羥基磷灰石研究進(jìn)展
摘要：由于羥基磷灰石( HA) 不但與人體骨骼晶體成分和結(jié)構(gòu)基本一致,而且其生物相容性、界面生物活性均優(yōu)于醫(yī)用鈦、硅橡膠及植骨用碳材料等植入醫(yī)用材料,另外有
極好骨傳導(dǎo)性和與骨結(jié)合的能力, 無(wú)毒副作用, 無(wú)致癌作用,所以被廣泛用作硬組織修復(fù)材料和骨填充材料的生理支架以及疾病、意外事故中的骨修復(fù)材料。同時(shí)，羥基磷灰石具有良好的生物活性,具有特殊的晶體化學(xué)特點(diǎn)，是較好的生物材料,被廣泛應(yīng)用于骨組織的修復(fù)與替代技術(shù).目前 ,羥基磷灰石涂層的制備方法有等離子噴涂法、 激光熔覆法、電結(jié)晶液相沉積法、溶膠 -凝膠法等。對(duì)于制備要求較高、具有表面活性的吸附材料羥基磷灰石而言 ,溶膠 - 凝膠法是較為合適的方法 ,本文羥基磷灰石涂層進(jìn)行了研究。主要從羥基磷灰石的合成制備,復(fù)合材料涂層種類(lèi)及HA涂層影響因素，應(yīng)用等方面對(duì)羥基磷灰石進(jìn)行介紹，并對(duì)其進(jìn)行研究展望。
關(guān)鍵詞：羥基磷灰石 制備 復(fù)合材料 涂層 研究進(jìn)展
前言
羥基磷灰石是一種磷酸鈣生物陶瓷, 與人體自然骨和牙齒等硬組織中的無(wú)機(jī)質(zhì)在化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)上具有相似性，是一類(lèi)重要的骨修復(fù)材料,分子式為Ca10 ( PO4 ) 6 ( OH ) 2 , 簡(jiǎn)寫(xiě)為 HA 或 HAP,Ca/ P 物質(zhì)的量比理論值為1. 67, 屬磷酸鈣陶瓷中的一種生物活性材料。從分子結(jié)構(gòu)( 如圖 1) 可以看出, 它易與周?chē)后w發(fā)生離子交換。HA 屬六方晶系, 空間群為 P63/m。其結(jié)構(gòu)為六角柱體, 與c軸垂直的面是一個(gè)六邊形, a、 b 軸的夾角為 120 °, 晶胞常數(shù) a= b= 9. 324 A , c= 6. 881A 。單位晶胞含有 10 個(gè)[ Ca]2+、6個(gè)[ PO4]3-和2個(gè)[ OH]-, 這樣的結(jié)構(gòu)和組成使得H A 具有較好的穩(wěn)定性。磷灰石是自然界廣泛分布的磷酸鈣鹽礦物，根據(jù)其結(jié)構(gòu)通道中存在的陰離子的種類(lèi), 可分為氟-、氯-、羥磷灰石等不同亞種礦物。其中，羥基磷灰石(hydroxyapatite，縮寫(xiě)為HA或HAp)的研究和應(yīng)用最廣泛。羥基磷灰石是人體和動(dòng)物的骨骼和牙齒的主要無(wú)機(jī)成分，具有良好的生物相容性和生物活性，HA材料對(duì)動(dòng)物體人體無(wú)毒 、無(wú)害 、無(wú)致癌作用，可增強(qiáng)骨愈合作用，能與自然骨產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合， HA植入人體后對(duì)組織無(wú)刺激和排斥作用,能與骨形成很強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合,用作骨缺損的充填材料,為新骨的形成提供支架,發(fā)揮骨傳導(dǎo)作用, 是理想的硬組織替代材料，被認(rèn)為是最有前途的人工齒及人工骨的替代材料。
1、羥基磷灰石的合成制備
雖然1871年就合成出羥基磷灰石 ,但是由于技術(shù)的限制，直至1971年才有羥基磷灰石生物陶瓷的成功報(bào)道 ,并迅速擴(kuò)大臨床應(yīng)用。
經(jīng)過(guò)多年的研究 ,近年來(lái)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種方法制備羥基磷灰石。鑒于各種方法在制備原理于過(guò)程上存在相當(dāng)大的差異，所得到的HA的性能也產(chǎn)生了較大的差異。不同狀態(tài)的HA的制備是HA優(yōu)異性能得到充分利用的關(guān)鍵。羥基磷灰石的制備可按照其物理性質(zhì)分為HA粉體的制備、HA涂層的制備、以及HA復(fù)合材料的制備。
1．1經(jīng)基磷灰石粉體的制備
目前制備羥基磷灰石粉末的方法有很多,主要有濕法溶膠一凝膠法、水熱法、沉淀法等和干法固相反應(yīng)及微乳液法。
1.1.1溶膠一凝膠法
溶膠-凝膠法是以適當(dāng)?shù)那膀?qū)物配成溶膠, 一般利用金屬無(wú)機(jī)鹽或金屬醇鹽, 在水或醇溶劑中發(fā)生水解或醇解反應(yīng),形成均勻的溶膠, 然后經(jīng)過(guò)溶劑揮發(fā)及加熱等處理, 使溶膠轉(zhuǎn)變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠, 再經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)暮筇幚砉に囆纬?/span> HA晶體。童義平等探索用溶膠—凝膠法制備羥基磷灰石的工藝條件, 用硝酸鈣和磷酸三丁酯為反應(yīng)原料, 進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn), 優(yōu)化得到的條件為溶液 pH 值控制在 8 左右, 燒結(jié)溫度控制在950℃以上, 恒溫時(shí)間控制在2.5～ 4.5 小時(shí)。是近些年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的新方法 ,已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。找到合適的、能夠合成最終的羥基磷灰石的溶膠一凝膠體系是其合成的關(guān)鍵。其原理是：將醇鹽溶解在選定的有機(jī)溶劑中,在其中加蒸餾水使醇鹽發(fā)生水解 、聚合反應(yīng)后生成溶膠 ,再將Ca2+溶膠緩慢滴加到(PO4)3-溶膠中,加水變?yōu)槟z,凝膠經(jīng)老化、洗滌、真空狀態(tài)下低溫干燥 ,得到干凝膠 ,再將干凝膠高溫鍛燒,就得到羥基磷灰石的納米粉體。該方法的優(yōu)為：合成及燒結(jié)溫度低、可在分子水平上混合鈣磷的前驅(qū)體使溶膠具有高度的化學(xué)均勻性。缺點(diǎn)是化學(xué)過(guò)程比較復(fù)雜 、醇鹽原
料價(jià)格昂貴、有機(jī)溶劑毒性大,對(duì)環(huán)境易造成污染等。,該方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)PH沒(méi)有要求。這種方法可以生成Ca/P比不同的HA ,生成的HA粉體可用作生物陶瓷、環(huán)境材料、催化、色譜等領(lǐng)域。
1.1.2沉淀法
化學(xué)沉淀法是制備羥基磷灰石粉體最典型的方法 ,這種方法通常采用把一定濃度的磷酸氫銨和硝酸鈣反應(yīng)或者磷酸與氫氧化鈣在一定的溫度下攪拌，常加入適當(dāng)?shù)某恋韯ㄟ^(guò)控制反應(yīng)的溫度、PH值、反應(yīng)速率及陳化時(shí)間等來(lái)實(shí)現(xiàn)HAP蹭點(diǎn)結(jié)晶化過(guò)程,反應(yīng)過(guò)程中使用氨水調(diào)節(jié)PH值,把沉淀物高溫緞燒從而得到HA粉體。其典型工藝：Ca（NO3）2與磷酸鹽[(NH4)3PO4,(NH4)2HPO4,NH4H2PO4]溶液進(jìn)行反應(yīng),沉淀經(jīng)過(guò)濾、干燥 ,制成粉末顆粒 ,再在750℃條件下煅燒3h,生成晶體粉末 ,經(jīng)成型工藝獲得壓坯 ,最后在1050一1200℃溫度燒結(jié),即得到羥基磷灰石。該法的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡(jiǎn)單、合成粉體的成木較低,可以大量制造HA粉體,并廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)巾。缺點(diǎn)：必須嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)的工藝條件,比如Ca/P的摩爾比、混合物的PH值、以及反應(yīng)產(chǎn)生沉淀的時(shí)間。
1.1.3水熱法
水熱法其特點(diǎn)是在特制的密閉的反應(yīng)器（高壓釜）內(nèi), 在高溫高壓下,用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)。在高溫高壓環(huán)境中,不受沸點(diǎn)的限制,可以使介質(zhì)的溫度上升到200一400℃,使原來(lái)難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重新結(jié)品的方法。這種方法通常采用磷酸氫鈣等為原料的水溶液體系,在高壓釜中制備HA粉體。其典型的工藝為：以CaCl2 [或Ca（NO3）2]與NH4H2PO4為原料 ,以鈦網(wǎng)、Ti6Al6V片或其他合金為陰極 ,以石墨為陽(yáng)極 ,控制一定的PH值和沉淀時(shí)間,可得CaHPO4·2H2O ,隨后經(jīng)水蒸氣處理 ,即得到羥基磷灰石。化學(xué)反應(yīng)如下：
與其它化學(xué)方法比較, 水熱法制備 HA粉體由于不需要高溫焙燒等后處理工藝, 避免了在這些過(guò)程中可能產(chǎn)生的粉體顆粒之間的硬團(tuán)聚, 制備工藝較為簡(jiǎn)單, 粒子純度高, 分散性好, 粒徑小, 分布范圍窄,這種方法的缺點(diǎn)為：生產(chǎn)周期長(zhǎng), 能耗大, 成本高, 反應(yīng)條件對(duì)產(chǎn)物影響大。對(duì)設(shè)備的密閉條件要求很高 ,反應(yīng)條件不容易控制,很難生成Ca/P比不同的HA,一般能生成正常配比的HA。但是可以獲得高純度、高有序度、結(jié)品較好的HA多品粉體。該方法制備的羥基磷灰石粉體在螢光、激光材料、催化載體等方面得到應(yīng)用。
1.1.4干式法
把固態(tài)磷酸鈣及其他化合物磨細(xì)均勻混合在一起,在有水蒸氣存在的條件下,反應(yīng)溫度大于1000℃(1000℃一1300℃),可以得到結(jié)品較好的羥基磷灰石 ,反應(yīng)式為：
6CaHPO4·2H2O+4CaCO3=Ca(PO4)6(OH)2+4CO2+14H2O
這種方法合成的羥基磷灰石優(yōu)點(diǎn)是粒徑1mm,純度高,結(jié)品完整無(wú)品格缺陷,晶格常數(shù)不隨溫度變化。缺點(diǎn)為該方法要求較高的溫度和熱處理時(shí)間,粉末的可燒結(jié)性差,使得應(yīng)用受到了一定的限制。一般這種方法制備的羥基磷灰石粉體常用在螢光、激光、敏感功能材料和地質(zhì)條件模擬實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用。此外還有海珊瑚高溫置換反應(yīng)合成等方法。
1.1.5微乳液法
微乳液法是利用表面活性劑在溶液中的濃度超過(guò)其臨界膠束濃度(cmc)形成膠束的性質(zhì), 在鈣和磷的前軀物溶液中,加入適宜的表面活性劑,形成各種彼此獨(dú)立的微乳顆粒(如球狀、橢圓狀、棒狀膠束等)來(lái)控制 HAP晶粒的生長(zhǎng), 以制備不同形貌的超微粒HAP。
1.2經(jīng)基磷灰石薄膜的研究方法
近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的金屬基表面羥基磷灰石薄膜的研究方法主要有：等離子噴涂,激光熔覆法 ,溶膠一凝膠法 ,電沉積方法 ,仿生合成法 ,浸漬法 ,熱噴涂等。這些方法可以分為兩大類(lèi), 一類(lèi)方法制備出厚度相對(duì)較大的涂層（幾十至上百）；另一類(lèi)則偏重于制備薄涂層（厚度在幾個(gè)至十幾個(gè)左右）。
1.2.1厚涂層的制備方法
1.2.1.1等離子噴涂法
等離子噴涂法是制備HA涂層最成功 ,也是目前臨床研究較為成熟,應(yīng)用最為廣泛的方法,并且被廣泛投人到商業(yè)應(yīng)用。
等離子噴涂的基本過(guò)程是噴涂粉料以氣體為載體被送到等離子區(qū) ,經(jīng)高溫（通常高于1000℃）熔融或半熔融后噴涂到金屬基體表面形成羥基磷灰石薄膜,噴涂后的涂層要經(jīng)過(guò)水蒸氣處理或熱處理。其典型工藝如下：由鎢青銅陽(yáng)極和噴嘴陰極放電產(chǎn)生電弧 ,等離子體則在電弧燃燒中產(chǎn)生。一般等離子氣體選擇惰性氣體或雙原子其他的混合物。噴涂粉末用氣流送到高能的等離子氣體內(nèi),粉末在等離子體中熔化 ,附著在金屬基體上而形成涂層 ,隨著工
藝參數(shù),如HA的顆粒大小以及功率的變化,涂層的性能也相應(yīng)發(fā)生變化。通常等離子噴涂的厚度在幾十左右。
等離子噴涂具有操作方便 ,但他的缺點(diǎn)也很明顯 首先因羥基磷灰石與金屬基體的熱膨脹系數(shù)不同,易在基體與涂層界面形成殘余應(yīng)力 ,在噴涂后的冷卻過(guò)程中涂層可能產(chǎn)生相變和脆裂,使得涂層和基體的結(jié)合強(qiáng)度不高；其次,由于等離子噴涂過(guò)程涉及高溫過(guò)程 ,易使羥基磷灰石發(fā)生分解。另外 ,由于原始材料采用較高純度的羥基磷灰石粉末 ,植被的成本較高,技術(shù)設(shè)備昂貴,不適合噴涂多孔金屬表面。
1.2.1.2激光熔覆法
激光熔稅法的工作原理 在金屬基體的表面上預(yù)先覆涂一定配比的CaCO3,與CaHPO4·2H2O的混合物粉末涂層,然后用激光器進(jìn)行多道搭接熔覆處理,使合成與熔覆HA涂層一步完成,合成HA涂層的原理反應(yīng)為：
此方法制得的涂層的優(yōu)點(diǎn)是：與基體結(jié)合良好、硬度高、強(qiáng)度較高、韌性良好,且改善了植
人材料的彈性模量與生物硬組織材料的匹配性。但同樣也有缺點(diǎn)存在，涂層的均勻性和穩(wěn)定性較差,難控制且設(shè)備昂貴。激光熔覆法在制備生物涂層方面剛剛起步,但已經(jīng)顯示出巨大的優(yōu)越性,很有希望成為生產(chǎn)臨床生物材料的途徑之一。
1.2.2薄涂層的制備方法
1.2.2.1溶膠一凝膠法
溶膠一凝膠法除了可以制備HA的粉體以外 ,還可以制備HA涂層,這一方面近年來(lái)研究較多,溶膠一凝膠法是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的過(guò)程。溶膠一凝膠法的原理是：將涂層物質(zhì)或其前驅(qū)體制成溶膠,使之均勻的覆蓋于基體的表面 ,由于溶劑的迅速揮發(fā)以及后續(xù)的縮聚反應(yīng)而凝膠化 ,再經(jīng)干燥和熱處理 ,以獲得所需的涂層。該方法的優(yōu)點(diǎn)是用料少 ,成木底；工藝簡(jiǎn)單,不需要任何的真空的設(shè)備；工藝過(guò)程溫度低；對(duì)于形狀復(fù)雜的材料有利。
1.2.2.2電化學(xué)沉積法
電化學(xué)沉積法是一種點(diǎn)解方法鍍膜的過(guò)程，也是一種氧化還原過(guò)程。該方法的原理是：在含有被鍍金屬離子的水溶液（或非水溶液、熔鹽）中通直流電，是正離子在陰極表面放電，
得到金屬、=-0987321、溫度低、易于在復(fù)雜表面上大面積涂膜、投資少，工藝簡(jiǎn)單，易于操作。缺點(diǎn)是：該方法雖然工藝簡(jiǎn)單，但是影響因素很多，薄膜的性質(zhì)受這些因素，所以想得到復(fù)雜組分的薄膜很難；值得的薄膜大多是為多晶態(tài)和非晶態(tài)，其性能不高；此種方法也存在HA涂層與金屬基體表面結(jié)合強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。
