羥基磷灰石-氧化鋯生物復(fù)合材料制備與性能研究.pdf

1、羥基磷灰石作為生物陶瓷材料，在骨和牙的缺損修復(fù)以及骨組織工程替代方面有著非常重要的意義。從成分來看，人體骨骼的無機(jī)成分為骨磷灰石，通常，骨磷灰石里含有許多其他離子，例如K+、Na+、Mg+、CI-、F-和CO32-等，這些離子會不同程度地取代磷灰石中的Ca2+或者OH-，在人體內(nèi)的生物學(xué)過程中起到非常重要的作用。從結(jié)構(gòu)來看，人體骨磷灰石的結(jié)構(gòu)是長約40～60nm，寬約20nm，主要基本單元是針狀或棒狀磷灰石晶體，它們定向和卷排列構(gòu)成多種

2、織構(gòu)，有利于營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞。目前，人工合成的羥基磷灰石尚不能達(dá)到骨磷灰石的成分和結(jié)構(gòu)。另外，內(nèi)部連通的三維多孔結(jié)構(gòu)可以允許細(xì)胞附著、分化和增殖，為生物流體提供通道。新生骨組織可以沿著多孔結(jié)構(gòu)的孔壁長入孔內(nèi)，構(gòu)成骨性結(jié)合。從性能上看，人工合成的單一組分羥基磷灰石強(qiáng)度低、韌性差，難以承受較大的負(fù)荷，限制了它作為骨組織工程材料的使用。
　　本文擬從成分和結(jié)構(gòu)上模仿骨磷灰石，提高現(xiàn)有生物陶瓷材料的性能，設(shè)計和制備了一種玻璃改性的鈦摻雜羥基

3、磷灰石涂層/多孔氧化鋯生物復(fù)合材料。采用化學(xué)沉淀法合成了羥基磷灰石納米粉，通過鈦摻雜改變羥基磷灰石的晶格結(jié)構(gòu)來提高它的燒結(jié)穩(wěn)定性，同時，添加吐溫80來誘導(dǎo)形成納米棒狀羥基磷灰石。采用凝膠成型法制備了具有三維網(wǎng)狀貫通結(jié)構(gòu)的多孔氧化鋯陶瓷，在其表面使用涂覆-燒結(jié)工藝制備了生物玻璃改性的鈦摻雜羥基磷灰石涂層。對該復(fù)合材料的形貌、界面物相、截面形貌、力學(xué)性能和生物性能及相關(guān)機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在以下幾個方面獲得了創(chuàng)造性成果:
　　(1)

4、采用化學(xué)沉淀法，通過鈦摻雜合成了具有良好燒結(jié)穩(wěn)定性的羥基磷灰石納米粉。研究發(fā)現(xiàn)，鈦摻雜對羥基磷灰石的燒結(jié)穩(wěn)定性、晶粒尺寸和形貌有顯著影響。鈦摻雜限制了羥基磷灰石的高溫分解，在1000℃-1200℃燒結(jié)，不同鈦摻雜量（0.2-2.4wt％）的羥基磷灰石均未發(fā)生分解，羥基磷灰石和鈦之間未發(fā)生熱反應(yīng)，表明鈦摻雜抑制了羥基磷灰石的高溫分解，提高了它的燒結(jié)穩(wěn)定性。同時，鈦摻雜有效限制了燒結(jié)過程中羥基磷灰石晶粒的長大，0.8wt％鈦摻雜的羥基磷灰石

5、晶粒尺寸較純羥基磷灰石晶粒尺寸明顯細(xì)化。
　　(2)采用鈦摻雜羥基磷灰石/氧化鋯復(fù)合材料，抑制了羥基磷灰石與氧化鋯之間的熱反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，鈦離子進(jìn)入了羥基磷灰石的晶格，在1000℃-1200℃燒結(jié)，0.8wt％鈦摻雜羥基磷灰石/氧化鋯復(fù)合材料的主晶相始終是羥基磷灰石和氧化鋯，表現(xiàn)出良好的相穩(wěn)定性。
　　(3)采用化學(xué)沉淀法，通過誘導(dǎo)劑吐溫80的添加合成了棒狀羥基磷灰石納米粉。研究表明，吐溫80對羥基磷灰石晶體生長和形貌有顯著

6、影響。不添加任何誘導(dǎo)劑，羥基磷灰石晶體是片層狀形貌，晶粒尺寸分布范圍較寬，在100～300nm之間。隨著吐溫80的加入，羥基磷灰石的形貌逐漸由片層狀變?yōu)榫鶆虬魻?。?dāng)6.5g/ml吐溫80加入后，羥基磷灰石幾乎全部呈現(xiàn)棒狀形貌，晶粒尺寸分布范圍變窄，大約都在60nm左右。進(jìn)一步增加吐溫80添加量對合成的羥基磷灰石形貌沒有更加顯著的影響。
　　(4)采用羥基磷灰石在Na2O-CaO-SiO2玻璃基板上自組裝的方法在其表面定期形成了羥基

7、磷灰石層。研究發(fā)現(xiàn)，形成的羥基磷灰石的結(jié)晶度和形貌主要受浸泡溶液Na2HPO4的濃度、浸泡時間和Na2O-CaO-SiO2玻璃中CaO含量的影響，形成的羥基磷灰石總體呈現(xiàn)“松葉片狀”多層結(jié)構(gòu)形貌。
　　(5)采用凝膠成型法制備了具有三維網(wǎng)狀開孔結(jié)構(gòu)、孔與孔之間相互貫通、分布均勻的多孔氧化鋯陶瓷支架，實現(xiàn)了對其孔徑和孔隙率的可控。
　　(6)采用涂覆-燒結(jié)工藝在多孔氧化鋯陶瓷表面制備了玻璃改性的鈦摻雜羥基磷灰石涂層。研究發(fā)現(xiàn)，

8、該復(fù)合材料依然具有孔徑和孔隙率可控的三維連通孔結(jié)構(gòu)。與單一多孔羥基磷灰石相比，該復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了改善，抗壓強(qiáng)度達(dá)到27MPa。玻璃改性的鈦摻雜羥基磷灰石涂層與多孔氧化鋯陶瓷支架之間結(jié)合緊密，沒有出現(xiàn)分層和裂紋，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到了53MPa，是單一羥基磷灰石涂層的兩倍。模擬體液研究表明，玻璃改性的0.8wt％鈦摻雜羥基磷灰石涂層/多孔氧化鋯生物復(fù)合材料表面快速的形成磷灰石層，具有良好的生物活性。細(xì)胞毒性試驗表明，該復(fù)合材料對成骨細(xì)胞沒