羟基磷灰石基活性生物陶瓷的性能研究

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1、第一章绪论1.1引言生物陶瓷材料以其良好的生物亲和性在世界范围内引起广泛重视。生物陶瓷作为硬组织的代用材料，主要分为生物惰性和生物活性两大类。羟基磷灰石（Caw（P04）6（0H）2），简称HAP属于生物活性陶瓷，理论密度为3.16g/cm,是构成人体硬组织的主要无机成分，占人骨无机成分的77%,齿骨屮则高达97%［1"2］,由于与人体骨骼晶体成分、结构基木一致，HAP生物相容性、界面生物活性均优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料。但该生物陶瓷脆性高、抗折强度低，目前仅能应用于非承载的小型种植体，如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等，而不能在受载场合卜应用，如人造牙齿或骨骼等.所以

2、人们期望获得力学性能较高的HAP陶瓷［M”5］。1.2羟基磷灰石的基本性质1.2.1羟基磷灰石的晶体结构HAP晶体屌于ro3/m空间群。其晶胞特征可以用a、b、c三个向量来表示，aAb=120°，aAc=bAe=90°,为六角柱体16］，一个品胞屮含十个Ca2+、六个P0/'两个Oil'11A由很多六角柱状的单晶团聚而成。这种柱状晶体的横截面为六边形，平行于晶胞的（a，b）面，称为C表面；围绕柱体轴的六个侧面为矩形，分别平行于晶胞的（a，c）面和（b，c）面，称a表面和b表面（a表面等同与b表面），如阁1.1示。Cd）图1-1MA的品体维构Fig1-1Thecrystalstruc

3、txireof八图1.1HAP的晶体结构(a):(a,b)面上的投影。菱形表示一个品胞，z=0表示晶胞的底部，晶胞顶部。Z=0和Z=l/2的Ca离子称为CaT离子,Z=l/4和7=3/4的离子称为CalI离子；(b):Call离子，a轴水平向右，b轴向纸里面，c轴垂直向上；(c):CaI离子；(d):HA的c表面Kawasaki提出［7］,UA表面主要存在两种吸附位置：当011"位置位于品体的a(或b)表面吋，该位置连着两个CaTT离子，在水溶液中，这个表面的OH"位置至少在某一瞬间空缺，由于两个Call离子带正电，形成一个吸附位罝，成为c位罝，c位罝能吸附P0?'大分子上的磷酸根

4、或轻基团。当Cal位置位于晶体的c表而时，一部分这种位置连着六个带负电荷的0原子，另一部分这种位置连着三个带负电荷的0原子，在水溶液中，表面的Cal位罝至少在某一瞬间空缺，连着六个0原子的Cal位罝就形成一个较强的吸附位置，称为P位置，P位置能吸附Sr2K等阳离子以及蛋白质分子上显正电性的基闭;而连着三个0原子的CaI位置则形成一个相对较弱的吸附位置。1.2.2羟基磷灰石的性质1.羟基磷灰石的物理化学性质轻基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)分了式是0&1。(?0.1)6(011)2，体和质量3.16g/cm,性脆，折射率为1.64〜1.65,微溶于水，水溶液呈弱碱性

5、(PH7—9)。易溶于酸，难溶于碱。UAP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Sr'Ba2Pd2*等重金属离子交换［8_1Q］。(K也常被FCl_置换，并且置换速度非常快，还可以与含羟基(C00H)的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应［11］。2.羟基磷灰石的生物学性质(1)生物降解性有关研宄表明，HAP儿乎不溶于水［12’13］。但是研究发现它有缓慢的降解性114］。主要由以下几个原因引起：①物理化学的原因。物理化学溶解取决于材料的溶解产物及所处的PH环境；②晶界的变化而分解成小颗粒。在人体生理环境下，多孔HAP会发生物理化学溶解，或在晶界等活性较高的区域发

6、生化学变化而分解成较小的颗粒；③生理因素。如晶粒的表面积增大、料结晶度下降、晶粒尺寸的减小及C032；Mg2；Sr2’等杂质离子的存在都可以加速多孔HAP的降解速度。(2)羟基磷灰石的诱导成骨性羟基磷灰石陶瓷的骨传导性能已经被普遍认可，它的骨诱导性能直到最近才有实验验证。将试样植入体内能够生成骨形成蛋白并且奋伴随骨髓的新骨组织出现。HAP的生物活性机理，Gross、Duchesne和Jarcho等115191曾做过讨论，认为HAP植入机体与邻近骨和体液作用，发生弼、磷等离子交换，这种交换维持动态平衡，在HAP与骨界面产生新的HAP。HAP中弥散出钙和磷离子，体液中钙和磷离子也向HA

7、P表面聚集，在HAP表面形成钙、磷离子层并与骨细胞中的蛋白质分子结合，这样HAP与骨就紧密地集合为一个整体。离子交换的不断进行，影响细胞的增生分化，引起HAP表而的骨生长[20,21]1.2.3羟基磷灰石的制备方法HAP微粉是制备块状或多孔羟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HAP微粉的制备方法，使之更加科学合理、成木低廉、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