羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料研究进展

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1、羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料研究进展生物医学工程学杂志1999年第0期第16卷无机生物材料及有机/无机复合材料组作者：张玉军　尹衍升　王迎军单位：张玉军　尹衍升（山东工业大学材料学院，济南　250061）；王迎军（华南理工大学材料系，广州　510632）关键词：羟基磷灰石；复合材料；生物陶瓷　　摘要　综述了羟基磷灰石陶瓷及其复合生物陶瓷材料方面的最新进展，并简单探讨了HAP生物陶瓷的发展方向。AdvancementofHydroxyapatite-BasedBioceramicComposites　　羟基磷灰石｛Ca10(PO4)6(OH)2，hydroxya

2、patite，简称HAP｝具有极好的生物相容性和生物活性，被认为是最有前途的陶瓷人工齿和人工骨置换材料。然而，纯HAP陶瓷的机械性能比较差，例如，断裂韧性(KIC)不超过1.0MPa·m1/2，而且，在潮湿的环境中Weibull因子较低(n=5～12)，作为人工种植体其使用可靠性较差。到目前为止，HAP陶瓷不能用作承载种植体，它在医学上的应用仅限于小的非承载种植体、粉末、涂层和低承载的多孔种植体。为了提高HAP陶瓷材料的使用可靠性，近十几年来已经进行了许多研究工作。本文将结合我们的实验工作，简单探讨在该领域的某些研究进展。　　1　HAP粉末的制备　　制备HAP粉

3、末有许多方法，主要有湿法和固态反应法［1］。固态反应法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。湿法包括：沉淀法［2，3］、水热合成法［4］和溶胶-凝胶法［5～8］等。用水热合法成法获得的HAP材料一般结晶程度高，Ca/P接近化学计量值。溶胶-凝胶法可以得到无定形、纳米尺寸、Ca/P比接近1.67的HAP粉末。用沉淀法在温度不超过100℃的条件下，可制备纳米尺寸的纤维颗粒粉末［9］。　　就HAP粉末的制备而言，制备工艺已经比较成熟。但是到目前为止在我国还没有形成HAP粉末材料的批量生产能力。　　2

4、　HAP陶瓷　　HAP陶瓷的烧结温度一般为1000～1200℃，袁建军等人［10］的研究说明，1300℃是HAP陶瓷材料的最佳烧成温度。如果烧结温度过高可造成HAP分解和颗粒异常长大，导致强度降低。热压［11］、热等静压烧结可得到具有细晶结构，高密度而且稳定性和机械性能良好的制品。微波烧结［12］不仅有效地节约时间和能源，而且有利于HAP材料的微观结构和机械强度。　　致密HAP陶瓷的机械性能取决于HAP粉末中Cap比值、气孔率和杂质。随着HAP中Ca/P比的增加，强度提高。在Ca/P=1.67时，达到最大值；当Ca/P大于1.67时，强度突然降低。这是由于当Ca

5、/P大于1.67时，在烧结过程中容易产生CaO。CaO吸收水分形成Ca(OH)2并最终形成CaCO3，导致材料强度降低，甚至会自破坏。　　致密纯HAP陶瓷的断裂韧性(KIC)在0.8～1.2MPam1/2范围内，抗弯强度、抗压强度和拉伸强度分别为38～250MPa、120～900MPa和38～300MPa。数据的离散是由于强度分布、气孔、杂质以及颗粒的尺寸变化引起的。致密HAP陶瓷的Young's模量(E)在35～120GPa的范围内，维氏硬度(HV)在3.0GPa和7.0GPa之间，在1000～1100℃表现出超塑性［8］。　　多孔HAP陶瓷已广泛用作骨置换材

6、料［13，14］。由于骨组织可以很好地生长到多孔HAP的孔洞中，从而提高了HAP种植体的强度。对于多孔陶瓷，其内部连通气孔的孔径在5～40μm时，允许纤维组织长入；孔径为40～100μm时，允许非矿化的骨样组织长入；孔径在150μm时，已能为骨组织长入提供理想场所［15］。但是如此大的气孔会明显降低种植体的强度。因此，多孔HAP陶瓷只能用于非载重的颌面骨以及填充小骨缺陷等。　　3　HAP基生物陶瓷复合材料　　羟基磷灰石材料合成加工研究方面的技术进步，已能制备可控制微观结构和化学组成的致密的以及多孔的HAP生物陶瓷。但是，由于HAP的使用可靠性差，使它的应用受到限

7、制。近几年来，许多方法已经用于HAP陶瓷增韧补强，例如，层状结构［16］、金属间化合物颗粒［17］、金属颗粒、纳米颗粒、晶须、长纤维、部分稳定氧化锆增强等等［8］。表1列出了一些HAP基生物陶瓷复合材料的性能。表1　HAP基陶瓷复合材料的性能材　　　　料相对密度　　(%)抗弯强度　　(MPa)KIC　　(MPa·m1/2)相组成工艺参考文献纯HAP-100＜1.0HAPHP1100℃17HAP+20%Al2O3+5%Ni3Alparticles-1602.3HAP,Al2O3,Ni3AlHP1100℃17HAP+10-30vol%longmetalfiber94

8、-10096-2243.