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
近年来发展起来的金属基表面羟基磷灰石薄膜的研究方法主要有：等离子喷涂,激光熔覆法,溶胶一凝胶法,电沉积方法,仿生合成法,浸渍法,热喷涂等。这些方法可以分为两大类, 一类方法制备出厚度相对较大的涂层（几十至上百）；另一类则偏重于制备薄涂层（厚度在几个至十几个左右）。
1.2.1厚涂层的制备方法
1.2.1.1等离子喷涂法
等离子喷涂法是制备HA涂层最成功,也是目前临床研究较为成熟,应用最为广泛的方法,并且被广泛投人到商业应用。
等离子喷涂的基本过程是喷涂粉料以气体为载体被送到等离子区,经高温（通常高于1000℃）熔融或半熔融后喷涂到金属基体表面形成羟基磷灰石薄膜,喷涂后的涂层要经过水蒸气处理或热处理。其典型工艺如下：由钨青铜阳极和喷嘴阴极放电产生电弧,等离子体则在电弧燃烧中产生。一般等离子气体选择惰性气体或双原子其他的混合物。喷涂粉末用气流送到高能的等离子气体内,粉末在等离子体中熔化,附着在金属基体上而形成涂层,随着工艺参数,如HA的颗粒大小以及功率的变化,涂层的性能也相应发生变化。通常等离子喷涂的厚度在几十左右。
等离子喷涂具有操作方便,但他的缺点也很明显首先因羟基磷灰石与金属基体的热膨胀系数不同,易在基体与涂层界面形成残余应力,在喷涂后的冷却过程中涂层可能产生相变和脆裂,使得涂层和基体的结合强度不高；其次,由于等离子喷涂过程涉及高温过程,易使羟基磷灰石发生分解。另外,由于原始材料采用较高纯度的羟基磷灰石粉末,植被的成本较高,技术设备昂贵,不适合喷涂多孔金属表面。
1.2.1.2激光熔覆法
激光熔税法的工作原理在金属基体的表面上预先覆涂一定配比的CaCO3,与CaHPO4·2H2O的混合物粉末涂层,然后用激光器进行多道搭接熔覆处理,使合成与熔覆HA涂层一步完成,合成HA涂层的原理反应为：
此方法制得的涂层的优点是：与基体结合良好、硬度高、强度较高、韧性良好,且改善了植人材料的弹性模量与生物硬组织材料的匹配性。但同样也有缺点存在，涂层的均匀性和稳定性较差,难控制且设备昂贵。激光熔覆法在制备生物涂层方面刚刚起步,但已经显示出巨大的优越性,很有希望成为生产临床生物材料的途径之一。
1.2.2薄涂层的制备方法
1.2.2.1溶胶一凝胶法
溶胶一凝胶法除了可以制备HA的粉体以外,还可以制备HA涂层,这一方面近年来研究较多,溶胶一凝胶法是一个相当简单的过程。溶胶一凝胶法的原理是：将涂层物质或其前驱体制成溶胶,使之均匀的覆盖于基体的表面,由于溶剂的迅速挥发以及后续的缩聚反应而凝胶化,再经干燥和热处理,以获得所需的涂层。该方法的优点是用料
少,成木底；工艺简单,不需要任何的真空的设备；工艺过程温度低；对于形状复杂的材料有利。
1.2.2.2电化学沉积法
电化学沉积法是一种点解方法镀膜的过程，也是一种氧化还原过程。该方法的原理是：在含有被镀金属离子的水溶液（或非水溶液、熔盐）中通直流电，是正离子在阴极表面放电，得到金属、=-0987321、温度低、易于在复杂表面上大面积涂膜、投资少，工艺简单，易于操作。缺点是：该方法虽然工艺简单，但是影响因素很多，薄膜的性质受这些因素，所以想得到复杂组分的薄膜很难；值得的薄膜大多是为多晶态和非晶态，其性能不高；此种方法也存在HA涂层与金属基体表面结合强度低的缺点。
1.2.2.3仿生合成法
今年来许多采用仿生合成法，其基本原理：把金属基体放置于一种配置的与人体体液组成几乎相同的溶液中（简称SBF），即PH=7.4和温度37℃含有（Na+、K+、Ca2+、PO43-等）无机离子溶液，在近似人体的生理环境下，在金属基体表面上自发的生长出羟基磷灰石涂层。采用模拟体液SBF模拟人体的生理环境，这种方法生成的涂层在人体内可以直接转化为更接近自然骨的磷灰石。该方法的优点为：低温造作（体温37℃）、涂层不受基体形状的限制，可在任何形状或材质的表面上沉积涂层、与骨有更高的结合力、可控制晶体的结构等优点。
1.2.3涂层的设计
在基体上涂覆单一的羟基磷灰石涂层无法同时很好地满足涂层的生物活性和涂层与基体结合强度这两方面要求。因此国内外许多研究者都致力于对涂层的设计以改善涂层与基体之间的结合性能。
1.2.3.1存在中间过渡层得涂层。
在羟基磷灰石涂层间引入一层化学性质稳定、致密的中间过渡层，既可以封闭基体表面，防止其与组织液接触，又可使基体与外层的涂层形成牢固的结合。这些过渡层包括TiN、TiO2、ZrO2和生物玻璃。
1.2.3.2梯度涂层
梯度复合涂层是连续改变涂层的组成使涂层内部的界面消失, 物理和化学性能呈连续平稳变化。目前有两种方法可以制得梯度复合材料: 1)激光熔覆法, 将不同配比的涂料, 分层涂覆在金属的表面, 再用激光照射表面, 使其融化, 最终在基体与表面之间形成成分逐渐过渡的涂层; 2)碱2热处理法, 将基体用碱处理后, 表面生成钛的氧化物, 再放入模拟体液(SBF)中, 基体表面的pH 升高, 提高了HA P 的粒子活性, 促进其成核, 最终形成HA P 梯度复合涂层。其特点是涂层与基体的结合力高, 生物相容性好, 与骨的结合强度高。
Khor等人采用离子喷涂的方法将HA和Ti6Al4V粉以不同比例混合制成梯度涂层（第一层是50wt%HA/50wt%Ti6Al4V,中间层是80wt%HA/20wt%Ti6Al4V,最外层是HA），较单一的HA涂层结合强度有显著的提高。但目前能用于梯度涂层制备的方法尤其是
应用在复杂形状上的还很少，且设备复杂，常常需计算机控制气体、液体或粉末的供给。
2、羟基磷灰石复合材料
为了改善羟基磷灰石陶瓷的力学性能,金属、陶瓷、聚合物等都被试图用来与之复合,以期得到一种理想的骨修复材料,但至今没有达到令人满意的效果.下面分类介绍以下羟基磷灰石复合材料的发展现状.
2.1HA与生物玻璃的复合
生物玻璃具有良好的生物活性和生物相容性,Henrik等将少量生物活性玻璃加入HA以提高致密度和力学性能,发现这类材料的断裂韧性为1. 3～1. 7 MPa. m1/ 2,同时强度也有所提高. 然而生物活性玻璃的加入通常会促进HA 的分解并形成TCP.有机泡沫浸渍法将CaO - P2O5基生物玻璃加入到HA 中,当生物玻璃的加入量为4wt %时,制备的多孔HA 具有均匀的开孔结构,孔隙相互贯通,孔径分布范围200 - 400 μm ,气孔率高达70 - 80 % ,利于生物组织的长入和新骨的生成,孔梁上的微孔利于组织液的渗透,作为组织工程支架材料具有很好的应用前景.
尽管HA生物活性玻璃复合材料与HA陶瓷相比具有较好的生物活性、生物相容性,不过生物活性玻璃也有脆性大的弱点,复合后力学强度仍然较低,只能用于一些承载较小或不承载部位,增强增韧生物玻璃会改善复合材料的力学性能。
2.2HA与高聚物的复合
高聚物具有较低的弹性模量,在制备复合材料时可以有效降低材料的弹性模量,从而减少或避免应力遮挡效应.因此,制备HA/高聚物复合材料可以提高HA 生物材料可靠性并降低其刚度. Shikinami 等采用一种新的共混及精加工工艺将HA均匀分散于聚L 乳酸(PLLA)基体中制备了超高强度生物可吸收HAPLLA复合材料.该复合材料具有良好的生物相容性、可吸收性、生物活性和骨结合能力. 研究表明使用纳米HA 粒子复合,有利于提高HA 与聚合物基体间的结合能力,这是近来的一个新动向。
高聚物作为生物材料目前存在的最大问题是多数材料的降解产物有毒,这也大大降低了材料的生物活性,且多数HA/高聚物复合材料的力学性能也不足以达到应用在承重部位的要求.
2.3 HA与金属的复合
医用金属材料具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用最广泛的承力植入材料,由于其较差的生物活性限制了它的近一步应用.而羟基磷灰石具有优异的生物活性,由此,HA/金属复合材料应运而生. HA - Ag复合材料是研究较早的一种金属复合材料,Ag颗粒弥补了HA 脆性大的不足,提高了其韧性,并且Ag 颗粒增强体有抗菌效果。DeWith等研究了5 种切短金属纤维( Ti ,601铬镍铁合金,不锈钢,Hastelloy ,以及
FeCral - loy等)增强HA 复合材料.虽然在N2 气氛下烧结,不锈钢纤维和601 铬镍铁合金与HA 基体之间还是发生了严重的反应. Hastelloy和FeCral - loy纤维也与HA 基体有轻微反应.但含30vol %FeCral - loy纤维增强HA 复合材料弯曲强度和断裂韧高达24MPa 和7. 4MPa·m1/ 2
3、HA涂层的影响因素
3.1试剂的反应顺序、放置时间、温度对制备溶胶的影响
. 制取溶胶加料顺序对溶胶具有一定影响。将无水乙醇与五氧化二磷反应,冷却后得到磷酸三乙酯,再用硝酸钙和磷酸三乙酯反应即可得到良好的溶胶。若将无水乙醇加入到五氧化二磷中,在未冷却的情况下加入硝酸钙,立即会有淡黄色固体析出;若将无水乙醇加入到硝酸钙中混合后,再加到五氧化二磷中,也会出现淡黄色固体。以上两种加料顺序均不利于溶胶的形成。
制取溶胶时搅拌对溶胶会产生影响。硝酸钙和磷酸三乙酯反应,常温下搅拌,可得到溶胶,提拉成膜时涂膜均匀;如不搅拌,溶胶颗粒增大,提拉成膜时涂层不均匀。
磷酸三乙酯静置时间及温差会影响溶胶的稳定性。若制备好的磷酸三乙酯放置时间太长或温差太大,再加入硝酸钙,经搅拌后会有晶体析出,溶胶稳定性被破坏。在实验过程中,有时会出现乳白色(不透明)果冻溶胶。
3.2溶胶配比对HA 涂层的影响
改变溶胶配比,即改变溶胶中羟基磷灰石的含量,以研究溶胶配比对HA 涂层的影响,实验结果见表1。由实验结果,选择P2O5 的加入量为1g ,随着硝酸钙加入量的增加,溶胶的粘度越来越大,当其加入量为 5. 5g 时,溶胶粘度适合拉膜,涂膜厚度均匀;当其加入量大于5. 5g 时溶胶粘度较大,涂膜厚度不均,不宜拉膜。选定五氧化二磷为1g、硝酸钙 5. 5g ,改变无水乙醇的含量进行实验,实验结果见表2。由表 2 的实验数据可知,无水乙醇加入量为25mL 时,所制得的溶胶粘度适中、涂膜厚度均匀。
3.3二氧化钛溶胶的加入对HA 涂层的影响
在制备好的HA 溶胶中加入少量二氧化钛溶胶,体系呈淡黄色。经热处理后,不加二氧化钛溶胶的涂膜容易清洗掉,加入二氧化钛溶胶时,涂膜与载体结合度大,因此,加入二氧化钛溶胶增强了羟基磷灰石涂层与基体的附着力。
3.4提拉速度对涂层的影响
制备涂膜的提拉速度分别选定2、4、8、15mm/ s ,在载玻片上涂膜,实验结果为:当提拉速度为2mm/ s时,玻璃片表面涂层厚度适中,涂膜透光性好;当提拉速度大于2mm/ s 时,薄膜厚度过小,且载玻片表面涂层不均匀,涂层透光性不好,因此选定提拉速度为2 mm/ s。
3.5干燥温度对涂层的影响
若用制备好的溶胶进行涂膜,不经干燥,直接放入电炉中加热至500 ℃,冷却后涂膜表面有形似气泡爆裂状的突起,这是电炉温度逐渐升高时反应过程中未反应的无水乙醇沸腾所致。因此,在烧结之前,凝胶需干燥处理,干燥的适宜温度是60 ℃。
3.6热处理温度对HA 涂层的影响
根据前面的实验结果,选定提拉速度为2mm/ s ,用载玻片浸渍提拉成膜后经60 ℃干燥4h ,并以10 ℃/ min 速度分别升温到500、550、600、650、700、750、800、850、900、950 ℃,恒温热处理3h。当温度为500、550、600 ℃时,热处理后的涂膜呈灰色,用去离子水清洗后其表面无涂膜附着在载玻片上;当温度为650、700 ℃时,涂膜呈白色,用去离子水清洗后表面有均匀清晰的涂膜;温度为750、800、850、900、950 ℃时,由于温度过高,载玻片在高温作用下弯曲变形,涂层呈白色,用去离子水清洗后,涂层不均匀,透光性差。这是由于羟基磷灰石在高温下(超过1300 ℃)不稳定,部分HA 会分解成磷酸三钙、磷酸四钙和非界相HA等杂质。
冷却后,可得到颗粒分布均匀致密、颗粒细小的羟基磷灰石涂层且涂层与玻璃基体结合良好,涂膜具有良好的透光性。在上述合适条件下制得的羟基磷灰石涂层X- 射线衍射图见图1。
[小结:]
①.制备均匀的羟基磷灰石溶胶,加入二氧化钛溶胶时,可提高涂膜与载体的附着力。
②.制备均匀的羟基磷灰石涂膜适宜的提拉速度为 2 mm/ s。
③.涂膜干燥适宜的温度为60 ℃,干燥时间为4h ,热处理温度为650 ℃(升温速度
10 ℃/ min、恒温3h) 。
4、羟基磷灰石的应用
4.1环境功能材料
羟基磷灰石具有良好的离子吸附和交换性，是一种新型的环境功能材料。
HAp晶格中两种位置Ca2＋的价键与半径不同，对各种半径的二价金属阳离子有着广泛的容纳性，二价阳离子的进入将产生位置选择性而形成有序的超结构。因此，可以将羟基磷灰石开发成一种优质的无机离子晶格吸附与交换材料，用于废水治理和有价值元素的回收。在此理论基础上，刘羽等做了一系列天然磷矿石和人工合成羟基磷灰石处理废水中Pb2＋、Cd2＋、Cr2＋、Fe2＋、[UO2]2＋、Cu2＋、Zn2＋、Hg2＋的实验，结果表明磷灰石对绝大多数重金属离子去除效果较好，在室温和pH值为3，作用60min的条件下，Pb2＋的去除率可高达99.4％，饱和吸附量超过1 100mg/g，对Cd2＋的去除效果也很显著。主要的去除机理包括吸附、表面络合、溶解－沉淀以及重金属离子与晶格中的离子交换作用。一般而言，被吸附的重金属离子固化在晶格中间，不会产生二次污染。并且在相同的实验条件下，羟基磷灰石的去除效果优于天然氟磷灰石。
羟基磷灰石对人体无害，在食品工业中使用具有很高的安全性，且对氟离子和绝大
多数重金属离子有很好的吸附作用，并且不会产生二次污染，用它作为吸附剂纯化饮用水可以取得良好的效果；能耐受NaOH和HCl的处理，分离纯化可在较宽pH值范围内进行。为了简化操作流程，可将羟基磷灰石粉末用于柱层析。颗粒越细，离子交换效果越好，但如果羟基磷灰石颗粒太细，易产生堵塞，增大了后期过滤和残渣处理的难度，笔者认为，可以将羟基磷灰石制成适当孔径的多孔陶瓷，小孔径气孔提供巨大的比表面积，大气孔形成连通孔道，内表面远远大于外表面积，且具有较高的吸附势，集吸附、表面过滤和深层过滤于一体，具有一定的研究意义，但是目前国内外还未见相关报道。
4.2湿敏半导体材料
羟基磷灰石中Ca2＋活性很强，其半径和电负性(r＝0.105nm，χp＝1)与Na＋(r＝0.098nm，χp＝0.9)比较接近，故Na＋可以置换Ca2＋，形成受主态P型半导体陶瓷。在通过水热反应制备羟基磷灰石的原料中加入Na 2CO 3，可以制得Na＋固溶的羟基磷灰石粉体，添加造孔剂和粘结剂成型后，在1 170～1 200℃烧结3h，即可得到测湿范围宽，灵敏度高，性能稳定的多孔羟基磷灰石陶瓷湿度传感元件。
4.3生物活性材料
大量研究证明，HAp纳米粒子具有抑制癌症的作用，HAp 陶瓷对人体无毒副作用，耐腐蚀，力学强度高，具有独特的生物相容性和生物活性，其界面结合性能均优于各类医用钛、硅橡胶及植骨用碳素材料，可以与骨形成牢固的结合，是一种最有前途的硬组织替代物。目前对HAp的研究主要集中在纳米化、陶瓷涂层和多孔复合材料方面。
生物骨组织的多孔结构，使其能够适应一定范围的应力变化，同时多孔组织能够使血液流通，保证了骨组织的正常代谢，开发生物活性多孔植入材料是一种必然。在骨替换手术中，植入孔隙形貌和结构与骨单位及其脉管的连接方式一致、可以为骨基质提供支架的骨基质替代物，就可以促进骨组织的生长，实现骨缺陷的修复和替换。这就是开发类似人体骨基质结构的多孔羟基磷灰石生物陶瓷的原因。研究表明，当多孔羟基磷灰石陶瓷孔隙率超过30%以后，孔隙之间能相互连通，新生组织可以从人工骨表面长入内部各部分并相互结合，这样不仅获得良好的界面结合，而且新生组织的长入能降低多孔HAp陶瓷的脆性，提高抗折强度。此外，多孔结构降低了HAp材料的刚性，有利于界面应力的传导，符合界面力学要求，使界面能够保持稳定，从而提高种植效应。通过添加硅灰石等纤维状填料来实现多孔陶瓷的增韧，可望将HAp生物陶瓷的应用范围扩大到人体承重部位的骨替换或修复。大量研究事实证明，羟基磷灰石材料的发展历经致密陶瓷和陶瓷涂层，最终归结到多孔陶瓷，是仿生学的必然结果。类似自然骨组织的组成、结构和性质的理想植入材料的研究，是生物陶瓷今后发展的主流方向，但是寻求与机体生物相容性和力学相容性均匹配的多孔陶瓷材料还任重道远。
5、羟基磷灰石的发展趋势
羟基磷灰石有着勿庸置疑的优点, 如良好的相容性, 并能与骨组织形成骨性结合等, 但它的缺点也是明显的, 针对此缺陷而研制的羟基磷灰石生物复合材料集中多种组分的性能优点, 使材料具备综合性能优势, 在当今社会必然有着广阔的研究和应用前景。
（1）仿骨结构羟基磷灰石多相复合生物陶瓷的发展。羟基磷灰石生物陶瓷材料虽然在加工和适应骨缺损方面存在较多问题,但是它的力学性能却优于其它的结构形式,因此更有希望适应承重及大面积的骨修复的要求。多相协同增强陶瓷复合材料显示超出单相增强加和的效果,仿骨结构复合轻基磷灰石陶瓷在单相增强的基础上，多相复合势必将进一步提高强度、断裂韧性,力学性能显著提高。
（2）羟基磷灰石骨水泥复合生物材料的发展。羟基磷灰石骨水泥的可塑性及自固化性方便了临床操作,但是力学性能差同样限制了它的广泛应用,发展羟基磷灰石为主体的骨水泥复合材料,并综合固相组份及调和液方面获得的增强成果，羟基磷灰石骨水泥复合生物材料有望在骨缺损修复、整形外科等多方面获得大面积的推广应用。（3）功能羟基磷灰石复合生物材料的发展通过在羟基磷灰石中添加少量的特殊物质,得到的复合材料呈现出某种预期的功能,这为临床解决诸多的疑难病症提供了新的途径,随着新材料及材料新性能的不断研究和发现,功能羟基磷灰石复合生物材料种类与功能将会得到不断的完善和发展。
6、结语
对于纳米级HA的合成，采用固相合成时，合成工艺简单，操作方便，污染少，但是该方法研磨条件苛刻，采用微波辅助是一个很好的思路，目前仅限于实验室研究，如果用于大规模工业化生产，微波固相法还需要设计特殊的微波反应容器。相比之下，液相合成法研究比较广泛。沉淀法工艺简单，制造成本低，但是要制备粒径均匀的粉体需要加入分散剂，并且控制沉淀速度，因其具体合成过程中的条件因素复杂，所以需要进一步研究各种影响因素的规律；水热法制备的HA结晶度好，但是设备昂贵，工艺条件非常苛刻；溶胶-凝胶法制备的HA化学均匀性好、纯度高、颗粒细，但是结晶度较差，烧结性也不好。反相微乳液法是制备尺寸均匀、颗粒细小材料的理想方法，并且可以方便地人为控制粒径大小。应在充分研究各种微乳体系的基础上解决彻底清除颗粒表面的油相和表面活性剂，并将其有效回收，从而为工业化大规模生产创造条件。作为合成方法的研究，今后应向多种方法交叉方向发展，努力寻求一种集各优势于一体的，并且具有低成本、高品质产品的适合于工业化生产的有效方法。
如前所述，生物材料是一种特殊的功能材料，利用它可以对有机体进行修复、替代与再生。生物医学材料研究的最终目的是用其能够替代或修复人体器官和组织，并实现其生理功能。
，纳米填料的分散状况和两相间的界 面结合会极大影响复合材料的性能，近年来，纳米级填料在聚合物改性方面 得到了大量研究和应用。与普通填料相比，纳米级填料表面缺陷少，表面活 性高，与聚合物发生物理或化学作用的可能性大，界面结合也较强。但由于 其大的界面张力，高的表面活性同时使得其极易团聚，难以在聚合物基体中 分散均匀，或者说是很难以纳米尺度与聚合物结合，显现纳米效应。常用的 纳米材料表面处理方法，如加入偶联剂等，会降低复合材料的生物相容性。 由于羟基磷灰石中的羟基、钙离子等可以与聚乙烯醇中的羟基等产生强烈的 相互作用，使二者之间的界面粘合增加，为此，我们对纳米羟基磷灰石进行 大功率超声预先分散后，对其循环冷冻一解冻处理，进一步增加聚乙烯醇分子与羟基磷灰石之间的相互作用，从而在赋予材料生物活性和生物相容性的同时，提高其他性能。 ，说明HA与PVA的羟基间存在相互作用。已有研究表明PVA的羟基与HA中的ca2+之间能形成一种配位结构，具有相互作用，可引起PVA羟基伸缩振动峰向低 波数移动。这也说明凝胶复合材料中n-HA与PVA不是简单的物理共混，而是以某 种化学形式相结合。郭玉明等[11的研究结果表明HA中的Ca2+和PVA分子中的羟基 之蜘形成了一种配位结构，具有相互作用，从而导致PVA分子中的羟基伸缩振动峰 向低频方向移动。同时，HA同PVA分子间的氢键作用使得PVA分子的空间立构规整度有所下降，从而导致加入n．HA后PVA分子中各基团特征峰的位置有所改变。 在n-HA／PVA凝胶复合材料中，均 可观察到大量的羟基磷灰石粒子分布在PVA基体之中。同时，当HA含量较少时(图 4_4b1和r图4．4c)，HA粒于在PVA基体中呈均匀分布状态：随着HA粒子含量的增加 f图4-4d)，部分HA粒子在PVA基体中呈团聚状态。无机纳米粒子具有较高的表面能和比表面，当n-HA粒子在PVA中的含量较低 时．一方面PVA溶液可作为纳米羟基磷灰石粒子的分散剂．使HA粒子均匀分布在 PVA基体之中：另一方面，n-HA粒子的高表面能和比表面，可有效提高n-HA粒子 同PVA基体问的界面结合强度．有利于改善复合材料的力学性能。当n-HA粒子在 PVA基体中的含量较高时，n_HA粒子的高表面能导致粒子间发生团聚，从而使得粒 子的比表面和表面活性点大幅下降。此时，纳米粒子不仅难以起到增强的效果，而且成为复合材料的缺陷源，导致复合材料的性能恶化。 在PVA溶液孛原位合成的n-HA粒子大小具有纳米量级，同时，n-HA／PVA凝胶 复合材料具有与自然关节软骨相似的多孔网络结构．当其作为关节软骨修复材 料使用时，这中独特的结构有利于软骨细胞的长入。使修复材料和自然软骨形 成良好的骨性结合，’从丽有利于增强二者界面间的结合强度· (2)PVA溶液有剩予纳米粒子的均匀分布，当复合材料中a-HA粒子含量较低时，纳 米羟基磷灰石粒子在p、狻基体中墨均匀分布，隧着n-HA含量的增加，纳米粒子 一发生团聚。． (3)n-HA粒子同PVA基体之闻存在一定的纯学键作用，n-HA的加入改变了PVA的
由羟基磷灰石、氟磷灰石、磷酸三钙和碳酸磷灰石等磷酸钙盐或其复合物构成的生物陶瓷。Ca/P原子比和材料结构决定其表面是否具有生物活性或生物可吸收性。 羟基磷灰石和磷酸三钙等磷酸钙类生物材料与脊椎动物骨和齿的主要无机成分十分相近，具有良好的生物相容性，植入骨组织后能在界面上与骨形成很强的化学键合，各国学者均给予广泛关注，是临床医生喜用的医用材料。目前，医用的磷酸钙粉末是用分析纯化学原料人工合成的，其主要制备方法有在高温下反应的干式方法与在溶液中进行沉淀反应的湿式方法。传统的磷酸钙粉末制备方法均很难得到力学性能好的磷酸钙陶瓷，这就限制了磷酸钙陶瓷材料作为承重骨的应用。因而有必要寻求一些合成及改性的新方法。冲击波技术作为材料制备、活化、改性等的研究手段，正日益受到人们的重视，它具有能产生高压、高温及作用时间短等特点，在材料研究中占有独特的地位。凝聚态物质经冲击波作用后，位错密度大大增加，表面能明显提高，化学活性增加，可显著改善粉体的烧结性能及反应活性。在冲击波作用下固体粉末混合物间相互碰撞、挤压、摩擦和穿透，能使晶粒粒度减小，分布均匀，达到细化与均化的目的。同时，在冲击波的作用下，固体颗粒发生高速运动，使其扩散速度是一般条件下固相反应中扩散速度的几倍，大大提高了反应速度，是一种合成超细粉末材料的新方法。因此，本研究提出了用冲击波技术合成磷酸钙
陶瓷粉末及对磷酸钙粉末活化改性这一新的研究课题，以制备力学性能优良的磷酸钙人工骨材料。经查新表明在国内外的相关文献中关于这一领域的研究还未见报道，本研究将填补这方面的空白，具有较大的科学价值和实际意义。本研究用冲击波方法处理CaCO3与CaHPO4·2H2O的混合物制备出了羟基磷灰石粉末。冲击波实验装置采用接触爆轰柱面装置，使用硝基甲烷液体炸药时，其炸药厚度应在20mm厚左右，既能顺利引爆又能保证样品的完整回收，所产生的初始入射压力约为16GPa，这种装置比现有用冲击波技术制备磷酸钙块状材料专利所用装置更简单、处理样品的量更多。与传统固相反应法相比较，冲击波合成的HA粉末有与之相似的晶体结构和组成，而且其粒度更细，分布更均匀，内部存在着大量的晶格畸变，有更高的活性。X射线衍射数据分析表明，用冲击波方法合成的HA粉末，其布拉格角队宽化度刀及晶面间距d三个参数均与动物骨的参数更为接近，作为骨修复和替换材料应用更为有利。用冲击波方法合成的HA粉末为含cO32一离子的碳酸盐轻基磷灰石，其钙磷含量的比值为1.65，与人骨的结构、组成相似，植入人体后更有利于促进骨的生长和骨性结合。作者认为冲击波合成方法是制备HA 粉末的一种有效的新方法。所制备的HA粉末与焙烧方法获得的HA粉末相比，在粒度分布、表面活性以及结构参数等方面具有更有利的优势。但是，冲击波方法合成HA粉末的具体反应机理、合适的反应条件以及反应条件与HA粉末的性能间的关系还可以
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
羟基磷灰石的制备及表征 一、实验目的 1.掌握纳米羟基磷灰石的制备及原理 2.了解羟基磷灰石的表征方法及生物相容性 二实验原理 羟基磷灰石（hydrrosyapatite,HAP）分子式为Ca10(PO4)6(OH)2是自然骨无机质的主要成分，具有良好的生物相容性和生物活性，可以引导骨的生长，并与骨组织形成牢固的骨性结合。HAP是生物活性陶瓷的代表性材料，生物活性材料是指能够在材料和组织界面上诱导生物或化学反应，使材料与组织之间形成较强的化学键，达到组织修复的目的。HAP在组成上与人体骨的相似性，使HAP与人体硬组织以及皮肤、肌肉组织等都有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还能引导骨生长，即新骨可以从HAP植入体与原骨结合处沿着植入的体表面或内部贯通性空隙攀附生长，材料植入体内后能与骨组织形成良好的化学键结合。HAP主要的生物学应用作骨组织代替材料，磷酸钙类生物陶瓷材料在临床应用中遇到的最大困难之一是材料强度差，尤其是韧性低，且机械可加工性差，导致其在临床应用中受到了极大的限制。为了改善HAP陶瓷的脆性和强度问题，一般会在其中添加ZrO2和碳纤维或是Al2O3和玻璃等物质进行增韧。纳米级羟基磷灰石的制备方法很多，主要分为固相法和液相法两大类。固相法合成在一定条件下（高温、研磨）让磷酸盐与钙盐充分混合发生固相反应，合成HAP粉末。液相法合成是在水液中，一磷酸盐和钙盐为原料，在一定条件下发生化学反应，生成溶解度较小的HAP晶粒，包括化学沉淀法。水热合成法、溶胶-凝胶法、自然烧法、微乳液法、微波法等。 化学沉淀法因具有实验条件要求不高、反应容易控制，适合制备纳米材料等优点从而得到广泛应用。沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适量的沉淀剂得到纳米材料的前驱沉淀物，再将此沉淀物结晶进行干燥或煅烧制得相应的纳米材料。金属离子在沉淀过程是不平衡的，需要控制溶液中的沉淀剂的浓度，使沉淀过程缓慢发生，才会使溶液中的沉淀处于平衡状态，使沉淀能均匀的出现在整个溶液中。此法制备纳米HAP大多采用无机钙盐和磷酸盐反应得到。常采用的钙盐有：CaCl2、Ca(OH)2、Ca(NO)2等，常采用的磷酸盐有：K2HPO4、Na3PO4、（NH4)2HPO4、和H3PO4，发生酸碱中和反应反应生成HAP纳米颗粒。沉淀法的影响因素主要有HP值、合成温度、反应原料纯度、反应原料浓度、反应物的混合步骤、沉淀剂的选择和添加速率等。采用化学沉淀法制备HAP纳米颗粒，需要的设备简单，相应的生产的经济成本也较低，很容易实现工业上大批量的生产。但化学沉淀法制备HAP也存在问题，制备所得的纳米HAP颗粒粒径均匀性差，并且团聚现象严重。化学沉淀法制备HAP的主要原理是在含有可溶性钙盐和磷酸盐的水溶液中，加入适量的沉淀剂，在特定条件，使溶液中两种溶剂发生化学反应，形成不溶性的水合氧化物从溶液中析出，再进行加入脱水对得到的溶液进行离心干燥，进而得到HAP纳米粉体。反应方程式如下： 10Ca(OH)2+6H3PO4→Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O 三实验设备及材料
2010-2011 第2学期《生物医用材料》期中考试 姓名： 学号： 学院： 专业： 班级： 任课老师：
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
中文名：羟基磷灰石 英文名：Hydroxyapatite 简称：HAP 分子式：Ca10(PO4)6(OH)2 分子量：1004 理化性质：熔点：1650°C，比重：3.16g/cm，溶解度：0.4ppm，Ca/P：1.67 结晶构造：六角晶系 产品规格：粉末、多孔颗粒、块状（非标定型）产品 应用领域：骨替代材料、整形和整容外科、齿科、层析纯化、补钙剂 羟基磷灰石，又称羟磷灰石，是钙磷灰石（Ca5(PO4)3(OH)）的自然矿物化。但是经常被写成（Ca10(PO4)6(OH)2）的形式以突出它是由两部分组成的：羟基与磷灰石。-OH基能被氟化物、氯化物和碳酸根离子代替，生成氟基磷灰石或氯基磷灰石。羟基磷灰石（HAP）是脊椎动物骨骼和牙齿的主要组成，人的牙釉质中羟基磷灰石的含量在96%以上。羟基磷灰石具有优良的生物相容性，并可作为一种骨骼或牙齿的诱导因子，在口腔保健领域中对牙齿具有较好的再矿化、脱敏以及美白作用。实验证明HAP粒子与牙釉质生物相容性好，亲和性高，其矿化液能够有效形成再矿化沉积，阻止钙离子流失，解决牙釉质脱矿问题，从根本上预防龋齿病。含有HAP材料的牙膏对唾液蛋白、葡聚糖具有强吸附作用，能减少患者口腔的牙菌斑，促进牙龈炎愈合，对龋病、牙周病有较好的防治作用。 *高达50%的骨骼都是由均匀成分的无机羟基磷灰石构成。 *目前广泛应用于制造认同牙齿或骨骼成份的尖端新素材 功能效果： *健康亮白 *去除牙菌斑 *改善牙龈问题 *防止蛀牙 *清新口气 制法：可由Ca(PO4)2和CaCO3按拟定比例在高温下反应同时注入高压水蒸气，粉末经NH4Cl水溶液洗涤后干燥而成，分多孔型和致密型两种，前者是粉料发泡后于1250℃烧结制备，后者成型后于1250℃烧结而成。 分布：广泛存在于人体和牛乳中，人体内主要分布于骨骼和牙齿中，牛乳内主要分布于酪蛋白胶粒和乳清中。
《生物医用材料》期末论文 学院：材料与化工学院 专业：材料科学与工程 学生姓名： 学号： 任课教师：唐敏 2010年6月20日
羟基磷灰石在生物医用材料中的研究进展 材料与化工学院07材料科学与工程卢仁喜 摘要:羟基磷灰右是一种优质的医用生物材料，在生物医用材料和医学研究领域有着广泛的应用和研究。本文在综合了一些文献的基础上，对羟基磷灰石在生物医用材料的研究上做了总结和概括，并且提出了一些自己的看法。 关键字：羟基磷灰石生物医用材料进展 1.引言 生物材料(biomaterials)是对生物体进行治疗和置换损坏的组织、器官或增进其功能的材料。随着材料科学、生命科学与生物技术的发展，越来越多的生物材料得到广泛应用，人们开始在分子水平上去认识材料和机体问的相互作用，力求使无生命的材料通过参与生命组织的活动，成为有生命组织的一部分。其中金属材料、生物陶瓷材料、高分子材料、聚合物及其复合材料是应用最广泛的生物材料。近年来，常用的骨骼替代品是金属、塑料以及陶瓷等，其中以钛和钛合金为主。但是由于它们的惰性，它们不能很好的与生物体本身产生相容性，作为硬组织植入材料，它们与骨之间只是一种机械嵌连的骨整合，而非化学骨性结合，致使植入后与骨组织之间结合较差，常引起植入失效。同时金属的耐磨性和耐腐蚀性较差，腐蚀产牛的离子会对人体组织产生不良影响。羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)生物陶瓷材料具有优良的生物活性和生物相容性，被认为是一种最具潜力的人体硬组织替换材料。但是HA的力学性能较差，抗弯强度和断裂韧性指标均低于人体致密骨，限制了它们单独在人体负重部位的使用。但是由于它本身的特点，以及自然界再也找不出与它具有类似生物相容性的陶瓷材料，同时他又可以同多种材料进行复合来改变它在某一方面的劣势。所以，近年来羟基磷灰石及其复合物的研究受到广泛关注。 2.羟基磷灰石及特点 羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是一种微溶于水的弱碱性磷酸钙盐，它是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，在人骨中约占72％，齿骨中则高达97％，其生物相容性及活性良好，对人体无毒副作用，可增强骨愈合作用，能与自然骨产生化学结合，被认为是最有前途的人工齿及人工骨的替代材料。目前有关羟基磷灰石的研究已经取得了很大的进展，人工合成HA的方法主要有沉淀法、水热反应法和溶胶一凝胶法。然而，羟基磷灰石的烧结性能差，力学性能特别是冲击韧性不足以作为骨替代的理想材料，因此必须通过与其它材料复合来提高有关性能，使之得以在临床上推广应用。所以，基于羟基磷灰石在力学上的性质，它在生
实验方案 课题六 纳米羟基磷灰石的制备与表征 小组成员 段东斑、陆文心、耿明宇 1.背意义景 羟基磷灰石（Hydroxyapatite，简称HA，化学分子式:(Ca10 (PO4)6(OH)2)是人体和动物骨骼的主要无机成份。在人体骨中，HA 大约占60%，它是一种长度为20~40nm，厚1.5~3.0nm 的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维[36]。齿骨的结构也类似于自然骨，但齿骨中HA 的含量高达97%。医学领域长期以来广泛使用的金属和有机高分子等生物医学材料，其成分和自然骨完全不同，用来作为齿骨的代材料(人工骨、人工齿)填补骨缺损材料，其生物相容性和人体适应性尚不令人满意。而羟基磷灰石具有无毒、无刺激性、无致敏性、无致突变性和致癌性，是一种生物相容性材料，可与骨发生化学作用，有很好的骨传导性。因此，近二十年来，研究接近或类似于自然骨成份的无机生物医学材料极其活跃，其中特值得重视的是与骨组织生物相容性最好的HA 活性材料的研究、临床应用。近年来，随着人们对纳米领域的认识与关注，医学界也相继开始了对纳米HA 粒子(或称超细HA 粉)的研究，HA 纳米粒子与普通的HA 相比具有不同的理化性能：如溶解度较高、表面能较大、生物活性更好、具有抑癌作用等，可以作为药物载体用于疾病的治疗，是一种生物相容性良好的治疗材料。 目前，人们已经开发出多种方法来制备纳米HA，如水解法、水热反应法、溶胶一凝胶法及最近发展的微乳液法等，其中化学沉淀法是各种水溶性的化合物经混合、反应生成不溶性的沉淀，然后将沉淀物过滤、洗涤、煅烧处理，得到符合要求的粉体。化学沉淀法因工艺简单、成本低、颗粒小等优点被广泛应用。但是目前对这种方法的研究还处于初级阶段，制备出的纳米粒子粒径不均一，分散性差且有易团聚的现象。为此，我们希望对化学沉淀法制备HA纳米粒子的条件的进行深入研究，分析各种因素对纳米HA晶型与粒径的影响，为HA的工业化生产提供依据。 2.1实验基本原理 目前报道，常用的制备羟基磷灰石粉体的钙的反应物有Ca(NO3)2、Ca(OH)2、CaCl2、CaO、Ca(OC2H5)2等，常用的磷的反应物有(NH4)2HPO4、H3PO4、K2HPO4、Na2HP04和((CH3O)3PO)等。 以硝酸钙和磷酸氢二氨为例，反应方程式为： Ca(N03)2·4H20+6(NH4)2HP04+8NH3·H20=Ca10 (P04)6(OH)2+20NH4N03+6H20 以氢氧化钙和磷酸盐为例，反应方程式为： 10Ca(OH)2+6H3P04= Ca10(PO4)6(OH)2+18H20 不同反应物合成HA的方法有一定差异，但总体而言，化学沉淀法的实质是羟基磷灰石的溶解平衡的逆反应，即 10Ca2++6PO43-+2OH- = Ca10(PO4)6(OH)2 Ksp=2.34*10-59 2.2实验条件的选择与调控。 影响化学沉淀法的工艺参数主要有：Ca/P 摩尔比、pH 值、磷酸的加入速度、反应温
羟基磷灰石具有良好的生物相容性和骨传导性,新骨在界面上和HA植入体直接接触，两者间无纤维组织存在。HA植入体与骨界面的结合强度往往超过HA植入体或者骨自身的结合强度. 磷酸三钙是一种具有优秀亲和性的生物材料，通过细胞的吞噬和体液的侵蚀作用被机体部分或全部吸收而被取代，可在骨缺损修复中起到暂时性的支架作用，能促进骨组织的生长. 羟基磷灰石在体内稳定性较高，磷酸三钙在体内的降解吸收较快，因此希望复合羟基磷灰石和磷酸三钙，利用二者在体内的不同降解吸收速率，改善材料的生物活性。 在HA和TCP的吸收、降解性能互补的情况下，BCP陶瓷材料的生物相容性要优于单相磷酸钙陶瓷，力学性能方面，磷酸三钙的断裂强度会因为羟基磷灰石的重结晶而增强，特定的HA/TCP比则会提高BCP陶瓷的抗弯强度和弹性模量。 传统羟基磷灰石陶瓷的弹性模量和强度都比较高，但断裂韧性小；同时随着烧结条件的改变，将出现很大的力学性能波动。纳米生物陶瓷的显微结构中，晶界、晶粒及其结合都处于纳米量级水平，晶粒细化及晶界数量大幅度增加，可使其生物学性能和力学性能大幅度提高. 反应温度低，反应组成容易控制，所需设备简单;由于胶体是从溶液反应开始的，可以在分子水平上混合钙和磷的前驱物，使溶液有高度的化学均匀性，所得产品纯度高，晶粒尺寸小。其基本原理是利用金属无机盐或金属醇盐在溶液中水解或醇解，生成溶胶，经脱水或干燥转变为凝胶，然后经热处理，得到所需的粉体. 粉体表面自由能和比表面积有关：物质被分割得越细，比表面积就越大，相应地体系总的表面自由能必然会大大增加。表面自由能过高使整个体系在热力学上不稳定，粒子就有相互聚结从而降低表面自由能的趋势。因此，粉料越细，就越容易聚结成团，最终导致粉料分散性变差. 团聚现象影响了样品的导电性，亮度大的区域颗粒较大，在高度上优于相对暗 区域，二次电子产率较高而发亮；也可能是制样不佳，喷金太薄影响了导电性。 XRD数据本身只能说明一个连续的晶面长度在40nm左右，而SEM显示的是粒子的相对真实的粒径，即XRD表现的是晶粒度，而SEM则表现出颗粒度，所以比根据XRD图得出的平均晶粒尺寸大
谢志翔等：固体氧化物燃料电池双钙钛矿型电极材料的研究进展 · 1145 · 第38卷第6期 羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究趋势及展望 孙艳荣1，范涛1，黄勇2，马利国1，刘峰1 (1. 北华航天工业学院材料工程系，河北廊坊 065000；2. 清华大学，新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，北京 100084) 摘要：本文综述羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)生物陶瓷材料的研究进展，通过调控HA形貌以优化其使用性能。用不同方法制备多孔HA，旨在强化骨传导性和诱导性，同时能实现骨的增强与增韧。设计HA复合材料以弥补单一HA力学性能的不足。从仿生学角度提出HA的研究趋势：合成具有类似于自然骨精细结构的仿生学骨组织材料，实现HA生物陶瓷材料与有机体力学相容性和生物相容性尽可能理想地匹配。 关键词：羟基磷灰石；形貌调控；复合材料；生物相容性；综述 中图分类号：O611；TQ31.2 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2010)06–1145–06 RESEARCH TREND AND PROSPECT OF HYDROXYAPATITE BIOCERAMIC MATERIALS SUN Yanrong1，F AN Tao1，HUANG Yong2，MA Liguo1，LIU Feng1 (1. Department of Materials Engineering, North China Institute of Aerospace Engineering, Langfang 065000, Hebei; 2. State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing, Tsinghua University, Beijing 100084, China) Abstract: A review of progress in hydroxyapatite (HA) bioceramic materials is presented in this paper. The functional performance of HA can be optimized through tailoring its morphology. Porous HA ceramics prepared by various methods have strong abilities to in-tensify the osteoconduction and osteoinduction, and to improve the strength and toughness. HA composite materials can counteract the weaknesses of mechanical property of pure HA. The research trend of HA is discussed in terms of bionics. It is shown that synthe-sizing bionic bone materials with fine structure similar to natural bone can maximize the mechanical compatibility and biocompatibility between HA bioceramic materials and organisms. Key words: hydroxyapatite; morphology tailoring; composite; biocompatibility; review 近30年来，接近天然骨成分的生物陶瓷材料的研究极其活跃，羟基磷灰石{hydroxyapatite，HA或HAP，分子式为[Ca10(PO4)6(OH)2]}是最具代表性和应用最多的生物活性陶瓷。[1] HA是骨无机相的主要成分，约占干骨组织的45%，用作骨移植材料时，具有良好的生物相容性和骨传导性，用作骨组织时，具有极好的化学和生物亲合性，[2]因此可以广泛应用于生物硬组织的修复、替换及增进其功能的材料。[3–4]虽然HA生物材料的生物活性好，但作为一种典型的脆性材料，因其断裂韧性差以及抗弯强度低等缺点，使其的应用受到较多限制，仅限于应用在非承载的小型种植体，如：人工齿骨、耳骨及充填骨缺损等。 不同结晶形貌的HA晶体具有不同的表面特性和生物活性，并且对HA生物陶瓷材料的性能有着不同的影响；因此，在HA合成方面，人们已经不满足于通过各种合成方法得到HA粉体，而是希望通过对HA形貌的调控，进而达到优化HA生物陶瓷使用性能的目的，所以HA形貌的可控化研究越来越受到人们重视。[5]与此同时，旨在强化骨传导性和诱导成骨，[6]多孔HA生物陶瓷的研究和开发也受到人们广泛关注。为了弥补单一HA材料力学性能的不足，更好地满足医学使用要求，HA复合材料的研发也成为HA生物陶瓷研究的热点之一。 本文综述HA形貌的可控化、HA陶瓷的多孔化及HA材料设计复合化的研究进展，对今后制备 收稿日期：2009–09–21。修改稿收到日期：2010–01–12。 基金项目：清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室开放课题(KF09011)及北华航天工业学院科研基金(KY–2009–01–B) 资助项目。 第一作者：孙艳荣(1973—)，女，博士，副教授。Received date:2009–09–21. Approved date: 2010–01–12. First author: SUN Yanrong (1973–), female, Doctor, associate professor. E-mail: sunyanrong@https://www.doczj.com/doc/216719413.html, 第38卷第6期2010年6月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 38，No. 6 J u n e，2010
中国组织工程研究与临床康复 第 12 卷 第 19 期 2008–05–06 出版
Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research May 6, 2008 Vol.12, No.19
学术探讨
纳米羟基磷灰石及其复合生物材料的特征及应用★
李瑞琦，张国平，任立中, 沙子义，高宏阳，董 威, 赵 峰，王 伟
Characteristics and application of nano-hydroxyapatite and its composite biomaterials
Li Rui-qi, Zhang Guo-ping, Ren Li-zhong, Sha Zi-yi, Gao Hong-yang, Dong Wei, Zhao Feng, Wang Wei Abstract: Pubmed database and China Journal Full-text Database were both retrieved to screen out the articles, which
summarize and review the advanced progress of nano-hydroxyapatite (nHA) and its composite biomaterials. The nHA biomaterials are compounded with secondary phase or multiphase materials, contributing towards favourable histological reaction, together with satisfactory intensity and rigidity. Furthermore, the biomaterials may produce the scaffold of tissue regeneration. The nHA composite biomaterials are divided into nHA/natural polymer composites and nHA/artificial polymer composites. The former consists of nHA compounded with collagen, bone morphogenetic protein and polysaccharide materials, while the latter comprises the composites of nHA/polyamide, polyester or polyvinyl alcohol. Although the biocompatibility and bioactivity of nHA composites have been ensured, it is still a problem of tissue engineering materials that how to match the degradation velocity of composite biomaterials with bone growth speed. Li RQ, Zhang GP, Ren LZ, Sha ZY, Gao HY, Dong W, Zhao F, Wang W.Characteristics and application of nano-hydroxyapatite and its composite biomaterials.Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(19):3747-3750 [https://www.doczj.com/doc/216719413.html,/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3747(ps).pdf]
Department of Orthopaedics, First Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050031, Hebei Province, China Li Rui-qi ★ , Studying for master's degree, Associate chief physician, Department of Orthopaedics, First Hospital of Hebei Medical University, Shijiazhuang 050031, Hebei Province, China li_ruiqi2008@126. com Received:2008-04-24 Accepted:2008-05-04
摘要：检索 Pubmed 数据库和中国期刊全文数据库文献，对应用较为广泛的纳米羟基磷灰石及其复合生物材料研究进展
加以总结。纳米羟基磷灰石复合生物材料是在纳米羟基磷灰石中加入第二相或多相材料，以获得有利的组织学反应、满 意的强度和刚性，并为组织再生合成支架材料。纳米羟基磷灰石复合生物材料大致分为纳米羟基磷灰石 /天然高分子复合 材料和纳米羟基磷灰石 /人工高分子复合材料 2 类。前者包括纳米羟基磷灰石与胶原、骨形态发生蛋白、多糖类材料复合 而成的生物材料，并各具特点。后者是由纳米羟基磷灰石与聚酰胺、聚酯、聚乙烯醇等多种人工高分子生物材料复合而 成。在保证复合材料良好生物相容性和活性的前提下，如何使复合生物材料的降解速率与骨生长速度相匹配是组织工程 材料研究中有待解决的一个主要问题。 关键词：生物材料；羟基磷灰石类；纳米技术；复合体；综述文献 李瑞琦，张国平，任立中 , 沙子义，高宏阳，董威 , 赵峰，王伟.纳米羟基磷灰石及其复合生物材料的特征及应用[J].中国组 织工程研究与临床康复，2008，12(19):3747-3750 [https://www.doczj.com/doc/216719413.html,/zglckf/ejournal/upfiles/08-19/19k-3747(ps).pdf]
加，提高了粒子的活性，从而有利于组织的结 0 引言 羟基磷灰石因其化学成分和晶体结构与 人体骨骼组织的主要无机矿物成分基本相同， 引入人体后不会产生排异反应，故其作为骨修 复替代材料在国内外的临床应用历史已有几 十年。并已被动物实验及临床研究证实具有无 毒、无刺激性、良好的生物活性、良好的生物 相容性和骨传导性、较高的机械强度及化学性 质稳定等特点，是较好的生物材料[1]。但因羟 基磷灰石的颗粒和脆性较大、缺乏可塑性、体 内降解缓慢、生物力学强度和抗疲劳破坏强度 较低，难于被机体完全替代、利用，使其临床 应用受到限制。近年来，随着纳米知识与技术 的不断发展，人们发现人体骨骼中的羟基磷灰 石主要是纳米级针状单晶体结构 。纳米级的 羟基磷灰石与人体内组织成分更为相似，具有 更好的生物学性能。根据“纳米效应”理论， 单位质量的纳米粒子表面积明显大于微米级 粒子，使得处于粒子表面的原子数目明显增
ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH
[2]
合[3]。基于此，纳米羟基磷灰石及其复合生物材 料成为当今研究的重心和热点。 1 问题的提出：
问题1：什么是纳米羟基磷灰石复合生物材料？ 问题2：纳米羟基磷灰石复合生物材料的分类？ 问题3：纳米羟基磷灰石选择天然高分子材料进行复 合的原因，复合生物材料的特点及用途如何？ 问题4：纳米羟基磷灰石选择人工高分子材料进行复 合的原因，复合生物材料的特点及用途如何？
河 北医 科大学 第 一医院骨科 河 北省石家庄市 050031 李 瑞琦 ★，男 ， 1966 年生，山西 省岚县人，汉族， 1990 年山西医科 大学毕业， 在读硕 士，副主任医师， 主 要从 事骨与 软 骨 缺损 的修复 研 究。 li_ruiqi2008@ https://www.doczj.com/doc/216719413.html,
中图分类号:R318 文献标识码:A 文章编号:1673-8225 (2008)19-03747-04 收稿日期：2008-04-24 修回日期：2008-05-04 (54200804240026/J·Y)
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问题的解决
问题1：纳米羟基磷灰石复合生物材料的定义
纳米羟基磷灰石复合生物材料主要是指在 纳米羟基磷灰石中加入第二相或多相材料， 从而 获得有利的组织学反应、满意的强度和刚性，并 为组织再生合成支架材料[4]。羟基磷灰石以纳米 级纤维填充于有机基质， 有机基质为骨修复材料
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多孔羟基磷灰石生物陶瓷的合成和特性研究进展3 牛金龙 综述 张镇西 蒋大宗 审校 (西安交通大学生物医学工程研究所,西安 710049) 摘要 人体骨组织的多孔结构,有利于骨组织生长代谢所需物质的交流,并能很好地适应外部应力的变化。合成模拟骨组织多孔结构的生物活性陶瓷材料,用于临床人体骨组织缺失的修复,是组织工程所需要的。将化学沉淀法合成的羟基磷灰石原始粉末与过氧化氢、聚乙烯醇、甲基纤维素等成孔物质混合,经低温发泡,中温脱碳,高温烧结,可以获得孔径理想,互通性能良好的多孔羟基磷灰石陶瓷。这种陶瓷,在一定程度上具有骨诱导性能,但更重要的是它能够很好的吸附人体骨形成蛋白等骨生长因子,使其具有良好的骨再生能力,从而获得了良好的临床应用性能。本文从临床应用性能的角度,评述了近几年多孔羟基磷灰石生物活性陶瓷的研究进展。 关键词 羟基磷灰石 多孔陶瓷 制备 特性 生物陶瓷 Syn thesis and Character istics of Porous Hydroxyapa tite B ioceram ics N iu J i n long Zhang Zhenx i J i ang Dazong (Institu te of B io m ed ica l E ng ineering,X ian J iaotong U n iversity,X i’an 710049) Abstract T he m acropo rous structure of hum an bone allow s the ingrow th of the soft tissues and o rganic cells into the bone m atrix,p rofits the developm ent and m etabo lis m of bone tissue,and adap ts the bone to the change of load.T here is great requirem ent fo r artificial bi om i m ic po rous bi oactive ceram ics w ith the si m ilar structure of bone tissue that can be used clinically fo r repairing lo st bone.F ine hydroxyapatite(HA p)pow der p roduced by w et chem ical reacti on w as m ixed w ith hydrogen peroxide(H2O2),po lyvinyl alcoho l,m ethyl cellulo se o r o ther po res2 m ak ing m aterials to fo r m green cake.A fter drying at low temperature(below100℃)and decarbonizing at about 300℃～400℃,the spongy ceram ic block w as sintered at h igh temperature,thus,m acropo rous HA p bi oceram ic w ith interconnected po res and reasonable po ro sity and po re2diam eter w as m anufactured.T h is k ind of po rous HA p bi oceram ics w ere intrinsically o steo inductive to a certain degree,but its outstanding p roperty w as that they can ab2 so rb hum an bone mo rphogenetic p ro teins and o ther bone grow th facto rs to fo r m compo sites,so that the m acrop2 o rous HA p bi oactive ceram ic has app rop riate feasibility fo r clinical app licati on.F rom the po int of bi om edical app li2 cati on,the recent developm ents in synthesis and characteristics investigati on of m acropo rous HA p are review ed in th is paper. Key words H ydroxyapatite Po rous ceram ics Synthesis Characteristics B i oceram ics 生物骨组织的多孔结构,使其能够适应一定范围的应力变化,同时多孔组织能够使血液流通,保证了骨组织的正常生长代谢。人体骨组织的缺损,特别是骨髓炎、骨肿瘤、骨囊肿等手术切除,以及创伤引起的较大面积的骨缺损,严重影响了人体骨组织的生理功能。骨缺损的手术治疗,用适当的骨填充材料修复缺陷,是快速恢复病态的或创伤性的骨缺损组织生理功能的有效方法。自体骨组织是骨填充的理想材料,但来源很少还需要二次手术;异体骨组织可能存在排异反应和疾病传播等问题。随着外科技术 3陕西省自然科学基础研究计划(2000C17)、西安交通大学博士学位论文基金资助项目(D FXJU200029)和医疗水平的不断提高,对于合成的骨替代材料的需求不断增加。合成和应用模拟人体骨组织多孔特性的生物活性和生物相容性的生物陶瓷材料,引起了科学家和临床医生的关注。多孔羟基磷灰石陶瓷,多孔磷酸钙陶瓷,具有高度生物活性和生物相容性,与骨组织的键合能力很强,是良好的骨组织缺损填充材料。我们从羟基磷灰石粉体的合成,多孔成型,以及合成的多孔羟基磷灰石陶瓷的性能等方面,评述近年多孔羟基磷灰石陶瓷的研究进展。 1 羟基磷灰石粉体的化学合成 用于烧结法制备多孔羟基磷灰石陶瓷的原始粉 生物医学工程学杂志 J B i om ed Eng 2002;19(2)∶302～305