羟基磷灰石基活性生物陶瓷的性能研究

1第一章 绪论1.1 引言 生物陶瓷材料以其良好的生物亲和性在世界范围内引起广泛重视。生物陶瓷作为硬组织的代用材料，主要分为生物惰性和生物活性两大类。羟基磷灰石（Ca 10(PO4)6(OH)2）,简称 HAP 属于生物活性陶瓷，理论密度为 316gcm,是构成人体硬组织的主要无机成分,占人骨无机成分的 77,齿骨中则高达 97 1,2，由于与人体骨骼晶体成分、结构基本一致，HAP 生物相容性、界面生物活性均优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。但该生物陶瓷脆性高、抗折强度低，目前仅能应用于非承载的小型种植体，如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等，而不能在受载场合下应用，如人造牙齿或骨骼等所以人们期望获得力学性能较高的 HAP 陶瓷 3,4,5。1.2 羟基磷灰石的基本性质1.2.1 羟基磷灰石的晶体结构HAP 晶体属于 P63/m 空间群。其晶胞特征可以用 a、b、c 三个向量来表示，ab=120 0，ac=be=90 0，为六角柱体 6，一个晶胞中含十个 Ca2+、六个 P043 一 、两个 OH 一 。HA 由很多六角柱状的单晶团聚而成。这种柱状晶体的横截面为六边形，平行于晶胞的(a，b)面，称为 C 表面;围绕柱体轴的六个侧面为矩形，分别平行于晶胞的(a，c)面和(b，c)面，称 a 表面和 b 表面(a 表面等同与 b 表面)，如图 l.1 示。图 1.1HAP 的晶体结构2(a):(a，b)面上的投影。菱形表示一个晶胞，z=0 表示晶胞的底部，z=1 晶胞顶部。Z=O 和 Z=1/2 的 Ca 离子称为 CaI 离子，Z=l/4 和 Z=3/4 的离子称为 CaII 离子;(b):CaII 离子，a 轴水平向右，b 轴向纸里面，c 轴垂直向上;(c):CaI 离子;(d):HA 的 c表面Kawasaki 提出 7，HA 表面主要存在两种吸附位置:当 OH 一 位置位于晶体的a(或 b)表面时，该位置连着两个 CaII 离子，在水溶液中，这个表面的 OH-位置至少在某一瞬间空缺，由于两个 CaII 离子带正电，形成一个吸附位置，成为 c 位置，c位置能吸附 P043 一 、大分子上的磷酸根或轻基团。当 CaI 位置位于晶体的 c 表面时，一部分这种位置连着六个带负电荷的 0 原子，另一部分这种位置连着三个带负电荷的 O 原子，在水溶液中，表面的 CaI 位置至少在某一瞬间空缺，连着六个 O 原子的Ca位置就形成一个较强的吸附位置，称为 P 位置，P 位置能吸附 Sr2+、K +等阳离子以及蛋白质分子上显正电性的基团;而连着三个 O 原子的 Ca位置则形成一个相对较弱的吸附位置。1.2.2 羟基磷灰石的性质1. 羟基磷灰石的物理化学性质羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)分子式是 Ca10(PO4)6(OH)2，体积质量3.16g/cm，性脆，折射率为 1.641.65，微溶于水，水溶液呈弱碱性(PH 79)。易溶于酸，难溶于碱。HAP 是强离子交换剂，分子中的 Ca 容易被 Cd、Hg 等有害金属离子和 Sr2+、Ba 2+、Pd 2+等重金属离子交换 8-10。OH -也常被 F-、Cl -置换，并且置换速度非常快，还可以与含羟基(COOH)的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应 11。2.羟基磷灰石的生物学性质(1)生物降解性有关研究表明，HAP 几乎不溶于水 12,13。但是研究发现它有缓慢的降解性 14。主要由以下几个原因引起：物理化学的原因。物理化学溶解取决于材料的溶解产物及所处的 PH 环境；晶界的变化而分解成小颗粒。在人体生理环境下，多孔 HAP 会发生物理化学溶解，或在晶界等活性较高的区域发生化学变化而分解成较小的颗粒；生理因素。如晶粒的表面积增大、料结晶度下降、晶粒尺寸的减小及 CO32-,Mg2+,Sr2+等杂质离子的存在都可以加速多孔 HAP 的降解速度。3（2）羟基磷灰石的诱导成骨性羟基磷灰石陶瓷的骨传导性能已经被普遍认可，它的骨诱导性能直到最近才有实验验证。将试样植入体内能够生成骨形成蛋白并且有伴随骨髓的新骨组织出现。HAP 的生物活性机理，Gross、Duchesne 和 Jarcho 等 15-19曾做过讨论，认为 HAP 植入机体与邻近骨和体液作用，发生钙、磷等离子交换，这种交换维持动态平衡，在HAP 与骨界面产生新的 HAP。HAP 中弥散出钙和磷离子，体液中钙和磷离子也向 HAP表面聚集，在 HAP 表面形成钙、磷离子层并与骨细胞中的蛋白质分子结合，这样HAP 与骨就紧密地集合为一个整体。离子交换的不断进行，影响细胞的增生分化，引起 HAP 表面的骨生长 20,21。1.2.3 羟基磷灰石的制备方法HAP 微粉是制备块状或多孔羟基磷灰石陶瓷的原料，粉体颗粒的形状、大小、均匀性直接影响最终产品的品质。因此，研究 HAP 微粉的制备方法，使之更加科学合理、成本低廉、储存稳定一直是国内外的研究热点。目前，HA 的制备方法己经形成了干法和湿法两大类，其中，湿法主要包括:沉淀法、溶胶一凝胶法、水热反应法、微乳液法等；而干法相对较少，比较成熟的主要由固相合成法，下面分别介绍各种方法的工艺特点。1.快速均匀沉淀法快速均匀沉淀法是各种水溶性的化合物经特殊方法混合、反应生成不溶性的沉淀，然后将沉淀陈化、过滤、洗涤、锻烧处理，得到符合要求的粉体。液相均匀沉淀法因其工艺简便、成本低、颗粒细小等优点被广泛应用。王德平 22等研究了 pH值对纳米级 HA 粉体制备的影响，张力 23等对于影响 HA 产物的结晶和粒度的因素进行了比较深入的研究。武汉理工大学的江听 24等人利用快速均匀沉淀法制备出了结晶性能较好、粒径大小约 80nm 的 HA 纳米微粒。常用的制备 HA 粉体的钙源物质有Ca(N03)24HZO、Ca(OH) 2、CaCI 2、CaO 2、Ca(OC ZH5)2等，常用的磷反应物有(NH 4)2HPO4;、H 3PO4;、K 2HPO4、NaH 2PO4、(CH 3O)3PO4等。2.溶胶一凝胶法溶胶-凝胶法是一种首先利用金属醇盐或无机盐水解，然后使溶质缩聚成溶胶，继而凝胶化，再进行干燥焙烧，最后得到无机纳米材料的方法，与传统工艺相比，溶胶-凝胶法具有工艺过程比较简单、合成产物纯度高、热处理温度低的优点，但也具有成本较高的不足。4对于溶胶一凝胶法制备 HA，比较典型的是采用硝酸钙一磷酸醋制备工艺。朱明刚 25曾用硝酸钙和磷酸三甲醋制成了 HA 骨水泥;朱晓丽等利用金属钙、磷酸和乙醇为原料，获得了粒度、物相和结晶度较好的 HA。但是磷酸酷的水解需要较长时间，并且要严格控制反应气氛。也有用硝酸钙和五氧化二磷溶胶一凝胶法制备 HA 涂层和薄膜的报道 26，王峰用硝酸钙一五氧化二磷为原料，无水乙醇作溶剂制备了 HA 微粉，该方法较为快捷，并且产物纯度较高。3.水热合成法水热合成的反应过程要求反应物料体系封闭在具有一定压力的高压容器中加温进行。在高温时，密封容器中一定填充度的物料发生膨胀，充满整个容器，从而产生很高的压力，加热的过程中溶解度随温度的升高而增加最终导致溶液过饱和，并逐步形成稳定的化合物新相。反应过程的驱动力是可溶的前躯体或中间体与稳定的产物之间的溶解度差。水热合成法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解或溶解度增大结晶。通过改变水热反应条件可得到具有不同晶体结构和结晶形态的产物。Hattori27报导了用氧化钙和焦磷酸钙作反应前驱物，通过水热法合成了直径小于20nm 的球形 HA 粉末。Lin 以氢氧化钙和磷酸钠为前驱物，在蒸压釜中合成了粒径约为 50nm 的 HA 纳米粉体。徐光亮 28用碳酸钙和磷酸氢钙的混合物为前驱物，通过水热合成法制备了含碳酸根的 HA 粉末。刘晶冰川采用氢氧化钙和磷酸氢钙制备了结晶度较高的 HA 粉末，获得了棒状晶体。4. 微乳液法微乳液法通常是由表面活性剂、助溶剂(醇类)、油(碳氢化合物)和水(电解质水溶液)组成透明的、各相同性的热力学稳定体系。当表面活性剂溶解在有机溶剂中，其浓度超过临界胶束浓度时形成亲水极性的亲水头朝内、疏水端朝外液体颗粒结构，水相作为纳米液滴的形式分散在由单层表面活性剂和助溶剂组成的界面内，形成彼此独立的球形微乳颗粒。这种颗粒大小在几个至几十个纳米之间，在一定条件下，具有保持稳定小尺寸的特性，即使破裂也能重新组合，类似于生物细胞的自组织和自复制功能。微乳液法用于制备纳米 HA 的报道甚少。新加坡国立大学材料系的 Lim29先采用该法对制备 HA 进行了研究，方法特点是将 CaCI2和(NH 4)2HPO4分别制成微乳液，油5相为环乙醇，表面活性剂为 HP5+NP9，将两种微乳液混合后,放置一定时间，将沉淀物用乙醇洗涤，制备出了粒径为 20-40nm 的 HA 粉体。5.固相合成法该法是合成 HA 的干法工艺。它是反应物在机械力的作用下发生固相间的混合、扩散而反应生成产物的方法。以 CaCO3和为原料，在 1200 一 1300下通水蒸气处理2 一 3 小时，发生如下反应:Ca 3(PO4)2+CaCO3HA+CO 2+H 2O当然，也可以采用 CaO2和 CaHPO4在乙醇溶剂中湿法研磨生成 HA，但其原仍然属于干法工艺。由于研磨过程耗能大，烧结温度较高，并且干法难以达到分子尺度的混合，因此利用干法制备 HA 的工艺正在逐渐被遗弃。6.其他方法韩颖超 30等曾利用 Ca(PO4)4H2O、(NH 4)2HPO4、柠檬酸和硝酸为原料，采用自燃烧法制备了平均粒径 85nln 的 HA 微粉。廖其龙 31等人采用冲击波合成法将CaCO3CaHPO4混合装入钢制回收器内，经冲击波处理后得到 HA 粉体。自燃烧法在低温下即可实现原位氧化，能够快速合成产物的初级微粉，不仅可以缩短制备周期，而且反应物在合成过程中处于高度均匀分散状态，因此产物粒径小、适合纳米材料的合成;冲击波具有能产生高压、高温作用时间短的特点，对微粉起到细化、均匀、活化的作用。1.2.4 羟基磷灰石活性生物陶瓷的分类羟基磷灰石生物陶瓷分为；致密型 HAP 生物陶瓷, 多孔型 HAP 生物陶瓷, 复合型 HAP 陶瓷, 混合型 HAP 生物陶瓷以及最近发展的涂层及复合 HAP 材料。下面按分类对其作简要的说明。1.致密型 HAP 生物陶瓷(H 型)致密型 HAP 生物陶瓷的制备是将 HAP 基材加人添加剂及粘结剂制成一定的颗粒级配, 然后在金属模内加压成型,生坯经烘干在 900左右烧成素坯, 素坯可以进行精加工, 然后在 1300左右加压烧结而成。致密 HAP 的表面显气孔率较小, 经电镜观察孔径为 80 微米。有较好的机械性能：抗拉强度、抗弯强度和抗压强度分别在 120- 900MPa，38-250MPa 和 38-300MPa 之间, 强度值取决于残余微孔隙率, 晶粒尺寸和杂质相等, 孔隙率的增高,降低陶瓷的强度;弹性模量 E 在 41-121GPa 之间, 其取决于测试方法、气孔率和杂质相含量等; 断裂韧性在 0.7-1.3MPa 之间, 随气孔率的增大6而成线性降低, 并随烧结温度而变化, 与密度和晶粒尺寸的共同作用有关。致密HAP 具有一定的可加工性, 在临床使用中极为方便, 但因其植人人体内后,只能在表面形成骨质, 缺乏诱导骨形成的能力, 仅可作为骨形成的支架, 主要用于人工齿根种植体。2.多孔型 HAP 生物陶瓷(DH 型)有关多孔 HAP 生物陶瓷,人们对其进行了广泛的研究,发展了一系列制备的方法, 如添加造孔剂法、泡沫浸渍法、溶胶凝胶法等。成型方法上, 多采用于可塑法成型。在研制过程中,人们最常用的方法是造孔剂法, 常用的造孔剂有有机造孔剂, 如石蜡、聚甲基丙烯酸甲醋等, 但这类有机造孔剂与 HAP 的热膨胀系数差别较大, 易导致烧结过程中产生大量裂纹, 从而降低强度。近来, 发展了碳粉造孔剂, 因其热膨胀系数与 HAP 相近, 能够减少微裂纹的产生, 提高多孔 HAP 陶瓷的力学性能。多孔 HAP 生物陶瓷具有较好的生物降解性、较大的比表面积, 有利于生物组织的附着, 适当的孔径更有利于生物组织和器官的长人。如陶瓷内部连通气孔的孔径在 5-40 微米时,允许纤维组织长人；孔径在 40-100 微米时, 允许非矿化物的骨质组织长人；孔径在 150 微米时, 已能为骨组织长人提供理想的场所。多孔 HAP 具有诱导骨形成的作用和能力, Winter 的研究表明, 多孔 HAP 植人体后能使界面的软硬组织都长人孔隙内, 形成纤维组织和新生骨组织交叉结合状态, 能保持正常的代谢关系。多孔 HAP 生物陶瓷因其强度较低, 只能用于一些强度相对低的部位, 在口腔医疗中, 主要用于领骨的置换及修补, 在外科手术中主要用于整容。3.复合型 HAP 生物陶瓷(FH 型)类似于多孔 HAP 陶瓷, 但制法不同, 其方法是选用适当含钙的磷酸盐玻璃与磷酸钙陶瓷进行复合。主要是在高纯 HAP 粉末中加人一定比例的 CaO-P2O5-Al2O3系玻璃体, 高温烧结(温度比 H 型低 200 )而成。复合 HAP 陶瓷的气孔率可达 20-30%, 显气孔孔径为 80-200 微米, 其多孔表面上富集着 HAP 晶体, 因而具有较好的生物活性和机械性能。4. 混合型 HAP 生物陶瓷（FHD 型）混合 HAP 生物陶瓷是利用多孔 HAP 面料涂覆到致密 HAP 芯料上而成。混合型HAP 陶瓷弥补了多孔 HAP 陶瓷和致密 HAP 陶瓷的缺点, 兼顾了两者的优点, 获得了较好的效果。因为多孔 HAP 陶瓷植入人体组织后, 有利于快速发挥活性, 但材料本身的机械强度低于致密 HAP 陶瓷, 而致密 HAP 陶瓷比表面积小, 生物活性发挥缓慢, 7这样, 根据二者结合的原理, 制成的人工齿根, 其机械强度与致密 HAP 陶瓷的接近,而生物活性相当于多孔 HAP 和复合 HAP 陶瓷。5.涂层复合材料为了提高 HAP 生物陶瓷的机械性能和力学, 人们研究了涂层 HAP 及复合 HAP 材料, 并取得了一及些效果。它们是利用高强度、高韧性的材料为基材, 将 HAP 作为涂层使用, 或把 HAP 与其它韧性优良、结构相似的材料进行复合, 制备较理想的HAP 生物陶瓷材料。涂层 HAP 的制备方法较多, 但长远地看, 热化学法、电化学反应法、等离子喷涂法、激光熔覆法、爆炸喷涂法和离子辅助沉积法以及各种方法的结合使用是比较有发展前途的 复合 HAP 材料的研究主要有金属一 HAP、生物惰性陶瓷一 HAP 和高分子聚合物一 HAPB, 如 FeCr 合金纤维、Ag 颗粒、SiC、ZrO 2、聚乙烯和 PDLLA 等。总的说来, 涂层及复合 HAP 材料在提高材料的机械强度和力学性能方面, 有着较好的发展前景。1.3 羟基磷灰石生物陶瓷国内外研究现状1.3.1 羟基磷灰石生物陶瓷的国外研究动态羟基磷灰石的研究历史很长，早在 1790 年，Wemer 用希腊文字将这种材料命名为磷灰石。但直至 1926 年，Basestt 用 x 射线衍射方法对人骨和牙齿的矿物成分进行分析，认为这些无机矿物很像磷灰石。N 打即一 Sbaz6 和 Mhemel 分别独立地研究了氟磷灰石的晶体结构。从 1937 年开始，McConnell 发表了大量有关磷灰石复合物晶体化学方面的文章。到 1958 年，Posner 和他的同事对羟基磷灰石的晶体结构进行了细致的分析。60 年代，W.FNuemna 和 M.W.Neunlna 等大量报道了羟基磷灰石与钙化的关系。1967-1975 年，Morwikai 和他的合作者对骨骼和牙釉质用 X 射线衍射技术研究了其中碳酸羟基磷灰石的结晶性和晶格变形。1972 年，日本学者HidkeiAoki 成功合成羟基磷灰石并烧结成瓷。不久，美国学者 Jacrho 也烧成羟基磷灰石陶瓷。1974-975 年，Akoi 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，世界各国都对羟基磷灰石材料进行了全方位的基础研究和临床应用研究。如西欧、美国、日本和澳大利亚等国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，将其列入高技术关键新材料发展计划。到 21 世纪，日本生物陶瓷的总产值将成为经济的重要支柱之一。 3281.3.2 羟基磷灰石生物陶瓷的国内研究动态我国对羟基磷灰石的研究始于加世纪 80 年代，武汉工业大学、上海硅酸盐研究所、华南理工大学、北京市口腔医学研究所等单位都成功地研制了羟基磷灰石陶瓷，并进行了大量临床应用研究。武汉工业大学于 80 年代中期成立了生物工程材料中心以来，对纳米 HAP 陶瓷、HAP 粉体的改性以及 HAP 一聚合物复合材料开展了广泛的研究并取得了重大成就。在近期举行的各种生物材料会议，如 19%年加拿大举行的第五次世界生物材料大会，1997 年在成都举行的第三届远东生物材料会议上仍然有相当数量的文章是有关羟基磷灰石制备、物理化学性能、生物学性能以及临床应用方面的研究。1.3.3 羟基磷灰石活性生物陶瓷的发展前景羟基磷灰石作为人体硬组织替换材料是生物材料发展的一大热点。近年来，科研人员把大量精力投入到 HAP 晶须增强生物陶瓷复合材料的研究中，由于 HAP 材料本身良好的生物活性和生物相容性，已成为生物材料最佳的增强材料。有专家预测，生物活性 HAP 晶须增强生物陶瓷材料必将为推动硬组织替代及修复材料的发展起到积极的作用。有关资料报道，目前全世界生物材料年营业额已达 120 亿美元。其中，人体硬组织替换材料约为 23 亿美元，且以每年 7-12的速度增长 33。由此可见，随着全球老龄化趋势的发展，未来人体硬组织替换材料将越来越受到人们的重视，羟基磷灰石这类生物活性陶瓷也将具有广阔的研究价值和市场前景。由于生物陶瓷材料具有较大发展潜力和研究价值，从仿生原理出发，其制备成分结构与天然骨组织相近，而且满足种植提高力学性能要求的复合材料是当今研究的热点。羟基磷灰石活性生物陶瓷的研究经历了很长的历史，在临床应用上已取得了一些成果，如良好的生物相容性、生物活性、结构吻合性等方面。但在如何提高材料的强度、韧性和如何解决陶瓷涂覆过程中的界面问题，以及力学性能、生物性能优秀的生物复合材料方面还有待深人研究和探讨。相信随着制备工艺的发展和对材料本质的不断深入了解，上述问题一定能够得到一个圆满的答案。同时，随着生物医学工程的进一步发展，羟基磷灰石活性生物陶瓷材料必将更多地应用于临床医学，更好地造福于人类。91.4 本课题研究的目的及内容羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2简称 HAP 是脊椎动物骨和齿的主要无机成分。在人骨中约 72%齿骨中则高达 97% ，其生物相容性及活性良好.对人体无毒副作用.随着人民生活水平的不断提高，社会老龄化越来越严重，人们对人造骨和人造齿等的需求越大， 而同时由于汽车工业的发展以及环境污染的影响。因车祸及污染而导致的骨