（材料科学与工程专业论文）钛表面电化学沉积纳米羟基磷灰石涂层研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文对金属纯钛表面电化学沉积羟基磷灰石( h a p ) 涂层进行了系统的研究， 通过控制不同的实验参数，成功的在钛表面制备出不同晶体形貌的纳米h a p 涂 层，涂层均匀而致密且达到纳米尺度。采用x 射线衍射法( x r d ) ，扫描电子显 微镜( s e m ) ，透射电子显微镜( t e m ) ，红外光谱( f r i r ) 等分析测试手段，对 h a p 晶体的结构，微观形貌，成分及晶体取向进行了表征。通过扫描电镜详细 观察了纳米h a 晶体的生长过程，获得了h a p 纳米棒的生长规律。利用高分辨 电镜( h r t e m ) 观察了h a p 纳米带的晶格，研究了h a p 纳米带和纳米棒的内 在形成机理，从而为其临床实际应用提供理论基础和技术支持。 n h 4 h 2 p 0 4 ( 或n a h 2 p 0 0 的混合溶液作为电解主盐，电解液钙磷比控制为 1 6 7 ，采用直流电源提供电解3 v 电压，利用氨水调节溶液的p h 值，在8 5 0 c 水 浴槽中沉积2 小时后，高浓度的电解液( 4 x l o - 2 mc a 2 十) 制备出的磷灰石晶体呈带 状，其厚度很薄达到纳米尺寸，这是一种比较罕见的h a p 形貌。当使用低浓度电 解液时( 6 x 1 酽mc a 2 + ) ，沉积出的h a p 晶体形貌为典型的棒状，尺寸为7 0 - - 8 0 r i m ， 截面为规则的六边形，实验发现这种纳米棒状的h a p 与钛基体之间具有更强的 结合力，因而具有更大的临床应用价值。x r d 和瓜分析表明了h a p 的结构和 成分，带状和棒状h a p 的x r d 粉末的衍射峰与标准的h a p 衍射峰匹配良好， 但在钛表面沉积的h a p 涂层出现了明锐的( 0 0 2 ) 衍射峰，表明晶体在钛表面生 长时出现了( 0 0 2 ) 择优取向，在扫描电镜下也得到了证实。 其次，实验利用扫描电镜( s e m ) 对纳米棒状h a p 生长 ( 2 m i n ，5 m i n ，1 0 m i r a ，3 0 m i m ，6 0 r a i n ) 的过程进行了详细的观察和记录，我们发现 纳米棒状h a p 在最初阶段形成细针状，在沉积十分钟后，在第一层h a p 上会形 成第二层花形h a p ，并且第二层h a p 在形成初始阶段同样为针状，随着时问的 延长，针状逐渐向棒状转变，最终形成截面为六边形的h a p ，从而获得了棒状 r a p 的生长规律。为研究带状h a p 的形成机理，实验采用高分辨电镜( h r t e m ) 分析了带状h a p 的微观结构，证实了带状h a p 不是通过在钛表面h a p 直接形 核长大而形成的，而是通过不稳定的中间相( 前驱体，主要是o c p ) 转变为热 力学稳定的h a p ，从而为o c p 向h a p 转变的理论提供了实验证明。 浙江大学硕士学位论文 摘要 另外实验还研究了不同离子( 阳离子：n a + ，阴离子：c r ，醋酸根离子，乳 酸根离子) 对沉积h a p 晶体形貌的影响，结果发现，当用n a h 2 p 0 4 代替b 瑾t 4 h z p 0 4 时，对形成带状i i a p 的影响不大，而对棒状r i a p 的形貌的影响则较为明显，n a p 棒的直径明显增大( 1 8 0 h m 左右) ，长度减小当a 代替n 0 3 2 一对形成h a p 形 貌影响极小，当采用醋酸钙代替硝酸钙时，i - i a p 纳米棒均匀而致密，采用乳酸 钙代替硝酸钙时，采用新鲜溶液制备出来的h a p 基本形貌仍为棒状，但是溶液 经过一星期的陈化后，沉积涂层晶体形貌发生了显著的改变，由棒状转变为颗粒 状。 关键词：羟基磷灰石；钛；电化学；涂层；纳米带；纳米棒；生物材料 浙江大学硬士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h i sa r t i c l em a d eas y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h eh a pc o a t i n g sd e p o s i t e do n t i t a n i u ms u r f a c ew i t he l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d b yc o n t r o l l i n gd i f f e r e n te x p e r i m e n t a l p a r a m e t e r s , t h en a n o m e t e rh a pc o a t i n g so fd i f f e r e n tc r y s t a lm o r p h o l o g i e sw e r c s u c c e s s f u l l yp r e p a r e do nt h et i t a n i u ms u r f a c e t h es t r u c t u r e , t h em i c r o - m o r p h o l o g y , i n g r e d i e n t sa n do r i e n t a t i o no ft h eh a pc r y s t a l sw e r ec h a r a c t e r i z e dw i t ht h ea n a l y t i c t e s t i n gm e t h o d ss u c ha sx r d 9s e m ，t e ma n df t n lf u r t h e r m o r e ，t h eg r o w i n gr u l e s o ft h eh a pn a n o r o dw e r eo b t a i n e dt h r o u g ho b s e r v i n gt h eg r o w i n gp r o c e s so ft h e n a n oh a p c r y s t a l sb ym e a l 强o fs e m u s i n gh r t e m ，t h el a t t i c eo fn a n or i b b o n - l i k e h a pc r y s t a lw a so b s e r v e d t h em e c h a n i s mo fl l a n or i b b o n l i k ea n dr o d l i k eh a p c r y s t a l s f o r m a t i o nw a ss t u d i e d , w h i c hp r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a l s u p p o r tf o rt h ec l i n i ca p p l i c a t i o n h o m o g e n e o u sc o a t i n g sw e r ea t t a i n e db ye l e c t r o c h e m i c a lm e t h o di ne l e c t r o l y t e s c o n t a i n i n gc a 2 + a n dp 0 4 3 i o n sw i t hc a pr a t i ob e i n g1 6 7 s e mo b s e r v a t i o ns h o w e d t h a tt h eh a pc r y s t a l sp r e p a r e dw i t hh i g h e rc o n c e n t r a t i o ne l e c t r o l y t e ( 4 x 1 0 2 mc a l a r cr i b b o n l i k ew i t ht h i c k n e s so fn a n o m e t e rs i z e , am o r p h o l o g ys e l d o mr e p o r t e d p r e v i o u s l y i na ne l e c t r o l y t eo f l o w e rc o n c e n t r a t i o n ( 6 x 1 0 - 4 mc a 2 ) ，t h eh a pc r y s t a l s f o r m e da r er o d - l i k ew i t hah e x a g o n a lc r o s ss e c t i o na n dd i a m e t e ro fa b o u t7 0 - 8 0 n m x r d p a t t e r n sa n di rs p e c t r ac o n f i r m e dt h a tt h ec o a t i n g sc o n s i s to fh a pc r y s t a l s t e mm i c r o g r a p hsa n ds a di n d i c a t e dt h a tt h el o n g i t u d ed i r e c t i o nf o rb o t h r i b b o n - l i k ea n dr o d l i k ec r y s t a li s ，a n dt h ef l a ts u r f a c eo ft h er i b b o ni s ( 1 1 0 ) h r t e ms h o w e dt h a tt h er i b b o n - l i k ec r y s t a li sam i x t u r eo fh a pa n do c p a s e r i e so fh y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g su n d e rd i f f e r e n td e p o s i t i o nd u r a t i o n s ( 2 5 ，1 0 , 3 0a n d6 0m i n ) w e r ep r e p a r e da n dc h a r a c t e r i z e dt oi n v e s t i g a t et h ec o a t i n g sg r o w t h b e h a v i o r f o l l o w i n gl a w so fc o a t i n gg r o w t hw e r eo b s e r v e d ：( 1 ) p r e f e r e n t i a lg r o w t h w i t ht h ec - a x i so ft h eh a pc r y s t a lp e r p e n d i c u l a rt ow o r k i n gs u r f a c ei sd e t e c t e di nt h e x r dm e a s u r e m e n t sw i t ht h ep c a l 【o f ( 0 0 2 ) c r y s t a lf a c eb e i n gg r e a t l yi n t e n s i f i e d ；( 2 ) a f t e rf o r m a t i o no ft h ei n t e r i o rn e e d l e l i k ec r y s t a l ，s e v e r a lt i n yh a p p l a t e l e t sc o u l db e m 浙江大学硕士学位论文 a d s o r b e do ni t ss u r f a c ea n dr e s u l ti nf o r m i n gap i e c eo fc r y s t a ll a y e ro u to ft h ei n t e r i o r o n e a c c o r d i n gt o t h i sk i n do fg r o w t hm o d e ，t h ei n n e r m o s th a pc r y s t a lw i l lb e e n w r a p p e db ys e v e r a lc r y s t a ll a y e r ss oa st of o r mt h ef i n a lm o r p h o l o g yo ft h eh a p c r y s t a l ( 3 ) w i t hs u b s e q u e n tg r o w t h , t h eh a pc r y s t a l s l o s et h e i rn e e d l e l i k e c h a r a f t e ra n db c o 咖cl i l o r er o d - s h a p e d t h ef i n a lm o r p h o l o g yo fh a pi sar o d - l i k e c r y s t a lw i t har e g u l a rh e x a g o n a l a o s ss e c t i o n , o fw h i c ht h ed i a m e t e ri sa b o u t8 0 r i mo f t h ei n n e rl a y e ra n d1 1 0 n mo ft h eo u t e rl a y e r b e s i d e s , t h ee x p e r i m e n ta l s or e s e a r c h e do nt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n ti o n s ( c a t i o n ：n a + ，a n i o n ：c i ，c h 3 c o o h , c 3 l - 1 5 0 3 ) o nt h em o r p h o l o g yo fh a pc r y s t a l s s e mo b s e r v a t i o ns h o w st h a tw h e nn h 4 h 2 p 0 4w a ss u b s t i t u t e db yn a h 2 l 0 4 , i td i d n t h a v eg r e a ti n f l u e n c ef i l lt h en b b o n l i k eh a pw h i l ew a so b v i o u s l yi n f l u e n t i a lt ot h e m o r p h o l o g yo ft h er o d - l i k eh a p t h ed i a m e t e ro ft h er o d l i k eh a pc r y s t a li n c r e a s e d o b v i o u s l y ( a r o u n di s o n m ) a n dt h el e n g t ho ft h a t d e c r e a s e d w h e nn 0 3 2 一w a s r e p l a c e db yc i ，t h e i n f l u e n c eb e c a m el i t t l e w h e nn 0 3 w a ss u b s t i t u t e db y c h 3 c o o h ，t h en a n om d l i k eh a pc o a t i n g sg o tm o r ec o h e r e n ta n dd e n s e r w h e n u s i n gc 3 h 5 c a 0 3 t or e p l a c ec a ( n 0 3 ) 2 , t h em o r p h o l o g yo fh a p c r y s t a l sp r e p a r e dw i t h t h e 缸s he l e c t r o l y t er e t a i n e dr o d s h a p e d h o w e v e r , a f t e raw e e k sp l a c e do ft h e f o r m e re l e c t r o l y t e ，g r e a tc h a n g e st o o kp l a c ei nt h em o r p h o l o g yo ft h ed e p o s i t e d c r y s t a l s ，w i t ht h er o d - l i k ec r y s t a l st u r n i n gi n t ot h eg r a n u l e l i k eo n e s k e y w o r d s ：h y d r o x y a p a t i t e ；t i t a n i u m ；e l e c t r o c h e m i c a l ；c o a t i n g ；m or i b b o n - l i k e ； l l a n or o d 1 i k e ；b i o m a t e r i a l s i v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 前言 自从人类诞生以来，人类的发展与材料的改进就结下了不解之缘所以，史 学家们将人类的历史发展进程划分为：石器时代、陶器时代、铜器时代和铁器时 代。过去，作为人类认识自然和改造自然的工具，结构材料一直占主导的地位 随着现代社会和科学技术的发展，功能材料越来越显示出其强大的生命力和巨大 的市场潜力。材料是人类生产和生活的物质基础，无论是工农业生产、国防建设， 还是人们衣、食、住、行等日常生活都需要各种各样的材料。因而材料的品种、 数量和质量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要依据。生物材料 是新型材料的重要组成部分，是生物医学工程学的四大支柱之一，其内容涉及材 料，医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域，是可以对机体组织进行 修复、替代和再生的特殊功能材料【1 1 生物材料的定义很多，归纳起来生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 又称 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) ，是指用于诊断、治疗、修复、替换人体组织、器官、 或增进其功能的高科技新材料【2 1 作为近3 0 年来发展起来的一类高新技术，生物 医学材料的成功应用不仅挽救了千百万人的生命，而且大大提高了生命质量，素 有人造零件之称。生物材料的研究实际上是个非常古老的命题，其历史与人类的 历史一样漫长。若追溯至远古，公元前约3 5 0 0 年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃 作缝合线缝合伤口：墨西哥的印第安人使用木片修补受伤的颅骨；公元前2 5 年， 中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻和假耳；1 9 世纪，金、银和铂等金属开 始被用作人体硬组织修复物；2 0 世纪7 0 年代玻璃陶瓷、羟基磷灰石等进入临床应 用以后，将生物材料的研究推向了一个新的阶段。8 0 年代以来各种复合材料的出 现使生物材料的研究与开发更为深入和广泛。 据了解，生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要 的意义。生物医用材料具有很高的附加值，其每公斤达1 2 0 0 1 5 0 0 0 0 美元1 3 1 ，而建 筑材料仅为0 1 1 2 美元，宇航材料也仅为1 0 0 1 2 0 0 美元。随着人口老龄化和各 类创伤的增加，近十年来生物医学材料和制品的市场一直保持2 0 左右的年增长 率，其发展趋势已可以与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正在成长为 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 下个世界经济的支柱产业，对国民经济的发展有着不可忽视的重要作用目前， 国内生物医学材料也处于高速发展的势头，国家在这方面投入了大量的人力物 力，使其有了快速发展，但较之发达国家却有很大差距，据悉，同类产品与国外 产品相比，基本上档次低、质量差、价格低、缺乏知识产权大量价格昂贵的进 口产品不仅加重了国家和个人的医疗费用负担，而且严重威胁到我国这一行业的 生死存亡因此，采取有效措施发展生物医用材料己是我国经济和社会发展的一 项迫切任务。一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本要求：无毒性， 不致癌，不引起人体细胞的突变和反应；与人体组织相容性好，无溶血、凝学现 象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机 械性能 图1 1 常见的生物医用材料 根据物质属性，生物医学材料，分为以下五类：医用金属材料，生物陶瓷， 医用高分子，生物医学复合材料和生物降解材料。常见的生物医用材科如图1 1 所示。 1 2 医用金属材料 生物医用金属材料主要是医用金属和合金。医用金属具有良好的力学性能 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 耐磨强度高等) 和抗疲劳特性，广泛应用于承力植入材料从最初的贵金属，发 展到现在的各种合金，医用金属的应用己有很长的历史。医用金属广泛应用于临 床在骨科中用于制备各种人工骨，人工关节和骨折内固定器械；在口腔科中主要 制造义齿、齿套、牙根和充填材料i ”在临床上得到广泛应用的金属材料为医用 不锈钢、医用钴基合金、医用贵金属、医用钛及钛合金等。 不锈钢材料中，奥氏体不锈钢有良好的耐腐蚀性，是最常用的医用金属材 料】；马氏体不锈钢耐腐蚀性能不是最好，但硬度大，强度高，多用于制作外 科手术器械；沉淀硬化型不锈钢在医学上的应用刚得到开发：铁素体不锈钢因性 能限制而在医学上应用较少不锈钢具有中等到高的弹性模量和拉伸强度以及良 好的生物相容性和延展性，被广泛应用于骨折固定器械，但不锈钢的疲劳性能和 人体环境下的耐腐蚀性能较差医用不锈钢在体内使用会涉及不锈钢在体内的腐 蚀行为和金属离子溶出所引起的组织学反应，据文献报道3 ，有时患者会因不 锈钢材料的植入而引起炎症或其它过敏反应医用钴基合金主要c o - c r 合金、 c o - c r - m o 合金、c o - c r - w - n i 合金、c o - n i c r - m o - w f e 合金和m p 3 5 n 钴镍合金及 其烤瓷合金，其中较为常用的是c o c r 合金，它们具有高的耐腐蚀性能、疲劳性 能、强度和硬度，在人工关节和全关节假体方面得到广泛的应用，但延展性较差， 难以成形。医用贵金属是指用作生物材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属 具有独特、稳定的物理和化学性能，其抗腐蚀性能良好，且其本身美观，高贵的 属性能够满足人们的心理需求，然而医用贵金属的成本太高，不利于推广使用。 医用纯钛及钛合金的弹性模量只有不锈钢和c o _ c r 台金的一半，有利于消除因种 植体材料弹性模量过高而导致的应力屏蔽现象，防止周围骨质量的恶化。此外， 它们具有更低的密度和更优越的生物相容性。因而医用纯钛及钛合金受到材料界 和医学界的广泛重视，在临床上得到广泛应用。因而这里重点介绍钛及其合金 1 2 1 钛合金的结构与性能 在医学中最常用的为纯钛( 根据其中杂质元素的含量差别，纯钛可分为四级) 与t i 6 a i - 4 v ，具体化学成分如表1 - 1 所示1 7 】。 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 1t i 金属和髓合金的化学成分组成( a s t m 6 7 ，f 1 3 6 ) 元素 i 面6 a 1 4 v 氮 0 0 3 o 0 30 0 50 0 50 0 5 碳 o 1 00 1 00 1 0o 1 00 0 8 氢 0 0 1 50 0 1 5o 0 1 5 0 0 1 50 0 1 2 5 铁 0 2 0o - 3 00 3 00 5 00 2 5 氧 0 1 80 2 50 3 5 0 4 0o 1 3 钛平衡 钛的密度为4 s g e m 3 ，相对与不锈钢、钴等要低很多，所以其比强度较高。 纯钛及砸6 越4 v 的力学性能如表1 - 2 所示川 表1 - 2t i 及髓合金的机械力学性能( a 盯m ，f 1 3 6 ) 性能 ii i i h啊6 a l - 4 v 拉伸强度m p a 2 4 03 4 5 4 5 05 5 08 6 0 屈服强度m p a 1 7 0 2 7 53 8 04 8 57 9 5 延伸率 2 4 2 01 81 5 1 0 断面收缩率 3 03 03 02 5 2 5 从表1 - 1 与表1 2 中可以看出：在纯钛中，随着杂质元素含量升高，其强度 在增加，而其韧性、延伸率在降低。纯钛具有两种结构，在低温( 8 2 2 ) 下为 密排六方结构( a 结构) ，在高温下为体心立方结构( b 结构) 。通常使用的纯钛 都为a 钛，其强度较低。加入了砧、v 后合金为a + b 两相结构，其强度大大增 加嗍。从表1 2 中可以看出t i 6 a i - 4 v 的强度要比纯钛高很多，超过了3 1 6 l 型不 锈钢的性能。钛属于活泼金属，在高温下极易与氧反应。因此，高温加工需要在 惰性气体保护下或者真空下进行。如果氧溶入砸中，将会导致材料的脆化。通 常对钛合金的热加工或者锻造工序均应在低于9 2 5 c 进行。常温下，由于钛表面 形成一层致密的氧化层，阻止了其与氧气的反应，所以表现出非常强的抗腐蚀能 力。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 钛合金在医学中的应用 钛合金在医学上主要有两类用途一类是用于骨植入材料，另一类用于口腔 材料目前常用的是纯钛以及t i 6 a i - 4 v 合金。纯钛是纯a 相结构，具有优秀的 耐腐蚀性能，但由于其强度较低，常用于口腔修复以及较小受力部分的修复。加 入了a l 、v 后，噩6 a l - 4 v 组织为a + b 结构，因此强度有了很大的提高，可以 用于承载力部分的修复，是目前使用最广泛的植入体材料1 8 1 。 1 2 2 1 在植入体中的应用 金属具有很好的机械力学性能，常用于医用植入体常用的金属植入材料有 不锈钢、钴基合金、钛合金等 用于植入体的材料要求具有较高的强度，并且加工性能良好，人体对其没有 排异反应，无毒，并且具有较好的耐腐蚀性能强度方面，几种金属都具有比人 体密质骨高的抗拉强度。腐蚀方面，人体体液通常p h 值约为7 4 ，温度稳定在 3 7 ，这种情况看上去并不具有很强的腐蚀性。但有两种特性决定了这种环境下 的腐蚀性。第一，含盐的溶液促进了腐蚀和水解。第二人体组织中有很多种类 的分子和细胞，它们有催化化学反应与破坏外来成分的能力。金属毒性方面，目 前认为n i 、c r 等子等对细胞具有明显的毒性，而离子过量则认为是老年痴呆 症的诱发因素之一嗍。 不锈钢是最早用于临床的植入材料，最常用的为3 1 6 l 型不锈钢。其价格便 宜，加工性能好，早期被大量使用。不锈钢的耐腐蚀性能主要由c r 在表面形成 一层很薄的钝化膜实现。但在体内环境中，不锈钢的腐蚀仍然很严重。其溶出的 n i 、c r 等等具有毒性。另外由于冷加工造成不锈钢中产生部分马氏体，使得植 入体具有磁性，进而影响核磁共振的检查嘲。 继不锈钢之后，出现了c o 基合金，最常见的为c o c r ，c o c r - m o 合金。钴 基合金具有比不锈钢更好的耐腐蚀性能以及更高的耐磨性能，容易铸造成型，曾 大量用做人工关节材料。有研究表明，钴铬合金对成骨细胞有一定的毒性作用。 另外由于钴的密度大，弹性模量与人骨相差较大，晶粒粗大，机械加工困难都是 其缺点，目前在临床的使用在减小【9 l 。 钛具有低的密度与弹性模量，优秀的耐腐蚀性能，较好的生物相容性。2 0 s 浙筵大学硕士学位论文 第一章绪论 世纪4 0 年代b a t h e 和l e v e n t b a l 等首先将钛应用于医学领域。但直到7 0 年代后， 钛在医学上的使用才逐渐普遍。钛的密度较低，因此其比强度度高。钛表面有一 层致密的氧化层，使其具有非常好的耐腐蚀性能。而临床实践表明钛在植入人体 后，具有很好的生物相容性作为骨植入材料，钛合金常用于骨连接器械以及人 工关节：如钛合金固定矫形钉，人工髋关节。图1 - 1 即为美国强生d e p u y 生产的 人工髋关节以及关节植入后的x 光照片 图1 - 2d e p u y 生产的弧合金髋关节与植入后x 光照片 1 2 2 2 在口腔医学中的应用 在制作义齿所用的金属主要有贵金属合金( 金、银等) 钴铬合金、镍铬合金 和不锈钢。由于c o 、c r 、n i 对人体都是有毒性的，a u 是惰性的同时具有优良 的延展性，但是其价格昂贵，在国内暂时不会普及应用。而钛容易得到，同时具 有较好的力学性能并没有毒性，正广泛地用于义齿制作。在牙种植体中，目前采 用的几乎都是纯钛。7 7 年b r a m m 缸k 最早报导了两段式植入体，所采用的材料即 为纯钛。他们的研究表明纯钛与骨组织相容性非常好，可以形成无纤维包绕层的 直接结合，这种结合后来被称做骨整合( o s t c o i l l t e 伊a t i ) 【1 0 1 图1 2 为两段式牙 种植体示意图及韩国d e n t i u m 公司生产的牙种植体。 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 牙种植体 ( i ) 左半部是正常牙的结构，右半部是牙种植体植入后的结构 彻牙种植体的两个钛制部件；上面的部件，连接牙冠 1 2 2 3 医用钛合金的发展 虽然啊融1 4 v 具有良好的综合性能，但v 对人体是有毒，可以引发恶性 组织反应。目前德国和瑞士材料学家开发出t i 5 a i 2 5 f e 和t i 6 a i - 7 n b 两种不含 v 的合金。伽对人体是否有害也存在争议，有研究认为a l 是引发老年痴呆症的 原因之一最近有砸1 3 n b - 1 3 z r 和t i 1 2 m o - 6 z r - 2 f c 两种不含m 的合金被f d a 批准。从耐磨性能来考虑，啊- 6 舢4 v 要比不锈钢、钴基合金差，更容易受到磨 损腐蚀。另外t i - 6 a i - 4 v 其弹性模量仍然要比骨高得多，造成“应力遮蔽现象， 影响周围骨的性能。t i 1 2 m o - 6 z r - 2 f e 是亚稳态的b 型生物钛合金，具有较低的 弹性模量，高强度、并具有较高的断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性等综合性能，是 很有发展潜力的新型医用钛合金阁。 1 2 3 钛及钛合金的生物学性能 表1 3 给出了几种金属试体动物埋藏镜检结果1 1 1 ，从表中可以发现纯钛f r i ) 较其他金属组织反应轻微，表明纯t i 具有良好的生物相容性。 7 浙江大学硕士学位论文第一章罐论 表1 - $ 金属试体动物埋藏镜检结果 第一组第二组第三组第四组 本后l 2 用术后6 1 1 月木后1 2 周束后1 6 2 4 量晨 麓 锺胞敷细胞敲旗厚 细胞致 晨厚 藏厚 c 个，视野( 种( 姗) ( 个，( n u n )( n u n ) 视野)视野) a i s l 3 1 6毛l ，2 瑚o 舶昵 1 3 0o t 0 3 9o 0 2 9 9 不锈钢 铸造怙基含 矗8 i2 - 6 9o 舶5 7i 6 0o 0 3 均o m 2 9 5 金 纯钍9 5 01 7 so 0 5 3 肿 o 0 2 10 8 6 l c n 射噜i 歹n1 2 2 多5 3 l0 0 4 2 93 饥o s 7 l0 m t i 的生物相容性好主要是由于其表面易与氧反应形成致密氧化膜，一定程度 上阻止了金属离子的溶出t i 具有较小的组织反应与t i 0 2 具有较高的介电常数有 关。t i 0 2 在室温下以板钛矿、锐钛矿和金红石几种形式存在，这三者的介电常数 均较大，分别为7 8 , 4 8 f f w l l 0 ( k h z ) 1 1 1 l 。其平均介电常数与水相近，这表明t i 在水 溶液中因极化而产生的静电力较小。当介电常数明显不同于水时，蛋白质分子就 会在极化作用产生的定向静电力的作用下向种植体表面靠近，也就是说，在体内 t i 种植体表面吸附蛋白质分子的几率较小。此外，在生理环境中，t i 表面会吸附 少量负离子，带上微弱的负电荷，体液中的钙离子将在库仑力的作用下和t i 表面 的负电荷结合，而t i 0 2 表面t 拘o h - 将通过氢键吸弓l p 0 4 3 向表面聚集，表面钙离子 和磷酸根离子的富集使得体液相对于羟基磷灰石的局部过饱和度增加，当过饱和 度大于磷灰石非均质形核所需要的临界值时，磷灰石晶核就会形成并自发长大 1 1 1 1 2 l 。因此纯t i 为较理想且具有发展潜力的生物材料，己列入i s o 国际标准。 在医用金属当中应用最多的是钛合金。钛和钛合金的弹性模量低，比强度高， 与人骨最为接近，已用于制作人工关节、骨和义齿等，钛合金存在很多缺陷，如 有毒元素扩散、腐蚀失效等。目前许多科研单位正致力于改善这些缺陷的工作， 如日本工业大学，神户制钢所技术开发部等，在钛基中加入铝、钯等金属以提高 钦合金的耐蚀性，这一项目己完成临床试验，得到了科学界认可。钛基中加入钒、 铝的合金是现在最引人注目的金属植入物，但是钒进入人体能引起慢性炎症1 1 3 1 铝离子与无机磷结合，使体内磷缺乏，将诱发老年痴呆症【1 4 1 因此，人们将眼光 转向生物适应性优良的锡等合金化元素，以取代钒、铝金属。结果发现，生物亲 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 和性显著提高，耐磨性等机械性能也有较大改善。另外在钛及合金表面注入氮离 子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，可大大提高耐磨、耐蚀性能；表面等离子喷 涂羟基磷灰石陶瓷涂层的技术，使钛合金表面具有生物活性，用于钛种植牙根【明 的金属医学生物材料的腐蚀行为是非常复杂的，其影响因素也是多种多样的，涉 及到材料的合金成分，植入体的设计制作，与周围组织的作用方式等。所以，关 于其腐蚀失效行为的分析，新型耐蚀、耐磨、耐疲劳及生物相容性医用金属的开 发研制，将是一项长期而艰巨的课题。 1 3 生物陶瓷 医学上广泛研究和应用各种陶瓷材料，还是近二十年的事。生物陶瓷材料做 为无机生物医用材料，没有毒副作用，与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐 蚀等优点越来越受到人们的重视生物陶瓷主要用于人体硬组织修复和重建，与 传统的陶瓷材料不同，它不但指多晶体，而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微 晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属、无机与无机、无机与有机的复合材 料。 据资料报道 3 1 ，生物陶瓷材料作为生物材料始于1 8 世纪初。1 8 0 8 年成功制备 得到用于镶牙齿的陶齿，1 8 9 2 年d r e e s m a n 发表有关使用熟石膏填充骨缺损的第一 篇报告。1 9 6 3 年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，该年s m i t h 报告发展了一 种陶瓷骨替代材料【垌，这是一种用环氧树脂浸透的4 8 气孔的多孔铝酸盐材料， 它与骨组织的物理性能很匹配。1 9 6 9 年h e n c h 教授【1 1 川首先研制出生物活性玻璃， 并发现生物玻璃陶瓷植入人体后，可以在界面上与硬，软组织形成键合，从此掀 起了生物陶瓷材料研究和应用的高潮。1 9 7 1 年，羟基磷灰石陶瓷首次得到了成功 的应用，从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元【1 8 - 2 0 1 。 根据生物陶瓷材料在人体内引起的组织一材料反应情况，将它们分为生物惰 性陶瓷和生物活性陶冽2 t , 2 2 1 。 生物惰性陶瓷是指化学性能稳定，与机体组织生物相容性好的陶瓷材料。从 材料结构来看，其化学键较强，具有比较高的机械强度和耐磨损性能，可以应用 于各种人工关节，人工骨和人工齿根。这类材料在体内能耐腐蚀、耐磨损、不降 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 解、不变质，可在体内长期使用，但是这类材料不与生物机体组织发生反应，植 入生物体内后，容易使机体产生排异现象，在种植体与生物机体之间形成一定厚 度的纤维组织。这层纤维膜与种植体之间是不紧密的机械结合，因而会产生微小 的滑动，而这种微小的滑动会引起种植体的磨损，从而会给种植体的固定带来影 响，最终引起种植体的抗疲劳性能降低，甚至松动断裂。目前研究的生物惰性陶 瓷主要有多晶氧化铝、单晶氧化铝、氧化锆、热解碳等材料。 生物活性陶瓷能与骨组织发生活性结合，它们的特征是材料含有人体正常新 陈代谢所需要的元素，如钙磷等。此类材料能在生理环境中逐步降解和吸收，或 与肌体组织之间形成稳定化学键合，从而在种植体与机体组织之间形成紧密的化 学结合层，这种结合层能够阻止种植体在体液中的腐蚀，提高种植体的使用寿命。 目前研究的生物活性陶瓷有生物玻璃、羟基磷灰石生物活性陶瓷、可降解生物陶 瓷及磷酸钙基骨水泥l 嚣瞎，其中羟基磷灰石为这一类物质中的典型代表。表1 4 列出了不同类型的生物陶瓷植入体与组织结合的情况 表1 4 生物陶瓷与人体组织的结合类型 t y p eo t t m # 珊t y p eo f a t t n c h m e r db 【雄 m 优l l b 凼c mi n t e r l o c k n e a r l y i n e r t o 2 0 , z i r c o m l o i 如l o g i c 越f i m i o e ) i n g r o w t ho f t i s s t 燃i n t op o l r o u sh y d r o x y g m f i t e ( h a ) p o r o m ( b i o l o g i c a l 研舶n h ac o a t e di m r o u sm e 协i o i n t e r f a c i 址b o 蜘谢咖 8 i o 州：l i w 脚黼 b i o l “v e 畦胬黼 1 3 i o m i v e ( b i o i 咖r o , a t m ) # r o x y 冲a t i t ef i r e ) t r i c a l e i m ml , h o s p l t a t e r 嚣m 七吐h e r e # a c e m e mw i t ht i s s u e s b i o a c t i v eo a m s 化学成分不同的磷酸钙盐在人骨和牙齿中大量存在。在人骨中，羟基磷灰石 ( h a p ) 是主要的无机成分， 重量百分1 ：t 达6 9 ，其他的磷酸钙盐在人骨中占 小部分，这其中包括c a 2 p 2 0 7 ( c p p ) ，磷酸酸钙 c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( t c p ) 】和正磷酸 钙【c a _ 4 p 2 0 9 ( t e t c p ) 】俐等。磷酸钙盐作为硬组织的基本无机成分，具有优越的 浙让大学硕士学位论文 第一章绪论 生物相容性和良好的直接聚集骨组织的能力，具有优越的生物相容性和良好的直 接聚集骨组织的能力【例如b 磷酸三钙( 8 - - t c p ) 】，或者允许骨的新生组织长 入其多孔的结构里【2 5 l 【例如羟基磷灰石( h a p ) 多孔陶瓷】。在过去的几十年里， 作为骨和牙齿的植入材料，磷酸钙盐日益引起了人们的广泛关注，其中有义羟 基磷灰石和b 磷酸酸钙最具吸引力，它们可以作为骨填充材料或用作外科硬组织 的植入材料。近年来羟基磷灰石已经成为生物材料领域研究的热点和前沿，以下 将对其做重点介绍。 1 t 1 羟基磷灰石生物陶瓷简介 羟基磷灰石( h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a p ，分子式为c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ) 它是目前 研究最多的生物活性材料之一，作为最有代表性的生物活性陶瓷，h a p 在近代生 物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注，首次的人工合成h a p 是在1 8 7 1 年。但是由于技术工艺的限制，直到1 9 7 1 年人们才制各, m h a p 生物活性陶瓷，并 随之成功的将其应用到临床自此以后，h a p 的研究和应用范围得到了迅速扩大 和发展。而到年代末，h a p 已成为l 临床选用的一类重要的生物材料，并已商业 化【坞- 2 0 l 。h a p 也是本课题的研究对象，关于它的特性及应用将在下一节作专门介 绍。 h a p 是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分【旧， 人体骨骼的结构和微观 形貌如图所示。在骨骼中的h a p 通常呈片状，尺度为纳米尺度，在骨骼中形成微 观多孔的结构。骨骼中主要是有磷灰石和胶原纤维组成。它们相互排列的组成结 构示意图如图1 4 所示 图l _ 4 哺乳动物骨骼的结构 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 c r , s 嘲a lo f c i l i a 扣5 0 2 5 、4 _ ， 图l - 5 骨骼a p 和胶原纤维捧列示意图 h a p 在生物体内除了存在于骨骼中。还广泛的存在于牙齿内，牙齿的牙釉质 主要也是由h a p 和胶原组成。如图所示，其中h a p 的晶体不同于骨骼中的纳米片 状，而是表现为纳米棒状，且这种纳米棒在空间排列整齐交错，这种独特的显微 结构可能决定了牙釉质的高强度。 图1 - 6 牙齿组成示意图及其微观组织的s e m 照片 此外，姒p 还广泛的存在于我们周围的世界，如图，螃蟹，虾等甲壳类动物 坚硬的外壳主要是由h a p 构成的，而指甲同样e h h a p 和胶原构成，然而非脊椎 动物，即软体动物的外壳( 外骨) 则由方解石和文石构成【1 s l ，为什么草蛇使用碳 酸钙来支撑它的软组织但脊椎动物的骨却由磷酸钙构成，这一点目前并不清楚。 推测每种生物矿物都具有由其有机组织的进化状态决定的特殊的化学，生物和力 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 学性能 1 3 2 羟基磷灰石晶