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1、羟基磷灰石基活性生物陶瓷的制备方法研究摘要羟基磷灰石( HA ) 是一种典型的生物材料,具有优良的生物相容性和生物活性, 能与骨形成紧密的结合。大量的生物相容性实验证明羟基磷灰石无毒、无刺激、不致过敏反应、不致突变、不致溶血, 不破坏生物组织, 并能与骨形成牢固的化学结合, 是一种很有应用前景的人工骨和人工口腔材料; HA 的合成有很多方法, 大体分为固相法合成和液相法合成,本文采用化学沉淀法和自燃烧法制备羟基磷灰石粉体，化学沉淀法主要以Ca（NO3）2溶液、H3PO4溶液以及氨水为原料，制备羟基磷灰石粉体。自燃烧法采用天然兽骨为原料，高温煅烧制备粉体。实验中利用XRD、激光粒度分析仪分析手段

2、对粉体制备工艺参数进行研究。在粉体制备过程中，化学沉淀法采用分散剂减少粉体的团聚。对硝酸钙溶液的浓度以及不同分散剂的分散效果进行了研究。结果表明Ca（NO3）2溶液浓度在0.2mol/L并且使用无水乙醇作分散剂时所得的粉体纯度高，分散性好。关键词：羟基磷灰石；化学沉淀法；自燃烧法Abstract Hydroxyapatite (HA) is a typical biological materials, with excellent biocompatibility and biological activity, which can be closely integrated with bo

3、ne formation. A large number of Biocompatibility experiments show HA is non-toxic, not excitant, not allergic reaction, not mutation, without hemolysis, and it does not destroy the biological tissue, and it can also be strong chemical combination with bone ,so it is a good application prospect of ar

4、tificial bone and artificially oral material .HA can prepare in many ways which divided into solid-phase synthesis and liquid phase synthesis method.In this paper, we use the chemical precipitation method and the combustion method to prepare the hydroxyapatite powders. In chemical precipitation,HA c

5、an be prepared by Ca (NO3) 2 solution, H3PO4 solution and ammonia. In the combustion method, HA can be prepared by animal bones at high temperature.In the experiment we analyzed the Powder preparation process parameters by XRD and . Laser particle size analyzer.In powder preparation process, the che

6、mical precipitation method uses dispersant to reduce powder agglomeration. And we investigate Ca (NO3) 2 solution concentration and dispersion of different dispersants . The results showed that powders will be high purity and good dispersion when Ca (NO3) 2 concentration was 0.2mol / L and PVA was u

7、sed as dispersantKey words: Hydroxyapatite (HA); chemical precipitation method; combustion method目 录摘要 IAbstract II第1章 绪论 11.1引言 11.2生物活性陶瓷 11.2.1生物活性陶瓷的种类及特点 11.2.2生物陶瓷的现状和发展趋势 21.2.3羟基磷灰石的研究现状 31.3羟基磷灰石 41.3.1羟基磷灰石的基本性质 41.3.2羟基磷灰石的结构 41.3.3羟基磷灰石粉体的制备 51.4 羟基磷灰石活性生物陶瓷的分类 81.4.1致密型HAP生物陶瓷(H型) 81.4.

8、2多孔型HAP生物陶瓷(DH型) 91.4.3复合型HAP生物陶瓷(FH 型) 91.4.4混合型HAP生物陶瓷（FHD型） 91.4.5涂层复合材料 101.5羟基磷灰石活性生物材料的发展前景及存在的问题 101.5.1发展前景 101.5.2存在的问题 11第2章 实验 132.1实验基本介绍 132.1.1化学沉淀法实验方法及内容 132.1.2 实验原料、设备设备及主要数据 132.1.3主要工艺流程 142.2自燃烧法制备天然羟基磷灰石 152.2.1实验原料 152.2.2实验制备工艺 152.2.3实验机理分析 152.3陶瓷的成型和烧结 152.3.1成型 152.3.2烧结

9、15第3章 实验结果与分析 163.1实验结果 163.1.1不同浓度的硝酸钙溶液 163.1.2不同含量的PVA 163.1.3不同含量的无水乙醇 163.1.4不同含量的柠檬酸 173.2结果分析 173.2.1硝酸钙溶液浓度对实验结果的影响 173.2.2不同含量PVA对实验结果的影响 183.2.3不同含量的无水乙醇对实验结果的影响 183.2.4不同含量的柠檬酸对实验结果的影响 19第4章 结论与建议 204.1结论 204.2建议 20参考文献 21致谢 23第1章 绪论1.1引言20世纪初， 材料、能源和信息并列为现代技术的三大支柱，后来又掀起来新材料革命，其中生物材料是发展最快

10、的学科分支，它跨越了材料、生命科学、医学和高新技术等领域，对人类的发展起到重要作用。生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合；生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2简称HAP是脊椎动物骨和齿的主要无机成分!在人骨中约占72%齿骨中则高达97% ，其生物相容性及活性良好.对人体无毒副作用.随着人民生活水平的不断提高,社会老龄化越来越

11、严重,人们对人造骨和人造齿等的需求越大， 而同时由于汽车工业的发展以及环境污染的影响。因车祸及污染而导致的骨折和骨损事故也加大了人类对人造骨的需求。羟基磷灰石生物活性陶瓷其良好的生物性能是传统金属材料无法相比的，其在仿生医学领域中有着很好的发展前景是目前研究的热点课题之一1。1.2生物活性陶瓷1.2.1生物活性陶瓷的种类及特点生物活性陶瓷的生物活性介于惰性和可吸收生物陶瓷材料之间，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，植入材料和生物组织之间的结合强度较好。 生物活性陶瓷材料主要包括羟基磷灰石(HA)、磷酸钙、磁性材料和生物活性玻璃。羟基磷灰石的分子式为

12、Ca10(PO4)6(OH)2，简称HA，它是四元无机化合物磷灰石中的一种，其晶体结构属六方晶系。对于羟基磷灰石下文会详细介绍，这里主要介绍一下其它几种活性生物陶瓷23。 磷酸钙骨水泥(CPC)，是由两种或两种以上磷酸钙粉末及调和液组成，调成糊状后注入到修复部位，能在人体内环境和温度下自行硬化，并最终转化为与人体骨组织无机成分相近的羟基磷灰石。磷酸钙骨水泥具有良好的生物相容性、生物安全性、可降解性、骨传导性，反应不升热并与硬组织可紧密连接及可在应用时随意塑形，使其成为临床硬组织修复领域研究和应用的热点。 生物活性玻璃包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃。主要有Na2O-CaO-SiO2

13、-P2O5系玻璃、Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5系结晶化玻璃、MgO-CaO-SiO2-P系结晶化玻璃等上世纪七十年代，有研究发现Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成键结合。生物活性玻璃在临床修复中具有高的生物活性、既能与硬组织结合，又能和软组织结合；不仅有引导成骨的性能，并能在界面上通过细胞内和细胞外的反应，产生有丝分裂，具有产骨性。 生物磁性材料主要包括LiFe3O3和-Fe2O3与Al2O3-SiO2-P2O5玻璃体复合物等。由于这类材料具有热磁性，将其注射到肿瘤的周围，并置于频率为l0KHz，磁场

14、强度达5000e的交变磁场中，产生磁滞热效应，使肿瘤部位温度升高，借以杀死癌细胞，达到有效治疗癌症的目的，同时骨组织的功能和形状均得到恢复。1.2.2生物陶瓷的现状和发展趋势 与人们对健康和长寿的追求推动了生物陶瓷材料的发展。作为人造骨、人造牙等生物陶瓷，目前已制造了许多优于高分子材料和金属材料的实物，有的已投入应用，有的也将在近期内得到应用，但是还存在着许多需要改进的地方。随着现代社会的发展和科学技术的进步，生物陶瓷材料得到了各国的高度重视，特别是近二十年其研究开发得到飞速发展。 法国的Biocoral公司的研究人员认为，珊瑚的化学物理结构特征类似人骨组织，它在自然界分布广泛，可用于接骨。他

15、们利用三种特殊珊瑚制造出骨移植材料Biocoral，主成分为CaCO3，由于它和骨有相似织构，因此可以和人骨共存或兼容，易被人体吸收，使新骨易于生长并进入Biocoral内，完成接骨功能。 华东理工大学研制了磷酸钙人工骨(CPC)，它可自行固化，具有生物相容性，能降解吸收，可在人体骨缺损部位准确塑形，凝固时间为530 min，抗压强度为75 MPa，呈多孔结构，有利于新骨的生长，是重要的骨修复材料。在我国四川5.12大地震中，曾有价值100万元的CPC材料用来支援灾区。2008年，Obata同样利用这种观点，在麻来石瓷的表面，利用球霰石制造一层纳米态的骨状HA (叶片状晶体薄层)，在生物培养条

16、件下具有释放硅离子的功能(硅能激发细胞活性)，而基片(麻来石瓷)强度较大，因此该材料成为生物活性支架材料，在骨组织生长方面能与细胞共存及增殖，在骨损伤修补、移植以及接骨方面有着广泛应用前景。目前临床应用研究较多的为多孔羟基磷灰石陶瓷。多孔羟基磷灰石陶瓷植入体内后，生物组织可通过多孔羟基磷灰石陶瓷长入孔中，形成植入体与骨之间的机械锁合力，达到生物学固定，近年来尤其受到人们的关注。研究表明，不同的生物组织长入植入体陶瓷时，对植入体的结构要求不阈，植入体孔径尺寸为5-40um，允许纤维组织长入；孔径为40一100um，允许非矿物类骨组织长入；孔径大于100um，允许血管组织长入4。随着许多特殊功能生

17、物陶瓷的问世，促进了新型工业的诞生，各种临床需要对科学技术提出了新的要求，推动了生物材料工业和市场的迅速发展，90年代世界上生物材料产值达100亿美元，截至2008年，产值约达200亿美元。生物材料工业将成为21世纪的尖端技术产业之一。1.2.3羟基磷灰石的研究现状羟基磷灰石的研究历史很长。早在1790年，Wemter用希腊文字将这种材料命名为磷灰石。1926年，Bassett用x射线衍射方法对入骨和君齿的矿物成分进行分析，认为其无机矿物很像磷灰石23。从1937年开始，McConnell发表了大量有关磷灰石复合物晶体化学方面的文章。到1958年，Posner和他的同事对羟基磷灰石的晶体结构进

18、行了细致的分祈。60年代，WF. Neuman和MWNeuman等大量报道了羟基磷灰石与钙化的关系。1967一1975年，Moriwaki和他的合作者对骨骼和牙釉质质用x射线衍射技术研究了其中碳酸羟基磷灰石结晶性和晶格变形。1972年，日本学者Hideki Aoki成功合成羟基磷灰石并烧结成陶瓷。不久，英国学者Jarcho也烧成羟基磷灰石陶瓷24。1974-1975年， Aoki等发现烧成的羟基磷灰石陶瓷具有很好的生物相容性。自此以后，世界各国都对羟基磷获石材料进行广泛的基础研究和临床应用研究。对纳米羟基磷灰石的研究要晚的多，上世纪80年代后期，出现了少量关于纳米HA制备方法的研究报道。自19

19、90年以后，对纳米HAP制备方法及其在医学领域的研究才有了突飞猛进地发展。我国对羟基磷灰石的研究起步较晚。上世纪80年代，武汉工业大学、山东省工业陶瓷研究设计院、航空航天部621研究所、北京市口腔医学研究所、华南理工大学、上海硅酸盐研究所等单位都成功地研制出羟基磷灰石陶瓷，并进行了许多临床应用研究。由于高致密度的羟基磷灰石材料作为植入休，仅能与组织在化学层面上形成化学键合，又由于骨组织的多孔结构，使其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使血液流通，保证了骨组织的正常生长代谢。所以合成和应用模拟人体骨组织多孔特性的羟基磷灰石的生物陶瓷材料，引起了科学家和临床医生的关注。近20年来，一系列

20、生物试验已证明骨能在多孔羟基磷灰石植入材料中生长25-27。近年来关于多孔生物陶瓷支架的研究，很大部分集中在多孔植入体孔结构上，尤其是孔尺寸对多孔体与组织之间相互关系的影响上。为实现对多孔体孔结构的研究，人们进行了大量实验，发明了一系列制备多孔陶瓷的方法，并逐步实现对多孔体孔径的控制，从而可根据不同的植入需求，制备不同孔径的植入体，在满足生物性能前提下，尽可能地提高其机械强度。1.3羟基磷灰石1.3.1羟基磷灰石的基本性质羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)分子式是Ca10(PO4)6(OH)2，体积质量为3.16g/cm，性脆，折射率为1.641.65，微溶于水，水溶液呈弱碱性(

21、PH 79)。易溶于酸，难溶于碱。HA是强离子交换剂，分子中的Ca容易被Cd、Hg等有害金属离子和Sr2+、Ba2+、Pd2+等重金属离子交换。OH-也常被F-、Cl-置换，并且置换速度非常快，还可以与含羟基(COOH)的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应。高温时不稳定易脱水，更高温时则会发生分解.1.3.2羟基磷灰石的结构图1.1为HA晶体在（0001）面上的投影图。HA为六方晶系，属L6PC对称型和P63m空间群，其晶胞参数为a-9.439.38A，c-6.886.86A，z-2A，羟基磷灰石结构比较复杂，在（0001）面的投影如下56从羟基磷灰石晶体结构在（0001）面上的投影可见，结构中存在

22、着两种钙离子位置，一种钙离子位于上下两层的6个磷氧四面体之间，与这6个磷氧四面体当中的9个角顶上的氧离子相连，这种钙离子的配位数为9，这种连接的结果是在整个晶体的结构中形成了平行于c轴的较大通道，附加氢氧根离子，则与其上下两层的6个钙离子组成配位八面体，而角顶的钙离子与邻近的4个磷氧四面体中的6个角顶上的氧离子相连接，这种钙离子的配位数是7，这样结构使得羟基磷灰石晶粒一般以六方柱的晶体出现。图1.1HA晶体在（0001）面得投影1.3.3羟基磷灰石粉体的制备 HA微粉是制备块状或多孔轻基磷灰石陶瓷的原料，粉体颗粒的形状、大小、均匀性直接影响最终产品的品质。因此，研究HA微粉的制备方法，使之更加

23、科学合理、成本低廉、储存稳定一直是国内外的研究热点。 目前，HA的制备方法己经形成了干法和湿法两大类，其中，湿法主要包括:沉淀法、溶胶一凝胶法、水热反应法、微乳液法等;而干法相对较少，比较成熟的主要由固相合成法，下面分别介绍各种方法的工艺特点。a.快速均匀沉淀法20-22 快速均匀沉淀法是各种水溶性的化合物经特殊方法混合、反应生成不溶性的沉淀，然后将沉淀陈化、过滤、洗涤、锻烧处理，得到符合要求的粉体。液相均匀沉淀法因其工艺简便、成本低、颗粒细小等优点被广泛应用。王德平等研究了pH值对纳米级HA粉体制备的影响，张力等对于影响HA产物的结晶和粒度的因素进行了比较深入的研究。武汉理工大学的江听等人利

24、用快速均匀沉淀法制备出了结晶性能较好、粒径大小约80nm的HA纳米微粒。常用的制备HA粉体的钙源物质有Ca(N03)24HZO、Ca(OH)2、CaCI2、CaO、Ca(OCZH5)2等，常用的磷反应物有(NH4)2HPO4;、H3PO4;、K2HPO4、NaH2PO4、(CH3O)3PO4等。 影响液相沉淀法的工艺参数主要有:Ca/P摩尔比、PH值、反应温度、干燥方式、干燥温度、烧结温度等。(1)Ca/P摩尔比对HA粉体制备的影响 大量实验表明，当Ca/P摩尔比在1.5一1.67范围内，产物为HA+一2TCP(一2Ca3(PO4)2;当Ca/P比在 1.68一 1.7范围内时，合成的产物是比

25、较纯的HA，当Ca/P摩尔比大于或等于1.7时，产物为HA+CaO。(2)pH值的影响 磷酸根在溶液中的水解与溶液的pH值有关，不同的pH值下水解的程度不同，产物也就不同。因此PH值是制备HA工作中一个重要的因素。(3)烧结温度的影响 烧结温度对HA物相结构影响很大。烧结温度低，晶化程度差;烧结温度高，晶化程度高。一般认为经基磷灰石的最大烧结温度为1350，当温度超过1300.C时，羟基磷灰石就会发生分解，生成磷酸三钙和氧化钙。2.溶胶一凝胶法7-11 溶胶一凝胶法是一种首先利用金属醇盐或无机盐水解，然后使溶质缩聚成溶胶，继而凝胶化，再进行干燥焙烧，最后得到无机纳米材料的方法，与传统工艺相比，

26、溶胶一凝胶法具有工艺过程比较简单、合成产物纯度高、热处理温度低的优点，但也具有成本较高的不足。 对于溶胶一凝胶法制备HA，比较典型的是采用硝酸钙一磷酸醋制备工艺。朱明刚曾用硝酸钙和磷酸三甲醋制成了HA骨水泥;朱晓丽等利用金属钙、磷酸和乙醇为原料，获得了粒度、物相和结晶度较好的HA。但是磷酸酷的水解需要较长时间，并且要严格控制反应气氛。也有用硝酸钙和五氧化二磷溶胶一凝胶法制备HA涂层和薄膜的报道，王峰用硝酸钙一五氧化二磷为原料，无水乙醇作溶剂制备了HA微粉，该方法较为快捷，并且产物纯度较高。3.水热合成法14-16 水热合成的反应过程要求反应物料体系封闭在具有一定压力的高压容器中加温进行。在高温

27、时，密封容器中一定填充度的物料发生膨胀，充满整个容器，从而产生很高的压力，加热的过程中溶解度随温度的升高而增加最终导致溶液过饱和，并逐步形成稳定的化合物新相。反应过程的驱动力是可溶的前躯体或中间体与稳定的产物之间的溶解度差。 水热合成法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解或溶解度增大结晶。通过改变水热反应条件可得到具有不同晶体结构和结晶形态的产物。Hattori报导了用氧化钙和焦磷酸钙作反应前驱物，通过水热法合成了直径小于20nm的球形HA粉末。Lin以氢氧化钙和磷酸钠为前驱物，在蒸压釜中合成了粒径约为5

28、0nm的HA纳米粉体。徐光亮用碳酸钙和磷酸氢钙的混合物为前驱物，通过水热合成法制备了含碳酸根的HA粉末。刘晶冰川采用氢氧化钙和磷酸氢钙制备了结晶度较高的HA粉末，获得了棒状晶体。水热法的优点主要体现在以下几个方面:(l)可以省略锻烧步骤，也可省略研磨。粉末的纯度高，晶体缺陷密度低。(2)溶液中直接合成高结晶度的陶瓷粉末，产物团聚少，粒度均匀，形态比较规则。4.微乳液法12-13 微乳液法通常是由表面活性剂、助溶剂(醇类)、油(碳氢化合物)和水(电解质水溶液)组成透明的、各相同性的热力学稳定体系。当表面活性剂溶解在有机溶剂中，其浓度超过临界胶束浓度时形成亲水极性的亲水头朝内、疏水端朝外液体颗粒结

29、构，水相作为纳米液滴的形式分散在由单层表面活性剂和助溶剂组成的界面内，形成彼此独立的球形微乳颗粒，如图1.2所示。这种颗粒大小在几个至几十个纳米之间，在一定条件下，具有保持稳定小尺寸的特性，即使破裂也能重新组合，类似于生物细胞的自组织和自复制功能。 微乳液法用于制备纳米HA的报道甚少。新加坡国立大学材料系的Lim先采用该法对制备HA进行了研究，方法特点是将CaCl2和(NH4)2HPO4分别制成微乳液，油相为环乙醇，表面活性剂为HP5+NP9，将两种微乳液混合后,放置一定时间，将沉淀物用乙醇洗涤，制备出了粒径为20一40nm的HA粉体。图1.2微乳液合成HA示意图5.固相合成法17-19 该法

30、是合成HA的干法工艺。它是反应物在机械力的作用下发生固相间的混合、扩散而反应生成产物的方法。以CaCO3和为原料，在1200一1300下通水蒸气处理2一3小时，发生如下反应:Ca3(PO4)2+CaCO3HA+CO2+H2O 当然，也可以采用CaO和CaHPO4在乙醇溶剂中湿法研磨生成HA，但其原理仍然属于干法工艺。由于研磨过程耗能大，烧结温度较高，并且干法难以达到分子尺度的混合，因此利用干法制备HA的工艺正在逐渐被遗弃。 6.其他方法 韩颖超等曾利用Ca(PO4)4H2O、(NH4)2HPO4、柠檬酸和硝酸为原料，采用自燃烧法制备了平均粒径85nln的HA微粉。廖其龙等人采用冲击波合成法将C

31、aCO3、CaHPO4混合装入钢制回收器内，经冲击波处理后得到HA粉体。自燃烧法在低温下即可实现原位氧化，能够快速合成产物的初级微粉，不仅可以缩短制备周期，而且反应物在合成过程中处于高度均匀分散状态，因此产物粒径小、适合纳米材料的合成;冲击波具有能产生高压、高温作用时间短的特点，对微粉起到细化、均匀、活化的作用。1.4 羟基磷灰石活性生物陶瓷的分类 羟基磷灰石生物陶瓷分为；致密型HA生物陶瓷, 多孔型HAP生物陶瓷, 复合型HA陶瓷, 混合型HA 生物陶瓷以及最近发展的涂层及复合HA材料。下面按分类对其作简要的说明。 1.4.1致密型HAP生物陶瓷(H型) 致密型HAP生物陶瓷的制备是将HA基

32、材加人添加剂及粘结剂制成一定的颗粒级配, 然后在金属模内加压成型,生坯经烘干在900左右烧成素坯, 素坯可以进行精加工, 然后在1300左右加压烧结而成。 致密HAP的表面显气孔率较小, 经电镜观察孔径为80微米。有较好的机械性能：抗拉强度、抗弯强度和抗压强度分别在120- 900MPa,38-250MPa和38-300MPa之间, 强度值取决于残余微孔隙率, 晶粒尺寸和杂质相等, 孔隙率的增高,降低陶瓷的强度;弹性模量E在41-121GPa 之间, 其取决于测试方法、气孔率和杂质相含量等; 断裂韧性在0.7-1.3MPa 之间, 随气孔率的增大而成线性降低, 并随烧结温度而变化, 与密度和晶粒尺寸的共同作用有关。致密HA具有一定的可加工性, 在临床使用中极为方便, 但因其植人人体内后,只能在表面形成骨质, 缺乏诱导骨形成的能力, 仅可作为骨形成的支架, 主要用于人工