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羟基磷灰石生物陶瓷粉体制备及其在钛基体上的涂覆 摘要 ，羟基磷灰石( c a 。( p o 。) 。( o h ) ：，h a p ) 生物陶瓷及其复合材料是具声 优秀生物活性的医用生物材料，被广泛应用于骨骼的替代和修复。y 羟基磷灰石粉末的制备是研究羟基磷灰石生物陶瓷材料的基础， 本文采用共沉淀法制备羟基磷灰石粉末，在探讨h a p 前驱体烧结工艺 的同时，分析了共沉淀化学反应过程中溶液p h 值、反应溶液c a p 比、 溶剂组成对产物的影响，结果表明，在水一乙醇体系中共沉淀化学反 应并经7 0 0 热处理2 h 可以制备出纯净的结晶良好的羟基磷灰石粉 末，粉末颗粒直径在4 0 n m 左右，分布均匀，化学分析表明，产物粉末 的c a p 物质的量比接近于标准化学计量比1 6 6 7 。 在钛基体上涂覆羟基磷灰石生物陶瓷涂层是当今羟基磷灰石复合 材料研究的热点之一，本文选用电沉积工艺( 电化学反应+ 低温碱液处 理+ 热处理) 制备羟基磷灰石涂层，探索了电化学反应过程中电流强度， 涂层质量随时间的变化关系和电极电位对电化学沉积涂层形貌的影 响，结果表明，通过控制电化学反应过程中电极电位和沉积时间可以 控制涂层质量，从而间接控制涂层厚度，同时，电沉积工艺能够得到 结晶良好。较纯净的多孔羟基磷灰石涂层，然而由于羟基磷灰石涂层 与基体之间结合强度较低( 5 m p a ) ，本文所采用的电沉积法制备羟基磷 灰石生物陶瓷涂层还不能满足人体对植入材料力学性能的要求。 关键词：羟基磷石，生物耐f 化学计妄电沉浈f 盖谷确镛 p r e p a r a t i o no fh y d r o x y a p a t i t ep a r t i c l e sa n d i t sc o a t i n go nt i t a n i u m s u b s t r a t e a b s t r a c t h y d r o x y a p a t i t e ( c a l o ( p 0 4 ) d o i - i ) 2 ，r a p ) b i o c e r a r n i ca n di t sc o m p o s k e sa r ew i d e l y u s e di nb o n ep r o s t h e s e sa n ds u b s t i t u t i o n sd u et oi t se x c e l l e n tb i o a c t i v ep r o p e r t i e s i nt h i sr e s e a r c h ac o - p r e c i p i t a t i o n p r o c e s s w a su s e dt os y n t h e s i z et h eh y d r o x y a p a t i t e p o w d e r s t h ee f f e c t so fp h , t h ec a pa t o m i cr a t i oo fr a wm a t e r i a l s ，a n dt h es o l v e n t s e l e c t i o no nt h er e s u l t a n tp o w d e r sw e r es t u d i e d t h eh e a tt r e a t m e n t p r o c e s sw a s i n v e s t i g a t e d i tw a ss h o w e dt h a tt h ew e l l c r y s t a l l i z e dh v d r o x y a p a t i t ec a nb eo b t a i n e d b yh e a tt r e a t m e n t a t7 0 0 f o r2h o u r st h er e s u l t a n t p o w d e r sw e r ec o m p o s e do f l o w - a g g r e g a t e d a n d w e l l d i s p e r s e dp a r t i c l e s w i t ha l l a v e r a g e d i a m e t e ro f4 0 n m c h e m i c a la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ec a pa t o m i cr a t i o so ft h es i n t e r e dp o w d e r sw e r e v e r yc l o s et ot h a to f t h e o r e t i c a ls t o i c h i o m e t r i cv a l u en6 6 7 ) t h e h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n go nt i t a n i u ms u b s t r a t ew a s t h eh o t s p o to ft h er e s e a r c h e s o nt h eh y d r o x y a p a t i t ec o m p o s i t e s t 1 1 ee l e c t r o - d 印o s i t e dp r o c e s su s e di nt h i ss t u d i e s i n c l u d e st h ef o l l o w i n gp r o c e s s e s ：e l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n , a l k a l i n et r e a t m e n ta tal o w t e m p e r a t u r ea n dt h eh e a tt r e a t m e n t t h ec h a n g eo f t h ee l e c t r i cc u r r e n ti n t e n s i t ya n dt h e m a s so ft h ec o a t i n gw i t ht h et i m ew a si n v e s t i g a t e d t h ee f f e c to fc a t h o d ev o l t a g eo n t h ec o a t i n gm o r p h o l o g yw a sa l s os t u d i e d t 1 l er e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a s so ft h e c o a t i n gc a n b ec o n t r o l l e db ya d j u s t i n gt h ec a t h o d ev o l t a g ea n dt h ed e p o s i t i o nt i m e a s ar e s u l t ，t h ec o a t i n gt h i c k n e s sc a nb ec o n t r o l l e d a tt h es a m et i m e , t h ew e l l c r y s t a l l i z e d ， r e l a t i v ep u r eh y d r o x y a p a t i t ep o r o u sc o a t i n g sw e r eo b t a i n e d h o w e v e r , t h ea d h e s i o n s t r e n g t hb e t w e e nc o a t i n ga n ds u b s t r a t em a t e r i a l sw a s s ow e a k ( 5 m p a ) t h a tt h ec o a t e d m a t e r i a ic a nn o tm e e tw i t ht h em e c h a n i cr e q u i r e m e n to fh u m a nb o d yt ot h ei m p l a n t m a t e d a l s k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ，b i o c e r a m i c s ，s t o i c h i o m e t r i c ，e l e c t r o - d e p o s i t i o n , c o m p o s i t e m a t e r i a l s 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及取得的研究 成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 盒罡至些太堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名 签字日期：嬲年9 月翻r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金艘王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权盒鲤王些盔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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名赫f t 签字日期0 略年2 月谚日 学位论文作者毕业后去向：乡淳匀匕拄喾 工作单位：辫开江大躺皑院 通讯地址：淅江大学瑶棱厶 电话 邮编 致谢 本文是在导师独立思考问题和解决问题思路指导下完成的，科 学实验的思索、实施、总结过程对我创新能力的培养，逻辑思维能 力的加强起到了推动作用，实验准备、材料制备、样品检测过程中 遇到的种种困难使我在充分体味到从事材料研究过程难度的同时， 认识到只有注意材料研究中的每一个细节，才能制备出性能优良的 材料。 在调研和实验过程中，浙江大学翁文剑教授、程奎博士，合肥 工业大学化工学院李学良教授、唐述培副教授，合肥工业大学材料 学院吴玉程教授、黄新民教授为作者提供了大量的便利和帮助，作 者在此表示衷心的感谢。 作者还要感谢左开慧博士、陈名海博士、郑海务博士在实验过 程中的协助和生活上的帮助，同时，对实验室刘敏、王川i 、徐光青 同学在学习、工作上的关心致以最衷心的感谢! v 签名：孝新似 第一章概述 1 1 引言 第一章概述 医用生物材料是单独或与其它药物一起用于人体组织和器官，起 替代、修复、增强、治疗等作用的人工或天然材料f l l 。医用生物材料 在2 0 世纪6 0 年代兴起，8 0 年代获得高速发展，它最早的使用可以追 溯至1 9 世纪末，在1 8 8 6 年，首例钢片和镀镍钢治疗骨折应用于临床 获得成功。迄今为止，除大脑以外的各种人工器官已经应用于人体， 并取得了良好的效果。 生物材料特别是无毒副作用、生物相容性良好、耐腐蚀性能优越 的生物材料，越来越受到人们的重视。近二十年，对生物材料的研究 和开发得到飞速的发展。目前在鹾欧、美国、澳大利亚和日本，对无 机生物材料特别是生物陶瓷及其复合材料的研究已经成为独立的学 科，这些国家分别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，并将生物材料列为5 种高技术关键新材料发展规划，如美 国在8 0 年代中后期就制定了生物材料科技工业发展的全面规划，意大 利生物材料仅国家研究经费就达2 9 亿里拉，先后有几十个研究中心投 入国家生物材料重点科研项目，英国在已经制定的2 0 0 0 年科技计划中， 生物材料和技术占据了最重要的地位；日本早在上个世纪8 0 年代就将 生物材料作为优先发展的领域，他们预计2 1 世纪，日本生物材料的总 产值将超过汽车工业，成为国民经济的重要支柱1 2 - 3 i 。我国是拥有1 3 亿人口的大国，且目前我国社会正在走向老龄化，对生物材料需求更 大，因此发展我国生物材料具有深远而又现实的意义，党和政府相当 重视生物材料的发展，国际计委决定2 0 0 1 年继续实施的新材料专项计 划包括：纳米材料技术及应用，重点是纳米材料粉体及纳米添加改性 的新材料，表面纳米化工程等；高性能陶瓷材料，重点是低成本合成 特种陶瓷复合材料，功能及结构陶瓷：生态环境材料，重点是医用材 料等。国家8 6 3 计划也涉及到信息功能陶瓷，生物医用材料，生态环 境材料等。但是，由于我国对生物材料的研究相对于发达国家来讲起 步较晚，投入资金较少，研究较为分散，研究队伍还有待于进一步扩 大，我国对生物材料及其制品的研究相对于发达国家来讲还有很大的 差距 6 1 。 第一章概述 1 2 生物陶瓷材料 1 2 1 生物陶瓷材料分类 生物陶瓷材料是把一些陶瓷材料应用于人体相关的医学领域，如： 骨骼和牙的修复( 补) 、替换( 重建) 及外科矫形，又称作人体结构陶 瓷材料f 7 l 。 根据材料和生物体内组织发生的界面反应类型，可以将生物陶瓷 分为非活性( 近惰性) 生物陶瓷，可溶性生物陶瓷，活性生物陶瓷【8 。1 1 1 。 不同性质的生物材料植入生物体后将引起周围组织的相应反应，图1 1 是不同生物材料的生物活性对比。 非活性生物陶瓷植入人体后抗生理溶液的腐蚀性能较好，且不会 出现生物毒性，但是植入材料和基体之间不能形成有效的化学键合， 种植体与周围组织之间只能形成一层很薄的过渡层，因此，当这种材 料制备的种植体植入人体一段时间后容易发生脱落、松动，同时，随 种植体植入时间的延长，过渡层中将产生一种纤维状胶原，这种纤维 状胶原长入生物材料将导致材料表面腐蚀，从而导致种植体失效。 可溶性生物陶瓷材料，这种材料植入人体后经过一段时间将逐步 降解和吸收，并被新生组织所替代。这种材料的生物活性最强，能够 促进种植体和周围组织之间的化学键合，但是由于该材料的降解使得 种植体与组织之间只能保持一层很薄的过渡层，从而导致种植体与组 织之间的界面结合强度较低。 活性生物陶瓷材料的生物活性介于非活性材料和可溶性生物陶瓷 材料之间，当这种材料植入人体，能够引导种植体和生物组织之间形 成化学键合，且过渡层厚度较高( 如图1 2 所示) ，植入材料和生物组 织之间的结合强度较好。 1 2 2 生物陶瓷材料的特点 在人体内材料的理化性能稳定，长期使用不变质，有良好的组织相 容性，满足种植学要求。 陶瓷的成分组成范围较宽，可根据应用要求设计成分配方，控制材 料变化以达到临床要求。 易于成型，可按实际需要支制成各种形状和尺寸。 易于着色，利于整容、美容。 2 第一章概述 扭1 翟纛玉叫黼 b 糖鏖蔫捌 ：彩 0l m 嘞 h q 蜘q 棚l i m t d 图1 1 ：不同生物陶瓷材料的生物活 性对比 i 2 3 生物陶瓷材料的发展方向 e m t m t 9 ，m ，t6 日* 舳 o 4 r t # m i 衅h 最耵f 辑：蚺钟甜t “l 皇 i ? f “r “”i c c l ，+ ：；三忑；丽二茹j 鑫一一一一一一 】“- 一。 ：柚舻帖h 帮l 啦l 黼j t l 靴雠s j h 槠 吨# 。l 嚣器嚣蠕嚣“”“”“” ：一 4 枷。研蝴群 # _ 螂t “ ，o ，船i 一一 愀h o _ 催h l 辨翻 v p 口阜 “j ”n * l 自e c ，h o m 图12 ：活性生物玻璃与生物组织接 触界面结构图 由于生物陶瓷材料植入人体后直接与人体相接触，因此对生物材 料的研究不能仅仅局限于对材料本身的研究，还涉及到医学、物理、 生物化学和现代高科技等诸多学科领域。因此对生物陶瓷材料的研究 也涵盖了一个很大的范围，如果说1 9 、2 0 世纪是生物材料漫长的探索 阶段，那么2 l 世纪则是生物材料和临床应用飞速发展的阶段，在新世 纪生物陶瓷材料发展的方向应当包括以下几个方面【6 l ： 1 2 3 1 材料研究 从仿生原理、组织工程、基质控制矿化的思想出发，综合考虑各 种材料的力学性能、生物相容性、化学稳定性，根据需要进行人工材 料的组成、微观结构设计，针对在体内不同部位的特点，获得具有特 定功能的生物陶瓷复合材料。当前生物陶瓷材料研究的热点和前沿包 括： 惰性生物陶瓷表面活化 活性生物陶瓷强韧化 生物陶瓷多孔化研究 普通生物陶瓷材料的功能化 1 2 3 2 理论研究 o o ， ，ffrii ；*-z懈 j 茹 龊 吖 麓 *0“*_oo 等_o口嚣彗w芑巍藿l 第一章概述 研究种植体材料在人体生理环境作用下，在种植体材料与周围组 织界面上发生的各种复杂的发应，揭示种植体在体内的变化规律，分 析材料结构、性能与组织界面，特别是血液、组织与材料相互作用的 微观变化问题；研究新型生物陶瓷材料的生物相容性、生物适应性、 生物活性等生物学指标，为新型材料设计提供数据基础；研究种植体 在人体系统各种工作状态特别是不同受力状态下材料在生物体中的变 化，如材料的界面状态、疲劳过程、腐蚀程度等。 1 2 3 3 材料的综合评价标准建立和完善 对种植体材料植入人体后的化学稳定性、疲劳性能、摩擦磨损性 能、生物性能建立完善的综合评价系统，其中包括建立体外模拟试验 和生物临床检验的技术规范及短期、长期考察评价标准，这些标准将 对生物材料的应用与发展具有重要的指导意义。 1 3 羟基磷灰石生物陶瓷材料 1 3 1 羟基磷灰石生物陶瓷的性质 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ) 简称h a p ，分子式是c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 ， 密度为31 6 9 c m 3 ，性脆，折射率为1 6 4 1 6 5 ，线性热膨胀系数为15 1 0 “k 一，微溶于水，水溶液呈弱碱性( p h 7 9 ) ，易溶于酸，难溶于 碱【1 2 】。h a p 是强离子交换剂，分子中的c a 2 + 容易被c d ”，h 9 2 + 等有害 金属离子和s r ”，b a ”，p d 2 + 等重金属离子交换，还可与含有羧基的氨 基酸，蛋白质，有机酸等发生交换反应，同时，h a p 中的部分p o 。3 。 被c 0 3 2 - 取代，因此h a p 的分子式通常可以写成( c a 、m ) l o ( p 0 4 、c 0 3 2 、 x ) 6 ( o h 、f 、c 1 ) 2 其中m 代表m g 、n a 、及微量元素s r 、p b 、b a 等， x 代表h p 0 4 。、s 0 4 、硼酸盐和钒酸盐等 1 3 1 。其中o h 被f 取代的 h a p 成为氟磷灰石，氟磷灰石与羟基磷灰石具有相同的晶体结构和相 似的生物性能，有文献【1 4 】综述，氟磷灰石除具有骨引导作用外，当用 于口腔材料方面具有抑菌作用，可预防龋齿。 按照分子式计算羟基磷灰石的c a p 物质的量比等于l6 7 ，但是由 于受制各过程的影响，c a p 有所变化。羟基磷灰石的c a p 比是一个很 重要的参数，将直接影响它的高温稳定性，从而影响烧结后羟基磷灰 石的成分和力学性能l 。 h a p 晶体属于p 6 3 m 空间群，为六角柱体，如图13 所示，其晶胞 特征可以用a 、b 、c 三个向量来表示，a b = 1 2 0 。，a c = b c = 9 0 。， 4 第一章概述 a = b = 94 3 2 , h , ，c = 6 8 8 1 a ，其结构如图1 3 所示，h a p 粉末由很多六角 柱状的单晶团聚而成，这种柱状晶体的横截面为六边形 1 6 1 h a p 的表面性能取决于其结构，t k a w a s a k i i l 7 1 提出h a p 表面主要 存在两个吸附位置，当o h 。位于晶体表面时，该位置联结着两个c a “， 在水溶液中这个表面的o h 。至少在某一瞬间空缺，由于两个c a 2 + 带正 电，形成一个吸附位置，同理，当表面的c a ”在某一瞬间空缺时，表 面形成另外一个吸附位置，丽该位置带负电荷，能吸附s r 2 + 等阳离子 和蛋白质分子上的e 1 4 所示，h a p 的表面水化层通过氢键 与水有很好的相容性，在水中的表面能较低，能长时间保持细小的分 散状态。 对羟基磷灰石的存在条件生物学研究表明，温度在3 7 左右，h a p 稳定存在的环境为体液的p h 值 4 2 ，与人体体液的p h 值相吻合，因 此，在人体中所有的磷酸盐生物陶瓷以h a p 最稳定，其他形式的磷酸 盐植入人体后，经水解生成稳定的h a p ”1 ，例如，1 3 c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( b t c p ) 植入人体后，将发生下列发应： c a 3 ( p 0 4 ) 2 + 2 h 2 0 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 h ) 2 + c a 2 + + 2 h p 0 4 卜 ( 1 1 ) 图1 3 ：h a p 的晶体结构图 ( 在c 轴方向的投影) 图1 4 ：在h a p 表面h ：0 和p o 3 通过氢键结合 致密h a p 的抗压强度约6 5 0 m p a ，抗拉强度约为2 5 0 m p a ，但是， 其抗疲劳性差，生理负荷下，在体内几个月便发生碎裂1 1 9 1 。 h a p 是人体内骨和齿的重要组成部分，如人的骨成份中含有约 6 5 的h a p ，人的牙齿釉质则含有9 5 以上的h a p ，因此，与其它生 物材料相比，人工合成的h a p 陶瓷的基体亲和性最为优良，研究表明， 羟基磷灰石与周围骨组织结合主要是通过两种途径：( 1 ) 化学性结合： h a p 的c a ”、p 0 4 3 与周围骨骼组织中的c a 、p 离子形成化学键，( 2 ) 生物结合：骨细胞长入h a p 的微小空隙中。 蝴錾墓机巍囊缝量 爹妒蕊 第一章概述 h a p 植入体内后，可与周围的骨组织和体液发生化学反应，不断 地与周围体液中的磷酸三钙、磷酸四钙进行离子交换，这是一个动态 平衡，当达到了这个平衡时，在h a p 与骨的界面上便产生了新的h a p 。 钙离子、磷离子不断从h a p 表面弥散出来，体液中的c a 、p 离子在电 化学力的作用下不断向h a p 表面浓聚，这样在h a p 的表面就形成了 一个富含c a 、p 离子的反应层，此层中的磷钙离子与骨细胞的蛋白质 分子结合，从而新生骨组织与h a p 紧密结合为一体。在此过程中，h a p 材料表面的限制性溶解是重要的一步，其次为钙、磷离子的外向性沉 积和再沉积。这种表面溶解伴随着h a p 样骨样矿物质的再沉积就在 h a p 与周围骨组织间产生了一个能传导相应应力的界面，这些反应不 一定按同样的速度进行。新生骨在h a p 周围形成后，h a p 表面的液体 滚动就会相应减慢，从而离子交换也会相应减慢 2 0 - 2 2 】。h a p 与外周体 液间存在离子交换的结论在p e t k a 等 2 3 】的实验中也得到了证实。将c a 4 5 标记的h a p 植入体内，进行放射活性监测，证明了上述现象的存在， 并且认为h a p 上释放出的钙离子在重新沉积前，溶解在机体的钙池中， 由于h a p 的限制性溶解，体内钙离子浓度升高，这有利于h a p 样物 质的沉积，然而这种沉积不一定与刚溶解的钙结合。体液在h a p 的表 面起介导作用，它影响细胞的增殖和分化。o r l y 等1 2 4 1 报道：钙磷离子 通过影响碱性磷酸酶与a t p 的结合而发挥作用，这是钙介导的结果， 它与被吞噬物质的细胞内溶解有关。因为h a p 材料本身无诱导成骨特 性，所以将h a p 材料植入软组织中就不会有骨组织形成。当杆状细胞 加到未钙化组织中的h a p 上时，杆状细胞就分化成成骨细胞，继而骨 组织形成。没有这种h a p ，杆状细胞的分化就不会发生。与周围组织 和体液相接触的h a p 表面的结构和组成导致了界面上电荷的分布和表 示这些变化的独特特征一一z e t a 电位的产生。z e t a 电位是位于与h a p 相连的静止液体层与周围滚动液体层间滑动层上的电位，它取决于 h a p 的表面性质和液体的组成，它反映了假体表面的化学性质、离子 交换、溶解、沉积等方面的信息。生物活性h a p 的表面可能与骨表面 的表现是相同的，因为h a p 表面的z e t a 电位值与骨在活跃状态下与周 围液体离子交换达到平衡时所具有的z e t a 电位相同。既然骨组织在成 骨区有正的电位，在吸收区有负的电位，相同的z e t a 电位就意味着具 有成骨活性的骨细胞所要求的电场与骨和h a p 接触时发生骨沉积的电 场是一样的。h a p 表面的z e t a 电位，与离子弥散有关，要么离子超弥 散，要么过饱和，这就导致了h a p 表面上骨的生长 2 5 1 。 h a p 的存在为成骨细胞的扩布和增殖创造了条件，成骨细胞在 h a p 表面的附着、扩布、生长、分化是发生骨锚固的依赖因素，在这 第一章概述 些过程中，成骨细胞制造和分泌粘连物质一一粘连糖蛋白，也被称为： 细胞表面蛋白或纤维粘连蛋白( f i b r o n e c t i o n ，f n ) ，它是一个二聚体， 两个单体片断通过二硫键相连，当它结合在h a p 表面后被激活去诱导 骨细胞与h a p 的结合。f n 具有与细胞和假体的结合点，介导和增强了 细胞间及细胞与假体的连接，改变了细胞的形态，诱导细胞的移动。 目前，人们一致认为f n 是通过与葡聚糖( 9 1 y c o s a m i n o g l y c a a n ) 和细胞 骨架的相互作用而介导细胞的连接和在假体表面的扩布。既然h a p 材 料能与粘连蛋白结合并能对细胞生长有引导性，这就注定它能同周围 骨组织紧密连接在一起。f n 上还有钙离子的特殊结合位点，h a p 在 体内释放出的钙离子，通过与h a p 相连的f n 的介导，有利于成骨细 胞在h a p 表面的锚固、附着和扩布，从而有利于骨细胞的生长和分化 及骨组织直接沉积到h a p 的表面，这是h a p 与骨组织间形成生物性 和化学性结合的前提【2 。 1 3 2 羟基磷灰石生物陶瓷的用途 h a p 可以采取粉体或烧结体的形式应用于临床，h a p 粉体主要 用于牙膏添加剂、牙齿胶凝剂和骨填充材料，h a p 烧结体主要用于 制造人工齿根、人造颌骨、人造鼻软骨等骨骼替代种植体。 1 3 3 羟基磷灰石生物陶瓷的研究现状和发展方向 1 3 3 1 块状羟基磷灰石制品一一从致密到多孔 针对h a p 陶瓷力学性能差的特点，人们首先进行的是致密h a p 陶瓷制备研究，从现有的文献资料看无压烧结和热( 等静) 压烧结仍 然是制备致密h a p 陶瓷的主要方法。研究表明，致密h a p 陶瓷的力 学性能随烧结工艺( 温度、时间、烧结气氛) 的变化波动很大1 2 7 1 。 多孔羟基磷灰石陶瓷近十年来受到了临床重视，引起材料工作者 的极大兴趣，具有宏观多孔的生物材料的兴起，从根本上是由骨组织 的根本特点所决定的，如果植入骨基质的替换物为骨单位提供支持框 架，则骨单位可以依此为依托生长，骨缺陷可以重建和修复，如果为 骨缺陷提供的骨基质替换物在孔隙形貌和结构上与骨单位及脉管连 接方式相一致，则植入材料会促进骨组织的重建。因此，在种植体生 物陶瓷应当模仿骨结构，在充分研究骨结构的基础上，设计生物陶瓷 种植体的形状，结构【2 引。 7 第一章概述 对于多孔生物陶瓷种植体而言，孔径孔率及孔的内部连通性是骨 长入方式和数量的决定因素，孔隙的大小应当满足骨单位和骨细胞生 长所需的空间，种植体内部连通气孔和孔径为5 - 4 0 hm 时，允许纤维 组织长入，孔径为4 0 1 0 0 1 tm 时允许非矿化的骨样组织长入，孔径尺 寸大于15 0um 时，已能为骨组织的长入提供理想场所，孔尺寸大于 2 0 0um 是骨传导的基本要求，2 0 0 4 0 0um 最有利于新骨的生长。当 空隙率超过3 0 后空隙可以相互连通，新骨组织可以从人工骨表面长 入内部贯通性孑l 隙，从文献资料来看，对于平均气孔尺寸为1 l 5um 、 2 4 5um 、3 8 0um ，相应的孔隙率分别为4 36 、4 7 6 、6 0 0 4 的三 种种植体，孔隙率越高，越有利于新骨的长入，当长入的新骨在植入 体内4 个月后矿化完成时，孔隙率最大的种植体所形成的重建骨强度 最高，与自然骨抗压强度水平相当，但是孔隙率高时，多孔种植体本 身的强度很低，为了让植入初期种植体满足临床应用对力学性能的要 求，一般种植体孔隙率在4 5 一5 5 之间【2 。 现在已经形成了多种制备多孔生物陶瓷的方法如：固相烧结法， 溶胶一凝胶法等，这些方法大都是采用h a p 粉料与挥发性有机物混合， 压制成坯后烧结。为了获得宏观多孔的h a p 陶瓷，必须选用适当的有 机发泡剂，现有的有机发泡剂有聚亚安酯、聚氯乙烯等。文献【3 0 】采用 聚亚安酯作为复制基体制作多孔h a p 陶瓷，为了使陶瓷浆充分渗透到 基体材料中去，采用a 1 2 ( o h ) 5 c i 作为聚凝剂，在陶瓷浆渗入之前用聚 凝剂预处理，当基体材料加入p h 值为9 1 0 的陶瓷浆中时，在陶瓷浆 与基体界面处就会产生a i ( o h ) 3 凝胶沉淀，这些凝胶沉淀阻碍了陶瓷 颗粒从基体中流出，从而获得理想的连续单一的黏附层，在空气中干 燥4 h 后在1 2 0 0 烧结，所制备试样复制了有机物基体的多孔结构。 p i l a rs e p u l v e d a 等】采用了泡沫凝胶铸造法制备了生物梯度h a p 多孔 材料，他们在6 5 w t h a p 的悬浮液中加入聚丙稀酸脂衍生物作为分散 剂，加入丙烯酸作为胶凝剂。然后，加入发泡剂，搅拌，同时加入一 些非离子的表面活性剂来控制发泡，最后加入过硫酸氨和四硝基甲烷 二氨形成了发泡凝胶沉淀，1 0 0 干燥后，将试样在135 0 烧结2 h ， 所制得的试样密度在0 ，3 2 08 7 9 c m 3 内变化( 密度可通过控制发泡来控 制) ，此时的相对孔隙率为07 2 4 08 9 9 ，在s e m 下可以观察到球形气 孔，且气孔通过环形通道相互连通；孔直径在1 7 一1 2 2um 之间变化， 另外还发现存在墨水瓶颈状气孔；材料的比表面积随孔隙率的变化在 1 5 38 m 2 g 的范围内变化，这与溶胶凝胶法制备的多孔材料相比，比 表面积略低；h a p 多孔材料的抗压强度为1 6 5 8 m p a ，随疏孔率的 增加而降低，比其他方法制得的试样要高，弹性模量在36 2 1 0 g p a 第一章概述 范围内变化，与人骨的弹性模量极为相似。 1 3 3 2 h a p 生物陶瓷复合材料 综上所述，多孔h a p 的力学性能远远不能满足生物种植体在体内 的种植要求，而对不锈钢，钴基合金，钛及钛合金等金属无机生物种 植体则具有良好的强度、韧性优良的加工性能，但是他们的生物相容 性相对较差，植入人体中寿命较短。然而人类平均寿命的提高，也要 求生物种植体的替换周期有相应的提高。因此金属基体表面涂覆h a p 涂层，加入颗粒、纤维增强h a p 陶瓷基复合材料的研究应运而生了1 3 2 1 。 1 3 3 2 1 h a p 生物陶瓷块体材料的增韧补强 近十年来，人们开展了用金属颗粒、金属间化合物、纳米颗粒、 晶须、长纤维、氧化锆增强h a p 生物陶瓷复合材料的研究工作。颗粒、 纤维的加入可以使材料的硬度和强度提高。但是，第二相的引入往往 会导致材料的生物相容性降低，甚至加速h a p 的分解，同时，金属、 金属纤维、金属间化合物增强的h a p 陶瓷植入人体后，存在腐蚀、生 物惰性导致材料的生物相容性降低，因此在材料设计时应当慎重。而 普通纤维增强h a p 复合材料，由于纤维状材料本身的生物毒性，当植 入人体一段时间后，生物复合材料在人体中降解，生物惰性纤维分散 到人体中，长期不能溶解，可能引发癌症，直接影响人体健康【3 2 1 。 为了解决上述问题，近年来，科研人员把大量精力投入到h a p 晶 须增强生物陶瓷复合材料的研究中，由于h a p 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h a p 晶须增强生物陶瓷材料必将为推动硬组织替代、修复材料的 发展起到积极的作用1 3 3 1 。 1 3 3 2 2 h a p 生物陶瓷涂层材料 金属生物陶瓷材料涂层复合材料在临床上有其重要的意义，是当 今国内外研究的热点，综合国内外近几年的文献，我们发现，金属生 物陶瓷涂层复合材料的研究主要集中在以下两个方面： 1 改进涂层工艺，尽量减少由于基体和涂层材料之间性质的差异导 致涂层于基体之间存在缺陷如：热应力、结合强度较低，同时，尽 量采用非线性工艺在多孔基体上涂覆生物陶瓷涂层。 2 改变涂层结构，在基体和涂层材料之间加入过渡层，在提高基体和 涂层之间的结合力的同时缓解热应力。 第一章概述 1 3 4 发展羟基磷灰石生物陶瓷种植体的意义 羟基磷灰石生物陶瓷具有重要的研究价值和广阔的应用前景。据 统计，目前在全球范围内，每年都有4 0 0 0 0 0 例髋关节和膝关节移植手 术。美国3 5 岁以上人口中，有近三分之一有牙齿缺损，它们都将成为 牙移植的志愿者。据民政部门报道，在我国十三亿人口中，仅肢体不 自由的患者就约有15 0 0 万，其中残疾约7 8 0 万，全国每年骨缺损和骨 损患者近3 0 0 万，我国牙缺损、牙缺失患者人数达总人口的1 1 5 1 3 ， 口腔生物材料需求巨大。同时，然而随着人们生活水平的提高和人类 平均寿命的增加，人们对种植体的要求也大大提高，一般要3 0 年以上 甚至终身，因此，大力发展高性能羟基磷灰石生物陶瓷种植体，具有 重大的临床意义和广阔的市场前景【3 ”。 1 3 5 本论文研究内容 综上所述，由于羟基磷灰石生物陶瓷及其复合材料优秀的生物性 能及广阔的应用前景，已引起了科学研究人员的普遍关注。但是，由 于羟基磷灰石生物陶瓷强度较低，脆性较大限制了它的广泛应用，目 前，羟基磷灰石生物陶瓷的补强增韧是生物陶瓷研究的热点，本论文 以钛金属为基体，试图通过改善涂层工艺改变涂层结构，以期得到与 金属基体结合完好的羟基磷灰石生物陶瓷涂层。主要工作内容包括： 一阅读大量资料，调研国内外羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究现状和 应用前景，并对现有资料进行系统分析整理，制定详细的试验方案： 二在综合分析有关文献的基础上，选择适当制备方法，制备羟基磷灰 石生物陶瓷粉末，为随后生物陶瓷复合材料的制备打好基础； 三根据现有条件，选用适当涂层工艺，探索在钛基体上羟基磷灰石生 物陶瓷涂层制备。 0 第二章羟基磷灰石粉末的制各 第二章羟基磷灰石生物陶瓷粉末的制备 2 1 制备目的 羟基磷灰石h a p 粉末制备是制备羟基磷灰石生物陶瓷及其复合材 料的基础，羟基磷灰石粉末的物理特性如粉末的粒径、c a p 物质的量 比( 以下简称c a p 比) 等将在很大程度上影响其生物性能及制备块体 的力学性能。因此，在制备之前，明确制备目的将为随后的实验指明 方向。 2 1 1 粉末粒径 如前所述，h a p 粉末应用于人体主要用在骨骼替代和填充，因此 制备粉末粒径必须与骨骼中h a p 粒子的形貌相似，由骨组织的结构分 析可知，成熟骨组织中h a p 晶体长约6 0 n m ，成熟牙釉质内h a p 晶体 为平均宽4 0 n m 、长约1 6 0 n m 的大棱柱体 35 】。因此，希望能够制备出 与骨组织中h a p 尺寸在相同数量级的h a p 粉末。同时，由于纳米材料 特殊的物理、化学特性，将其应用于人体将显示出特殊的生物性能 3 6 1 ， 武汉理工大学李世普教授将纳米h a p 材料应用于生物体，并经大量的 细胞毒性实验表明，纳米h a p 材料是对付癌细胞的有效武器。细胞生 物学试验表明，纳米粒子可以杀死人的肺癌、肝癌、食道癌等多种肿 瘤细胞。动物实验显示，向老鼠体内肿瘤注射羟基磷灰石纳米粒子溶 胶，7 天后抑瘤率6 6 1 ，外观上肿块消失。进一步研究发现，对人体 癌细胞具有这种“钟馗”秉性的，不只是纳米h a p 材料，还有其他纳 米材料。李世普认为，纳米材料要具备杀死癌细胞、不伤正常细胞的 奇特功效，必须具备两个条件：一是纳米粒子具备一定的超微尺度， 在2 0 纳米到1 0 0 纳米之间；二是纳米粒子要呈“均匀”分布，才具“药 效”【3 ”。上述结论如果正确将给纳米h a p 的制备赋予了更深层次的 生物学意义。 2 1 2 力学性能 由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而应用受到了 第二章羟基磷灰石粉末的制备 较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，研究人员 希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和 可加工性，郭景坤指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径【3 ”。所谓 纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就 是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级 的水平上。由于纳米粒子界面占有可与颗粒相比拟的体积百分比，小 尺寸效应以及界面的无序性使它具有不同于传统陶瓷的独特性能1 3 9 。 决定陶瓷性能的主要因素是：组成和显微结构包括晶粒、晶界、气孔 或裂纹的组合形状，其中最主要的是晶粒尺寸问题。晶粒尺寸的减小 将对材料的力学性能产生很大影响。晶粒尺寸的减小将使材料的力学 性能有数量级的提高，同时，由于晶界数量级的大大增加，使可能分 布于晶界处的第二相物质的数量减小，晶界变薄使晶界物质对材料性 能的负影响减小到最低程度：其次，晶粒的细化使材料不易造成穿晶 断裂，有利于提高材料韧性；再次，晶粒的细化将有助于晶粒间的滑 移，使材料具有塑性行为。因此，纳米陶瓷将使材料的强度、韧性和 超塑性大大提高，长期以来人们追求的陶瓷增韧和强化问题在纳米陶 瓷中可望得到解决”。aj r u y s 等 4 1 】用不同物理特性的h a p 粉末进 行烧结研究，发现粉末的烧结有效性随着纳米颗粒尺寸的降低和纳米 气孔率的增加而增大，团聚微弱的纳米颗粒烧结有效性更高。 2 1 3 c a p 比 c a p 比是羟基磷灰石生物陶瓷的一个重要的性能指标，它对h a p 的烧结和最终力学性能有相当大的影响。如果c a p 1 6 6 7 ，则陶瓷在 t 1 0 0 0 烧结，通常产物会由多相组成，如h a p + c a o ：如果c a p 9 0 时，h a p 较稳定，能够有效的阻止生理溶液 的侵蚀，当结晶度 7 0 时，h a p 较容易发生溶解和降解。 2 1 5 纯度 为以后试验称量和配比方便，拟制备纯净的h a p 陶瓷粉末。 因此，我们制备h a p 生物陶瓷粉末的目的是： 制备颗粒分布均匀的结晶良好的纯净的纳米h a p 生物陶瓷粉末，且粉 末的c a p 比接近于化学计量比1 6 6 7 。 2 2 制备方法的选取 制备物理性能优越的h a p 生物陶瓷粉末是生物陶瓷研究的热点之 一，现有的制备方法可以分为湿法和干法。湿法包括：沉淀法1 4 5 - 5 0 1 、 水热合成法f 5 2 1 、溶胶凝胶法1 5 3 , 5 4 】，干法即固态反应法 5 5 - 5 7 1 。 沉淀法：通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌，在一定的p h 值下发 生化学反应，产生胶体h a p 沉淀物，在一定温度下煅烧得到h a p 晶体 粉末。 水热法：水热法是在特制的密闭反应容器中( 高压釜) ，采用水溶液作 鹅一章 羟培磷扶“粉末的制斋 为反应介质，在高温高压的环境中，使得原来难溶或小溶的物质溶解 并重结晶的方法，水热法制备的粉体具有晶粒发育完整、粒度小儿分 布均匀、颗粒团聚较轻、原材料便宜、易得到合适的化学计量比和r 铬 型的优点。且制备的粉体不需煅烧处理，从而避免了烧结过程中的d 自 粒长大，缺陷形成、杂质引入的问题，因此所制得的粉体具有较高的 烧结活性。 溶胶一凝胶法：溶胶一凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过j j u 入蒸馏 水使醇盐水解、聚合，形成溶胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为 凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶。再将f 凝胶 作高温煅烧处理，即可得到纳米粉体陶瓷，其优点在于纯度高有利f 高纯生物陶瓷的制备，所得的粉体的粒度分布窄，但是原料价格高 有机溶剂的毒性，高温热处理时颗粒容易快速团聚等因素制约了这种 方法的应用。 干法：固念反应法，干法可以制得结晶好的粉术，但晶粒尺寸较大，往 往有杂质相存在，在研磨时不仅费时，而且易粘污，因此在生物陶瓷领 域较少被采用。 目| j i 共沉淀法是制备h a p 生物陶瓷粉术的最常用方法之5 j 张 = 华”干法制备生物陶瓷粉末工艺相比，主要有以下优点： 1 共沉淀化学反应过程温度较低，一般为室温或稍高温度。 2 制备材料颗粒较小、均匀，且各组分的化学计量比容易控制。 3 可以保证最终产品的纯度。 4 工艺简单，操作简便，对实验仪器要求不高。 但是，共沉淀法制备h a p 生物陶瓷粉末时应当注意以下几点： 1 合理控制混合溶液的p h 值及反应产生沉淀的时划。采川分敝砹箭 使溶液混合均匀，反应完全进行 2 反复过滤，使固液相完全分离从而制备纯度高的粒子。 2 3 共沉淀法制备羟基磷灰石生物陶瓷的原理 5 c a ( n 0 3 ) 2 4 h 2 0 + ( n h 4 ) 2 h p 0 4 _ c a lo ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 + n h 4 n 0 3 + h n 0 3 1 4 ( 21 ) 第二章羟基磷灰石粉末的制备 2 4 热力学分析 由相关文献可知，在