（应用化学专业论文）新型骨水泥CMCS的制备及其水化机理研究.pdf

南1 。业人学坝l ：醅兜 摘璎 摘要 本更) l ：发了一种新型的磷酸钙骨水滟c m c s ，合成了磷酸钙骨水漉的 圭装琢辫“一磷酸三钙( n t c p ) 窝羟基磷酸钙 h a p ) ，对e m c s 及 a t c p 的水化机理进行了研究。 逸遘实验礴究，鬟浅了弱t 在嘉瀑 ：不嚣惫冷合成n - - t c p 麴颟方 法，所诲一t c p 产品粒径小、分散性好。利用x r d 和0 ；同升温速率d t a 一1 g 弦纂分据了其台戒辍建。对论了g - - t c p 求饨动力学，笈毽t c p7 蓦 化襁度和产：物与体系的温度和初始p h 值有关。当体系温度大于6 0 4 c 、初 戆p h 馥京6 8 ，5 籍潜，一t c p 宠垒承诧簿h a p ，势薄次摄邂英承镬二 可激用前嬲粉末袭w 面溶解挖制一后期水分子扩散揎制模趔。 耀s o l - - g e l 法合成了趣缩麓基磷酸钙粉末。通过实验帮瑚论分攒徭 到：当体聚蚋p h 值= l l 1 2 ，磷酸后赡段的濑蚋速瘦小于0 3 m l r a i n r f , l ，所褥产物为单一稽t i a p 微晶，其糙裰，j 、于0 1 u r e ，密度为 2 。9 7 3 0 9 c m 3 。 以- - t c p 为主要原料开发了一种新型骨水泥c m c s ，确定了c m c s 铡备戆曩佳王艺条髂：爨糕酝毙为8 一t c p ：m c p m ：c c ：h a p = 3 0 ：4 ：2 ：i 酝0 1 ) 液嘲比( 1 s ) 。0 5 5 m l g ，固化液n a ，p o 。浓度为0 6 2 m o l f l 。改性剂 c a c o ，e 囝滋蕊入浚善7 产瑟豹张辕率，键奁了产瑟魏拣压强凄，蘸器h a l 的_ 】_ 】入利于c m c s 水化初凝时间的调节。c m c s 产品初凝时间1 0 m i n 左 右，获压溅度魏5 0 m p a 。耋盘聪嚣量低予器类产鑫鼗壤，骞疆荮翡瓣承 性和较好的涮碱性。 藩次对磷酸钙骨承漉c m c s 东他辘理进行了研究。i r 、x r d 舔莱 表f ! j j ，c m c s 水化产物为h p o 。”、c o ，”部分墩代p o 。”、o t t 一的h a p 和少量拳水他的q - - t c p 。_ 拜ix r d 乡 标法定量分析了c m c s 承亿产耨h a p 禽爨艴变化媲肄，建立7c m c s 承化模型。c m c s 水他翦期动力学方 中南t 业人学徊i ：1 2 文 摘要 群为( j 【= o 0 2 4 r o t ， r i ln i 前嘶1 2 小时。 律研实了上述结沦。 后期动力学方程为g 。= o 0 18 4 r 0 2 t ，水化过程主要集 1 秽诋同化糊麟度钏押肭姚规 关键词：a 一磷酸钙，羟基磷酸钙， 磷酸钙骨水泥，水化机理。 ! ! 堕! ：些叁! ：| ! 塑l ：堕塞一型鉴 a b s t r a c t an e wc a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ( c m c s ) w a s p r e p a r e di nt h i st h e s i s t h e m a i nr a v qm a t e r i a l s ，一t r i c a l c k m ap h o s p l m t efn t c p ) a n dh y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) , o f c m c sw e r es y n t h e s i z e d t h eh y d r a t i o nm e c h a n i s t mo fc m c sa n dn t c pw e r e s t u d i e d + a th i g ht e m p e r a t u r ean e w s y n t h e s i z i n g “一f c pm e t h o d w i t h o u tq u e n c h i n g w a sg i v e nb ye x p e r i m e n t ，t h eo b t a i n e dp r o d u c th a ss m a l lp a r t i c l es i z ea n d 黔繇 d i s p e r s i o n t h eh y d r a t i o nk i n e t i c so f n t c pw a sd i s c u s s e db yi ra n dd t a t go f v a t i o n s w a r m i n gr a t i o i t w a gd i s c o v e r e dt h a t d e g r e ea n dp r o d u c t o f gm t c p h y d l a t i o ni sr e l a t e dt ot h es y s t e mt e m p e r a t u r ea n db e g i n n i n gp h v a l u e w h e nt h e s y s t e m e x c e e d s6 0 ( 2a n dt h es y s t e mb e g i n n i n gp hi s6 - 8 5 ，d - t c ph y d r a t e s c o m p l e t e l ya n dh y d r o x y a p a t i t e ( t t a p ) i s f o r m e d i ti st b u n df o r t h ef i r s tt i m et h mt h e h y d r a t i o np r o c e s so f o t c pi si n i t i a l l yc o n t r o l l e db yt h ed i s s o l u t i o no fr e a c t a n t s a n ds u b s e q u e n t l yb yd i f f u s i o nt h r o u g ht h ep r o d u c tl a y e ro fh y d r o x y a p a t i t e ( h a p ) a t o n n dl h eg r a i n s h a l l s u p e r f i n e p o w d e r w a s s y n t h e s i z e du s i n gs o t g e lm e t h o d b y e x p e r i m e n t sa n dt h e o r i e sa n a l y s e s ，i tw a s k n o w nt h a t ，w h e nt h es y s t e mp hi si1 - 1 2 a n dd r i p p i n g 豫接o fp h o s p h a t ea c i da tl a t e rs t a g ei sl e s st h a n0 ，3 m l m i n 。t h ef i n a l p l o d u c ti su n i f o r mp h a s eh a pm i c r o c r y s t a l 。t h ep a r t i c l es i z eo f h a pi sl e s st h a n o + 1 # t na n di t sd e n s i t yi s2 。9 7 8 3 0 9 c m 3 + an e wc a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ( c m c s ) w a s p r e p a r e dw i t h q - t c pa st h e m a i nr a wm a t e r i a l i t so p t i m a lt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o nw e r ed e t e r m i n e d ：i nr a w m a t e r i a l sn - t c p ：m c p m ：c c ：i t a pi s3 0 ：4 ：2 ：t ( m 0 1 ) ，t h er a t i oo fl i q u i dt os o l i d ( 1 l s ) i sf 5 5 m l ga n dc o n c e n t r a t i o no fs e t t i n gs o l u t i o nn a 3 p 0 4i s8 6 2 m o l f l c a c o s ( ：e a sar e g u l a t o rc a l li m p r o v e t h ep r o d u c tp o r o s i t ya n d c o m p r e s s i v es t r e n g t h ，t h e i l l ! 塑王些盔堂堂! ! ：堡苎 一 塑塞一 b e g i n n i n gs e t t i n gt i m ec a nb ec h a n g e db ya d d i n gh a p t h eb e g i n n i n gs e t t i n gt i m e o fc m c si sa b o u tl o m i na n di t sc o m p r e s s i v es t r e n g t hi s5 0 m p ao rs o i t sh e a v y m e t a lc o n t e n ti s1 0 w e rt h a nt h a to fs i m i l a rp r o d u c t s i th a sa l le x c e l l e n tw a t e r - r e s i s t i n gp r o p r i e t ya n d b e t t e ra l k a l i - r e s i s t i n g h y d r a t i q nm e c h a n i s mo fc m c s w a sf i r s t l yr e s e a r c h e d s e t t i n gp r o d u c to f c m c si sc o n s i s t e do fh a pw i t hp o 。3 。a n do h 。p a r t i a l l yr e p l a c e db yh p 0 4 2 a n d c o ，。a n dl i t t l eu n h y d r a t e dq - t c pb ya n a l y z i n gi ra n dx r d t h ev a r i o u sv a l u eo f h a pc o n t e n ti nt h ep r o c e s so fc m c ss e t t i n gw a sq u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e du s i n g x r de x t e r n a ls t a n d a r dm e t h o d t h eh y d r a t i o nm o d e lo fc m c sw a sd e t e r m i n e d i t s d y n a m i ce q u a t i o ni sg l = 0 0 2 4 r o t a ti n i t i a ls t a g ea n dg d 2 0 0 1 8 4 r o ta tl a t e rs t a g e t h e h y d r a t i o np r o c e s st a k e sp l a c em a i n l y i nt h eb e g i n n i n g12h o u r s t h ec o n c l u s i o nw a s v e r i f i e db yr e g u l a r i t i e so fs y s t e mp ha n dp r o d u c tc o m p r e s s i v es t r e n g t hc h a n g i n g w i t ht i m e k e y w o r d s ：c i t r i c a l c i u mp h o s p h a t e ，h y d r o x y a p a t i t e ， c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ，h y d r a t i o nm e c h a n i s m 中南i k 大学珂 j 。论文第1 章前高 第1 章前言 1 1 骨修复材料 生物材料种类繁多，可分为天然生物材料和人造生物材料两大类。人造生 物材料其分类和应用见表1 1 。 目前，世界生物制品的市场销售额以每年1 5 的速度增长，预计二十年内 所占市场份额将赶上药物市场_ ”。在生物材料巾，骨修复材料近年来发展讯 速。 表1 1 人造生物材料的分类和应用 骨修复材料是指替补、修复人体硬组织的生物材料，广泛应用于骨外科及 牙科领域。据文献报道 4 1 ，我国每年骨缺损患者近3 0 0 万，而牙缺损患者达总 人口的l 5 1 3 。可见骨修复材料的市场需求量是巨大的。 美幽生物陶瓷的市场销售额1 9 9 0 年为1 5 0 0 万美元，几乎每隔五年翻一番， 中南工业丈学颀卜论文第1 乖前言 2 0 0 0 年达6 0 0 0 万美元。几本莱按昂公司1 9 8 7 年将羟基磷灰石颗粒产品投放 市场后，早期销售额即近2 千万美元。由市场需求的推动，骨修复材料的研 究和开发成为全球关注的课题，是生物材料研究中一个非常活跃的领域。 目前，已研制和，1 ：发了多种骨修复材料m7 i ，如氧化铝陶瓷，生物玻璃， 磷酸钙陶瓷( t c p ) ，聚甲基丙黼酸甲酯( p m m a ) 骨水泥，羟基磷灰石( h a p ) 陶 瓷，磷酸钙骨水泥( c p c ) 等。除这些人工开发的材料外，自体骨和异体骨也 是重要的骨修复材料。各种骨修复材料的特点比较见表1 2 。 表1 - 2 现行骨组织修复材料比较 品名 虽终成分生物相容性可塑性闹化放热人体吸收其他 自体骨移植目前在临床上用的最多，但一方面白体骨受来源数量限制，另 一方面很难根据缺损部位准确塑型，并且植入后需要很长时间的爬行替代过 程。异体骨存在不同程度的抗原性，会引起人体抗原抗体反应，同时也存在准 确塑型难、需长时间爬行替代等问题”。聚甲基丙稀酸甲酯| 6 】骨水泥成型容 易，但其固化过程是强放热的( 高达1 1 0 。c ) 会引起周围组织的坏死，生物相 容性差，时间长后容易脱落”。金属材料强度高，但生物相容性不好。磷酸三 钙陶瓷在人体内由于降解太快易造成缺陷。 巾南工业大学硕i ：论文第1 章前占 在脊椎动物的骨和牙中，无机成分约占6 0 7 0 ，主要为h a p 及微量的 k + ，n a + ，c o ，2 - 等，其余是有机物如胶原等。”。人工合成的羟基磷灰石与其无机 成分相近，因而与人体组织有良好的生物相容性。羟基磷灰石陶瓷是将非生理 p h 下形成的i t a p 加热到8 0 0 1 2 0 0 制得的，这种加热过程能引起磷灰石晶 体烧结形成一；被吸收的移植体。h a p 陶瓷的应用受这种预成型材料的物理性 质的限制”m ；多孔h a p 陶瓷能使骨氏入，但很易破裂，且很难使它的形状与 需要修复的部位很好的吻合。h a p 陶瓷的颗粒很难局限在需修复的部位，而 且在组织长入之前，缺乏结构稳定性来维持所需要的形状。尽管在试验上已利 用可l 吸收的连接材料( 如纤维牛胶原、纤维胶、硫酸钙等) 与h a p 陶瓷颗粒 结合来增强颗粒间的接触1 1 4 1 ，但这些混合物提供的强度不够。总之对于h a p 陶瓷，无论是颗粒型、多孔型还是块状，由于其成模难、烧结难和刨光难使得 其在临床应用中受到限制。 八十年代中期d r e b r o w n 和d r l c h o w i ”i 研究发明了磷酸钙骨水泥 ( c a l c i u mp h o s p h a t ec e m e n t ，c p c ) 。它由几种磷酸盐粉末与固化液调和成糊状 塑型后自行固化，具有反应温和、无刺激、无致癌、无突变，能根据缺损部位 准确塑型等特点。磷酸钙骨水泥吸收了自体骨与羟基磷灰石陶瓷生物相容性好 及p m m a 可塑性好的优点，克服了它们各自的不足，是目前世界上骨修复材 料中唯一能自行固化并产生骨再生功能的新型骨修复材料。 1 2 磷酸钙骨水泥的组成、特点及性能指标 磷酸钙骨水泥为固液双组份体系，固体分由两种或两种以上的磷酸盐组 成，液体分( 称为固化液) 可以是蒸馏水、生理盐水、稀磷酸、磷酸钠盐或手 术部位的血液等m j 。表1 3 给出了迄今开发的c p c 的主要类型和品种。 中南t 业人学硕f ，论文第1 章前青 表1 3 不同磷酸钙组成的骨水泥 编号骨水泥基料组成简况著者及文献 1d c p d + t t c p 世界上第一个磷酸钙骨水泥，随h a p 含量增 d c p d + t t c p + h a p加，凝同时间由2 2 分钟降至8 分钟b r o w na n d c h o w u 6 2m c p m + a t c p 用水调和成膏状，2 分钟固化l e n a i i r e i j 7 i 最终产物为d c p dm i r t c h i r l s l 3a t c p + d c p d 水凋和l 成膏状，9 3 0 分钟同化。 产物为o c pm 0 n n a l l 9 4o - t c p + m c p m 水调和，根据组成、粒度、料水比等变 + c a o + h a p 化可制得用于牙科缺损和矫形的骨水泥 b e n n u d ze ta l p o l 5 m c p m ，d c p d ，t t c p 对不同的配方用水调和，进行凝固时问测 a t c e o c e c a o ，定来研究反应物之间的关系及产物种类 1 3 t c p 等组成1 0 8 个配方 d r j s s e n se ta l 2 1 ，2 2 1 6 m c p m ，d c p d ，d c p a ，对不同配方用水调平，进行最终凝同时间、 c a ( o h ) ，a t c e o c e抗压强度、反应产物等研究，筛选出产物 c a o ，m g o ，1 3 - t c p , m g o分别为d c p d ，m c p m ，o c p 和c d h a 四种类型 等组成4 5 0 个配方骨水泥diissens e ta l t z a l 注：表中物质缩写见附录 与现有材料相比，c p c 具有以下特点： ( 1 ) 生物相容性高。c p c 固化后产物主要成分为h a p ，因此，它保持了 h a p 陶瓷生物相容性好的优点，同时，固化时基本不放热，克服了p m m a 其 强放热损伤组织及h a p 陶瓷成型、刨光难的缺点。 ( 2 ) 使用操作方便。c p c 可以根据需要任意塑性，并可通过固化液的选 择控制固化时间，固化后也可以作外型修整。 ( 3 ) 生物活性高。在人体环境下逐步被组织吸收并诱发骨头再生，且可调 4 第1 章前言 节生物降解速度是其与成骨速度相同【2 4 】。克服了自体骨、磷酸三钙陶瓷吸收降 解过快的缺陷。 好的生物相容性和能任意塑形的特性的结合使磷酸钙骨水泥成为新一代 人体硬组织修复材料。 凝结时问和抗压强度是c p c 材料两个较重要的物理性能指标”5 1 - - - 般在温 度3 7 5 。c ，相对湿度1 0 0 条件下测试。 凝结时间分为初凝时间和终凝时问。初凝时间指原料充分混合( 大约 i m i n ) 到凝结时间测试仪的试针深入试样不超过l m m 或o 5 r a m 时所用时间， 与不同体系及其粒度、配比、液固比等有关，常以5 - - 3 0 分钟为好。终凝时间 指试样完全固化所需时间。凝结时间可衡量操作的可行性，需按不同的手术而 定，如口腔内牙齿的修补试样的凝结时间特别是初凝时间必须要短。 抗压强度( 抗折强度常较低) 同凝固时间一样与不同体系及其粒度、配比、 液固比等有关。不同的人体部位骨修补需要不同强度的材料，故抗压强度决定 c p c 的应用范围。与人体骨比，目前c p c 材料抗压强度较底，( 、 6 0 m p a ) ， 只能用于非负载硬组织的修复口“，寻找高强度的c p c 材料是我们今后研究的 重点之一。 作为生物木才料，生物相容性是c p c 的主要性能指标，在进行临床试用 前须对材料进行全面的安全性考查及植入动物体内的功能性评价。 c o s t a n t i n o 1 13 2 7 将不同孔隙率的c p c 盘片植入猫的颅骨部位并进行组织学 评价。植入骨膜下的c p c3 个月后已与颅骨牢固地融合，交界处有许多骨岛 形成。f r i e d m a n l 2 6 i 用c p c 填充，重建了猫的举侧额窦处的缺损，结果表明相 容性好，1 2 个月后约3 0 c p c 由海绵骨取代，1 8 个月后，新骨长入达6 3 。 k a m e r e r ”8 将c p c 试用于人颅底缺损的填充，表明c p c 是一种非常好的修复 材料，符合理想的异质性植入物的所有标准。 总之，c p c 是一种非常有前途的新型骨修复材料，广泛用于各种非负重 中南工业大学砸沦文 第i 带前言 部位骨的修复冶疗。 1 - 3c p c 制各国内外发展动态 自八卜年代中期b r o w n 和c h o ”1 发明磷酸钙骨水泥( c p c ) 以来，因其 优良的特性，美国、日本、西欧等发达国家纷纷加大力度开发这一具有广泛应 用前景和重大社会效益的新型材料口“3 2 2 ”，但都停留在实验室阶段，目前只 有美国一家啦位开发出实验室样品，固化后的抗压强度为3 0 - 一4 0 m p a ，最高为 5 1 m p a 、并作了一些动物实验和6 0 多例临床试用，由于临床试用例数不够， 美国食物药品管理局( f d a ) 还未批准成为产品。 我国只有华东理工大学和武汉工业大学两家单位从事这方面的研究，起 步较晚，但取得了一定的研究成果。 华东理工大学国家超细粉末工程研究中一t l , 自1 9 9 2 年起丌始这方面的研究 工作，他们在国家自然科学基金和上海市启明星基金的资助f ，开发了 c a h p o 。+ c a ( p o , h o + 某固化液c p c 。此磷酸钙骨水泥的固化过程是微溶的磷 酸钙先溶解，然后沉淀析出羟基磷酸钙的过程，此溶解、再沉淀过程反应条件 温和，几乎不放热的，并且始终维持在中性p h 左右，对有机体没有伤害、刺 激作用。样品可在5 - - 3 0 m i n 内自行固化，4 小时后达到最高抗压强度5 1 m p a 左右m 】，但原料来源较难。 武汉工业大学生物中心起步更晚，他们利用助凝剂n h 。h ：p 0 4 通过a c a ，( p o 。) ：的水化得到另一类型的c p c ，初凝时间为1 7 m i n 左右，最高抗压强 度约3 7 m p a ，抗折强度近7 m p a 。值得注意的是n h 4 h ：p o 。对人体有定的刺 激作用l ”i 。 在磷酸钙骨水泥研究开发中存在的主要问题是： 其一，未形成适合于c p c 材料需要的磷酸钙盐成熟的制备工艺和技术。 目前，有的磷酸钙盐( 如q t c p ) 国内外市场均无销售，有的磷酸钙盐虽有市 售，但其纯度、粒度等方面很难达到生物材料应用的要求，例如，d c p d 一般 筇i 乖腑i 是通过液相沉淀法合成的i ，所合成的d c p d 或纯度不够，或制各方法较难 控制，重复性不好，粒径太大| 3 6 - 4 0 1 。t f c p 由磷酸钙盐和碳酸钙通过高温固相 反应制备m 1 ，目前采用铂余坩埚在1 5 0 0 。c 下反应2 4 h ，且中间要不时取出搅拌 以使反应均匀，操作十分困难。而a t c p 的合成几乎都需高温下急冷而得，操 作不便，弗十分危险。 其二，磷酸钙骨水泥工艺研究欠系统性 c p c 的水化过程足一个复杂的物理化学变化过程，影响水化过程的因素 很多，除化学组成外，还与颗粒大小及级配、晶种、温度、液固比、l 司化环境 及操作方式等密切关联。目前还没有人全面报道这些因素的影响规律和相互关 系。从文献报道看，研究内容缺乏系统性。同时，样品的抗压强度为3 0 5 0 m p a ， 还不够有待工艺参数的优化以提高其性能。 儿一：，磷酸钙骨水泥水化硬化机理研究薄弱 】u ，只有很少的有关c p c 水化机驯的报道，大多集小在t f c p + d c p a 体系i ，例如对含一t c p 类型的c p c 水化机理研究很少，戴红莲等仅讨论了 a t p c 水化的转化牢及抗压强度随时问变化。 j t ：i j t l ，m 物千容性、生物活。盹等应川实验巫待解决。 人 f f j ) c , jc p c 应川二】j 动物及：m 负m 骨部位进行了较多研究，似列l i 二材料的毒性 及珩性级潜在的致j f ； 、致突变、致畸型等未作深入探索。同i i = | f 末见c p c 鹰川j ：f f q l l 史骨负 i i ；位的报道，而c p c 在骨科领域的应用是个非常有潜力的 方向。 1 4c p c 水化机理研究进展 磷酸钙骨水泥在一定的温度( 3 7 。c ) 、湿度0 0 0 ) 下发生水化反应得到 与人体骨组织相近的固化产物h a p ，其原理是基于不同磷酸钙赫在水中的溶 解度的差异，由图1 一l 可知，p h 值在4 2 一1 1 范围内，羟基磷狄石在水中溶解 度相对较小，因而在热力学上是最稳定的，其他磷酸钙栽在水中会向h a p 转 中南! i n k 大学硕i 论文 第1 章前言 化 5 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + i 2 0 2 3 c a 5 ( p 0 4 ) 3 0 h + 地p 0 4 5 c a s h 2 ( p 0 4 ) 65 h 2 0 2 8c a 5 ( p 0 4 ) 3 0 h + 6h 3 p 0 4 + 1 7h 2 0 - ( 2 ) 5 c a i i p 0 4 + h 2 0 2c a s ( p 0 4 ) 3 0 h + 2 h 3 p 0 4 一一一一( 3 ) 3 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + 3 t 1 2 0 = 2 c a 5 ( p 0 4 ) 3 0 h + 2 c a ( o h ) 2 一一一( 4 ) 图1 - 12 5 。c 下c a ( o h ) 2 一h ，p o 一h 2 0 系统的溶解度相图 但是，这些单组分磷酸钙盐在水化寸有副产物酸或碱产生，使水化反应 体系p h 值偏离i t a i ，热力学稳定区域，导致水化反应终止，因此单一磷酸钙 盐矿化能力是相当有限的。c p c 是几种磷酸钙盐的混合物，它们之间的合理 配比，i , j 以保证体系反应始终维持在近中性的环境，避免体系p h 值过大( 小) 对人体组织的损害，并保持对h a p 稳定的过饱和度，提高矿化能力。此时， 颗粒的大小、不同磷酸盐的配比、液固比等都严重地影i 】向反应速度及完全程度。 c p c 水化过程相当复杂，体系众多，不同体系水化机理不同，但基本上 可以归结于几种主要体系类型。 1 - 41 b t c p m c p m t t c p 体系 l a c o u t 等通过实验分析认为该体系水化过程分两个阶段t 4 1 ： ( 1 ) c a ( h 2 p o d ) 2h 2 0 + c a 3 ( p 0 4 ) 2 + 7 h 2 0 一4 c a h p 0 42 h 2 0 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + 2 h 3 p 0 4 + 7 h 2 0 一4 c a h p 0 42 h 2 0 c | j 南1 业人学硕i 论文第1 章前言 ( 2 ) 2 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + 2 c a h p o d 2 h 2 0 c a l o ( p 0 4 ) 6 ( 0 i ) 2 + 4 1 1 2 0 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + 2 c a 3 ( p 0 4 ) 2 + h 2 0 c a i o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 x r d 、i r 分析表明水化过程巾生成了c a h p o 。2 h 2 0 。第一阶段为凝结阶 段，水化速度快。第二阶段水化反应主要在内部进行，速度较慢，为硬化阶 段。水为溶解沉淀时的反应媒介，d c p d 通过o c p 转变成h a p ，但o c p 不易被x r d 发现，加氟离予可以间接地证明其存在。并提出水化过程模型 见图1 2 ： c p c 粉末 上水 d c p d d c p d t t c p 中间体o c p ( 与水分子相连) 水解j r 办 h a p 图1 20 t c p m c p m t t c p 的水化机理模型 1 4 2 t t c p d c p a ( d c p d ) 体系 c h a n g s h e nl i u 等m i 研究了t t c p d c p a ( 或d c p d ) 水化过程动力学。 反应中产物h a p 的生成率与时间的关系见图1 3 ，参照波特兰水泥水化反应 机理 4 3 1 分析，他们认为：前4 h 水化过程由反应物的溶解控制，而后由水分 子通过产物层的扩散控制。前4 h 抗压强度随h a p 生成率成线性增加，最高 为5 1 m p a ，4 h 后稍下降。最终产物为针状h a p 。加入晶种h a p 缩短了初凝 时间，但稍降低了抗压强度。该体系水化过程p h 值由7 5 变到1 0 5 ，表明 控制步骤为c a h p o 。的溶解( 由下方程式可知，磷酸四钙水化使体系p h 值 升高，溶解快) 。其反应式为l ： 5 c a h p 0 4 + h 2 0 c 8 5 ( p 0 4 ) 3 0 h + 2 h 3 p 0 4 中南1 一业人学硕1 ：论艾 掂l 帝前旨 3 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + 3 h 2 0 一2 c a 5 ( p 0 4 ) 3 0 h + 2 c a ( o h ) 2 墨 吲 t ，hr 1 3h a p 的生成率与时间关系 f u k a s e l 4 5 1 等对t t c p d c p a 体系分析得到3 7 0 c 时，d 口4 h 反应速度接近 恒定，产物几乎完全转化为h a p ，表明反应速度几乎与开始反应物的量及产 物的存在无关，只与反成物的表面积和扩散的距离有关。 pw b r o w ne 4 6 i 等通过d c p d 1 、r f c p 体系( d c p d ：t t c p = 2 ：1 ) 在不同温度 下的放热速度与时间关系的讨论得山：前期水化速度为表面化学控制，d c p d 溶解为控制步骤，d c p d 为c d h a ( 缺钙的h a p ) 形成起到了晶种作用，后 期由通过产物层h a p 扩散控制，水化速度减慢，随着温度的升高，最大放 热速度提前，反应时间减少。h a p 晶种能加快反应速度，但对产物晶体的形 态没有影响。加入中性盐n a c l ，只有高浓度( 1 m ) 时才加速反应速度，且 对产物晶体的形态有影响。反应式为： 2 c a h p o d + 2 c a 4 ( p 0 4 ) 力一c a l 。( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 3 c a h p 0 4 + 3 2 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 c a g ( h p 0 4 ) ( p 0 4 ) 5 0 h + i 2 h 2 0 t e n h u s e n i ”i 等研究了d c p a 和t t c p ( 摩尔比为1 ：l 和2 ：1 1 体系，凝固过 程中x r d 表明d c p a 先溶解，反应速度受t t c p 溶解控制。x r d 和s e m 结果说明有非晶态中问体存在，得出其反应机理为，第一一步是d c p d 和部分 巾南一r ：业人学硕l ! 论文 第1 章前苦 t t c p 反应生成非晶态磷酸钙( n c p ) 和微晶h a p ，第二步为剩余的t t c p 和n c p 中l 训相进行反应。通过其放热量和放热速度研究i ”】，发现随着温度 的升高，最大放热速度提前，反应时问减少。水化反应方程式分别为： ( 1 ) 2 c a h p 0 42 h 2 0 + ( 2 x ) c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 n c p + h a p c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 + n c p+ h a p c a l o ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ( 2 ) 6 c a h p 0 42 h 2 0 + ( 3 一x ) c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 - n c p + h a p c a , ( p 0 4 ) 2 0 + n c p + h a p c a 9 ( h p 0 4 ) ( p 0 4 ) 5 0 h 注n c p ：缺钙的h a p ，1 2 。 c a p 1 5 h a p ：1 5 c a ，p 1 6 7 而b r o w n ( 1 9 9 1 ) 等提出了d c p a 和t t c p ( 摩尔比2 ：1 ) 的水化过程分两 步： 6 c a h p 0 4 + 6 c a 4 ( p 0 4 ) 2 0 一3 c a l o ( p o d ) 6 ( o h ) 2 6 c a t t p 0 4 + 3 c a l o ( p o d ) 6 ( 0 h ) 2 4 c a g ( h p 0 4 ) ( p 0 4 ) 5 0 h + 2 h 2 0 1 4 3a t c p ( 1 5 0 一t c p ，2 i a p ) 体系 g i n e b r a l 4 8 i 等人通过x r d ，i r ，s e m 表征及回归分析得出该体系的水化 过程中，b t c p 没参加水化，一t c p 水化得c d h a ，方程式为： 3d c a 3 ( p 0 4 ) 2 + h 2 0 c a g ( h p 0 4 ) ( p 0 4 ) 5 0 h 3 2 h 时转化率为8 3 8 ，抗压强度3 6 2 m p a ，3 6 0 h 后转化率为1 0 0 ，最大 抗压强度为3 79 m p a 。水化速度先快后慢是因为反应进行时u t c p 微粒 被产物c d h a 包围，通过扩散层所需时间增长。 戴红连咖1 等人研究了a c a ，( p o 。) ：的水化过程。通过对各种磷酸钙盐的溶 解度常数k s p 和在c a ( o i l ) ：- h 3 p o 。一h 2 0 体系中溶解度相图( 3 7 0 c ) s q 分析及 不同起始p h 下a 。t c p 量随时间变化的实验，提出h a p 的形成热力学是基于 备种磷酸钙赫的溶解度不同，其最佳p h 值为6 - - 8 ，且用x r d 进行了检验。 加促凝剂n h 。h ：p o 。有利于a t c p 的水化和硬化，其浓度为2 m 时所得硬化 产物的抗压强度最大为3 7 1 7 m p a ，凝固时间为1 7 m i n 。 中南 ：业人学t i , ) il 论史第1 申前苦 1 4 4 p t c p c a h p o 。c a c o 、体系 m i r t c h i ”1 等人认为浚体系水化过程开始由d c p d 和c a c o ，反应得到 h a p ，产物h a p 在0 t c p 微粒i a j 起连接作用。当有8 3 w t 的t i a p 品种时， 反应完全约需ll h 。d c p d 反应完后，c a c o ，与b t c p 反应生成h a p ，并决 定固化产物的抗压强度。 综上所说，目前对各种磷酸钙骨水泥水化机理研究主要是从磷酸钙盐溶 解度、反应物的溶解和扩散及反应热不同角度分析，而对固化产物的微观形 成过程除个别报道通过微粒剧化学键结合外【2 6 1 讨论不多，同样，有关掺杂如 c r ”、a g + 等1 5 3 。”改善性能的报道更少。为了确切了解水化机理，得到性能( 凝 固时间，抗压强度) 更好的骨水泥材料，这方面必将是今后研究的一个重要领 域。 1 5 本课题研究的意义和内容 随着人类人口渐趋老化，加之人们生活水平的提高，对健康日益重视，新 一代硬组织修复材料c p c 市场潜力巨大尽管目前c p c 材料还处在实验阶段， 可以预判本世纪其临床应用应会取得突破性进展，我们希望在这方面做一些有 益的工作。 丌发种有合适原料来源，强度、生物活性有所提高的新型c p c 材料， 同时较深入了解其水化机理是本课题研究的主要目的。 在一定条件下，t c p 水化得h a p ，且t c p 同h a p 一样具有生物降 解性j ，硬组织修复时不会因。一t c p 残留在体内而受到影响。本研究采用高 温固相反应合成了n t c p ，发现了一种不需急冷而带来危险操作的新方法， 操作方便，较好地解决了c p c 原料来源难的问题，并系统地考察了各工艺条 件对o - t c p 合成过程的影响规律，提出了其合成机理，同时对a t c p 水化过 程进行了动力学研究，提出了o t c p 的水化模型。 超细羟基磷酸钙粉末作为品种能大大缩短c p c 的水化时问，另外x r d 中南t 、世人学硼论文第1 章前亩 定量分析时往往需要纯的h a p 作品种，我们利用溶胶法合成了超细的羟基磷 酸钙，通过实验讨论了各工艺条件对合成羟基磷酸钙的影响规律，进行了详细 的热力学分析。从实验和理论上确定了合成羟基磷酸钙超细粉末的最佳工艺条 件，并对产物h a p 进行了表征。 以。一t c p 为主要原料制备了一种新型的磷酸钙骨水泥c m c s ，对其工艺 条件进行了优化实验，以凝固时问和抗压强度及体系的p h 值为指标，确定了 制各c m c s 的最佳工艺条件，并对c m c s 产品的成分、结构、重金属含量、 密度、耐酸碱及水性等进行了测试。 c p c 的水化机理因体系不同而异，本研究首次利用x r d 定量分析法研究 了c m c s 水化机理，确定了c m c s 水化过程的控制步骤及其水化动力学方程， 提出了c m c s 水化的模型，同时讨论了c m c s 水化过程中体系的p h 值、抗 压强度变化规律及体系反应的放热情况。 中南1 业大学硕士论文第2 章实验原料、仪器及测试 第2 章主要实验试剂、仪器及测试 2 1 主要试剂 试剂名称规格 无定形c a ( p 0 4 ) 2 ( t c p ) a r c a h p o 2 h 2 0 ( d c p d ) a r c a c 0 3 ( c c ) a r c a ( h 2 p o d ) i h 2 0 ( m c p m ) a r o c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( a t c p ) c a 5 ( p 0 4 ) 3o h ( h a p ) h 3 p 0 4 a r c a ( o h ) 2 a r 盐酸a r n h 3 h 2 0 a r 煤油a r n a 3 p 0 41 2 h2 0 a r 2 2 主要仪器 仪器名称 高温炉 马头牌架盘药物天平 光学读数分析天平 急冷装置 数字酸度计 抽气真空油泵 自动控温磁力搅拌器 生产厂家 天津市化学试剂研究所 上海试剂四一 j 。东介山化工厂 上海试剂四厂 自制 自制 湖南师大化学试剂厂 常州孟城试剂化工厂 湖南株州市化学工业研究所 湖南化学试剂总厂 上海试剂四厂 天津市化学试剂六厂 生产厂家 长沙电炉厂 上海医用激光仪器厂 湘仪天平仪器厂 自制 萧山科学仪器厂 湘仪仪器厂 泰山姜堰仪器厂 d a h 3 4 鹳一一一，一一 叶1 浦【q e 大学硕 论立第2 章实验原料、仪器及测试 集热式磁力搅拌器 电热干燥器 电子恒温水浴锅 水泥稠度凝固测定仪 砂浆凝结时问测定仪 d f 一1 0 1 b g w 0 3 z k s 一1 0 0 江苏金坛大地仪器厂 长沙仪器仪表一 深圳国华仪器 河北北方建筑仪器公司 北京中路达实验仪器制造公司 2 3 测试 2 3 1 x 射线衍射( x r d ) s i m e n sd 5 0 0 衍射仪测试，c u 靶，扫描范围1 0 。一6 0 。，扫描速度 o 0 4 0 m i n 。物相定性分析是通过x 衍射图上的衍射峰与p d f 卡片对照 而得，物相定量分析采用外标法进行。 2 3 2 红外光谱( i r ) n i c o l e t 7 4 0f t i r 型红外光谱仪测试。 2 3 3 差热一热重( d t a t g ) 0 。c 一6 0 0 。c ： 自制的程控差热分析仪测试( 本院) 。 0 。c 一1 3 0 0 。c ：日本理学t a s 1 0 0 综合热分析仪测试。 2 3 4 扫描电镜( s e m ) 日本x 6 5 0 扫描电镜测试。 2 3 5 p h 值 p h s 1 0 b 数字酸度计测试。 2 3 6 初凝时间( t ) 以试针沉入试样0 5 m m 左右为准，用水泥稠度凝固测试仪测试。 2