合磷酸钙骨水泥， 能够在注射器中长期稳定，只有当在缺损部位注射后才会固化，凝结时间为 530大抗压强度为 50种纳米钙磷复合材料生物活性骨水泥，能在生理盐水、血液中固化，固化性能很好，对于一些出血的外科手术 (如牙槽修复 )，这一性能显得尤为重要14。 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博士学位论文 第一章 文献综述 - 7 - 解，同时新生骨逐渐生长以替代之。最早应用的生物降解陶瓷为石膏，其生物相容性虽好，但被吸收速率很快，与新生骨生长速率不能匹配。目前广泛