b-磷酸三钙在医用材料的应用

β-磷酸钙在生物医药材料中的应用

引言

目前生物陶瓷的研究日益受到人们的重视，其作为骨替代材料已经得到广泛应用。生物陶瓷按照其生物学特征可分为生物惰性陶瓷，生物降解性陶瓷，生物活性陶瓷，生物活性玻璃陶瓷以及双相钙磷陶瓷等。β－ＴＣＰ（β－磷酸三钙）作为良好的生物降解性陶瓷，具有良好的可生物降解生，生物相容性和生物无毒性，当其植入人体后，降解下来的Ca，P能进入活体循环系统形成新生骨，因此它成为理想的硬组织替代材料，目前该课题成为世界各国学者研究的重点之一。由于人体骨中磷灰石是以纳米级针状分布，又因β－ＴＣＰ的生物相容性，所以研究纳米级β－ＴＣＰ的制备具有重要的意义。

1.1生物医用材料

生物医用材料是一类用于生物系统疾病的诊断、治疗、修复或替换生物机体的组织，器官或增进其功能的材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支。随着生物技术的蓬勃发展和不断突破，生物医学材料已成为各国科学家研究和开发的热点。通常，生物医用材料按材料组成和性质可分为生物医用金属材料、生物医用高分子材料、生物陶瓷材料和生物医用复合材料。。表1．1列出了一些常用的生物医用材料的应用实例。

表1-1生物医用材料应用实例

1.1.1生物医用金属材料

生物医用金属材料，具有高机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的能够承力的植入材料之一。医用金属材料除应具有良好的力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性和组织相容性。已应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外，还有贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。医用金属材料主要用于骨和牙等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构组件。

1.1.2生物医用高分子材料

生物医用高分子材料具有质量轻、较柔软、摩擦系数小、比强度大、耐腐蚀性好的优点，缺点是机械强度及耐冲击性比金属材料小、耐热性较差、容易变形、变质。

按性质可以分为非降解和可生物降解两大类材料。常用的非降解生物医用高分子材料包括聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚硅氧烷、聚酯等，主要用于人体软、硬组织修复，如作为人工骨、骨水泥、人工乳房、人工耳、人工鼻等。常用的可降解生物医用高分子材料有聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)、胶原、甲壳素、多糖等，目前，临床运用较多的是聚乳酸，用作骨固定材料及药物释放载体、手术线等。

1.1.3生物医用陶瓷材料

生物陶瓷材料是近年来研究较多且进展较快的领域。当代的生物医用陶瓷材料可以作为外科矫形手术的假肢(如各种关节)、牙科植入物、牙槽增强、中耳骨植入物、眼睛角质假体、人体组织长入的涂层、人工心脏的瓣膜、骨头缺损填料、人工筋腱与韧带材料等，应用范围已相当广泛。世界上许多国家十分重视生物医用陶瓷的开发和应用。根据其生物性能，一般可以分为四类：

1、生物惰性陶瓷，如氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等，这类陶瓷材料的结构

都比较稳定，原子间通过共价键结合，具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。

2、生物活性陶瓷，如生物活性玻璃、羟基磷灰石(HA)等，在生理环境中可通过其

表面发生的生物化学反应与生物体组织形成化学键结合。

3、生物可降解陶瓷，如可溶性铝酸钙陶瓷、Β-磷酸三钙(Β．Ca3(P04)2，简称Β．TCP)等，在生理环境中可被逐步降解和吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替

代缺损组织的目的。

4、生物医用纳米陶瓷，如纳米Fe203、羟基磷灰石超微粉等，利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗。

1.1.4 生物医用复合材料

生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用材料。医用高分子材料、医用金属和合金以及生物陶瓷既可作为生物医用复合材料的基材，又可作为其增强体或填料，它们相互搭配或组合形成了大量性质各异的生物医学复合材料。另外利用生物技术，在一些活体组织、细胞和诱导组织再生的生长因子之外引入了生物医用材料能极大地增进其生物学性能，并可使其具有药物治疗功能，这已成为生物医用材料的一个十分重要的发展方向，它们也可被视为一类新型生物医用复合材料。

1.2磷酸钙生物陶瓷

在目前研究和使用的硬组织(骨和牙齿)替换材料中，磷酸钙系生物陶瓷占有很大的比重，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有与骨骼矿化物类似的成分和表面及体相结构，与人体组织有良好的生物相容性，当其植入机体后，能在短期内与机体组织形成骨性结合，并引导骨组织的生长，最终通过新骨的形成实现增强补韧。由于其优良的生物学性能，近年来磷酸钙系生物材料的发展非常迅速。其中研究和应用最多的是羟基磷灰石、磷酸三钙等以及它们的复合材料。

1.2.1羟基磷灰石

羟基磷灰石，简称HA，是人体内骨和齿的重要组成部分，如人骨成分中HA的质量分数约65％，人的牙齿釉质中HA的质量分数则在95％以上。分子式为Ca10(P04)6(OH)2，Ca：P为1．67，理论密度3.156g/cm3。

羟基磷灰石生物陶瓷具有良好的生物相容性和化学稳定性，能与骨形成紧密的结合。

大量的生物相容性试验证明HA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，并能与骨组织发生直接的化学键合，能够引导组织在HA材料上增殖、黏附、分化和生长(即骨传导性)，是一种很有应用前景的人工骨和人工口腔材料。

1.2.2磷酸三钙

磷酸三钙，分子式Ca3(P04)2，简称TCP，其钙磷比为1．5，与正常骨组织的钙磷比很接近，具有良好的生物相容性，与骨结合好，无排异反应。

TCP具有与HA不同的生物性能，最大的区别就是TCP植入人体后，能在体内降解为新骨的形成提供较丰富的Ca、P。由于此特性，以TCP为基料的人工骨材料的研究与应用也是当今生物陶瓷发展的活跃领域。TCP晶相结构有高温型的a相和低温型的β相两种。a相的结晶为单斜晶，密度为2．869／cm3，β相是六面体，密度为3．079／cm3。β-TCP转变为a-TCP的相转变温度在1120～1160℃。目前生物活性陶瓷材料的研究与应用一般选择β-TCP而非a-TCP。其中主要原因如下：①a-TCP的溶解度过大，植入人体后降解过快，导致人工骨材料不能较好地发挥作用。②当温度升高，TCP由13相转变为Q相时，体积增大，会使陶瓷发生膨胀，产生裂纹，从而降低其力