（材料加工工程专业论文）钙磷陶瓷粉体的合成工艺研究及其特征控制.pdf

摘要 摘要 本研究利用反应条件较易控制的液相中和反应作为基本的反应过程，选择 c a t o h ) - d i - 1 3 p o 。反应体系制备钙磷陶瓷粉体，对合成的粉体进行了测试与表征， 并对控制湿法合成钙磷陶瓷粉体的成分和粒度等特征的工艺因素进行了研究。 在合成过程中用机械球磨对反应体系进行处理，可以有效促进多相反应的进 行，得到具有纯度高、化学成分符合要求，粉体粒度明显细化等特点的d 磷酸三 钙( 1 3 - t c i ) 粉体。针对粉体细化产生的团聚，在液相反应、干燥和煅烧各个阶 段采取适当的控制措施，最终制备出粒径细小且分布均一的t c p 粉体。 通过对体系反应机理的研究，分析了影响液相中羟基磷灰石( h a ) 析出固 相颗粒的大小、形状和均匀程度的因素，研究了原料配比、反应浓度、搅拌速度、 体系反应温度、陈化处理、化学改性、干燥方式以及煅烧条件等因素对粉体成分 和粒度的影响。通过对合成工艺过程的控制，制备出组成单一、均匀，粒径细小 的h a 粉体。 研究超细粉体的合成工艺制备超细h a 粉体，超细h a 粉体的合成利用结合 机械球磨的沉淀法工艺。在制备过程中严格控制工艺参数：原料c a p 配比为1 6 7 ， 体系浓度降低至o ，1 5 m o l l ，提高搅拌速度( 1 0 0 0 r r a i n ) ，体系维持低温反应，并 在液相反应、干燥和煅烧各个阶段采取适当的措施减轻团聚，最终制备出成份稳 定、单一，粒径细小且分布均匀的粉体粒子。 关键词：骨组织工程，生物陶瓷，p 一磷酸三钙，羟基磷灰石，超细粉体 a b s t r a c t t h ep r e p r a r a t i o no ft h ec a l c i u mp h o s p h a t ep o w d e r sw a sb a s e do np r e c i p i t a t i o n p r o c e s sa n dt h ec a ( o h ) 2 h 3 p 0 4s y s t e mw a ss e l e c t e d t h ec o m p o s i t i o na n d g r a n u l a r i t yo fp o w d e r sw a sa n a l y s i z e da n dc h a r a c t e r i z e d t h ec o n t r o lt e c h n i c s o f p o w d e r s w h i c hw e r es y n t h e s i z e di ns o l u t i o nh a sb e e ns t u d i e d s y n t h e s i s o f1 3 - t r i c a l e i u m p h o s p h a t ep o w d e rw a si n w e ta t m o s p h e r ew i t h b a l l m i l l i n gm e t h o d ，w h i c hw a su s e dt oi m p r o v et h ec o n d i t i o no f m u l t i p h a s er e a c t i o n a n dm i n i s hg r a n u l a r i t yo f p o w d e r i no r d e rt or e d u c et h er e u n i t e ，w es h o u l dc o n t r o l t h ep r o c e s so fr e a c t i o na n ds e l e c t a p p r o p r i a t ed r y i n gm e t h o da n dc a l c i n a t i o n s t e m p e r a t u r e i no r d e rt oa p p r o v et h ec o m p o n e n ta n dg r a n u l a r i t yo ft h e a p a t i t ep a r t i c l e s ， c o n f i r m i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fp r e p a r a t i o nt e c h n o l o g y ，s u c h 私c a pr a t i o ， c o n c e n t r a t i o no f r a wm a t e r i m ，v e l o c i t yo f m a c h i n ew h i s k ，t e m p e 咖r eo f s y s t e ma n d m o d eo fd r y n e s s ，w eh a v es t u d i e dt h er e a c t i o np r i n c i p l eo fs y s t e m b ym e a n so ft h e c o m r o l l i n gm e t h o d ，w ec o u l do b t a i nt h ep o w d e rp a r t i c l e sw i t hh i g h l yu n i f o r ma n d f i n eg r a n u l a r i t y i tw a sc o n f i r m e dt h a tt h em e t h o d so fn a n o h y d r o x y a p a t i t es y n t h e s i si nt h i ss t u d y t h ep r e c i p i t a t i o nw i t hc a pr a t i oo f16 7w a ss y n t h e s i z e df r o mc a ( o h ) 2 髑p 0 4 s y a e mw i t hm i xs p e e do f1 0 0 0 r m i na n dt h ec o n s i s t e n c eo fo 1 5 m o ha tl o w t e m p e r a t u r ew i t ha p p r o p r i a t er e p e l l e n ta n dd r y i n gs t a g e t h en a n o s i z e dh ap o w d e r w a so b t a i n e d k e y w o r d s ：b o n et i s s u ee n g i n e e r i n g ，b i o c e r a m i c sm a t e r i a l s ，p r e p a r a t i o no f p o w d e r ， n a n o h y d r o x y a p a t k ep o w d e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：巡延导师签名：期： 第一章绪论 1 1 生物材料 第一章绪论 生物材料( b i o m a t e r i a l s ) 是用于与生命系统接触和发生相互作用，并能对其细胞、 组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材 料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容 涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科， 同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。生物材料有人工合成和天然材料，有单一材料、 复合材料以及由活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料【1 】。 生物材料种类繁多，到目前为止，被详细研究过的生物材料已经超过一千种，在医 学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域。依据不同的分类标准，可以 分为不同的类型。如根据材料的生物性能，可分为生物惰性材料、生物活性材料和生物 降解材料；按材料的属性可分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物医用无 机非金属材料或称为生物陶瓷、生物医用复合材料和生物衍生材料。 长期以来，人们一直致力于研究能够使损伤、病变组织或器官再生和恢复功能的材 料。上世纪6 0 年代8 0 年代，在对工业化的材料进行生物相容性研究基础上，开发了第 一代生物材料及产品在临床应用，例如体内固定用的骨钉和骨板、人工关节、人工心脏 瓣膜、人工血管、人工晶体、人工肾等。所使用的代表材料有石膏、各种金属、橡胶以 及棉花等物品，这一代生物材料具有一个普遍的共性即“生物惰性”t 2 1 。 自2 0 世纪8 0 年代以来，生物材料取得了快速的发展，研究重点逐渐由生物惰性转 向生物活性材料。这是一类能在材料界面上诱发出特殊生物反应的材料，这种反应导致 组织与材料之间形成键合。第二代生物材料的发展是建立在医学、材料科学( 尤其是高 分子材料学) 、生物化学、物理学及大型物理测试技术发展的基础之上的。在上个世纪 8 0 年代中期，生物活性玻璃、生物陶瓷、玻璃陶瓷及其复合物等多种生物活性材料开 始应用于整形外科和牙科。到9 0 年代，生物活性材料已经在中耳的修复与骨组织替代 上发挥着越来越重要的作用。第二代生物材料的另一个优势在于材料具有可控的降解性 p 】。这类材料与第一代生物材料一样，研究的思路仍然是努力改善材料本身的力学、生 化性能，以使其能够在生理环境下长期存在，替代、模拟生物组织的功能。 2 0 世纪9 0 年代后期，开始研究能在分子水平上刺激细胞产生特殊应答反应的第三 代生物材料。这一代生物材料是一类具有促进人体自身修复和再生作用的生物医学复合 材料，它是以对生物体内各种细胞组织、生长因子、生长抑制激素( g r i h ) 及生长机 制等结构和性能的了解为基础来建立生物材料的概念【4 j 。基于细胞系分子水平的第三代 生物材料将在产生最小损伤的前提下，为原位组织再生和修复提供了科学基础。目前第 三代生物材料的研究正在兴起，例如组织工程支架材料和原位组织再生材料。 东南大学硬士学位论文 1 2 生物陶瓷与骨组织工程 用于机体病变、破坏或磨损部件的修复和重建的陶瓷称为生物陶瓷( b i o c e r a m i c s ) 。 由于生物陶瓷无毒，与活体有良好的生物相容性和生物耐腐蚀性，化学稳定性高，耐高 温而便于采用各种方法消毒，因此受到广泛重视。根据材料和生物体内组织发生的界面 反应类型，可将生物陶瓷分为三类；惰性生物陶瓷，如a 1 2 0 3 、s i 3 n 4 ；表面活性材料， 如n a 2 0 c a o c a f 2 - p 2 0 5 s i 0 2 系统生物陶瓷、羟基磷灰石c a l o 口0 0 6 ( o h h ；可吸收生物 陶瓷，如c a 3 ( p 0 4 ) 2 5 1 。 从十九世纪末的探索到今天的广泛临床应用，生物陶瓷的发展经历了几个阶段。首 先早在1 8 9 2 年，可吸收陶瓷熟石膏在试验和临床中使用。随后的研究表明，熟石 膏可以作为骨缺损的修补材料，但也存在失败的例子。陶瓷作为骨移植材料使用具有重 要意义的研究是s m i t h 在6 0 年代开始的。s m i t h 报告了由4 8 多孔铝酸盐陶瓷和环氧树 脂组成的c e r o s i u m 陶瓷，该材料的物理性能接近于骨，但移植试验没有成功p ”。 虽然c e r o s i u m 陶瓷最终被证实不适用于骨替代材料，但刺激了研究者对多孔陶瓷 的兴趣，并由此而发展了惰性生物陶瓷材料。惰性生物陶瓷在宿主体内能维持其物理和 力学性能，它们应当是无毒、不致癌、不过敏、不发生炎症的，在宿主体内能终身保持 生物功能。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，随着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【引。 七十年代，在接近惰性生物陶瓷发展的同时，生物材料研究的第二个新方向出现了， 这就是可控表面活性陶瓷的发现。表面活性生物陶瓷材料植入人体，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，植入材料和生物组织之间的结合强度 较好。h e n c h 等于1 9 7 2 年发现了特殊的玻璃成分，这种玻璃能够提供表面活性的二氧 化硅、磷酸盐基团和在组织界面上提供碱性的氧化钙。其中以成分为4 5 s i 0 2 ， 2 4 5 c a o ，2 4 5 n a 0 2 和6 e e p 2 0 5 的生物玻璃( b i o g l a s s ) 应用最广而有效。几年后报 道了羟基磷灰石( h a ) 也有同样的界面行为，能与硬组织形成化学连接，是骨组织再 生的优良基体、骨缺损的良好填充材料。1 9 8 3 年，临床使用不可吸收的h a 再造牙槽脊 首次获得成功【9 1 0 1 。 随着陶瓷烧结技术的改进，研究者们重新对密实和多孔钙的磷酸盐用作骨性种植体 的潜力加以评估。1 9 7 1 年，b i l a s k a r 【“】把孔径为1 0 0 t m a 2 0 0 9 m 的三钙磷酸盐植入鼠的胫 骨，结果证实，三钙磷酸盐种植体是能生物降解的，无明显的炎症。这种可再吸收生物 陶瓷材料植入人体后，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。目前广泛使用的可吸收生物陶瓷材料为磷酸三钙，它是理想的生物硬 2 第一章绪论 组织替代材料，是研制新一代具有高诱导成骨能力的复合人工骨或杂化人工骨的基础， 是目前生物医学工程和材料科学工作者研究的重点领域之一。 随着干细胞移植、克隆技术和生物材料的发展，组织工程的概念应运而生。“组织 工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) ”最初是2 0 世纪8 0 年代由美国学者l a n g e r 和v a c a n t i t l 2 1 提出 的。1 9 8 7 年美国国家科学基金会正式提出“组织工程”定义，它是生命科学和工程学相 结合的产物，主要致力于组织和器官的形成和再生【1 3 d 4 】。组织工程学是应用生命科学和 工程学的原理及其技术，以生物材料为载体，研究开发、设计构建或重建具有生理功能 的组织和器官，然后移植到人体，成为具有修复、维持或改善受损组织功能的生物替代 物的一门新兴交叉学科。骨组织工程学作为此学科的一个重要组成部分，是目前最有前 途和可行性的一个领域，在基础研究和临床应用等方面均取得了很大进展。 骨组织工程涉及种子细胞、支架材料、体外构建、体内骨修复重建等多个方面。其 中支架材料对骨缺损的修复有着重要影响，在骨组织工程学的研究中，寻找理想的支架 材料是一大热点。理想的骨组织工程支架材料应具备以下的特点：( 1 ) 能完全降解，降 解的速度必须与植入的种子细胞再生速度相匹配；( 2 ) 良好的生物相容性；( 3 ) 可制成 孔隙率在9 0 0 , 6 以上的三维立体多孔结构，并能承受一定的应力；( 4 ) 能维持种子细胞的 结构和表型，并有利于种子细胞的黏附增殖，诱导骨组织形成f ”1 。 目前骨组织工程支架材料主要有两类：一类是人工合成材料，采用人工技术加工合 成，包括无机材料、高分子有机合成材料和复合材料，如钙磷陶瓷、生物活性玻璃等； 另一类是天然生物衍生材料，由天然生物组织经一系列理化方法处理而得到，包括天然 骨衍生物、胶原材料和珊瑚骨衍生材剃“1 。虽然对骨组织工程支架材料的研究甚多，进 展也快，但尚未找到一种理想的材料。 1 3 钙磷系生物陶瓷及其应用 钙磷系生物陶瓷是生物材料的重要研究方向之一，这是由于该系统有一重要的化合 物一一羟基磷灰石( h a ) 。从骨的结构上看，人体骨骼中的主要无机成分是 m 1 0 ( 9 0 4 ) 6 ( o h h ，其中m 主要为c a ，r 主要为p ，其晶体结构完整，为细长针状结构。 人工合成的h a 陶瓷酷似人骨和牙齿无机质的组成和结构，它是由h a 粉末经成型、烧 结而制成的c a p 原子比1 6 7 的h a 陶瓷。羟基磷灰石晶体属六方晶系，在合成过程中， 一部分结构水在8 0 0 。c 左右以o h 的形式进入磷灰石结构中，形成h a 。羟基磷灰石植 入人体后，无排异反应，无毒，具有良好的生物活性和生物相容性，并且能与骨形成强 的活性连接，诱导新骨生长和形成，可广泛应用于生物硬组织的修复和替换，是人体骨 骼最理想的替代材料。纯的h a 陶瓷的力学性能较其他生物活性陶瓷为优，如纯h a ( 1 0 0 0 , 6 ) 陶瓷块体的断裂强度优于含杂相( 1 3 t c p ，8 7 h a ) 的h a 陶瓷。纯h a 陶 瓷在体液中的耐疲劳性能，优于含杂相( 玻璃) 的h a 陶瓷【”。因此从2 0 世纪7 0 年代 开始国际上很多研究者对h a 的制备、结构和性能及其在医学上的应用，进行了较系统 东南大学硕士学位论文 的研究，并取得一些成果。 磷酸三钙( t c p ) 是钙磷系统中另一个重要的化合物，广泛用于制备烧结型生物陶 瓷。t c p 存在b 型( 低温型) 和a 型( 高温型) 两个变体， 3 - t c p 为六方晶系的晶体， a - t c p 为单斜晶系的晶体。1 3 - t c p 是生物降解和生物吸收型磷酸钙生物活性陶瓷材料， 它与骨结合好，也无排异反应。 3 - t c p 在水溶液中的溶解度较h a 大，能缓慢地被体液 降解、吸收，具有良好的生物相容性和骨诱导能力，当其植入人体后，能在体内降解， 降解下来的c a 、p 进入活体循环系统形成新生骨，目前，它是较理想的生物硬组织替代 材料，是研制新一代具有高诱导成骨能力的复合人工骨或杂化人工骨的基础。c t - t c p 一 般与其他成分作生物用骨水泥材料的原料，它可在一定条件下通过水化形成生物材料， 其水化产物为羟基磷灰石【1 8 1 。 硬组织的植入体的形态是影响力学和生物学性能的重要因素，用作硬组织的钙磷陶 瓷材料的形态有粉末型、颗粒型、致密块体型和多孔块体型四类。根据使用的部位、手 术的不同要求，选择相应形态的钙磷陶瓷。通过焙烧可直接得到钙磷陶瓷粉末，粉末形 式可以用来填充空位、治疗处理或组织再生；颗粒型料可通过造粒而方便制得；致密块 体型的钙磷陶瓷通过静压成型后烧结得到，致密块体型的钙磷陶瓷如h a 较其他形态具 有更好的力学强度，但材料本身无空隙或空隙小，植入机体后宿主血管、组织不能长入 材料，不能达到良好的“生物固定”结合，不足以达到修复缺损的目的；多孔型陶瓷具 有类似自然骨的形态，有利于组织的长入，而且还为携载骨诱导物质( 如骨形态发生蛋 白，b m p ) 和药物( 消炎、防感染或抗癌药物) 提供空间。 1 9 4 8 年h a l d e m a n 和m o o r e 以不同钙的磷酸盐作为干粉植入缺陷范围为 o 5 c m - 1 0 c m 的1 7 只兔子体内。七十年代中期，j a r c h o 等把1 0 0 密实的陶瓷以拴子或 粒子的形式植入狗股骨的一个直径为4 5 m m 的缺陷。1 9 8 0 年，d u c h e y n e 等应用多孔状 的金属种植体进行研究。1 9 9 7 年，k a d i y a l a 等将多孔磷酸钙制成圆筒状，接种大量骨髓 干细胞后植入自体同源大鼠体内【l ”。 国内在钙磷陶瓷的合成与临床应用等方面也进行了广泛而深入的研究，取得了较为 显著的成绩。2 0 0 0 年重庆医科大学附属第一医院骨科的安洪【2 0 】等，通过临床应用多孔 双相羟基磷灰( c p c ) 石人工骨对4 9 例不同情况骨缺损植入颗粒状或片、块状c p c 。 随访2 5 年，腔洞型骨缺损者术后3 个月愈合，小关节融合术者术后4 7 个月愈合，骨 不连者术后5 7 个月愈合，全部病例手术局部无炎症反应。 2 0 0 3 年解放军第1 5 0 中心医院骨科的张德辉【2 1 1 等采用自固化磷酸钙人工骨修复腰 椎结核病灶清除术后形成的骨缺损8 例，疗效满意。根据缺损大小选择c p c 粉剂，吸 干椎体骨缺损处的渗液，将糊状c p c 填塞入骨缺损病灶内，用干纱布覆盖压紧塑形， 待其固后，逐层关闭切口。术后无过敏、毒性反应，无高热，术后切口愈合良好，原结 核中毒症状、腰部钝痛及腰椎活动受限消失，无慢性腰背痛发生。随访血钙、血磷及血 沉均在正常范围内；x 线片显示植入的c p c 与周围骨质直接接合，骨缺损解剖形状基 本恢复，与术前比较，病椎椎体高度无丢失，病变节段椎间隙无明显狭窄，脊柱无成角 4 第一章绪论 畸形。 2 0 0 5 年舟山市人民医院的沈万祥瞄】等采用粉末型的载药磷酸钙人工骨治疗慢性骨 髓炎，采用粉末状载药磷酸钙人工骨直接置入髓腔，不仅简化操作过程，省略了载药磷 酸钙人工骨用固化液搅拌调匀过程，且置入粉末状人工骨要比置入糊状人工骨更便捷； 而且不造成磷酸钙人工骨的浪费，人工骨的搅拌调匀过程可造成人工骨在容器内残留， 另外糊状人工骨置入髓腔后，可因骨髓腔的渗血造成进一步稀释而流失。采用粉末状载 药磷酸钙人工骨直接置入，然后在其表面覆盖明胶海绵隔离了磷酸钙与软组织的界面， 阻止了磷酸钙的外溢，并保证磷酸钙原位固化，术后x 线检查未发现磷酸钙人工骨外流 现象。 2 0 0 5 年上海市第二医科大学附属新华医院口腔科的周瑞庆 2 3 1 等采用多孔块状b 磷 酸三钙修复齿槽裂。在齿槽裂的修复手术中，运用局部黏骨膜瓣形成袋状受植囊，同时 关闭鼻、唇、腭间的软组织裂隙，恢复解剖形态；去除裂隙两侧上颌突的骨皮质；采用 多孔块状p 磷酸三钙，根据裂隙大小、形状及与健侧的对称性，修整人工骨，植入裂隙。 健侧基本接近。术后3 6 个月随访，x 线片显示人工骨夕 周逐渐出现缺损、破裂分离， 面积缩小，被正常骨组织取代，显示有降解发生。术后1 5 年随访，x 线片可见植入人 工骨基本被自体骨取代。所以用多孔块状b 磷酸三钙修复齿槽裂，具有恢复形态准确、 修复创伤小的优点；植入物组织相容性好，具有骨诱导性，可降解，能被自体骨完全取 代，且无不良反应。 钙磷系生物陶瓷在骨组织工程技术中的应用，已经显示出了它自身的优越性，不同 形态和功能的钙磷生物陶瓷的制备一般必须先合成一定成分和粒度的粉体原料，再经压 制成型和烧结。一般来说，在成分和工艺一定的情况下，粉末的细化会引起烧结体组织 中晶粒的细化，从而使烧结体的强韧性得到了较大地提高。高效能的钙磷生物陶瓷的基 本要求是高密度和细晶粒，只有高密度才能保证陶瓷的强度；同时，陶瓷粉体的晶粒越 细，其生物活性越高。为了提高钙磷陶瓷材料的性能，需要对陶瓷粉体的成分和粒度等 特征进行严格的控制。 1 4 钙磷系生物陶瓷粉体的制各 目前采用的一些钙磷陶瓷粉体的制备方法，主要有湿法和于法。干法即通过固相反 应合成，可制得结晶较好的粉体，但晶粒尺寸较大，往往有杂相存在，研磨时不仅费时 而且易粘污，因此在生物陶瓷领域较少采用。湿法工艺即通过溶液反应合成，其装置简 单，易得到组成均匀、粒度细小的陶瓷粉体，所以被广泛使用2 7 1 。因此，制备h a 和p - t c p 粉体，通常采用湿法。 1 4 1 羟基磷灰石粉体制备方法 制备羟基磷灰石粉体常用的方法有固相反应法、化学沉淀法、水热合成法、溶胶一 东南大学硕士学位论文 凝胶法、醇化合物法等口8 1 。 ( 1 ) 固相反应法 固相反应法( 无氧条件下进行反应) 往往给出符合化学计量、结晶完整的产品， 但是它们要求相对较高的温度和热处理时间，而且这种粉末的可烧结性较差。制备h a 时，高温下让钙盐与磷酸盐在空气或水蒸气气氛中发生固相反应合成羟基磷灰石。用 c a h p 0 4 2 h 2 0 和c a c 0 3 作原料时，其反应方程式为： c a h p o + 2 日2 0t 6 0 c - l ” c c a h p 0 4 + 2 h 2 0 ( 1 1 ) 2 c a h p o , ! ! 马，以鹕d 7 + 也0 ( 1 2 ) ? - c a 2 e 0 7 j 咝j j z 0 7 ( 1 3 ) c a c o j _ q 幻+ c q 个 ( 1 4 ) 8 c n 2 p p 7 + c d o _ 二型竖竖8 c a 3 p 0 4 ) 2 、s ) 3 f l - c a , ( p o , ) z + 国d + 也0 盟! 丝c ( p 0 4 ) f f o h ) 2 ( 1 6 ) ( 2 ) 化学沉淀法 这种方法是通过含钙磷的反应物在溶液中反应生成钙磷系沉淀，将沉淀物过滤、洗 涤和干燥而获得精细钙磷系陶瓷粉末。溶液沉淀法的优点是工艺简便可靠，合成物纯度 高，较其它方法更适合于实验生产。制备h a 时，常采用c a ( n 0 3 ) 2 和( n h 4 h i - i p 0 4 为原 料，反应方程式为： ( n h 4 ) 2 h p 0 4 + w 4 0 日_ ( w 4 ) 3 p 0 4 + 日2 0 ( 1 7 ) 3 ( a r m 4 ) 3 吗+ n h 4 0 h 叫n h 4 ) 1 0 ( p 0 4 ) 3 0 h ( 1 8 ) 2 ( n h 4 ) 1 0 ( p 0 4 ) 3 0 h + 1 0 c a ( n 0 3 ) 2 一( 麓l o ( p o d 6 ( 0 曰) 2 + 2 0 n h 。 峨 ( 1 9 ) 以上反应按c a p = - i 6 7 ( 摩尔比) 的配比，用氨水调节p h 值，在室温下进行。反应 后将沉淀物加热沸腾3 h ，然后将沉淀物离心分离，并用去离子水反复清洗。将干燥后的 粉料压制并于1 2 0 0 。c 下煅烧，然后细磨至过2 5 0 目筛，制得羟基磷灰石粉体。 ( 3 ) 水热合成法 水热合成法是在特制的密闭反应容器( 高压釜) 里，采用水溶液作为反应介质，通 过对反应容器的加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解、 发生反应并且重结晶。常采用c a c 0 3 ( 或c a ( o h ) 2 ) 粉末和c a s p 0 4 粉末为原料，按下 列反应生成h a ； 6 c a h p 0 4 + 4 c a c 0 3 塑壁骂l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 日) 2 + 4 c 0 2 + 埘2 0 ( 1 1 0 ) 如上原料混合后，加水置于高压釜内进行h a 的水热合成。通过x r d 和s e m 分析发现： 6 第一章绪论 当c a p = i 6 7 2 0 ，温度为1 5 0 。c 2 5 0 。c 时，能够合成纯度较高、粒度较小的ha 粉体。 水热法是一种制备优质超细粉体的湿化学方法，用该工艺制备的粉体有极好的性 能：粉体晶粒发育完整，晶粒较小且分布均匀，团聚程度较低，易得到合适的化学计量 物和晶粒形态。但水热法制备工艺需要在不锈钢高压釜中完成，这就对制备实验条件提 出了较高的要求。 ( 4 ) 溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是将反应物质制成溶胶，通过溶剂的迅速挥发以及后续的缩聚反应而凝 胶化，再经干燥和热处理，即可获得所要求的粉末。该法制备h a 粉体的原料用硝酸钙 【c a ( n 0 3 ) 2 4 i - 1 2 0 】和磷酸三甲酯【( c h 3 0 ) a p o ，将硝酸钙和磷酸三甲酯按质量比为2 8 6 的比例混合，用氨水调节其p h 值，倒入坩埚，再放进高温炉中以1 2 。c r a i n 的速度升温 到6 5 0 。c ，恒温烧结2 h 后，将窑炉温度缓慢降至室温得到羟基磷灰石粉体。 ( 5 ) 醇化合物法 采用较稳定的钙7 - 醇化合物和具有一定活性、由p 2 0 5 与n - 丁醇反应生成的 p o ( o h ) x ( o r ) 3 - 。产物为前驱体，通过较为方便的方法合成羟基磷灰石。醋酸的引入可有 效控制前驱体间反应，避免两前驱体直接混合时沉淀的产生。当醋酸与钙的摩尔比为4 时，两前驱体以c a p = 1 6 7 的比例混合，可以获得稳定的混合溶液。将混合溶液溶剂蒸 发后得到的粉末在1 0 0 0 。c 煅烧，可获得羟基磷灰石粉体。 1 4 2l l - 磷酸三钙粉体的制备方法 制备1 3 - t c p 粉体的方法主要有千法、化学共沉淀法、直接沉淀法、醇化合物法等方 法【嘲。 ( 1 ) 干法 用磷酸氢钙和碳酸钙在高温下反应生成1 3 - t c p ，具体化学反应方程式见式( 1 1 ) 式 ( 1 5 ) 。 ( 2 ) 化学共沉淀法 配制1 0 m o l l 的c a f n 0 3 ) 2 溶液和o 6 7 m o l l 的( n h , ) - 止i p 0 4 溶液，将( n h 4 h h p 0 4 溶液以一定速度滴加到强烈搅拌状态下的c a f n 0 3 ) 2 溶液中使反应体系中c a p = 1 5 0 ，反 应过程中用氨水调节p h 值，在一定温度下反应并陈化一段时间后，经过滤、洗涤5 次， 升温至8 0 。c ，烘干2 4 h ，然后在9 0 0 。c 下焙烧2 h ，得到1 3 - t c p 粉体。 ( 3 ) 直接沉淀法 室温下将0 6 m o l c a ( o h ) 2 悬浊液按c a p = 1 5 0 的比例，滴加到强烈搅拌状态下的 o 4 m o l h 3 p 0 4 溶液中。反应5 h 后，将沉淀产物置于烘箱中8 0 。c 下保持2 4 h ，然后在9 0 0 。c 下煅烧2 h ，即得1 3 - t c p 粉体。 ( 4 ) 醇化合物法 采用较稳定的钙7 , - - 醇化合物和具有一定活性、由p 2 0 5 与n - 丁醇反应生成的 p o ( o h ) 。( o r ) 3 x 产物为前驱体。醋酸的引入可以有效地控制前驱体间反应，避免两前驱 7 东南大学硕士学位论文 体直接混合时产生沉淀。当醋酸与钙的摩尔比为4 ，两前驱体以c a p = 1 5 的比例混合， 可以获得稳定的混合溶液。将混合溶液溶剂蒸发后得到的粉末在1 0 0 0 。c 煅烧，可获得 3 - t c p 粉体。 1 5 研究内容 由前所述，钙磷系生物陶瓷粉体有多种合成方法，本课题组在前期的研究工作中， 采用溶胶凝胶法制备了h a 粉体、两步中和法制备了i b - t c p 粉体。但在实际制备钙磷 陶瓷粉末的过程中，主要存在粉体合成的效率低，粉体的成分和粒度难以控制，粉体制 备的重现性差等不足。 本研究主要结合化学沉淀法和机械球磨法各自的特点，设计了复合法工艺，用以制 备羟基磷灰石和b 磷酸三钙粉末，并对原料配比和浓度、反应条件、干燥工艺、烧结条 件对陶瓷粉体的晶体结构、化学成分、粉体粒度和粒度分布的影响进行了研究。主要研 究内容： ( 1 ) 以化学沉淀法为基础，结合机械球磨处理，对b 磷酸三钙粉体的制备工艺进 行了改进。 ( 2 ) 深入研究影响体系反应过程的工艺参数，探究 3 - t c p 粉体合成体系的反应 机理并对制备工艺进行优化。研究改进沉淀法制备1 3 - t c p 陶瓷粉体的过程中出现团聚 体的原因，采取适当的措施减轻团聚程度。 ( 3 ) 探索应用沉淀法合成羟基磷灰石的工艺。研究了通过选择、设计合适的反应 体系和反应条件制备出成份稳定( 结晶性好) 、物相单一的h a 粉体；并通过调整体系 的原料配比、反应液的浓度、搅拌速度、反应温度、陈化条件、干燥方式和煅烧条件等 因素制备具有粒径细小、粒度分布与形貌均匀一致等特征的粉体粒子。 ( 4 ) 选择合适的反应体系和反应条件，应用沉淀法制备高纯度、分布均匀、粒度 细小的羟基磷灰石超细粉体。研究了超细纳米陶瓷粉合成的影响因素，超细粉体粒子的 粒度及其分布的控制与液相沉淀过程中的过饱和度及其分布、控制密切相关。因此对过 饱和度进行严格控制、改变液相沉淀过程的控制因素，可以制备出成分单一、颗粒细小、 分布窄小均匀的超细陶瓷粉体。 8 第二章实验方法 2 1 原料和设备 第二章实验方法 ( 1 ) 原料 本研究以氢氧化钙( c a ( o h h ) ，磷酸( 1 3 p 0 4 ) 作为制备b 磷酸三钙粉体和羟基磷 灰石粉体的原料；原料均为a r 级。 ( 2 ) 设备 t g 3 2 8 a 光电分析天平( i - 海精密科学仪器有限公司) ：称量范围为0 克- 2 0 0 克， 精确度为0 1 毫克； d 2 0 0 0 y 型电动搅拌器( 天津华兴科学仪器厂) ：转速范围为1 0 0 转分3 0 0 0 转分； p h s 2 5 数显p h 计( 上海精密科学仪器有限公司) ：p h 值测量范围为啦! 4o o ，钡0 量精度小于0 1 ； l d 5 1 0 低速离心机( 北京医用离心机厂) ：转速范围为0 转分5 0 0 0 转分； q m 1 s p 2 行星式球磨机( 南京大学仪器厂) ；转速范围：0 转分1 4 0 0 转分； n c l 0 1 1 a 电热鼓风干燥箱( 上海于燥设备厂) ：稳定范围为室温2 0 0 。c ； 2 x 型旋片式真空泵( 山东淄博真空设备厂有限公司) ； s x l l 2 0 8 程控箱式电炉( 上海精宏实验设备有限公司) ：控温范围为5 0 0 。c 1 2 0 0 。c 。 2 2 粉体的制备过程 p 一磷酸三钙和羟基磷灰石粉体的制备过程如图2 - 1 所示。 圈2 - 1 沉淀一球磨法制备8 t c p 粉体 9 东南大学硕士学位论文 2 2 1 肛磷酸三钙粉体的制备 t c p 沉淀物的生成反应： 9 c a ( o h ) 2 + 6 1 - 1 3 p 0 4 _ 3 c ( 户a ) 2 + 1 8 h 2 0 ( 2 1 ) 制备8 磷酸三钙粉体时，设定反应体系的c a 原子比为1 5 。采用氢氧化钙滴加到 磷酸溶液中的反加料方式，生成t c p 前驱沉淀物。反加料不仅无需洗涤沉淀，而且整 个过程沉淀反应时间短，沉淀物无需静置、陈化，沉淀过滤分离迅速。反加料制备过程 中。在酸性条件下( p h 5 时) ，d c p d ( c a h p 0 4 2 h 2 0 ) 最稳定；随着c a ( o f i h 的滴加， 体系由酸性逐渐变为碱性后，有缺钙h a 生成，到反应终点时，p h 值维持在8 5 曲0 ， 最终生成c a g - i p 0 4 2 h 2 0 和缺钙h a 的混合沉淀物 9 1 。此混合物具有良好的固液分离性能。 本研究采用反加料直接沉淀法作为基本反应过程，然后对初步沉淀反应的混合溶液 进行机械球磨处理，用以改善反应条件。并对制备的 3 - t c p 粉体进行表征，探讨机械球 磨处理对反应的促进作用。本研究中，我们将直接沉淀和机械球磨工艺结合制备 3 - t c p 粉末的方法称为复合制备工艺。 在采用复合制备法合成粉体的过程中，引起了粉料的严重团聚。陶瓷粉体一旦严重 团聚将会丧失烧结活性，并且形状不规则的团聚体也严重影响粉料的成型性能。为了尽 可能地减少和改善团聚程度，对生成的t c p 前驱沉淀物，采取了添加表面活性剂、冷 冻干燥和微波干燥等方法。 2 。2 2h a 粉体的制备 h a 沉淀物生成反应： o c a ( o h ) 2 + 6 h 3 尸伉j 1 0 ( p 0 。) 。( o 4 ) 2 + l s h 2 0 ( 2 2 ) 制备h a 粉体时，设定反应体系的c a p 原子比为1 6 7 。合成h a 时，只有当p i - t 值 维持在较高的碱性范围( 9 1 2 ) ，才能获得纯的h a 。本研究采用磷酸滴加到高速搅拌的 氢氧化钙悬浮液中的操作方式，并调节磷酸的滴加速率，以维持一定的p n 值范围。滴 加采用先快后慢的加料方式。 为了不断优化h a 粉体的制备工艺，控制液相体系中析出的固相颗粒的特性，研究 中主要通过改变原料的配比、浓度和搅拌速度，调节体系的反应温度，加入机械球磨工 艺，改变陈化处理时间等反应条件；为了尽可能地减少团聚体，采用添加防护剂，选择 合适的干燥方法和煅烧温度。 2 3 性能研究方法 ( 1 ) 晶体结构分析 本研究采用s h i n a d z ux d 3 a 型x 射线衍射仪( x r d ) 对合成的粉体进行物相分析， 实验条件为：c u k 辐射，波长o 1 5 4 1 8 n m ，电压4 0 k v ，电流3 0 m a ，测量角度误差小 第二章实验方法 于士0 0 1 。 ( 2 ) 组成成分分析 用7 5 0 傅立叶红外光谱仪( m ) 测定粉体的结构组成，实验条件：信噪比5 0 0 0 ：1 ， 扫描范围4 0 0 e r a 1 4 0 0 0 c m 1 ，波数精度 0 1 e m 1 ，分辨率 1 5 9 c m 3 ) ，选择重量浓度约 为4 0 的乙醇水溶液作为缓冲液；并选择合适的圆盘转速( 6 0 0 转分- 1 0 0 0 0 转，分) 。 每个样品需重复测量3 次所得粒度结果的重复性误差要求在1 0 0 , 4 左右。否则，要重复测 量，直至测量结果符合要求。此外还利用j e m 2 0 0 0 e x 型透射电镜( t e m ) ，对粉体颗粒 的形貌进行了观察。 第三章b - 磷酸三钙粉体的合成研究 第三章p 一磷酸三钙粉体的合成研究 本章采用反应条件较易控制的直接沉淀法作为基本的合成反应，并对初步沉淀反应 的混合溶液进行机械球磨处理制备 3 - t c p 粉体。对制备的p - t c p 粉体进行了表征，探讨 了机械球磨处理对多相反应的影响。针对粉体细化导致的团聚，尝试在液相反应、干燥 和煅烧各个阶段采取适当的控制措施。 3 11 3 - 磷酸三钙粉体的合成 选用c a ( o h ) ：h 3 p 0 4 为原料：按c a p = 1 5 0 配料，室温下取o 6 m o l c “o 哪2 悬浊液 滴加到强烈搅拌状态下的0 4 m o l h 3 p 0 4 溶液中，反应5 h 后，将反应后的沉淀于球磨机中 以3 0 0 r r a i n 的速度湿磨1 0 h ，再将球磨后的沉淀经离心机分离后，置于烘箱8 0 。c 下保持 2 4 h ，最后将干燥后的前驱体在9 0 0 。c 下煅烧2 h ，得到1 3 - c a 3 ( p 0 4 ) 2 生物陶瓷粉体。 3 1 i 粉体g 构分析 j 五。彳，u 二 ； ，刖h 二 ：i i i i i 。l 。l i o2 63 0 冒口为j ”5 图3 - i 复合法和直接沉淀法合成t c p 粉体的图谱 用x r d 对直接沉淀制备工艺与复合制备工艺( 沉淀湿磨) 合成的粉体，分别进行 晶体结构分析，两者的图谱如图3 - 1 。经x - 射线衍射分析，复合制备法合成的粉体和直 接沉淀法合成的粉体都与 3 - t c p 标准图谱p 2 1 具有很好的一致性，各衍射峰的位置与标准 卡能够很好的吻合，峰型尖锐清晰、无杂相峰存在，粉体中的主晶相为1 5 - t c p ，并且球 磨处理后没有新相出现，说明机械球磨作用对 3 - t c p 粉末的晶体结构无明显改变。 东南大学硬士学位论文 3 1 2 粉体的组成分析 粉体的结构组成利用m 测试分析；并利用s e m - e d x 仪，在相同测试环境下测定不 同制备工艺合成粉体的c a p 比。 图3 - 2 沉淀一球磨法合成粉体的m 图谱 通过图3 - 2 显示的复合制备工艺合成j 3 - t c p 粉体的红外图谱，可以明显地看到 b - c a 3 ( p 0 4 ) , z 的主要红外特征频率捌5 5 1 锄，6 0 70 1 1 1 ，9 4 4c l n ，9 7 3 锄一，1 0 4 3 锄1 和1 1 2 0 a i l 。1 均已出现，强度较大，在1 1 2 0o n - 1 - 9 4 0 咖d 之间分裂出更多更尖锐的特征峰，表明新 工艺合成粉体中的主晶相为1 3 - c a 3 ( p 0 4 ) ：。 表3 1 不同合成工艺对粉体的最终c a p 的影响 两种不同工艺制备的1 3 - t c p 粉体经s e m - e d x 能谱分析，并通过计算得到，直接沉 淀法制备粉体的c a p = i 6 6 ，复合法制备粉体的c a p = i 5 3 。为了证实采用复合法合成工 艺制备的粉体的最终c a p 比更接近1 5 ，将原始c a p 比为1 4 8 的配料以直接沉淀和复合 法两种不同的制备工艺合成粉体，经s e m - e d x 测得粉体的最终c a p 比分别为1 5 9 和 1 5 1 ；同样原始c a p 配比为1 4 5 的配料最终测得的c a p 比分别为1 5 3 和1 4 8 。表3 1 中的数据是在相同的环境条件下测得的，可以看出复合法制备的粉体的c a p 比更接近 1 3 - t c p 的标准c a p 比。可见，在配料相同的条件下对反