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，从而降低其力学性能。

1.3 溶胶-凝胶法制备β-磷酸三钙陶瓷研究现状

1.3.1 合成磷酸三钙陶瓷的方法

早在1920年，Albee等人就曾建议将可吸收的β-磷酸三钙作为牙和骨的种植体使用，但一直到1970年以后人们才对吸收骨置换材料进行了大量的研究。研究的热点之一

是在材料的制备过程中，控制材料的纯度，粒度的结晶等。

β-TCP粉末的制备方法主要有以下几种：

（1） 干法

原料：CaHPO4.2H2O;CaCO3和Ca(OH)2

反应过程：CaHPO4.2H2O →CaHPO4+2H2O (161-196℃)

2CaHPO4→γ-Ca2P2O7+H2O (430℃)

γ-Ca2P2O7→β-Ca2P2O7(784℃)

CaCO3→ CaO + CO2↑ (825.5-900℃)

Ca(OH)2 →CaO+H2O (＜850℃)

β-Ca2P2O7+CaO→β-Ca3(PO4)2

干法的优点：晶体结构无晶格收缩，结晶性好

干法的缺点：粉末晶粒粗，组成不均匀，往往有杂相存在，很难制得单一纯晶体 杨华明，李世青等人都提出了机械化学合成法来改进干法，即将磷酸二氢钙与氢氧化钙按1：2配料后加入搅拌磨中，加一定的量水后球磨1h，取出料浆，烘干，在700℃保温1h，即可制得粒径小，比表面积大，组成均匀的β-TCP粉末。

（2）醇化合物法

采用较稳定的钙乙二醇化合物和具有一定活性，有P2O5 n-丁醇反应生成的PO(OH)X(OR)3-X产物为先躯体。速算的引入可以有效控制先躯体间反应，避免两先躯体直接混合时沉淀的产生。当醋酸与钙的摩尔比为4，两先躯体以n（Ca）/n(P)=1.5混合，可获得稳定的混合溶液。将混合溶液蒸发后得到的干胶状粉末在1000℃煅烧，可获得纯β-TCP。

（3）水热法

此法应用较少。一般是在水热条件下，控制一定温度和压力，以CaHPO4或CaHPO4.2H2O为原料合成得到晶格完整，晶粒直径更大的TCP粉末。

（4）溶胶-凝胶法

胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子

大小在1～1000nm之间。

凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。

简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

溶胶-凝胶法是这些年才发展起来的新方法，并引起广泛的关注。与传统制备方法相比，溶胶-凝胶法具有许多优点：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体物，是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。

2.冻干法在制备β-TCP纳米粉体中的应用

2.1冻干法概述

冻干法，是将含有液态水的物质冻结成固态，然后在保持冻结物不熔化的前提下，通过抽真空使冻结物中的冰升华，从而获得干燥成分的干燥方法。冻干技术制备纳米粉体其过程一般为：将所期望制备粉体成分的或其前驱体成分的溶液或溶胶冻结成固溶体或制成凝胶，再使固溶体或凝胶在真空下冻干。由于固溶体或凝胶中的水比其中的溶质的蒸汽压高，抽真空可使冻结物中的冰升华，只留下难挥发的成分，从而可得到干燥的粉体，必要时再通过热处理制得所期望成分的纳米粉体。利用冻干技术制备纳米粉体时，根据造粒过程以及被冷冻对象形态的不同，又可分为溶液冻干法和溶胶冻干法。

（1）沈阳大学师范学院的刘军，李洪仁对溶液冻干法制备纳米粉体的特点进行了研究分析。

溶胶冻干法制备纳米粉体，其前驱体在溶剂中的分散是胶体颗粒级别的，所制备粉体的颗粒的粒径主要受控于前驱体的化学制备。溶胶法制粉采用冻干工艺的主要目的是防止颗粒干燥过程中发生硬团聚。冻干法制备纳米粉体其主要过程为：制备前驱体、前驱体冻结、冻结物真空干燥及干燥物的后处理。冻干法备纳米粉体与其它制备纳米粉体的方法以及其它物料的冻干有许多不同之处。

2.2 冻干法制备纳米粉体的特点

2.2.1与其它制备纳米粉体的方法相比具有的特点

纳米粉体的化学制备方法有气相法、液相法和固相法。化学液相法是常用的方法，包括沉淀法、溶胶一凝胶法、微乳液法、溶剂热法和冻干法等。溶液冻干法与其他粉体制备方法相比，具有下述一些特点。

2.2.1.1所制备的粉体无硬团聚

采用液相法制备纳米粉体最后都要涉及粉体的干燥过程。普通的干燥方法，常常导致所制备的粉体颗粒在干燥的过程中发生团聚。许多采用冻干法制备纳米粉体的实验表明，采用冻干法制备的纳米粉体，通过透射电镜检测都是无硬团聚的。对此，有许多理论解释，比较简单的解释为：水溶液在非冻结条件下干燥时，在干燥的末期，颗粒之间液态水的表面张力能够使粉体颗粒之间产生较大引力，从而导致粉体颗粒硬团聚。而冻于是在冻结状态下进行的，没有液相，所以不会因液体张力而造成粉体团聚。

.2.1.2所制备的粉体粒径小且均匀

其它液相法(如微乳液法、沉淀法、溶胶法等)制备纳米粉体，其造粒过程发生在干燥过程之前的胶体颗粒的化学制备过程，干燥之前颗粒已经形成。而冻干法制粉时，在冻结前，被冻结物是均匀分散系，造粒过程发生在干燥阶段。在冻结阶段，造粒物质会随着冰晶的析出而迁移，直至共晶浓度后而完全冻结。冻结后分子级溶质成分被固定在冰晶的界面缝隙中，不再能够迁移，失去宏观运动自由度。在随后的升华干燥阶段，由于水分子的升华，处于升华前沿的分子级溶质脱离水分子的束缚作用，在化学键或范德华力的作用下而相互结合成颗粒。由于作用力的作用大小和作用半径有限，能够相互结合的微观粒子的数目是有限的，所以溶液冻干制备的粉体颗粒比较小。又由于整个干燥过程中，使微观粒子结合成粉体颗粒的作用力大小和作用半径是基本一致的，所以冻干法制备的纳米粉体粒径是均匀的。

2.2.1.3能保证粉体的化学组成

冻干法制粉可以按照设定的化学路径选取前驱体，冻干中水分子升华被除去，剩余干燥物质的化学组成可以实现计量化。而且，采用冻干法制备的粉体颗粒本身即是纳米级别的，无需再进行研磨。其后处理过程简单，因而不会掺人杂质。所以，与其它方法相比，溶液冻干法更能保证所制备粉体的化学组成。

2.2.1.4所制备的粉体为非晶体颗粒，粉体活性强

（1）经过实验研究表明，采用溶液冻干法直接制备的各类粉体都是非晶体形态的。刘军、

（2）徐成海、张世伟等的真空冷冻干燥法制备银纳米粉体的实验研究也得到了相同的结果。

冻干直接得到的粉体之所以是非晶体，其原因可能是：冻干的造粒过程是在干燥阶段，溶液中溶质微粒在脱离了溶剂分子的固定作用后，要彼此结合成颗粒，但此时微粒之间的结合是偶然的、非定向的。而且，由于冻干是在低温下进行，微观粒子的自身能量低，迁移半径小，没有能力在一定方向上有规律地排列，只能随机排列，所以表现为非晶体，多数为球形颗粒。冻干法直接获得的粉体在煅烧时，微粒获得足够能量，在微观上重新排列，能转化为纳米晶体颗粒。

2.2.2与冻干其它种类物料相比具有的特点

（3）(4)冻干技术已经在许多领域有广泛的应用，比较集中的应用是食品、医药、生物制

品和营养品的冻干。这些物品冻干的目的一般是保持被干燥物质的生物活性、保证良好的外观形态、防止被干燥物质受热变性、使干燥后的物体能够快速复水等。此外，冻干法还是目前最适宜的粘性土干燥方法，它利用液氮将土样快速冷冻，形成非晶态冰，并在真空状态下

（5）使水分升华，这样可以制备微结构测试用土样。而冻干技术用于制备纳米粉体，目的在

于获得颗粒均匀细小、无硬团聚的纳米粉体。与食品、医药、生物制品和营养品的冻干相比，冻干技术用于制备纳米粉体也有很多特点。

2.3 冻干法在制备的应用

鉴于与其它制备纳米粉体方法相比、与其它物料的冷冻干燥相比，冷冻干燥法制备纳米粉体有如下特点：制备的粉体无硬团聚，粉体粒径小且均匀，化学组成多为非晶体颗粒；与其他物料的冻干过程相比，制备纳米粉体的含水量比例大，已经干燥的物质对干燥传质的阻力小，产品的热敏性小等。故可依据这些特点，采用初步制得的TCP作为前驱体，优化制备纳米粉体的工艺，配合溶胶凝胶法，运用真空冷冻干燥法制备出颗粒细小且均匀、形状规则、具有高分散性、高性能的TCP纳米粉体。

3.β-酸三钙的溶胶-凝胶法制备及体系相变研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验步骤与方法

1．制备工艺

以去离子水为溶剂，取一定量的磷酸，在常温搅拌下缓慢滴加至去离子水中，充分搅拌后，用分析天平称取一定比例的的Ca(NO3)2·4H2O，加入上述溶液中，继续搅拌至完全溶解，然后逐滴滴加NH4·H2O来调节混合液的pH值约为9~10，继续搅拌1h后，在60℃恒温水浴条件下分批向白色混合物中加入6g聚乙烯醇颗粒，充分搅拌使PVA溶解，降至室温，并保持不间断搅拌过夜，将此混合液置于冻干机内进行冷冻干燥得到白色粉末。随后取适量白色粉末放入管式炉进行高温煅烧，在800°C保温2h，得产物。

2.实验内容

本实验主要包括这几种内容：

① 分别配制钙磷比为1.5添加聚乙烯醇和未添加聚乙烯醇的两组溶胶，将所得干凝胶

烧结后做XRD，IR,RAMAN分析，考察聚乙烯醇对此溶胶．凝胶体系稳定性的影响。 ② 在保证制得稳定体系(混合均匀、溶胶无色透明、无白色沉淀呈现)的前提下，依

次配制Ca／P比为1.5、1．67、、2.0的前驱溶胶，将所得干凝胶经11000C煅烧后做XRD，IR,RAMAN

③ 未添加CTAΒIR,RAMAN④ 晶体转型的影响

3.1.2 样品表征

1．X射线衍射(X-ray diffraction，XRD)分析：

采用X‘Pert ProMPD型X射线衍射仪分析样品的物相和相组成，测试条件为：铜靶(CuKa)，工作电压40kV，电流40mA，扫描角度20：20～70。

2.集团结构分析（IR）

样品使用KΒr压片法。使用的一起为Nicolet-Avatar 360型傅立叶红外光谱仪（美国产），其中扫描范围为400～4000cm-1,分别率为2cm-1，扫描次数为32。

3．SEM分析：采用FEI Quanta 200型环境扫描电子显微镜观察样品微观形貌。

展望

论文针对目前磷酸钙陶瓷制备中的热点、难点问题，以硝酸钙-磷酸体系溶胶-凝胶法和冻干法为基，由添加表面活性剂的作用下制备了致密的β-TCP／HA双相生物陶瓷、高温稳定的β-TCP和多孔磷酸钙陶瓷。所制备材料的力学性能和生物学性能还有待考察。高温稳定的β-TCP制备方面，其具体稳定机理还有待进一步研究。

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