稀土钇和磷酸钙骨水泥的国内外发展 毕业论文.doc

目 录第一章 绪 论- 1 -1.1稀土钇的综述- 1 -1.1.1稀土对生物的作用- 1 -1.2磷酸钙骨水泥的综述- 2 -1.2.1cpc的分类- 3 -1.2.2组成和固化反应- 3 -1.2.3磷酸盐骨水泥的生物学特性- 4 -1.2.4钙磷物质量的比对硅酸钙水泥性能的影响- 6 -1.3稀土钇和磷酸钙骨水泥的国内外发展现况- 6 -1.3.1稀土钇的国内外发展现状- 7 -1.3.2磷酸钙骨水泥国内外发展现状- 10 -第二章 实验部分- 15 -2.1 实验药品- 15 -2.2 实验仪器- 15 -2.3 实验方法- 16 -2.3.1 高温固相合成法（干法）- 16 -2.3.2液相合成法（湿法）- 16 -2.4 实验过程（实验步骤）- 16 -2.5工艺流程图- 17 -2.5.1 磷酸四钙的制备- 17 -2.5.2 无水磷酸氢钙的制备- 18 -2.5.3 cpc粉末的制备- 19 -2.5.4 cpc粉末制备- 20 -2.6 实验检测方法- 21 -2.6.1 凝固时间测定- 21 -2.6.2 压缩强度测试- 21 -2.6.3 溶解率测试- 22 -2.6.4 ph值的测定- 22 -2.6.5 x射线衍射分析和原子能谱分析- 22 -2.6.6 扫描电镜进行材料表面的形貌分析- 22 -2.6.7实验结果的统计分析- 22 -2.6.8试验相关材料数据- 22 -第一章 绪 论1.1稀土钇的综述钇为稀土元素，其化学性质非常活泼，在空气中易氧化失去金属光泽，与其他元素化合主要呈二价或三价，所形成的化合物具有高熔点，热稳定性好，以及良好的发光辐射性能等特点。 自然界中，钇以与其他重稀土元素共生的形式存在。且在地壳中的丰度很高。重稀土矿的名称通常也以钇作为代表，如磷钇矿，褐钇铌矿，搞钇离子型矿和中钇富铕离子型矿等。有资料报道，我国氧化钇工业储量达22万t，约占世界总储量的43%,居世界首位。 钇在国民经济的冶金，化工，航天，能源，电子等领域均发挥着重要的作用1-2。如由于钇具有独特的核外电子排布，在合金中具有较大的固溶度，可净化合金溶液，改善合金组织，提高合金室温及高温力学性能，增强合金耐腐蚀星恒等，故在开发新型结构材料中发挥着独特的作用。1.1.1稀土对生物的作用国内近几10年有关稀土某些生物学效应的研究成果，如对植物光合作用，促进叶绿素生长，对温血动物的毒性及远期生物学效应；对内分泌系统，生长激素的刺激作用；对免疫系统的影响；对自由基抗氧化系统的影响等，均表明其毒理作用因素13。首先是稀土的放射性物质含量致关重要，同时与稀土侵入机体途径也密切相关，如给猴静脉注入毒性大，而给鼠灌胃、喂饲则属低毒。还有对某些生物学效应，如生长刺激素和巨噬细胞的吞噬功能等12，给大剂量对其有抑制，而给小剂量则有激活作用。同时研究证明，轻稀土在一定剂量下，有抗诱变、抗癌、抑制自由基和提高体内抗氧化系统等的有益作用。此外还研究了稀土在动物体内的转归，主要分布在网状内皮系统的骨、肝与脾。还对接触稀土作业人群，进行了大量的流行病学调查，并提出了食品与车间空气卫生标准的建议值。 我国是稀土大国，稀土的储藏量居世界首位，产量大，品种齐全，大有开发前景。稀土元素包括镧(la)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)、钇(y)、钪(sc)17种元素，将其分成以镧、铈为代表的铈组稀土为轻稀土，以钇、镥为代表的钇组稀土为重稀土。以往，稀土主要用于工业，国防等高科技领域，如做永磁铁、超导、荧光材料等。由于其在自然界常与放射性钍、铀共存，钍、铀的放射性往往影响其在医学生物学方面的应用。早在2030年代，稀土曾以静脉给药作为抗凝血剂应用于临床，但它能够引起溶血，造成严重肝损伤，如肝坏死、肝脂肪变性等一系列损害而停止使用，使其生物效应一直未得到深入研究。目前主要利用稀土元素中放射性同位素做为示踪材料用于临床诊断，或做成磁性材料用于核磁共振诊断。70年代，我国首次将轻稀土用于农业，取得了良好的增产效果，相继在林业、畜牧业、养殖业、水产业得到推广应用。随着稀土在工农业的应用日渐扩展，稀土也广泛进入了生态环境，并且由食物链等渠道进入体内，因此稀土对环境、生态和人体健康的影响，以及对稀土近期和远期生物学效应的研究也越来越引起人们的关注。 1.2磷酸钙骨水泥的综述磷酸钙骨水泥(calcium hosphate cement,cpc)是20世纪90年代初研制成功的一种具有生物学活性的新型非陶瓷型羟基磷灰石类人工骨材料4。与传统的陶瓷型羟基磷灰石(hydroxyapatite,ha)相比,具有制备简便(不需要烧结)、任意塑形和缓慢降解等优点.与普通骨水泥相比,生物相容性好,在固化结晶过程中不产热,这些特点适应了临床修复骨缺损的需要.因此,cpc问世后倍受关注,成为国外近年来的一个研究热点,相关研究报道迅速增多,并已经从基础理论和动物实验逐渐开始向临床试用阶段过渡.国内有关cpc的研究刚刚起步,目前文献报道较少.磷酸钙骨水泥的特性：作为骨修复生物材料，研究表明:cpc具有良好的生物相容性、自固化能力、易于塑形、与成骨活性相协调的降解活性等优越的性能:自固化性cpc在人体生理环境下可自行固化，这是由材料的理化性质决定的。cpc粉末与固化液调和后为糊状，在几分钟到几小时内产生凝结且与骨直接粘接，固化强度大小与组成有关，固化过程放热量小。形状可塑性cpc调和后呈糊状，可按主观要求和骨缺损部位或牙根管形状任意塑形，自固化后保持外形不变17。通过固化液的选择可以得到5min-30min初期硬化的时间域，可以有充足的临床操作时间按骨缺损部位准确塑形，固化后也可作外形的修整。良好的生物相容性cpc植入体内，与周围组织良好共存，不改变正常的生理过程，无明显的炎症反应，无异物巨细胞及排斥反应出现，未发现有致畸形及毒性，植入实验表明，材料与机体亲和性好，引导新骨的生成，有骨传导活性。成骨活性和降解活性的协调cpc通过骨传导作用而成骨，一般认为它不具有诱导成骨作用，植入体内后被新骨逐渐取代，不伴随有容积的丢失，在被吸收的同时可引导对等的新骨的生成, cpc在人体环境中能逐步被组织吸收并产生骨再生效果，且生物降解速率同成骨速率相当。1.2.1cpc的分类历经20 余年的发展,cpc 品种、数量繁多。以往人们多按原料组分将cpc 分为-tcp 磷三钙ca3( po4 ) 2 、ttcp/ dcp、cao/ mcpm一水磷酸一钙ca(h2 po4 )2 h2o 等不同体系;或根据原料的钙磷配比归作几种典型的磷酸钙类型,如ttcp(ca/ p = 210) 、ha (1167) 、tcp (1150) 、ocp磷酸八钙ca8h2(po4)6 5h2o ,1. 33 和dcp (1.0) 等。近年来,着眼于体内不同的降解性能,更多的研究者倾向于按水化终产物将cpc 分为磷灰石(apatite ,包括ha、缺钙ha 和无定型磷酸钙) 和透钙磷石(brushite) 两大类别,后者以dcpd (二水磷酸氢钙cahpo4 2h2o) 为主要水化产物,在生理条件下具有更快的降解速率。1.2.2组成和固化反应 cpc由固相和液相两部分组成，固相为粉末状，是几种磷酸钙盐混合物，包括磷酸氢钙，无水磷酸氢钙，磷酸二氢钙，无水磷酸二氢钙，磷酸三钙，磷酸四钙，以及少量羟基磷灰石和氟化物（如氢化钙）。因研制单位和生产厂商的不同，固相中各种磷酸钙盐的含量和比例也不一致，钙磷比值也因此有所不同，单通常介于1.32.0之间。液相即固化液，多为低浓度的磷酸或磷酸盐溶液，也可以是蒸馏水或其它液体，如血浆，胶原溶液，甘油等。故乡粉末与固化液安一定比例混合后可调和成能够任意塑形的糊状混合物。混合物在室温或体内生理条件下能够很快自行固化结晶，其水化结晶反应的最终产物是羟基磷灰石结晶，此过程是等温的。固化时间为10-15min5，也有报道为630min，而结晶反应的最终完成需要35h或更长时间。其谁化结晶反应的化学过程可用以下公式表示：cahpo4+ca4（po4）2o-ca5(po4)3ohfukase等6用扫描电镜和x线衍射（xrd）分析观察了cpc固化过程。反应1h，在磷酸盐颗粒间出现小得花瓣状晶体，磷酸盐颗粒彼此紧密结合：、；随后晶体数量增多，体积变大，呈柱状或圆盘状；反应至4h。磷酸盐颗粒消失，转化为晶体结构；24h反应基本完成。完全固化后，晶体为短棒状或扁平状，形态与自然骨非常相似。晶体的大小及形状与反应物的组成，固化时施予的压力有关。晶体之间具有微孔结构，微孔直径平均为2-5um。固化反应进行的程度和cpc强度的关系应遵循0级反应动力学原则，在反应4h内，晶体转化程度和cpc直线 ，斜率为0.98,24h基本达到最大程度。固化时间随着固相中mpcm含量的增加及液/固比率（体积/重量）的升高而延长，随着温度的升高及磷酸在液相中得容积比增高二缩短。另外，固相颗粒的大小及形态在一定程度上影响着固化时间，在固相中加入一定量的ha颗粒作引物，可加快固化速度。1.2.3磷酸盐骨水泥的生物学特性良好的生物相容性和生物学安全性是骨修复材料必备的基本条件。自cpc问世以来，已有众多学者就此方面进行了反复实验7-8。结果证明，cpc与陶瓷类无机材料相似，具有高度的生物相容性。植入动物肌肉或骨内的材料能与周围组织良好共存，未见明显炎性反应出现，不引起组织的变性坏死，未发现病理情况或正常生理过程紊乱。生物学安全性试验包括溶血试验、凝血试验、热源试验、急性和亚急性毒性试验、小鼠纤维母细胞克隆效率试验及致突变试验，均显示cpc无毒性，无致畸、致突变作用。costantino等9将cpc植入猫的皮下和肌肉内，未发现新骨形成，植入物被逐渐吸收，而植入颅骨骨膜下，则有明显的成骨。植入物逐渐被新骨替代，证实cpc不具有诱导成骨活性，而是通过骨传导作用成骨。用cpc修复猫颅骨缺损，术后612个月，新骨和软组织替代了材料植入体积的64%77%，新骨先从材料的表面长入，逐渐向深层推进、与自体骨或异体骨的替代过程一致。6个月时新骨长入的平均深度为7mm，12个月为11.4mm。在cpc中加入50%的自体骨，新骨长入速度明显加快。这说明cpc植入免股骨干，2周后可见破骨细胞、成骨细胞出现、植入物开始被新生骨替代，16周后可见皮质骨区的新骨替代基本完成，而松质骨区却很少有替代发生。因而新骨对cpc的替代过程类似于骨对策再塑形，新骨长入材料所占有的空间内，虽然植入的cpc被新骨部分或全部取代，但是材料植入时的容积和外形并没有改变、只是由新生的有机组织取代了原来的无机材料，这一特点砸骨缺损修复临床应用中、尤其是需要塑形的部位有十分重要的意义。cpc降解的速度受多种因素影响，因而各家报道差异较大，但通常比较缓慢。降解植入体积的50%通常需要624个月。在修复兔桡骨缺损的试验中发现、将cpc与bmp等成骨因子复合在一起、不仅可以大大提高材料的骨修复能力、还可以明显加快cpc的降解14 。近年来，磷酸钙骨水泥（caicium phosphate cement，简称cpc）作为一种新型的骨替代材料其理论研究和临床应用不断地深入和扩展。cpc与水调和后能在环境温度下自行固化成含微孔的羟基磷灰石固化体，它不仅具有良好的生物相容性和可塑性，而且避免了传统的丙烯酸脂骨水泥单体析出和固化产热对机体造成的刺激，因此磷酸钙骨水泥是一种优良的骨替代材料。 磷酸钙骨水泥的水化产物是羟基磷灰石，具有良好的生物相容性，但其降解性能较差，植入体内后降解的速度和新骨的重建速度不相匹配，而且有报道羟基磷灰石植入体内后引起迟发性炎症反应2。因此致力于寻找一种具有更好的生物相容性和降解性能、凝固时间和机械性能相当的骨替代材料成为日益受关注的问题。 锶（sr）是2a族碱土金属类元素，常以化合物存在，骨骼对所有的2a族元素都有特殊的亲和力。钇和锶是同一周期的元素，有相近的性质，可以根据锶对磷酸钙骨水泥的改性来研究钇对磷酸钙骨水泥的研究。很多实验表明，稀土离子对细胞的生物学效应首先是作用在细胞外表面，即对生物膜的作用，而ca2+在胞内的主要生理功能是第二信使，通过各种钙结合蛋白，特别是钙调蛋白(cam)调节许多酶系，在胞内ca2+状态失控是引起细胞坏死的共同机制，也可引起癌症，当ca2+浓度过高，可以降低膜流动性，影响微循环和红细胞寿命，而稀土元素，特别是其离子半径和化学性能与钙接近，作者因此研究la和ca对红细胞膜结构和功能影响以及几种ln3+对依赖或不依赖cam的人红细胞膜ca2+-mg2+atpase酶活性。其结果表明低浓度的la3+（0.5mol/l）对人红细胞膜的(na+k+)-atp酶，mg2+-atp酶有轻微激活作用，随着浓度增加则抑制酶的活性，la3+可降低红细胞膜的流动性，使膜蛋白酰胺1-螺旋振动减弱，而ca2+对膜的流动性和膜蛋白酰胺1-螺旋的影响比la3+小33。而几种镧系元素离子如sm3+、la3+、gd3+,在低浓度(0.5g/ml)下对依赖于cam的人红细胞膜ca2+-mg2+atpase呈激活作用，而高浓度的镧系离子呈抑制作用，表现出ln3+对该酶的双向性，同时还发现ln3+(tm3+、gd3+、er3+、lu3+、eu3+、yb3+)对不依赖于lncam的人红细胞膜ca2+-mg2+atpase也有抑制作用3。还有的报告重稀土元素钆可以促进人红细胞溶血，临界溶血浓度为3105 mol/l，高浓度y3+可改变人红细胞膜蛋白的构象，并导致膜蛋白间的复联成聚合。能猝灭膜蛋白的内原性荧光，y3+在人红细胞膜上有两个结合部位，表明y3+可以和人红细胞膜强烈结合，并表现明显的细胞毒性4。目前普遍认为稀土离子的生物效应是由于和钙离子的相似性而表现为对ca+2的拮抗作用，如抗凝血，松驰肌肉，阻断神经信号传递。但是不排除与钙离子无关的稀土生物效应，结果发现稀土离子可一定程度地抑制hb在低氧分压时释放氧的功能，所有稀土元素都可导致血红蛋白，珠蛋白和血红素辅基的荧光发射增强，使血红蛋白的螺旋减少和引起二级结构和构象的改变。 理想的骨种植材料应有的特性是：在修复骨缺损区域内起稳定的支持作用，与活组织直接接触，能长期替代骨组织的功能，具有促进骨诱导，股形成和骨结合的能力。本研究在磷酸钙骨水泥粉末中加入稀土钇进行改性，考察cpc材料的凝固时间、压缩强度和体外降解性能，了解cpc材料在固化过程中ph值的变化和起固化产物的分析。1.2.4钙磷物质量的比对硅酸钙水泥性能的影响通过在磷酸钙骨水泥固相配方中添加不同量的氯化钙，制备不同钙磷物质的量比的cpc，研究不同钙磷物质的量比对cpc性能的影响。测试cpc的初、终凝时间。将cpc体外模拟浸泡3d和7d，研究模拟生理条件下cpc地性能，分别利用x-射线衍射（xrd）、力学性能试验机、扫描电镜（sem）等研究cpc相成分、抗压强度和断面微观形貌。通过化学滴定测定浸泡液中氯离子浓度。结果表明：提高钙磷物质的量比不会显著延长cpc凝结时间；模拟浸泡液中的氯离子浓度处于正常生理条件的范围内；随钙磷位置的量比的增加，水化后cpcd的抗度显著提高，而经过体外模拟浸泡后，钙磷物质的量比为1.67和1.80的cpc的抗压强度明显下降；具有较高钙磷物质的量比得cpc体外模拟浸泡后，形成多孔结构、弱结晶类骨磷灰石的终产物。通过添加不同质量比例cacl2可以制备出具有不同钙磷物质的量比的cpc，cacl2的加入不会显著地改变各cpc的初、终凝时间。模拟体外释放的氯离子的浓度处于正常生理的范围。随着钙磷物质的量比的增加，水化后的cpc的抗压强度显著提高。体外模拟浸泡之后随着cpc中的cac1，溶出钙磷物质的量比为1.67和1.80的cpc的抗压强度显著降低。较高的钙磷物质的量比会促进cpc的起始原料dcpa和o一tcp的溶解或向热力学稳定的终相ha转化。并且随着钙磷物质的量比的增大这种作用更加明显。体外模拟浸泡后较高的钙磷物质的量比显著地影响cpc的相成分和降低其结晶度形成以类骨弱结晶磷灰石结构为主的终产物。1.3稀土钇和磷酸钙骨水泥的国内外发展现况1.3.1稀土钇的国内外发展现状在市场需求逐步向好、我国稀土产业整合进一步深入、产业管理政策趋紧的背景下，稀土氧化物国内平均价格上升了583。稀土产品国内价格涨幅以氧化镝、氧化钕、氧化镨为最。稀土具有多种生理活性，如易在肿瘤组织或血浆中积聚,表现出对肿瘤组织一定特异的亲和性和抗肿瘤活性15-16。与无机或有机配体形成配合物后可增加其脂水溶性，增强其抗肿瘤作用，降低不良反应17-18。因而人们对稀土配合物抗肿瘤药物的研究日益增多19，但稀土-fu配合物的合成及药理作用研究内外尚未报道。 氧化钇对激光涂覆生物陶瓷涂层的影响 金属基生物陶瓷涂层复合材料的研究和应用受到各国有关学者的极大关注。因人体硬组织的无机成分主要为羟基磷灰石（ha）等ca-p基生物陶瓷，故各国多采用事先合成的ha粉作为喷涂材料，并用等离子喷涂、高温熔烧等工艺制备金属基生物陶瓷涂层复合材料。但许多研究表明，ha涂层的稳定性。采用大功率的co2激光作热源，在奥氏体型不锈钢等基材表面进行生物陶瓷涂层的研究25。通过激光热物理、化学反应，合成与涂覆ha涂层得到同步实现。但涂层表面仍有一定的非晶相存在。另外，在钛合金表面，因钛的负电性大，在相同成分及激光工艺处理下，未能合成ha等理想的生物陶瓷涂层。在自然界中，磷酸盐掩饰中的磷灰石常富含稀土，沉积磷酸盐的特征是富钇。动物骨灰中国稀土严肃含量在0.0002%-0.8%之内，其中钇的含量最高。而稀土元素在人工合成的生物陶瓷材料及金属基生物陶瓷涂层中的研究尚系一片空白。在模拟人体致密骨、牙齿的无机成分时，若添加一定成分的稀土，设计生物陶瓷涂层组分，同时，在钛合金表面进一步优化激光处理工艺，以提高ha涂层的稳定性及生物力学性能等，将具有重要的理论意义和实际意义。在钛合金表面，一定配比的cahpo4h2o、caco3及y2o3混合粉末，经恰当的激光熔覆工艺处理，可是ha等钙、磷基活性生物陶瓷的合成与涂覆同步实现。氧化钇的加入，能促进ha等物相生成并可抑制其分解，提高ha相结构的稳定性，氧化钇使激光涂覆生物陶瓷涂层组织细化，硬度、强度提高，韧性得到改善。在钛合金表面出预置cahpo4h2o、caco3粉末外，还加入稀土氧化物氧化钇，经激光处理后，实现了合成与涂覆同步制备含ha活性生物陶瓷涂层的复合材料。实验结果表明，氧化钇的加入对ha的合成及其结构稳定性，生物陶瓷涂层组织细化以及力学性能均有促进和改善。氧化钇一羟基磷灰石骨修复材料的研究26随着医学事业的飞速发展，人工硬组织修复材料在i 床上得到了普遍的应用与推广。同时，对日新月异的人工硬组织修复材料的生物、理化性能要求也越来越高，作者在合成羟基磷灰石过程中，将活性高、阻射性强的氧化钇(y2o3)按不同比例加入进行化学合成。再将氧化钇一羟基磷灰石复合材料植入家犬下颌骨及拨牙后的牙槽窝内，同时与羟基磷灰石试样作同体对比实验，经2周、6周、12周处死动物，取标本同时进行x光照片观察：结果可见氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨的密度对比明显，图像清晰；与羟基磷灰石的x光照片比较，其阻射效果好。组织学观察发现，各种比例的氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨组织界面反应速度、骨形成量均比纯羟基磷灰石好，特别是能早期形成骨性结合，表明氧化钇一羟基磷灰石复合材料具有更好的生物性能，是一种很有前途的骨修复材料。材料：硝酸钙、磷酸氢二铵、氨水、氧化钇方法：定量称取ca(n02)24h2o、(nh4)2hpo4 分别溶解于蒸馏水中，在搅拌条件下将(nh4)2hpo4液以一定速度滴加到ca(no3)2溶液中进行沉淀反应，在此过程中加入一定量的氧化钇。所得沉淀物煮沸静置过夜。静置过夜后的沉淀物经过滤、反复洗净硝酸根，经16o0c烘烤24小时，所得材料研磨过筛，选用120-180目粉粒，并制成柱状体，高温烧结2h即得氧化钇一羟基磷灰石复合材料，作转靶x射线衍射分析。选用健康成年家犬三 ，只，体重1115 kg。手术前采用氯丙嗪、氯胺酮、阿托品作动物腹腔及肌肉内注射麻醉，术区备皮常规消毒铺巾后拔牙，并扩大牙槽窝，同时沿下颌骨下缘切开皮肤，分离皮下组织和肌肉，暴露下颌骨下缘，切开骨膜，测量定点后在外侧骨板区制作三个直径35 mm，深15 mm的骨缺损23 ，将不同比例的y203一ha复合材料的柱状，粉状材料分别植入牙槽窝及骨缺损内，分层严密缝合，颌骨另一侧手术方法相同，术后给予抗菌素预防感染。植入材料后分别于2周、6周、12周处死动物，取联合标本进行x光照片后用1o%的甲醛液固定、脱钙液脱钙、石腊包埋作常规组织学切p 片、he和新三色法染色，在光学显微镜下观察植入材料与骨界面的组织学动态变化。本研究合成的氧化钇一羟基磷灰石材料，经转靶x衍射.测定：羟基磷灰石无其它杂相，均为ca5(po4)(0h)；氧化钇一羟基磷灰石复合材料除ca5(po4)(oh)，y2o3或ca3y2o6 外，也无其它相成分。联合标本进行x光照片观察结果可见：比例不同的氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨的密度对比明显、图像清晰，与羟基磷灰石的x光照片比较，其阻射性强。组织学切片在光镜下观察发现：材料植入2周后氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨组织界面除能见到大量的纤维结缔组织外，在靠近骨壁处可见有新骨形成，羟基磷灰石与骨组织界面仅能见到纤维组织附着；材料植入6周后，氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨组织界面的纤维组织明显减少，取而代之的是新生骨，新生骨周围可见成骨细胞，新生骨与周围骨组织界面不清，而羟基磷灰石与骨组织界面仅有骨样细胞出现；材料植入12周后氧化钇一羟基磷灰石复合材料颗粒之间被大量的新生骨充满，植入区新骨与周围组织界线消失，新生骨结构趋于原骨，羟基磷灰石与骨组织界面可见成骨细胞及新生骨形成。氧化钇一羟基磷灰石复合材料与骨组织界面反应速度、骨形成量、均比羟基磷灰石好，用于修复骨组织缺损，不仅能提高羟基磷灰石与机体组织的生物相容性，还能增加材料的阻射性，临床上通过x光照片能随时了解修复部位的愈合情况。本研究的目的是初步探索氧化钇一羟基磷灰石材料的阻射性和植入效应，为进一步研究氧化钇一羟基磷灰石复合材料提供依据。对于氧化钇最佳含量的选择、氧化钇与羟基磷灰石复合方法的研究、所得复合材料最佳成份结构的分析等都有待于进一步的实验。ceo2 对激光熔覆生物陶瓷涂层组织形貌的影响羟基磷灰石与人体骨骼成分、结构基本一致, 不仅具有良好的生物相容性, 而且可以诱导骨生长并与生物组织形成牢固的键合。但其力学性能尚有不足, 韧性低、强度差、容易脆断, 限制了其植入人体的使用. 医用金属材料具有优良的力学性能与加工性能, 但金属易腐蚀, 与体液有电化学反应, 影响纤维细胞的生长速度和骨质的形成, 很难与基体组织产生生物性结合 ,大大缩短了其使用寿命. 如果采用一些有效的工程技术将金属材料和磷酸钙或羟基磷灰石ha 各自的优势相结合, 必然可制备出理想的生物材料。激光由于其优异的性能, 在各个领域得到越来越广泛的应用, 其中激光熔覆技术在制造生物涂层材料方面已显示出极大的优越性. 利用激光熔覆技术可以在金属表面同步完成磷酸钙或羟基磷灰石的合成与熔覆, 获得一层具有生物相容性和生物活性的钙磷生物陶瓷 , 并且涂层与基体结合良好, 硬度高, 强度大, 韧性好, 具有潜在的经济效益和广阔的应用前景.稀土元素及其化合物具有特殊的物理化学性质, 对一般金属及合金具有优异的改良作用, 并已在激光熔覆涂层中显示出良好的改善组织的作用。张亚平等27研究了在激光涂覆生物陶瓷涂层中加入y2o3 , 发现少量y2o3 不但有利于激光化学反应合成ha, 而且可以增加其结构稳定性, 使涂层组织成为具有一定择优取向的细小的不规则的多边形晶体. 基于此, 本试验在涂层粉末中添加了稀土氧。稀土氧化物ceo2的添加影响着激光熔覆层中生物陶瓷相的形成. 随着ceo2 的增加,熔覆层中生物陶瓷复合相逐渐增加, ceo2 对合成ha 及ca3( po4)2等钙磷基活性生物陶瓷有明显的催化作用. 同时ceo2的加入可有效抑制基体中的ti, al和v 等活泼的元素的活性, 减少含ti 相生成。稀土氧化物ceo2在激光熔覆过程中可以提高熔池中熔体的流动性, 结晶过程中限制晶粒的长大, 从而使熔覆层组织均匀化, 细化。一定量稀土元素改善涂层对基体表面的浸润能力, 形成了良好的熔覆层和基体的冶金界面结合. 基底热影响区呈淬火组织形貌, 为针状马氏体组织。1.3.2磷酸钙骨水泥国内外发展现状目前，国内外cpc主要应用在临床研究上，主要有骨缺损的填充，充当药物载体，骨折内固定，在空腔科的临床应用研究。现在研究cpc的骨传导作用，成骨能力难以满足大段骨缺损的要求。并且材料的塑形加工性能也不太理想。近年来，随着cpc研究工作的深入开展，广大研究者们在继续致力于对原有骨水泥进行改造性的同时，也开始关注与开发便于临床手术操作，具有特殊结构、性质和功能的新型骨水泥。含锶磷酸钙骨水泥的制备及性能研究guo等21最近开发出了一种新型的含锶cpc（sr-cpc）,其固相组成为ttcp、dcpa以及磷酸氢锶（srhpo4，dspa）;液相为磷酸的稀溶液。此骨水泥固化24h后的最终产物为非化学计量的含锶羟基磷灰石原子无致的量比率，并且固化后体系中出含有co32-外，不含有任何有害杂质。力学能测试结果表明该骨水泥的压缩强度在进图模拟体液2周后仍高于39.2mpa，同时压缩强度会随着锶含量的增大而升高，尤其是在sr/(sr+ca)的物质的量比为5%的情况下，骨水泥浸入模拟体液5天后的压缩强的最高可达66.757mpa，临床上课被应用于非承重部位的骨组织修复。锶在元素周期表中与钙同族，可取代ha中得钙，形成置换固溶体。由于锶和钙之间离子半径和性质的差异，锶使ha的晶格发生畸变，从而改变其结晶性和生物降解性。研究表明，锶取代部分钙形成的sr-ha，比传统的ha有更好的生物学性能和更好的骨缺损修复能力，器中，锶含量低于10%的sr-ha具有很好的组织相容性、骨引导能力及生物降解率，可获得满意的骨缺损修复效果。制备sr-ha的方法主要有：酸碱法、沉淀法、高温固相合成法、溶胶-凝胶法和微波法等、其中酸碱法设备简单，但产物结晶性质较差；沉淀法工艺简便，但产物纯度较低，易引入hpo42-、co32-离子；高温固相合成法产物结晶性较好，但反应速度慢，产物粒径打一团聚；溶胶-凝胶法制备sr-ha，需高温烧结，粉体易团聚。比较而言，水热法的特点是产物直接为晶态。针对上述问题，本工作易四水硝酸钙ca（no3）24h2o、磷酸氢二铵（nh4）2hp4o、硝酸锶sr(no3)2为原料，在1800c下水热处理8h制得sr-ha.通过xrd、ir、tem、edx和tg/dta对sr-ha的晶相、化学组成、形貌和热稳定性进行分析，并通过细胞培养，mtt比色法对材料的细胞毒性进行评价。以四水硝酸钙ca（no3）24h2o、磷酸氢二铵（nh4）2hp4o、硝酸锶sr(no3)2为原料，在1800c下水热处理8h制得长约3070nm，宽约20nm的棒状sr-ha粉体，掺sr后，由于sr、ca离子半径的不同，引起晶面间距扩大，使ha的晶格发生畸变，结晶度改变，从而引起其衍射峰小角度偏移、叠合、强弱等变化，并导致晶粒尺寸变小（sr含量=50mol%，热稳定性下降。掺sr对羟基磷灰石的细胞毒性影响为温和，其细胞毒性分级为0级和1级，说明sr-ha可能具有良好的生物相容性。含氟磷酸钙骨水泥的制备及性能研究羟基磷灰石（ha）的化学性能及节后与人体骨组织中的磷酸钙无机盐较为相似，具有骨传导性和良好的桥接作用。但是目前的ha涂层中ha的溶解度较高，较低了涂层的稳定性的植入体的长效性能。氟是人体骨组织和牙齿中的微量元素之以。氟离子（f-）对生物矿化过程中有十分重要的作用。由于f-离子比羟基（oh-）离子小，f-部分取代ha中的oh-新城含氟羟基磷灰石（fha）能改变其结晶性，提高ha结构稳定性并降低其溶解性，有利于提高植入体与骨组织的结合能力。另外，涂覆fha涂层的金属件植入口腔内时，其致密表面结构可降低表面自由能，减少细菌的粘附，利用f-的抑菌作用防止龋齿。但是，全部取代形成氟磷灰石（fa），不但不具有骨传导性，而且搞含量的f会可能导致其生物活性降低，甚至产生如骨软化症等负面效果。因此，氟的可控渗入，对于活性含氟羟基磷灰石生物涂层具有重要意义，成为当前生物学研究的热点。羟基磷灰石涂层被广泛地应用于钛合金硬组织植体表面改性，但由于羟基磷灰石在人体中的降解速度较快，导致种植体在人体内时效。通过添加微量氟元素，以氟替换了羟基磷灰石的羟基，其结构又与羟基磷灰石一样，具有保持生物活性的同时，降低其涂层的溶解度。但是，fha相的溶解度与氟含量密切相关，而过高的氟含量又可能对生物体产生毒害作用，因此，系统地研究fha涂层中的氟含量也即f-对oh-的取代量对fha溶解性能以及生物活性性能的影响，成为应用该涂层的必要前提。含碳纤维的磷酸钙骨水泥采用碳纤维为增强相以提高磷酸钙骨水泥的力学性能。利用硝酸液态氧化法对碳纤维进行表面处理。仿照天然骨的结构，将处理后的碳纤维均匀埋于材料的受力面。制得的碳长纤维增强磷酸钙骨水泥生物复合材料，其抗折强度为108ompa。同样制备条件下，加入未处理的碳纤维，复合材料的抗折强度为635mpa，未加碳纤维骨水泥材料的抗折强度为581mpa。因此，以碳纤维为增强相并经表面处理后，可大大提高与骨水泥之间的界面结合强度，从而有效传递载荷，得到的复合材料的力学性能显著提高。利用x射线衍射及扫描电镜对复合材料的水化产物及微观结构进行了检测。 采用硝酸液态氧化法碳纤维表面进行处理，经2h且900c水浴处理后，能改善纤维的表面性能，而且不会因过度氧化破坏它自身的优良特性，从而显著提高它与骨水泥界面的结合，使复合材料的力学强度提高86%。从仿生学的角度出发，以机械结合和弱化学力结合为主的碳纤维增强磷酸钙骨水泥复合材料界面结合方式使碳纤维高强、高韧的力学性能的到有效发挥，提高了生物复合材料性能，是改善故事你力学性能的一条有效途径。 镁羟基磷灰石由于纯羟基磷灰石脆性较大，因此很少被直接用于骨替代物植入动物体的承载部分。mg2+离子在自然界骨的含量高达1%，mg2+在人体骨骼矿化方面也起着重要的作用，因此，在羟基磷灰石里加入mg2+有望改善其力学性能和生物相容性。其制备可以通过溶胶法、固态反应烧结法、液相合成法等完成。z.zyman等24发现在掺杂0.25%mgo的羟基磷灰石中，mg2+替代了部分ca2+，使晶粒得到细化，晶界变形被弱化，塑性也得到提高，同时孔隙数量有轻微增加，但是由于显微结构发生了变化，显微硬度和抗拉强度都有所下降，他们认为在羟基磷灰石中掺杂微量的mgo有助于提高生物材料的运动作用。以ca (no3)26h2o、(nh4)2 hpo4和mg(no3)2 6h2o 为反应原料,分别配制浓度为0.5 、0.3 和0.5mol/ l 的溶液。用浓氨水调节钙和镁溶液,使p h 11 ;磷溶液的p h 10 。取一定量mg(no3)2和ca(no3)2溶液充分混合,再加入0.4g 聚乙二醇,磁力搅拌使之溶解。在搅拌条件下,将(n h4 ) 2 hpo4 液缓慢滴加到ca 和mg 溶液中(保持n(ca + mg) / n( p)= 1.67) ,搅拌均匀,然后转入内衬为聚四氟乙烯的不锈钢水热釜中(填充度为70 %) ,于180 水热处理8h 。产物经二次水洗、乙醇洗、抽滤,粉末状产物于80 干燥过夜。部分产品在900 下热处理1h 。mg加入摩尔分数( n(mg) / n(ca + mg) ) 为2 %的mg2ha记为mg2 ,其它的都依此标明。反应方程式如式(1) :(10 - x) ca2+ + xmg2+ 6po43+ 2oh- ca10 -xmgx ( po4)6(oh)2以ca (no3 ) 2 、(n h4 ) 2 hpo4 、mg (no3 ) 2为原料,180 下水热处理8h 可制得长约3070nm ,宽约20nm 的短棒状mg2ha 粉体。掺镁后,由于镁、钙离子半径的不同,引起晶面间距扩大,使ha的晶格发生畸变,结晶度降低,晶粒尺寸变小,热稳定性下降。掺入镁对羟磷灰石类生物陶瓷的细胞毒性影响较为温和,其细胞毒性分级为0和1级。可以推测mg2ha可能具有较好的生物相容性。参考文献1李 兵.稀土元素发现史j.金属世界，2006，（1）：48-49.2肖 燕.谈稀有金属及应用j.金属世界，2006，（2）：45-48. 4 hong cy,lin sk,kok sh,et al. histologic reactions to newlydeveloped calcium phosphate cement implanted in the perapical and periodontal tissues.j formos med as-soc,1990,89:297-304. 5kon m, miyamoto y, asaoka k, et al. development of calcium phoaphate cement forrapid crystallizationg to apatite. dent mater j,1998.17:223-232.6fukase y, eanes ed, takagi s, et al. set-ting ceactions and compressive strengths of calcium phonphate cements. j dent res,1990.69:1852-1856.7constantz br, barr bm, lson ic, et al. histological, chemical, and crystallographic analysis of four calcium phosphate cements in different rabbit osseous sites. j bcomend mater res,1998,43:451-461.8higashi s, ohsumi t, ozumi k, et al. evaluation of cytotoxicity of calcium phosphate cement comsisting of alphatricalcium phosphate and dicalcium phosphate dihy-drate.dent mater j, 1998,17:186-194.9costantion pd, friedman cd, jones k, et al. experimental hydroayapatite cement cranioplasty. plast reconstr surg. 1992,90:174-185.10孙明林，胡蕴玉，张瑞萍，等。磷酸钙骨水泥/骨形态发生蛋白复合人工骨修复骨缺损的实验研究。现代康复，2001、5：32-33.11legeros rz. properties of osteoconducrive biomaterials: calcium phosphates. clin orthop relat res。2002，（395）：81-9812王宗惠，庞新民，苏英.稀土对小鼠腹腔巨噬细胞特异吞噬功能的作用影响.卫生毒理学杂志，1994，8：220-221. 13纪云晶，崔明珍.稀土农用毒性评价及抑癌作用机理的研究.卫生毒理学杂志，1997，11：238-242. 14栗建林，张丽帼，刘建中，等.轻稀土对小鼠肺腺癌的抑制作用.中国稀土学报，1998，16：183-186. 15dai y, li j, li j, yu l, dai g, hu a,et al.effects of rare earth compounds on growth and apoptosis of leukemic cell jinesj. in vitro cell dev biol anim,2002,38(7):373-375.16ji yj, xiao b, wang zh, cui mz, lu yy.the suppression effect cell linesj.biomed emviron sci,2000,13(4):287-292.17yang l, tao d, yang x, li y, guo y. synthesis,characterization, and antibacterial activities of somc rare earth metal complexes of pipemidic acidj.chem pharm bull (tokyo),2003,51(5):494-498.18zhou j, wang lf, wang jy ,tang n. synthesis, characterization, antioxidative and antiumor activities of solid quercetin rare earth(iii) complexesj.j inorg biochem,2001, 83(1):41-48.19fricker sp, the therapeutic application of lanthanidesj.chem soc rev,2006, 35(6):524-533.20杨富陶，刘泽光，唐敏。抗时效软化的银材j. 贵金属，1992,13（2）：22-27.21kawasaki， et al. dna encoding novel cell surface proteinp.us 5681717， 1997.22lyles，et al.implantable system for cell growth control p.us5964745,1999.23 邱静，陈治清，张敏等植入材料表面吸附蛋白质对生物相容性影响的初步研究生物医学工程通报，1994；6；l24 z zyman， m tkaachenko， m epple,mpolyakov， m naboka.magnesium-substituted hydroxyapatite ceramicj.mat.-wissu werkstofftech.2006，37（6）：474-477.25 张亚平等. 材料研究学报，1994,8（8）:93-9626 邱静、张杰魁、张敏、陈志清等.生物医学工程学杂志，1998；15（1）：26-2727 张亚平, 高家诚, 文 静, 等. 钛基激光涂覆生物陶瓷涂层的生物相容性 j . 中国生物医学工程学报, 2002, 21( 3) : 242245.第二章 实验部分2.1 实验药品氧化钇（y2o3） 20g硝酸钙（ca(no3)24h2o） 1000g氯化镁（mgcl26h2o） 30g磷酸氢二钠（na2hpo412h2o） 1000g氢氧化钠（naoh） 1000g碳酸氢钠（nahco3） 60g焦磷酸钠 60g 二水磷酸氢钙（(cahpo42h2o）1000g酒精 500ml 去离子水 若干2.2 实验仪器烧杯（3000ml一个、2000ml、500ml两个）小烧杯（50ml）药勺（两个）研钵量筒（10ml和100ml各一个）玻璃棒研钵模具（直径8mm+高15mm）行星球磨机鼓风烘干箱煅烧炉药品袋（若干）磁力搅拌器真力搅拌器tn型托盘式扭力天平 电热恒温水浴箱 x射线光谱仪 电子显微镜 wd-10a电子式万能试验机 扫描电镜原子能谱分析仪css一44100型电子万能试验机2.3 实验方法磷酸钙骨水泥又称羟基磷灰石，羟基磷灰石粉体材料的合成方法主要有干法（固相反应）、水热法、湿式法、（包括液相合成法，溶胶-凝胶法等）。2.3.1 高温固相合成法（干法）高温固相合成法是均匀混合固态磷酸钙及其它物料，通入水蒸气。反应温度一般高于10000c。此法可合成得到结晶较好的羟基磷灰石陶瓷，此法往往可以得到符合化学计量、结晶完整的粉末。2.3.2液相合成法（湿法）包括水热合成法、溶胶-凝胶法、沉淀法、乳液剂发、超声波合成法、酸碱反应法、气溶胶分解法等。2.4 实验过程（实验步骤）先称量43g的硝酸钙（ca(no3)24h2o和1g氯化镁（mgcl2