羟基磷灰石生物材料的研究现状_制备及发展前景

2023-09-27 来源：九壹网

2006.No.2　　　　　　　　　　　　　　　　陶

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羟基磷灰石生物材料的研究现状、制备及发展前景

于方丽1　周永强2　张卫珂3　马景云1

(1陕西科技大学材料科学与工程学院　咸阳　712081)　(2温州大学制笔重点实验室　325035)

(3山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室　济南　250061)

摘　要　羟基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性,是较好的生物陶瓷材料。笔者论述了羟基磷灰石生物陶瓷材料的研究现状,同时对羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料的各种制备方法进行了概述,重点研究综合性能优越的羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备及发展前景。

关键词　羟基磷灰石　生物陶瓷材料　研究现状　制备　发展前景ThePresentandProspectofResearchonHydroxyapatiteBioceramicMaterials

YuFangli1,ZhouYongqiang2,ZhangWeike3,MaJingyun1(1ShaanxiUniversityofScienceandTechnology,Xianyang,712081)(2Wen2zhouUniversityMainLaborotary,325035)(3CollegeofmaterialScience&Engineering,ShandongUniversity,Jinan,250061)

Abstract:Hydroxyapatitehasexcellentbiocompatibilityandtissuebioactivityandishydroxyapatitebioceramicmaterials.Thispapersum2marizesthestudysituationandthevariouspreparationmethodsofhydroxyapatitebioceramicmaterials.Thekeysareenhancementandpreparationanddevelopmentprospectofthesynthesizationofthecompositebioceramicmaterials.Keywords:Hydroxyapatite;Bioceramicmaterials;Researchsituation;Preparation;Developmentprospect

笔者综合论述了羟基磷灰石的研究现状,同时对羟基

　前言

20世纪,生物材料学领域取得了飞速发展,无机

磷灰石及其复合生物陶瓷材料的各种制备方法进行了概述。并重点研究综合性能优越的羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备及发展前景。

生物医用材料的研究及其应用十分活跃,其中备受关注的是羟基磷灰石(hydroxyapatite,简称HA或HAP)活性陶瓷材料的研究和临床应用。羟基磷灰石属表面活性材料,它与生物体硬组织有相似的化学成分和结构。HAP具有良好的生物活性和相容性,植入人体后对组

1　羟基磷灰石的组成、晶体结构及性质

羟基磷灰石理论组成为Ca10(PO4)6(OH)2,Ca/P为1.67。HAP晶体为六方晶系,属L6PC对称型和P63/m空间群,其结构为六角柱体(见图1),与C轴垂

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。虽然羟基磷灰石生物陶瓷材料的生物活性好,但力学性能尚有不足,这些材料由于其自身强度低,韧性及力学性能差等缺陷而限制了其应用的广泛性,难以满足医学要求。如何能获得力学性能、生物相容性与材料寿命的完美结合是材料学家们探讨的问题。为了解决这些问题,人们采用了不同工艺方法,开发了多种羟基磷灰石复合材料、涂层材料及纳米材料,获得了突破性的进展。因此,研制功能性羟基磷灰石复合材料的应用前景广阔。

直的面是一个六边形,a、b轴夹角120°,晶胞参数a0=0.943～0.938nm,c0=0.688～0.686nm,单位晶胞含有10个Ca2+、6个PO43-和2个OH-。其中OH-位于晶

胞的4个角上,10个Ca2+分别占据2种位置,4个Ca2+)位置,即z=0和z=1/2位置各2个,该位置占据Ca(Ⅰ

处于6个O组成的Ca-O八面体的中心。6个Ca2+处)位置,即z=1/4和z=3/4位置各有3个,位置于Ca(Ⅱ

处于3个O组成的三配位体中心。6个PO43-四配位体分别位于z=1/4和z=3/4的平面上,这些PO43-四面体

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的网络使得HAP结构具有较好的稳定性。高的温度下煅烧,可获得符合一定比例的HAP晶体粉末。要得到结晶完好的HAP,烧结温度应达到900～1200℃。该法反应温度不高,合成粉料纯度高,颗粒较

细,工艺简单,合成粉料的成本相对较低。但是必须严格控制工艺条件,否则极易生成Ca/P值较低的缺钙磷灰石,因此应注意合理控制混合溶液的pH值及反应产生沉淀的时间,采用分散设备使溶液混合均匀,保证反应完全进行以及反复过滤,使固液相完全分离,提高粉料的纯度。

图1　HAP的晶形

2.2　溶胶-凝胶法

HAP的表面性能取决于其结构,HAP表面主要存

溶胶-凝胶法是近些年才发展起来的新方法,已引起了广泛的关注。溶胶-凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中,通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合,形成溶胶,溶胶形成后,随着水的加入转变为凝胶,凝胶在真空状态下低温干燥,得到疏松的干凝胶,再将干凝胶做高温煅烧处理,即可得到纳米粉体。该法同传统的固相合成法及固相烧结法相比,溶胶-凝胶法的合成及烧结温度较低,可以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。由于其原料价格高、有机溶剂毒性大、对环境造成污染,以及容易快速团聚等因素制约了这种方法的应用。2.3　水热法

在2个吸附位置,当OH-位于晶体表面时,该位置联结着2个Ca2+,在水溶液中,表面的OH-至少在某一瞬间空缺,由于2个Ca2+带正电,形成一个吸附位置。同理,当表面的Ca2+在某一瞬间空缺时,表面形成另外一个吸附位置,而该位置带负电荷,能吸附Sr2+等阳离子和蛋白质分子上的ε基团。HAP表面水化层通过氢键与水有较好的相容性,在水中的表面能较低,能长时间保持细小的分散状态。人体骨骼中的主要无机成分是羟基磷灰石,其理论密度为3.156g/󰁦,折射率为1.64～1.65,莫氏硬度为5,微溶于水,呈弱碱性(pH=7～9),易溶于酸而难溶于碱。HAP是强离子交换剂,

分子中的Ca2+容易被Cd2+、Hg2+等有害金属离子和Sr2+、Ba2+、Pd2+等重金属离子交换,还可与含有羧基

水热法是在特制的密闭反应容器中(高压釜),采用水溶液作为反应介质,在高温高压环境中,使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。这种方法通常以磷酸氢钙等为原料,在水溶液体系,温度为200～400℃的高压釜中制备HAP。这种方法条件较易控

的氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交换反应。HAP是人体骨骼和牙齿的重要组成部分,如人骨成分中HAP的质量分数约65%,人的牙齿釉质中HAP的质量分数则在95%以上,具有优良的生物相容性和化学稳定性,能与骨紧密结合。

制,反应时间较短,省略了煅烧和研磨步骤,粉末纯度高,晶体缺陷密度低;合成温度相对较低,反应条件适中,设备较简单,耗电低。因此,水热法制备的粉体不但具有晶粒发育完整、粒度小且分布均匀、颗粒团聚较轻、原材料便宜,以及很容易得到合适的化学计量比和晶型的优点,而且制备的粉体不需煅烧处理,从而避免引起烧结过程中的晶粒长大、缺陷形成及杂质产生,因此所制得的粉体具有较高的烧结活性。2.4　超声波合成法

2　羟基磷灰石粉末的制备

制备HAP粉末有许多方法,大致可分为湿法和干法。湿法包括沉淀法、水热合成法、溶胶-凝胶法、超声波合成法及乳液剂法等。干法为固态反应法等,这些方法各有优点和不足之处。2.1　沉淀法

超声波在水介质中引起气穴现象,使微泡在水中形成、生长和破裂。这能激活化学物种的反应活性,从而有效地加速液体和固体反应物之间非均相化学反应的速度。超声波法合成的HAP粉末非常细,粒径分布

这种方法通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌,控制在一定的pH值和温度条件下,使溶液中发生化学反应生成HAP沉淀,沉淀物在400～600℃甚至更

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的制备是:将HAP基材加入添加剂及粘结剂制成一定的颗粒级配,在金属模内加压成形,生坯经烘干在900℃左右烧成素坯,素坯进行精加工,然后在1300℃左右加压烧结而成。致密HAP的表面显气孔率较小,经电镜观察孔径为80μm,有较好的机械性能。致密HAP具有一定的可加工性,在临床使用中极为方便,

范围窄,而且这种合成方法在某些方面比其他加热的方法更为有效。2.5　固态合成法

把固态磷酸钙及其他化合物均匀混合在一起,在有水蒸气存在的条件下,反应温度高于1000℃,可以得到结晶较好的羟基磷灰石。这种方法合成的羟基磷灰石纯度高,结晶性好,晶格常数不随温度变化,并且湿法和固相法合成的羟基磷灰石的红外光谱研究表明,固相法制备的HAP比湿法更好,但是其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。2.6　自蔓延高温合成法

但因其植入人体内后,只能在表面形成骨质,缺乏诱导骨形成的能力,仅可作为骨形成的支架,主要用于人工齿根种植体。因此,近10年来,多孔羟基磷灰石陶瓷受到了重视,其宏观多孔生物材料的兴起,更加引起了材料工作者的极大兴趣。如果植入骨基质的替换物为骨单位提供支持框架,则骨单位可以此为依托生长,骨缺陷可以重建和修复,如果为骨缺陷提供骨基质替换物在孔隙结构上与骨单位及脉管连接方式相一致,则植入材料会促进骨组织的重建。因此,植入体(生物陶瓷)应当模仿骨结构,在充分研究骨结构的基础上,应加快设计生物陶瓷种植体的形状及结构。

对于多孔生物陶瓷种植体而言,孔径、气孔率及孔的内部连通性是骨长入方式和数量的决定因素。孔隙的大小应满足骨单位和骨细胞生长所需的空间,当种植体内部连通气孔和孔径为5～40μm时允许纤维组m时允许非矿化的骨样组织织长入;孔径为40～100μ

自蔓延高温合成技术(SHS)是利用反应放热制备材料的新技术。SHS技术可以制备出纳米羟基磷灰石。该技术是利用硝酸盐与羧酸反应,在低温下实现原位氧化自发燃烧,快速合成HAP前驱体粉末。制备的HAP粉体具有纯度高、成分均匀、颗粒尺寸大小适宜,无硬团等特性。

采用SHS技术合成纳米级HAP前驱体粉末的方法为:按照n(Ca)∶n(P)=1.67,称取一定量的柠檬酸,分别用蒸馏水溶解混合,调节pH值在3左右,于80℃加热蒸发形成凝胶,然后在200℃的电炉中进行自蔓延燃烧,最后得到分布均匀烧结性能良好的纳米级HAP前驱体粉末。

长入;孔径大于150μm时能为骨组织的长入提供理想场所;孔径大于200μm是骨传导的基本要求;孔径为200～400μm最有利于新骨生长。多孔HAP具有诱导

3　羟基磷灰石生物陶瓷及发展动向

经过近40年来国内外学者的共同努力,羟基磷灰石生物陶瓷作为人工齿根、颌骨、骨填充材料等方面的研究取得了很大的进展,并逐步投人临床应用获得了成功。但是,这些材料由于其自身强度低、韧性及力学性能差等缺陷而限制了其应用的广泛性,仅能应用于非承载的小型种植体,如人工齿骨、耳骨、充填骨缺损等,大大地限制了它作为人体种植体的广泛使用,这正是该类材料面临的、需要解决的重要问题。因此解决这些问题的途径主要是将羟基磷灰石从致密向多孔发展,作为涂层材料使用及HAP复合材料。3.1　HAP生物陶瓷从致密向多孔发展

骨形成的作用和能力,研究表明,多孔HAP植入人体后能使界面的软硬组织都长入孔隙内,形成纤维组织和新生骨组织交叉结合状态,能保持正常的代谢关系。多孔HAP生物陶瓷因其强度较低,只能用于一些强度相对低的部位,在口腔医疗中主要用于颌骨的置换及修补,在外科医疗主要用于整容。现在已经形成了多种制备多孔生物陶瓷的方法,如固相烧结法及溶胶-凝胶法等,这些方法大都是采用HAP粉料与挥发性有机物混合,压制成坯后烧结。3.2　羟基磷灰石生物陶瓷的发展动向

研究发现,多孔HAP的力学性能远远不能满足生物种植体在体内的种植要求,而对不锈钢、钴基合金、钛及钛合金生物种植体则具有良好的强度韧性和优良的加工性能,但是它们的生物相容性相对较差,植入人体中寿命较短。然而,人类平均寿命的提高,要求生物

针对HAP生物陶瓷力学性能差的特点,人们首先进行的是致密HAP陶瓷的研究。致密HAP生物陶瓷

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种植体的替换周期有相应的提高,因此金属基体表面涂覆HAP涂层,加入颗粒及纤维增强HAP陶瓷基复合材料的研究也就应运而生。3.2.1　等离子喷涂法

程,可以在形状复杂和表面多孔的基底上制备均匀的生物陶瓷涂层,通过改变电化学沉积工艺条件控制电沉积层的厚度和表面形貌。这种方法所需设备简单,原料便宜,操作方便。在电化学沉积过程中电解液温度、基底材料和电解液组成等多种实验条件都会对电沉积钙磷产物的组成、结构,以及表面形貌等特性产生影响,其影响因素较复杂。此方法有时还存在HAP涂层与金属表面结合强度低的缺点。3.2.4　溶胶-凝胶法

等离子喷涂法是制备HAP涂层最成功,也是最广泛使用的方法,并且被投人了商业应用。等离子喷涂是利用等离子枪产生的直流电弧,将HAP粉料高温加热熔融后高速喷涂至基体表面形成涂层,喷涂后的涂层要经过水蒸气处理或热处理。其优点是喷涂过程中),不衬底可以保持相对较低的温度(通常低于300℃

溶胶-凝胶法除了制备HAP粉体以外,还可以制备HAP涂层,这一方面近些年来研究较多。溶胶-凝胶法是一个相对工艺简单而且温和的过程,可以避免高温喷涂时温度高、过程剧烈、结构不完整、产生多相(如CaO、Ca3(PO4)2)等问题,以及等离子喷涂中涂层薄

会破坏基体材料的力学性能,但是等离子体喷涂方法的高温过程对于材料和界面有不良作用,易引起相变和脆裂,使涂层与基体的结合强度降低。另外,这种技术设备昂贵,不适合喷涂多孔金属表面。3.2.2　激光熔覆法

易破裂等缺点,因此已被广泛的应用。例如,将Ca(NO3)2、P2O5和乙醇配成溶胶,把此溶胶均匀涂覆到钛

激光熔覆法是在基底材料表面上预先涂覆一定配比的CaHPO4・2H2O和CaCO3混合粉末,然后用激光器进行多道搭接熔覆处理,使合成与涂覆HAP涂层一步完成。合成HAP涂层的化学反应为:

6CaHPO4+4CaCO3+4CO2

Ca10(PO4)6(OH)2+2H2O

合金或氧化铝基底上,溶剂迅速挥发,配料发生缩聚反应而胶化,经干燥和500℃热处理,可获得羟基磷灰石涂层。这种方法工艺简单并且易控制和成本低,但涂层的结合强度不高。3.2.5　水热合成法

此方法制得的涂层与基底结合好,硬度高,强度大,韧性好,且改善了植入材料弹性模量与生物硬组织的匹配性,但涂层的均匀性和稳定性较差,工艺难控制且设备昂贵。激光熔覆法在制造生物涂层材料方面刚刚起步,但已显示出了巨大的优越性,很有希望成为临床生物医用材料的涂层之一。3.2.3　电化学法

水热合成法是在一个密闭的压力容器内,用水溶液反应介质,通过对反应容器加热,使得在通常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶,然后把结晶物在一定的压力和温度下进行水热处理。水热合成法可合成HAP块体材料,也可用于制备HAP涂层,文献把纯HAP与CaO-SiO2-B2O3-Na2O玻璃基体材料共同放

进适量的水中,在250～350℃加热4～10h,并调整pH值为7.3,制得微孔成梯度分布的涂层材料,涂层与基体玻璃以化学键紧密结合。3.2.6　粉浆涂层和烧结

为了解决在复杂多孔表面均匀涂覆的问题,文献提出了一种制备钙磷涂层的新方法。涂层在配有饱和甘汞电极作为参考电极的传统电解池中进行,工作温度控制在(65±1)℃,2根石墨棒作为接触阳极,多空和无孔的衬底作为电池的阴极,电解液由c(Ca(NO3)2)=0.042mol/d󰁧和c(NH4H2PO4)=0.025mol/d

将金属基体浸入含有HAP颗粒和有机粘合剂的水基粉浆中,于1100～1200℃烧结3h以上,使涂层致密并提高涂层与基体的结合强度。这是一种简便快速的工艺方法,能制备相对致密的HAP涂层,该工艺经高温烧成,易导致金属基体性能下降及HAP的分解,烧结后的HAP涂层会产生微裂纹和剥落。3.3　羟基磷灰石复合材料

󰁧的溶液各1000ml配制而成,被涂覆的衬底在125℃蒸汽中处理4h,再经425℃烧结6h,制成厚度为80μm的HAP涂层。电化学方法制备生物陶瓷涂层是在低温的条件下进行,基底和涂层界面不存在热应力问题,避免了高温喷涂引起的相变和脆裂,有利于增强基底与涂层之间的结合强度。且电化学过程是非直线过

单一的羟基磷灰石往往不能满足实际要求,近年来人们特别重视研究和发展了各种HAP复合材料,以

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TiO2和生物玻璃等。表1列出了一些HAP基生物陶

改善HAP生物陶瓷材料的力学性能和生物学性能。HAP复合材料有羟基磷灰石无机复合材料、羟基磷灰

瓷复合材料的性能,表2是几种生物材料物理性能与生物体硬组织的比较。

石-医用高分子复合材料等。与羟基磷灰石复合的无机增强体主要是一些陶瓷材料和金属,如Al2O3、ZrO2、

表1　HAP基生物陶瓷复合材料的性能

复合材料纯HAP

HAP+20%Al2O3+5%Ni3AlHAP+10%～30%TiO2HAP+5%～30%Al2O3HAP+10%～50%(3Y)ZrO2

HAP/C相对密度

(%)--94～10096～99.793～99.5-

抗弯强度

(MPa)10016096～22490～250160～31085

KIC(MPa・m1/2)<1.02.33.7～7.41.4～2.51.0～3.0

相组成

HAPHAP,Al2O3,Ni3Al

HAPHAPβ,-TCP,Al2O3HAPα,-TCPβ,-TCP,ZrO2

HAP,C

工艺

)HP(1100℃)HP(1100℃)HP(1000℃)HP(1000～1250℃)HP(1050～1400℃

)HP(1050℃

表2　几种生物材料物理性能与生物体硬组织的比较

致密骨

抗折强度(MPa)莫氏硬度

KIC(MPa・m1/2)

160～180

52.2～4.6

HAP+ZrO2

12051.74

HAP+ZrO2+BG

15052.08

Al2O350094

Si3N460095

　　与HAP复合的有机高分子有硅橡胶、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯、胶原、聚己内酯和壳聚糖等。近10年来,人们开展了用金属颗粒、金属间化合物、纳米颗粒、晶须、长纤维及氧化锆增强HAP生物陶瓷复合材料的研究工作。结果表明,颗粒与纤维的加入可以提高材料的硬度和强度,但是第二相的引入往往会导致材料的生物相容性降低,甚至加速HAP的分解,同时金属、金属纤维及金属间化合物增强的HAP陶瓷植入人体后,存在腐蚀及生物惰性,导致材料的生物相容性降低。普通纤维增强HAP复合材料由于本身的生物毒性,当植入人体一段时间后,生物复合材料在人体中降解,生物惰性纤维分散到人体中而长期不能溶解,可能引发癌症,直接影响人体健康。

生物材料最佳的增强材料。有专家预测,生物活性HAP晶须增强生物陶瓷材料必将为推动硬组织替代

及修复材料的发展起到积极的作用。有关资料报道,目前全世界生物材料年营业额已达120亿美元。其中,人体硬组织替换材料约为23亿美元,且以每年7%～12%的速度增长。由此可见,随着全球老龄化趋

势的发展,未来人体硬组织替换材料将越来越受到人们的重视,羟基磷灰石这类生物活性陶瓷也将具有广阔的研究价值和市场前景。由于生物陶瓷材料具有较大发展潜力和研究价值,从仿生原理出发,其制备成分结构与天然骨组织相近,而且满足种植提高力学性能要求的复合材料是当今研究的热点。

羟基磷灰石生物陶瓷的研究经历了很长的历史,在临床应用上已取得了一些成果,如良好的生物相容性、生物活性、结构吻合性等方面。但在如何提高材料的强度、韧性和如何解决陶瓷涂覆过程中的界面问题,以及力学性能、生物性能优秀的生物复合材料方面还有待深人研究和探讨。相信随着制备工艺的发展和对材料本质的不断深入了解,上述问题一定能够得到一个圆满的答案。同时,随着生物医学工程的进一步发

4　发展前景

羟基磷灰石作为人体硬组织替换材料是生物材料发展的一大热点。近年来,科研人员把大量精力投入到HAP晶须增强生物陶瓷复合材料的研究中,由于HAP材料本身良好的生物活性和生物相容性,已成为

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10　韩颖超,王欣宇,等.自然烧结法合成纳米羟基磷灰石

展,羟基磷灰石生物陶瓷材料必将更多地应用于临床医学,更好地造福于人类。

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(上接第6页)1998年制定了紧急节水法以后,相应提

当今,世界各国已颁布了许多节水的法规,严格实行限制供水,对违者进行不同程度的处罚。目前,美国的加州、佛罗里达、密执安和纽约等州,要求新建住宅、公寓、办公楼安装的用水设施必须达到一定标准方可使用,其中包括便器节水。另外,许多城市通过制订的高水价政策来促进高效率节水。

综上所述,美国在便器节水方面做了大量工作。据专家预计,在今后若干年内,缺水情况将更加严重,便器节水仍将是城市节水的重点。

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出了许多措施并要求城区的所有用户安装水箱式坐便器,减少冲水量到5.9L,对要求更换节水型坐便器的用户,水电局有责任提供相应配套的装置。

鉴于新产品能大量节约用水,美国的能源政策条例要求全部建筑系统采用高效用水管通,包括用水量为4.6L冲洗阀的便器。近年来,美国许多卫生陶瓷生产厂家已研制出多种节水型便器(如:冲洗式为4L/次、空气压水渗气式为2L/次),节水能力最高达到80%以上。另外,还研制了一种适用于公共场所使用

的免冲洗式(干燥型)小便器。

据分析,使用1󰁧的中性水相当于少用1󰁧清洁的自来水、少排出近1󰁧的污水,可节水50%左右,这对于水源紧缺的城市具有重要的经济效益和社会意义。目前,中性水使用技术已在许多国家的缺水城市中广泛采用。

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