羟基磷灰石研究进展

2010-2011 第2学期《生物医用材料》期中考试

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羟基磷灰石研究进展

摘要：由于羟基磷灰石( HA) 不但与人体骨骼晶体成分和结构基本一致,而且其生物

相容性、界面生物活性均优于医用钛、硅橡胶及植骨用碳材料等植入医用材料,另外有极好骨传导性和与骨结合的能力, 无毒副作用, 无致癌作用,所以被广泛用作硬组织修复材料和骨填充材料的生理支架以及疾病、意外事故中的骨修复材料。同时，羟基磷灰石具有良好的生物活性,具有特殊的晶体化学特点，是较好的生物材料,被广泛应用于骨组织的修复与替代技术.目前,羟基磷灰石涂层的制备方法有等离子喷涂法、激光熔覆法、电结晶液相沉积法、溶胶-凝胶法等。对于制备要求较高、具有表面活性的吸附材料羟基磷灰石而言,溶胶- 凝胶法是较为合适的方法,本文羟基磷灰石涂层进行了研究。主要从羟基磷灰石的合成制备,复合材料涂层种类及HA涂层影响因素，应用等方面对羟基磷灰石进行介绍，并对其进行研究展望。

关键词：羟基磷灰石制备复合材料涂层研究进展

前言

羟基磷灰石是一种磷酸钙生物陶瓷, 与人体自然骨和牙齿等硬组织中的无机质在

化学成分和晶体结构上具有相似性，是一类重要的骨修复材料,分子式为Ca10 ( PO4) 6 ( OH ) 2 , 简写为HA 或HAP,Ca/ P 物质的量比理论值为1. 67, 属磷酸钙陶瓷中的一种生物活性材料。从分子结构( 如图1) 可以看出, 它易与周围液体发生离子交换。HA 属六方晶系, 空间群为P63/m。其结构为六角柱体, 与c轴垂直的面是一个六边形, a、b 轴的夹角为120 °, 晶胞常数a= b= 9. 324 A , c= 6. 881A 。单位晶胞含有10 个[ Ca]2+、6个[ PO4]3-和2个

[ OH]-, 这样的结构和组成使

得H A 具有较好的稳定性。

磷灰石是自然界广泛分布的

磷酸钙盐矿物，根据其结构通

道中存在的阴离子的种类,

可分为氟-、氯-、羟磷灰石等

不同亚种矿物。其中，羟基磷

灰石(hydroxyapatite，缩写为

HA或HAp)的研究和应用最

广泛。羟基磷灰石是人体和动

物的骨骼和牙齿的主要无机

成分，具有良好的生物相容性和生物活性，HA材料对动物体人体无毒、无害、无致

癌作用，可增强骨愈合作用，能与自然骨产生化学结合，HA植入人体后对组织无刺

激和排斥作用,能与骨形成很强的化学结合,用作骨缺损的充填材料,为新骨的形成提供

支架,发挥骨传导作用, 是理想的硬组织替代材料，被认为是最有前途的人工齿及人工骨的替代材料。

1、羟基磷灰石的合成制备

虽然1871年就合成出羟基磷灰石,但是由于技术的限制，直至1971年才有羟基磷灰石生物陶瓷的成功报道,并迅速扩大临床应用。

经过多年的研究,近年来已经开发出多种方法制备羟基磷灰石。鉴于各种方法在制备原理于过程上存在相当大的差异，所得到的HA的性能也产生了较大的差异。不同状态的HA的制备是HA优异性能得到充分利用的关键。羟基磷灰石的制备可按照其物理性质分为HA粉体的制备、HA涂层的制备、以及HA复合材料的制备。

1．1经基磷灰石粉体的制备

目前制备羟基磷灰石粉末的方法有很多,主要有湿法溶胶一凝胶法、水热法、沉淀法等和干法固相反应及微乳液法。

1.1.1溶胶一凝胶法

溶胶-凝胶法是以适当的前驱物配成溶胶, 一般利用金属无机盐或金属醇盐, 在水或醇溶剂中发生水解或醇解反应,形成均匀的溶胶, 然后经过溶剂挥发及加热等处理, 使溶胶转变成网状结构的凝胶, 再经过适当的后处理工艺形成HA晶体。童义平等探索用溶胶—凝胶法制备羟基磷灰石的工艺条件, 用硝酸钙和磷酸三丁酯为反应原料, 进行对比实验, 优化得到的条件为溶液pH 值控制在8 左右, 烧结温度控制在950℃以上, 恒温时间控制在2.5～ 4.5 小时。是近些年来才发展起来的新方法,已经引起了广泛的关注。找到合适的、能够合成最终的羟基磷灰石的溶胶一凝胶体系是其合成的关键。其原理是：将醇盐溶解在选定的有机溶剂中,在其中加蒸馏水使醇盐发生水解、聚合反应后生成溶胶,再将Ca2+溶胶缓慢滴加到(PO4)3-溶胶中,加水变为凝胶,凝胶经老化、洗涤、真空状态下低温干燥,得到干凝胶,再将干凝胶高温锻烧,就得到羟基磷灰石的纳米粉体。该方法的优为：合成及烧结温度低、可在分子水平上混合钙磷的前驱体使溶胶具有高度的化学均匀性。缺点是化学过程比较复杂、醇盐原料价格昂贵、有机溶剂毒性大,对环境易造成污染等。,该方法的优点是对PH没有要求。这种方法可以生成Ca/P比不同的HA ,生成的HA粉体可用作生物陶瓷、环境材料、催化、色谱等领域。

1.1.2沉淀法

化学沉淀法是制备羟基磷灰石粉体最典型的方法,这种方法通常采用把一定浓度的磷酸氢铵和硝酸钙反应或者磷酸与氢氧化钙在一定的温度下搅拌，常加入适当的沉淀剂，通过控制反应的温度、PH值、反应速率及陈化时间等来实现HAP蹭点结晶化过程,反应过程中使用氨水调节PH值,把沉淀物高温缎烧从而得到HA粉体。其典型工艺：Ca（NO3）2与磷酸盐[(NH4)3PO4,(NH4)2HPO4,NH4H2PO4]溶液进行反应,沉淀经过滤、干燥,制成粉末颗粒,再在750℃条件下煅烧3h,生成晶体粉末,经成型工艺获得压坯,

最后在1050一1200℃温度烧结,即得到羟基磷灰石。该法的优点是：工艺简单、合成粉体的成木较低,可以大量制造HA粉体,并广泛应用于工业生产巾。缺点：必须严格控制实验的工艺条件,比如Ca/P的摩尔比、混合物的PH值、以及反应产生沉淀的时间。

1.1.3水热法

水热法其特点是在特制的密闭的反应器（高压釜）内,在高温高压下,用水溶液作为反应介质。在高温高压环境中,不受沸点的限制,可以使介质的温度上升到200一400℃,使原来难溶或不溶的物质溶解并重新结品的方法。这种方法通常采用磷酸氢钙等

为原料的水溶液体系,在高压釜中制备HA粉体。其典型的工艺为：以CaCl2 [或Ca（NO3）

]与NH4H2PO4为原料,以钛网、Ti6Al6V片或其他合金为阴极,以石墨为阳极,控制一2

定的PH值和沉淀时间,可得CaHPO4·2H2O ,随后经水蒸气处理,即得到羟基磷灰石。

化学反应如下：

与其它化学方法比较, 水热法制备HA粉体由于不需要高温焙烧等后处理工艺, 避免了在这些过程中可能产生的粉体颗粒之间的硬团聚, 制备工艺较为简单, 粒子纯度高, 分散性好, 粒径小, 分布范围窄,这种方法的缺点为：生产周期长, 能耗大, 成本高, 反应条件对产物影响大。对设备的密闭条件要求很高,反应条件不容易控制,很难生成Ca/P比不同的HA,一般能生成正常配比的HA。但是可以获得高纯度、高有序度、结品较好的HA多品粉体。该方法制备的羟基磷灰石粉体在萤光、激光材料、催化载体等方面得到应用。

1.1.4干式法

把固态磷酸钙及其他化合物磨细均匀混合在一起,在有水蒸气存在的条件下,反应温度大于1000℃(1000℃一1300℃),可以得到结品较好的羟基磷灰石,反应式为：6CaHPO4·2H2O+4CaCO3=Ca(PO4)6(OH)2+4CO2+14H2O

这种方法合成的羟基磷灰石优点是粒径1mm,纯度高,结品完整无品格缺陷,晶格常数不随温度变化。缺点为该方法要求较高的温度和热处理时间,粉末的可烧结性差,使得应用受到了一定的限制。一般这种方法制备的羟基磷灰石粉体常用在萤光、激光、敏感功能材料和地质条件模拟实验研究中应用。此外还有海珊瑚高温置换反应合成等方法。

1.1.5微乳液法

微乳液法是利用表面活性剂在溶液中的浓度超过其临界胶束浓度(cmc)形成胶束的性质, 在钙和磷的前躯物溶液中,加入适宜的表面活性剂,形成各种彼此独立的微乳颗粒(如球状、椭圆状、棒状胶束等)来控制HAP晶粒的生长, 以制备不同形貌的超微粒HAP。

1.2经基磷灰石薄膜的研究方法