（材料科学与工程专业论文）溶胶凝胶法在磷酸钙陶瓷制备中的应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，出现了一种新的制备纳米羟基磷灰石的溶胶凝胶法，这种 方法以硝酸钙和五氧化二磷为原料，和其他溶胶凝胶法相比，它所采用 的原料价格低廉，制备过程简单，无需调节p n 值和无需长时间的水解。 此溶胶凝胶法目前报道较多的是用于制备纳米h a 粉，其反应机理还未 见详细报道，为此本论文系统研究了此溶胶凝胶体系的反应机理和相变 过程，并扩展了其在磷酸钙陶瓷制备中的应用，首次采用此方法制备了致 密的1 3 t c p h a 双相生物陶瓷、高温稳定的1 3 t c p 生物陶瓷和多孔磷酸 钙陶瓷。 本文首先研究了硝酸钙五氧化二磷溶胶凝胶体系的反应机理和相 变过程，考察了乙二醇对此溶胶凝胶体系的稳定作用和相变的影响。实 验结果表明：用此溶胶凝胶法制备h a ，化学计量比的( 钙磷比是1 6 7 ) h a 的高温分解机制与反应物在分子水平上混合不均匀有关。乙二醇的添 加可以改善凝胶的稳定性，从而保证化学组分以原子或分子级水平均匀分 布。溶胶向凝胶转变形成的是一种含钙、磷的复杂化合物【( o e t ) y ，( n 0 3 ) 2 y ， c a ： p ( o e t ) 5 x ( o h ) x ， z l p 在2 0 0 。c 以下此化合物以非晶形态存在。烧结温 度为2 0 0 0 c 以上时有机物开始分解，化合物结构发生变化。4 0 0 0 c 羟基磷 灰石开始形成。 为制备高致密度的b t c p h a 双相陶瓷，采用上述溶胶凝胶体系制 备钙磷比为0 5 6 的低熔点物质( c a o 5 6 p ) ，将其添加到h a 中，使其在烧结 过程中获得液相且同时原位生成b t c p ：随后考察了c a o 5 6 p 的添加量对1 3 t c p h a 双相陶瓷相成分的影响和致密度的影响。结果表明，此方法可以 在低的烧结温度下得到较高致密度的b c p 生物陶瓷；通过调节c a o 5 6 p 的添 加量( 0 5 吼) 可以制各不同h a b t c p 比例的双相钙磷生物陶瓷( b c p ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 相同烧结条件下，随c a o 5 6 p 添加量( 0 - s w t ) 增加，样品密度增加。 接下来，以上述溶胶凝胶法为基，提供了一种新颖的提高t c p 相变 温度的方法。该方法是将羟基磷灰石粉添加到五氧化二磷的醇溶液中，使 其在烧结过程中发生反应，原位生成b t c p ，使b 磷酸三钙向a 相的转 变温度提高到1 3 0 0 0 c 以上。初步探讨了此方法的高温稳定机理。 最后，用此溶胶凝胶体系制备多孔磷酸钙生物陶瓷，考察了工艺因 素对孔径、孔隙率的影响。和传统多孔陶瓷制备方法相比，此方法最大的 优点是一步成型，省去了粉体制备过程。此方法制备出的多孔陶瓷具有类 似于海绵的多孔结构，其大孔孔径大致分布在3 0 0 8 0 0 1 a m 范围，在大孔 孔壁上分布有许多孔径在2 0 3 0 0 1 t m 的微孔，支架贯通性良好，孔隙率高。 在发泡过程中通过控制温度、发泡时的溶剂余量和是否添加稳定剂可以得 到不同孔径和孔隙率的多孔陶瓷。在配制原料时，通过对含钙磷原料量的 控制，可以得到不同钙磷比的多孔磷酸钙陶瓷，如h a 、t c p 或h a t c p 双相材料等。 关键词：溶胶凝胶法；制备；相变；磷酸钙；多孔陶瓷 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 页 a b s t r a c t r e c e n t l y ，a n o v e l s o l g e lt e c h n i q u e w h i c hu s e sc a l c i u mn i t r a t e t e t r a h y d r a t ea n dp h o s p h o r i cp e n t o x i d e a sc aa n dpp r e c u r s o r sh a sb e e n d e v e l o p e dt op r e p a r en a n oh ap o w d e r c o m p a r e d w i t ho t h e rs o l g e lp r o c e s s e s ， i ti sas i m p l ew a yw h i c hd o e sn o tr e q u i r ec o n t r o l l i n gp hv a l u ea n dl o n gt i m e h o w e v e r ，t h er e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h i ss o l g e lp r o c e s sh a sn o tk n o w n i n t h i sp a p e r , t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n dr e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h es o l 。g e l a p p r o a c hw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ef u r t h e ra p p l i c a t i no ft h es o l g e l p r o c e s sw a se x p l o r e dt op r e p a r ef o rp u r eh a ，d e n s eb i p h a s i c b - t c p h a c e r a m i c s ，h i 曲一t e m p e r a t u r e s t a b i l i z e d1 3 - t r i c a l c i u mp h o s p h a t ea n dp o r o u s c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c s i no r d e rt oa c h i e v ep u r eh ao rt c p , t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o na n d r e a c t i o nm e c h a n i s mo ft h es o l - g e la p p r o a c hw e r ef i r s t l ys t u d i e dv i aas e r i e so f e x p e r i m e n t sa s s o c i a t e dw i t ht h et h ed e c o m p o s i t i o n o fh aa th i 曲t e m p e r a t u r e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tan o n - u n i f o r mm i x i n go ft h er e a c t a n t s a tm o l e c u l a r - l e v e lc o u l dr e s u l ti nt h ed e c o m p o s i t i o no fh aa th i g h t e m p e r a t u r e se v e nt h o u g ha na v e r a g ec a pr a t i ow a s1 6 7 f o rt h er e a c t a n t s i n t r o d u c t i o no fe t h y l e n eg l y c o li n t ot h et h eg e lc o u l di m p r o v es t a b i l i t yo ft h e s 0 1 g e ls y s t e ma n de n s u r e am o l e c u l a r - l e v e lm i x i n go ft h ec a l c i u ma n d p h o s p h o r u ss ot h a tp u r eh a o rt c pw a sf i n a l l yo b t a i n e d i no r d e rt op r e p a r ed e n s e1 3 一t c p h ac e r a m i c ，an o v e lm e t h o dw a s a p p l i e d t h ea b o v em e n t i o n e ds o l g e lp r o c e s sw a se n g a g e dt os y n t h e s i z ea s o l w i t hac a pm o l a rr a t i oo f0 5 6 ( c a 0 5 6 p ) a n dt h e ni tw a si n t r o d u c e di n t op u r e h a p o w d e rn o to n l yt ob eu s e dt oc r e a t el i q u i dp h a s et oe n h a n c ed e n s i f i c a t i o n b u ta l s ot oa l l o wi tt or e a c tw i t hh at oi n s i t uf o r mb i p h a s i ch a 1 3 一t c p c e r a m i c sd u r i n gs i n t e r i n g t h ee f f e c to ft h ec o n t e n to fc a 0 5 6 1 o nb i p h a s i c 1 3 一t c p h ac o m p o n e n t sa n dd e n s i f i c a t i o nd u r i n gt h es i n t e r i n gp r o c e s sw a s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tb i p h a s i cc e r a m i cw i t hh i g h e rd e n s i t y c o u l d b eo b t a i n e da tl o w e rs i n t e r i n gt e m p e r a t u r e sb yu s i n gt h i sm e t h o d c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i n t e r i n ga p p r o a c ha n dt h a tt h er a t i oo fh a a n d1 3 t c pc o u l db ec o n t r o l l e db yt h ea m o u n to fc a 0 5 6 1 i n t r o d u c e di n t oh a p o w d e r a n di na d d i t i o n , an o v e l t ym e t h o db a s e do nt h es o l g e lp r o c e s sw a su s e d f o rt h ep r e p a r a t i o no fh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i z e d1 3 - t r i c a l c i u mp h o s p h a t e f i r s t l y , h ap o w d e rw a sm i x e dw i t ht h e e t h a n o ls o l u t i o n so fp h o s p h o r o u s p e n t o x i d eh o m o g e n e o u s l yt oo b t a i nac o m p o s i t i o np o w d e r a n dt h e n 1 3 - t c p c e r a m i cw a si n s i t uf o r m e dd u r i n gt h es i n t e r i n gp r o c e s s t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r eo fb t c pt o q t c pc o u l db ee l e v a t e dt o130 0 0 cv i at h i st e c h n i q u e p o r o u sc a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c sw e r ep r e p a r e db yu s i n gt h es o l 。g e l p r o c e s s t h es i g n i f i c a n ta d v a n t a g ea s s o c i a t e dw i t ht h i sa p p r o a c hi sm a i n l y r e f l e c t e db yo n e s t e pi ns i t us y n t h e s i sa n dt h es y n t h e s i sp r o c e d u r eo fp o w d e r w a se l i m i n a t e di nt h i ss t u d yc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e t h o d s t h ep o r o u s c a l c i u mp h o s p h a t ec e r a m i c so b t a i n e dv i at h i sa p p r o a c he x h i b i t e da no p e n , i n t e r c o n n e c t e da n ds p o n g e - l i k es t r u c t u r ew i t hu n i f o r mb i gp o r e sa n ds m a l l p o r e sd i s t r i b u t e do nt h eb i g p o r ew a l l s t h es i z e so fb i ga n ds m a l lp o r e sw e r e w i t h i n3 0 0 - 8 0 0 i t ma n d2 0 - 3 0 0 i t m ，r e s p e c t i v e l y t h ep o r es i z ea n dp o r o s i t yo f c e r a m i cf o a m sc o u l db ec o n t r o l l e dv i at e m p e r a t u r e ，t h ea m o u n to fe t h a n o l ，a n d f o a ms t a b i l i z e r s d u r i n g t h ef o r m a t i o no fp o r o u sg e l d i f f e r e n tc a l c i u m p h o s p h a t ec e r a m i c sc o u l db eo b t a i n e do n l yb yc o n t r o l l i n gt h er a t i oo fc a l c i u m n i t r a t et e t r a h y d r a t ea n dp h o s p h o r i cp e n t o x i d e k e y w o r d s ：s 0 1 g e l ；p h a s et r a n s f o r m a t i o n ；c a l c i u mp h o s p h a t e ；b i o c e r a m i c s ； p o r o u sc e r a m i c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彳，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位做作者躲技彰妞 b 期：2 啤、 舯棚躲濉弘 日姆：砷气，6 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 。本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用硝酸钙五氧化二磷体系溶胶。凝胶法制备钙磷比为0 5 6 的低 熔点物质( c a o 5 6 p ) ，将其添加到h a 中，以液相烧结的方法在低的烧结温度 下获得了高致密度的1 3 t c p h a 双相磷酸钙生物陶瓷。 ( 2 )以硝酸钙五氧化二磷体系溶胶凝胶法为基，提供了一种新颖的 提高t c p 相变温度的方法。该方法是将羟基磷灰石粉添加到五氧化二磷的醇 溶液中，使其在烧结过程中发生反应，原位生成b t c p ，使b 磷酸三钙向 q 相的转变温度提高到1 3 0 0 0 c 以上。 ( 3 ) 首次采用硝酸钙一五氧化二磷体系溶胶凝胶法制备多孔磷酸钙生 物陶瓷，和传统多孔陶瓷制备方法相比，此方法最大的优点是一步成型，省 去了粉体制备过程，简化了多孔陶瓷制备工艺。 学位论文作者签名：鳓红 b 朔：硼孳( j 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 5 页 论文成果申明 本学位论文成果是本人在西南交通大学攻读硕士学位期间，在导师汪 建新教授的指导下取得的。论文中除了特别加以注明和致谢的地方外，不 包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究 的启发和所做的贡献已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 本论文成果归西南交通大学所有：学校有权保留、送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用 影印、缩印或其它复制手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 本论文成果归西南交通大学所有，论文相关所有内容未经指导老师 的书面批准：( 1 ) 不得发表；( 2 ) 不得以其它任何单位作为署名单位公开 发表；( 3 ) 不得以其它任何人作为署名作者公开发表。 如有违反上述规定，西南交通大学有权保留追究其法律责任的权利。 特此申明。 学生签字：蚴枉 2 0 0 9 年6 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 生物医用材料 第1 章绪论 生物医用材料是一类用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生 物机体的组织、器官或增进其功能的材料。它是研究人工器官和医疗器械 的基础，己成为材料学科的重要分支。随着生物技术的蓬勃发展和不断突 破，生物医学材料已成为各国科学家研究和开发的热点。通常，生物医用 材料按材料组成和性质可分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、 生物陶瓷材料和生物医用复合材料【1 ，2 1 。表1 1 列出了一些常用的生物医用 材料的应用实例。 表1 - 1 生物医用材料应用实例【l 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 1 1 生物医用金属材料 生物医用金属材料，具有高机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广 泛的能够承力的植入材料之一。医用金属材料除应具有良好的力学性能及 相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性和组织相容性。已应 用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。 此外，还有贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。医用金属材料主要用于骨和 牙等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构 组件3 1 。 1 1 2 生物医用高分子材料 生物医用高分子材料具有质量轻、较柔软、摩擦系数小、比强度大、 耐腐蚀性好的优点，缺点是机械强度及耐冲击性比金属材料小、耐热性较 差、容易变形、变质。按性质可以分为非降解和可生物降解两大类材料。 常用的非降解生物医用高分子材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨 酯、聚硅氧烷、聚酯等，主要用于人体软、硬组织修复，如作为人工骨、 骨水泥、人工乳房、人工耳、人工鼻等。常用的可降解生物医用高分子材 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 料有聚乳酸( p l a ) 、聚羟基乙酸( p g a ) 、胶原、甲壳素、多糖等，目前， 临床运用较多的是聚乳酸，用作骨固定材料及药物释放载体、手术线等4 1 。 1 1 3 生物医用陶瓷材料 生物陶瓷材料是近年来研究较多且进展较快的领域。当代的生物医用 陶瓷材料可以作为外科矫形手术的假肢( 如各种关节) 、牙科植入物、牙 槽增强、中耳骨植入物、眼睛角质假体、人体组织长入的涂层、人工心脏 的瓣膜、骨头缺损填料、人工筋腱与韧带材料等，应用范围已相当广泛。 世界上许多国家十分重视生物医用陶瓷的开发和应用。根据其生物性能， 一般可以分为四类： 1 、生物惰性陶瓷，如氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等，这类陶 瓷材料的结构都比较稳定，原子间通过共价键结合，具有较高的强度、耐 磨性及化学稳定性。 2 、生物活性陶瓷，如生物活性玻璃、羟基磷灰石( h a ) 等，在生理 环境中可通过其表面发生的生物化学反应与生物体组织形成化学键结合 f 5 】 o 3 、生物可降解陶瓷，如可溶性铝酸钙陶瓷、b 磷酸三钙( b c a 3 ( p 0 4 ) 2 ， 简称b t c p ) 等，在生理环境中可被逐步降解和吸收，并随之为新生组 织替代，从而达到修复或替代缺损组织的目的【6 1 。 4 、生物医用纳米陶瓷，如纳米f e 2 0 3 、羟基磷灰石超微粉等，利用纳 米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体 进行局部定向治疗。 1 1 4 生物医用复合材料 生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医 用材料。医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷既可作为生物医 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用复合材料的基材，又可作为其增强体或填料，它们相互搭配或组合形成 了大量性质各异的生物医学复合材料。另外利用生物技术，在一些活体组 织、细胞和诱导组织再生的生长因子之外引入了生物医用材料能极大地增 进其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，这已成为生物医用材料的 一个十分重要的发展方向，它们也可被视为一类新型生物医用复合材料。 1 2 磷酸钙生物陶瓷 在目前研究和使用的硬组织( 骨和牙齿) 替换材料中，磷酸钙系生物 陶瓷占有很大的比重【7 】，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有与骨骼矿化物类 似的成分和表面及体相结构，与人体组织有良好的生物相容性，当其植入 机体后，能在短期内与机体组织形成骨性结合，并引导骨组织的生长，最 终通过新骨的形成实现增强补韧。由于其优良的生物学性能，近年来磷酸 钙系生物材料的发展非常迅速。其中研究和应用最多的是羟基磷灰石、磷 酸三钙等以及它们的复合材料。 1 2 1 羟基磷灰石 羟基磷灰石，简称h a ，是人体内骨和齿的重要组成部分，如人骨成 分中h a 的质量分数约6 5 ，人的牙齿釉质中h a 的质量分数则在9 5 以 上。分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ，c a p 为1 6 7 ，理论密度3 15 6 9 c m 3 。 羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性和化学稳定性，能与骨形 成紧密的结合。大量的生物相容性试验证明【8 h a 无毒、无刺激、不致过 敏反应、不致突变、不致溶血、不破坏生物组织，并能与骨组织发生直接 的化学键合，能够引导组织在h a 材料上增殖、黏附、分化和生长( 即骨 传导性) ，是一种很有应用前景的人工骨和人工口腔材料。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 2 2 磷酸三钙 磷酸三钙，分子式c a 3 ( p 0 4 ) 2 ，简称t c p ，其钙磷比为1 5 ，与正常骨 组织的钙磷比很接近，具有良好的生物相容性，与骨结合好，无排异反应。 t c p 具有与h a 不同的生物性能，最大的区别就是t c p 植入人体后， 能在体内降解为新骨的形成提供较丰富的c a 、p 。由于此特性，以t c p 为基料的人工骨材料的研究与应用也是当今生物陶瓷发展的活跃领域 【9 1 1 1 o t c p 晶相结构有高温型的q 相和低温型的1 3 相两种。q 相的结晶为单 斜晶，密度为2 8 6 9 c m 3 ，1 3 相是六面体，密度为3 0 7 9 c m 3 【1 甜。1 3 t c p 转变为t c p 的相转变温度在1 1 2 0 1 1 6 0 。c 1 3 1 。目前生物活性陶瓷材料 的研究与应用一般选择1 3 t c p 而非q t c p 。其中主要原因如下：q t c p 的溶解度过大，植入人体后降解过快，导致人工骨材料不能较好地发挥作 用。当温度升高，t c p 由1 3 相转变为q 相时，体积增大，会使陶瓷发生 膨胀，产生裂纹，从而降低其力学性能。 1 3 溶胶一凝胶法制备磷酸钙陶瓷研究现状 目前，合成磷酸钙陶瓷的方法主要有沉淀法、水热法、乳液法、酸碱 反应法、固相反应法、溶胶凝胶法等等 1 4 - 2 0 】。其中溶胶凝胶法是近些年 才发展起来的新方法，并引起广泛的关注。与传统制备方法相比，溶胶 凝胶法具有许多优点：反应温度低，反应组成容易控制，所需设备简单； 由于胶体是从溶液反应开始的，可以在分子水平上混合钙和磷的前驱物， 使溶液有高度的化学均匀性，所得产品纯度高，晶粒尺寸小。其基本原理 是利用金属无机盐或金属醇盐在溶液中水解或醇解，生成溶胶，经脱水或 干燥转变为凝胶，然后经热处理，得到所需的粉体。 溶胶凝胶法制备磷酸钙陶瓷，国内外报道较多的是采用硝酸钙磷酸 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 酯系溶胶。凝胶法，钙的前驱物主要采用四水硝酸钙，磷的前驱物有磷酸 三甲酯、磷酸- - - 7 , 酯、磷酸三丁酯和亚磷酸三甲酯等【2 1 2 4 1 。其中磷酸酯的 价格较贵，而且水解需要较长时间。因此，缩短醇解或水解时间，以价格 较低的原料来合成磷酸钙的研究得到了人们的重视。 近年来，出现了一种新的制备纳米羟基磷灰石的溶胶凝胶法，这种 方法以硝酸钙和五氧化二磷为原料，和其他溶胶凝胶法相比，它所采用 的原料价格低廉，制备过程简单，无需调节p h 值和无需长时间的水解。 m h f a t h i t 2 5 】和王峰等【2 6 1 分别用此溶胶凝胶法制备了h a 纳米颗粒。k u i c h e n g 等【2 7 】用此溶胶凝胶法制备了h a 涂层和薄膜。 但是关于此溶胶凝胶体系的反应机理和相变过程还未见详细报道， 本论文第二章将对此做系统研究。 1 4 删b t c p 双相钙磷( b c p ) 陶瓷研究现状 b 磷酸三钙( 1 3 t c p ) 是生物降解和生物吸收型活性材料，其降解产 物c a 2 + 、p 0 4 弘等离子可进入活体体液形成新骨，成为理想的硬组织修复 材料。由于b t c p 在体内的降解速度较快，与新骨生长速度不匹配，随着 降解的进行，强度大幅度下降，因此很难满足i 临床应用。羟基磷灰石( h a ) 的化学组成与人体骨基本一致，具有良好的生物相容性，但其降解速度远 不如b t c p 材料，基本认为是生物非降解材料，因此可以设想通过两者 复合来控制材料的降解速度、强度等。双相钙磷生物陶瓷( b c p ) 就是这样 一类由h a 和b t c p 按不同比例组成的硬组织修复材料，通过控制不同的 h a b t c p = i , 例来控制其降解速度，以达到临床应用的要求，在硬组织损 伤的修复、置换等中具有广泛的应用前景 2 8 - 3 2 】。 8 0 年代，在j a r c h o 等【3 3 】的努力下b c p 陶瓷作为骨替换材料在牙科和 药物应用中进入了临床。l e g e r o s 等【3 4 】对不同h a t c p 比例的陶瓷的制各 与性能关系较早进行了研究，表明可通过调节二者的比例来控制陶瓷材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的生物活性。p i a t t e l l i 等【3 5 】利用1 5 t c p h a 比为5 0 5 0 的一定颗粒粒径的 双相钙磷陶瓷进行了临床实验，发现b c p 陶瓷具有良好的生物相容性和 骨传导性。9 0 年代初，世界上几个研究组先后报道了磷酸钙陶瓷的诱导 成骨现象，这使双相钙磷陶瓷的研究进入新一轮高潮 3 6 - 4 2 】。 目前b c p 陶瓷粉体的制备主要是通过湿法制备缺钙磷灰石( c 卯= 1 5 1 6 7 ) ，然后将缺钙磷灰石在7 0 0 0 c 以上烧结得到不同h a b t c p 比例的双 相陶瓷，烧结后的h a b t c p l g 例主要取决于未烧结的磷灰石的缺钙程度 【4 3 ，删。另外还有固相反应法 4 5 , 4 6 】、机械混合法等【4 7 1 。 b c p 陶瓷种植体制备中存在的主要难点是由于1 3 t c p 相向q 相的转 变温度在11 2 0 0 c 11 6 0 0 c ，低于传统烧结温度，导致传统方法难以制备出 高致密度、高强度的1 3 t c p 基生物陶瓷。而且q t c p 密度为2 7 7g c m 3 ， 而1 3 一t c p 为3 0 7g c m 3 ，当烧结温度升高，磷酸三钙( t c p ) 由1 3 相变为 a 相时，体积增大，会使陶瓷发生膨胀，从而降低其力学性能。目前，解 决此问题主要从两个方面入手：第一是考虑采取一定的方式使其在较低的 烧结温度下就能够获得高的致密度，关于此方法报道较多的是通过在b t c p 基生物陶瓷中添加低熔点的生物玻璃，以液相烧结的成型方法获得 高致密度的陶瓷植入体。另外有报道【4 8 1 用热压法在11 0 0 0 c 烧结缺钙磷灰 石得到致密的1 3 t c p h a 双相材料。但是以上方法中所用的生物玻璃和热 压设备价格昂贵。另外解决方案是考虑提高t c p 的相变温度，使其在传 统烧结温度11 5 0 0 c 1 2 0 0 0 c 下烧结不会发生相变。关于此方法目前研究较 多的是采用掺杂m g 离子的方法，a n d o 等【4 9 】通过在1 3 t c p q b 掺杂m g o ，将 1 3 相到a 相的相变温度从1 1 5 0 0 c 提高到1 5 0 0 0 c 。原晨光等【5 0 】以磷酸氢二 铵和含0 6 镁的碳酸钙为原料，采用固相法制备1 3 t c p ，制备的b t c p 粉末具有高温稳定性，1 5 相到q 相的相变温度为1 3 5 0 0 c 。d i c k e n s ， s c h r o e d e r 等研究了m g 离子在提高b t c p 的稳定性中的作用 5 1 - 5 4 】。但是 m g 离子的前驱物，如m g c l 2 ，m g ( o h ) 2 或者m g c 0 3 ，会形成其他些稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 定相，如c a l o ( p 0 4 ) 6 ( c 1 ) 2 或者残存很难除去的m g o 。这些物相的存在会影 响t c p 的机械性能和生物学性能。此外有报道指出，掺杂m g 离子会导致 材料在体内降解速率降低【5 5 1 。 1 5 多孑l 磷酸钙陶瓷研究现状 近年来，许多学者对生物陶瓷进行了大量研列5 铂1 1 发现：致密型生物 陶瓷由于缺少孔隙结构，植入机体后宿主组织和血管难以长入材料，而多 孔生物陶瓷由于其结构类似于松质骨，能为新生组织的长入提供支架和通 道，还可为携载骨诱导物质( 如b ) 和药物提供空间，因此对骨组织 生长而言多孔结构是一种理想的结构，制备具有合适孔径、孔隙率、孔的 内部贯通性的多孔支架是非常重要的。 目前报道的制备多孔磷灰石陶瓷的方法多种多样，常见的有以下几 种： 1 、添加造孔剂法：该方法是通过在陶瓷粉料中添加造孔剂，利用这些造 孔剂在高温下燃尽或挥发从而在陶瓷中留下孔隙。这种方法可制得形状复 杂、气孔结构各异的多孔制品，但气孔率不是很高，且气孔分布均匀性差 6 2 - 6 4 o 2 、发泡法：发泡法是在陶瓷组分中添加有机或无机发泡剂，通过化学反 应或热分解等挥发气体，经干燥和烧结制成多孔陶瓷。与泡沫浸渍法相比， 发泡法可以更容易地制备出一定形状、组成和密度的多孔陶瓷。但发泡法 同样也存在一定的缺点，首先采用这种方法制备多孔陶瓷的工艺较为复 杂，其次是整个制备工艺过程不能进行精确的量化控制，许多情况需要靠 经验来调节，从而导致成品率不高【6 5 6 6 。 3 、有机泡沫浸渍法：有机泡沫浸渍法是s c h w a r t z w a l d e r 在1 9 6 3 年发明的 【6 7 1 。该法是将制备好的料浆均匀的涂覆填充在有机泡沫网状体上，干燥后 烧掉有机泡沫，获得多孔陶瓷的一种方法。该方法具有工艺过程简单、操 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 作方便不需要复杂设备、制备成本低、适于工业化大生产等优点。但也存 在较大的缺点：首先，制备出的多孔陶瓷结构受泡沫的结构影响很大。虽 然海绵或泡沫本身结构比较好，但采用泡沫浸渍法制备出的多孔陶瓷结构 却是泡沫的一次反型。其次，制备过程中泡沫的强度和弹性对多孔陶瓷的 结构和性能有很大的影响，如果泡沫材料的强度比较低或弹性小那么多孔 陶瓷陶瓷材料的强度和结构的均匀性就会显著降低【6 8 - 7 0 。 4 、凝胶注模成型法：凝胶注模成型技术( g e l c a s t i n g ) 是由美国橡树岭国 家实验室的m a j e n n y 和o o o m a t e t e 教授于二十世纪九十年代发明。它 是一种把传统陶瓷成型工艺与高分子化学反应相结合的一种崭新的陶瓷 成型工艺。凝胶注模成型是在悬浮介质中加入乙烯基有机单体，然后利用 催化剂和引发剂通过自由基反应使有机单体进行交联，坯体实现原位固 化。这种方法制备的浆料固体含量高，生坯强度高，便于机械加工。但是 对干燥条件要求非常严格，且工艺化程度低【7 1 川】。 此外，还有冷冻干燥法、颗粒堆积法、骨架复制法、快速自动成型等 制备方法。 1 6 本课题研究目的及内容 1 6 1 课题的研究目的 1 近年来，出现的以硝酸钙和五氧化二磷为原料制各纳米羟基磷灰 石的溶胶凝胶法，具有原料价格低廉，制备过程简单，无需调节p h 值和 无需长时间的水解等优点。但是关于此溶胶凝胶体系的反应机理和相变 过程还未见详细报道，而且m h f a t h i 和王峰的报道均显示，用此溶胶 凝胶法制备纳米h a 时，当烧结温度高于7 0 0 0 c ，h a 就会分解为t c p 和 c a o 相，这些问题的存在限制了这种制备方法的应用范围。本课题将对此 溶胶凝胶体系的反应机理和相变过程进行系统研究，并在此基础上寻找 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 问题根源，以期做出解决。 2 b c p 陶瓷制备中存在的主要问题为由于b t c p 相向d 相的转变温 度在1 1 2 0 0 c 1 1 6 0 0 c ，低于传统烧结温度，导致传统烧结方法难以制备出 高强度的、高致密度的b t c p h a 双相陶瓷。有报道【4 8 】用热压法在11 0 0 0 c 烧结缺钙磷灰石得到致密的b t c p h a 双相材料，但是这种方法所需设备 复杂、价格昂贵。因此，寻找一种简单、经济的方法制备致密的b c p 生 物陶瓷是非常必要的。本课题拟采用液相烧结的成型方法，通过在材料中 添加低熔点的物质促进烧结进程，以期在低的烧结温度获得高致密度的1 3 t c p h a 双相复合陶瓷材料。 3 提高t c p 相转变温度目前研究较多的是采用掺杂m g 离子的方法， 但是m g 离子的前驱物，如m g c l 2 ，m g ( o h ) 2 或者m g c 0 3 ，会形成其他 一些稳定相，如c a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( c 1 ) 2 或者残存很难除去的m g o 。这些物相的存 在会影响t c p 的机械性能和生物学性能。本课题将提供一种新的提高t c p 相变温度的方法，该方法是将羟基磷灰石粉添加到五氧化二磷的乙醇溶液 中，使其在烧结过程中发生反应，原位生成1 3 t c p ，将1 3 磷酸三钙向q 相的转变温度提高到13 0 0 0 c 以上，解决磷酸三钙相转变温度高于传统烧 结温度的问题，使得1 3 t c p 基生物陶瓷的烧结不再受温度限制；以五氧 化二磷和乙醇为原料，避免使用m g 稳定1 3 t c p 结构时所产生的杂相。 目前此方法还未见报道。 4 制备多孔生物陶瓷的方法主要有发泡法、添加造孔剂法、有机泡 沫浸渍法、凝胶注模成型，冷冻干燥法等。这些方法的共同点是在制备过 程中都需先制备粉体、然后用已合成的粉体制备多孔材料，制备过程比较 复杂。本课题拟采用上述溶胶凝胶法来制备多孔磷酸钙生物陶瓷，利用 凝胶形成过程中反应产生的气体同时完成发泡成型，省去粉体制备步骤， 以期用此方法制备具有良好贯通性、孔径和孔隙率可控的多孔生物陶瓷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 6 2 课题的研究内容 本课题的研究内容包括以下几个方面： 1 研究硝酸钙五氧化二磷溶胶凝胶体系的反应机理和相变过程；考 察乙二醇对此溶胶一凝胶体系的稳定作用和相变的影响。 2 用液相烧结成型的方法制各高致密度的b t c p h a 双相陶瓷，这 种方法是通过在h a 中添加钙磷比为0 5 6 的低熔点物质( c a o 5 6 1 ) ，使其 在烧结过程中获得液相且同时原位生成b t c p ；考察c a o 5 6 1 的添加量对 1 3 t c p h a 双相陶瓷相成分的影响和致密度的影响。 3 用一种新的方法制备具有高温稳定性的1 3 t c p ，该方法是将羟基 磷灰石粉添加到五氧化二磷的醇溶液中，使其在烧结过程中发生反应，原 位生成b t c p ，使b 磷酸三钙向q 相的转变温度提高到1 3 0 0 0 c 以上，最 后探讨此方法的高温稳定机理。 4 用硝酸钙五氧化二磷溶胶凝胶体系制备多孔磷酸钙生物陶瓷；考 察工艺因素对孔径、孔隙率等的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章羟基磷灰石及磷酸三钙的溶胶凝胶法制 备及体系相变研究 2 1 引言 近年来，出现的以硝酸钙和五氧化二磷为原料制备h a 的溶胶凝胶 法，具有原料价格低廉，制备过程简单，无需调节p h 值和无需长时间的 水解等优点。但是关于此溶胶凝胶体系的反应机理和相变过程还未见详 细报道，而且文献报道显示，用此溶胶凝胶法制备纳米h a 时，当烧结 温度高于7 0 0 0 c ，h a 就会分解为t c p 和c a o 相，这些问题的存在限制 了这种制备方法的应用范围。本章将对此溶胶凝胶体系的反应机理和相 变过程进行系统研究，在此基础上寻找问题根源，并做出解决。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂及仪器 1 主要试剂 表2 1 实验中使用的化学试剂 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 主要仪器 表2 - 2 实验中使用的仪器 2 2 2 实验步骤与方法 图2 1 粉体合成工艺流程图 1 、制备工艺 配溶胶 将称量好 拘c a ( n 0 3 ) 2 - 4 h 2 0 和p 2 0 5 分别溶解在无水乙醇中，然后将这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 两种醇溶液以一定的比例混合均匀，得到前驱液溶胶。在制备以乙二醇作 为稳定剂的样品时，将c a ( n 0 3 ) 2 4 1 4 2 0 溶解到乙醇和乙二醇的混合溶剂中， 然后混合钙磷溶液得到前驱溶胶。 干燥 溶胶陈化2 4 d x 时后，放入搅拌加热套在8 0 c 力l 热搅拌，待溶剂挥发到 一定程度，溶胶转变为粘稠状凝胶，接着将凝胶放入干燥箱中1 0 0 。c 下保 温2 4 d x 时，使凝胶烘干。 煅烧 最后将干凝胶用打粉机打成细粉，经过煅烧，得到最终样品。 2 、实验内容 由于硝酸钙和五氧化二磷所给的纯度分别为 9 9 5 和 1 9 8 ，它们 只是纯度范围，因此在实验中计算原料用量时，硝酸钙纯度假定为9 9 5 而五氧化二磷纯度以9 8 计算，最终的纯度值通过实验结果来确定。各组 实验原料用量如表2 3 、2 4 和2 5 所示。本实验主要包括以下几部分内容： 分别配制钙磷比为1 6 7 添加乙二醇和未添加乙二醇的两组溶胶，将 所得干凝胶烧结后做x r d 分析，考察乙二醇对此溶胶凝胶体系稳定性的 影响。 在保证制得稳定体系( 混合均匀、溶胶无色透明、无白色沉淀呈现) 的前提下，依次配制c a p 比为1 6 7 、1 6 7 5 、1 6 8 、1 6 8 5 、1 6 9 、1 7 2 的 前驱溶胶，将所得干凝胶经1 1 0 0 0