碳酸钙生物陶瓷

磷酸钙生物陶瓷①秦湘阁,马臣, 孟祥才(佳木斯大学材料工程学院,黑龙江,佳木斯154007)摘要: 磷酸钙生物陶瓷材料包括磷酸三钙(Β-TCP)和羟基磷灰石(HA),具有较好的生物相容性和生物活性.本文总结了磷酸钙生物陶瓷材料的制备方法和力学性能研究的最新进展,指出溶液沉淀法和溶胶凝胶法是目前优先使用的精细磷酸钙陶瓷粉末制备工艺,由于磷酸钙陶瓷的韧性较低,必须对它进行补强增韧,以扩大在临床中的应用范围.关键词: 磷酸钙生物陶瓷;羟基磷灰石;制备技术;力学性能中图分类号: O614.23+1 文献标志码: A0引言：随着人们对生物材料质量和安全性不断提高的要求和生物陶瓷在医疗康复系统中的应用,生物陶瓷材料成为材料科学和医学工程的一个重要研究领域[1].在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中,磷酸钙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良好的生物相容性和生物活性,对人体无毒、无害、无致癌作用,并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合[2].磷酸钙生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三钙,作为生物材料使用的磷灰石一般是Ca与P原子比为1.67的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapatite,简称HA),磷酸三钙是Ca与P原子比为 1.5的Β-磷酸三钙Β-Ca3(PO4)2(TricalciumPhosphate,简称Β-TCP).磷酸钙主要以结晶态的磷灰石相构成了人体硬组织的主体[2],从骨的结构上看,骨是由尺寸小于100nm的磷酸钙盐晶体弥散分布在胶原蛋白以及其他生物聚合物中构成的连续多相复合体,因此磷酸钙盐陶瓷具有与骨骼矿化物类似的成分和表面及体相结构[3],与人体组织有良好的生物相容性,可和自然骨形成牢固的骨性结合.本文主要综述了应用在骨骼系统硬组织(如骨、关节或牙齿)的磷酸钙生物陶瓷的制备技术和力学性能研究的最新进展.1 磷酸钙生物陶瓷的物相组成和生物学性质磷酸钙陶瓷的稳定相主要取决于制造和使用过程中的温度和水的存在[1].在体温下,对于水媒质如体液,只有两种磷酸钙是稳定的:pH<4.2时为CaHPO4・2H2O(磷酸二钙,透钙磷石,C2P);pH>4.2时,稳定相是Ca10(PO4)6(OH)2(羟基磷灰石,HA);在较高温度,是其他的相,如Ca3(PO4)2(磷酸三钙,C3P,TCP)和Ca4P2O9(磷酸四钙,C4P).未水合的高温磷酸钙相植入体内后,在37℃与水或体液反应将形成稳定的HA.例如,Ca3(PO4)2植入体内后,在其表面发生下列反应[4]:4Ca3(PO4)2+2H2OCa10(PO4)6(OH)2+Ca2+2HPO2-4从上式可知,反应升高了体液的pH值,从而进一步增加了TCP的溶解(吸收)和HA的形成.钙磷比在决定磷酸钙体内溶解性和吸收趋势上起着重要作用,烧结材料中的微孔可以增加这些相的溶解性[1].第19卷第2期佳木斯大学学报(自然科学版)Vol.19No.22001年6月JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition)June.2001①收稿日期:2001—02—20 作者简介:秦湘阁(1963-),男,黑龙江佳木斯人,佳木斯大学材料工程学院讲师,现为北京科技大学材料科学与工程学院在读博士生.HA稳定存在的温度范围随着PH2O而增加,因为PH2O决定C4P和C3P向HA转化率.由于存在影响稳定磷酸钙形成率的动力学势垒,一般难以预测烧结时所形成的高温相的体积分数和冷却到室温使它们的相对稳定性.和HA比较,Β-TCP更易于在体内溶解,其溶解度约比HA高10～20倍.虽然如此,它们的生理性质却无本质上差别.磷酸钙生物陶瓷在体内的降解速率不仅取决于它的结晶相组成,而且和它的显微结构密切相关.致密的陶瓷,无论是HA 还是Β-TCP,都是几乎不降解的,属于表面活性生物陶瓷.通过空隙率和组成相含量的控制,可改变磷酸钙陶瓷在体内的降解速率,从接近于零到大于每月10%.当它们在体内降解和被吸收后,通常都被新生骨所代替[2].2 磷酸钙陶瓷粉末的制备制备块状磷酸钙陶瓷的第一步是磷酸钙陶瓷粉末的制备,主要有湿法和固态反应法.湿法包括:水热反应法[5]、水溶液沉淀法[6-10]以及溶胶凝胶法[11-13],此外还有有机体前驱热分解法[14]、微乳剂介质合成法[15]等.各种制备工艺的研究目标是得到成分均匀、粒度微细的磷酸钙粉末.固态反应法(无氧条件下进行反应)往往给出符合化学计量、结晶完整的产品,但是它们要求相对较高的温度和热处理时间,而且这种粉末的可烧结性较差.用水热合法成法获得的磷酸钙陶瓷材料一般结晶程度高,Ca P接近化学计量值.溶液沉淀法法的优点是工艺简便可靠,合成物纯度高,较其它方法更适合于实验生产,在温度不超过100℃的条件下,可制备纳米尺寸的纤维颗粒粉末.溶液沉淀法法也可以制备羟基磷灰石涂层.溶胶凝胶法可以得到无定形、纳米尺寸、Ca P比接近化学计量值的磷酸钙陶瓷粉末.溶胶凝胶法的优点是高纯、超细、均匀性高、颗粒形状及尺寸可控,反应在室温进行,设备简单;缺点是化学过程复杂、需采取措施避免团聚以及液体溶剂对环境的污染.磷酸钙陶瓷粉末的制备工艺已经比较成熟,但是到目前为止在我国还没有形成磷酸钙陶瓷粉末材料的批量生产能力.溶液沉淀法和溶胶凝胶法是目前优先使用的磷酸钙陶瓷粉末的制备工艺,下面详细介绍这两种方法.2.1 溶液沉淀法这种方法是通过含钙磷的反应物在溶液中的反应生成磷酸钙沉淀,将沉淀物过滤、洗涤和干燥而获得精细磷酸钙陶瓷粉末.下面将总结溶液沉淀法的一些最新进展.Yeong等[6]通过氢氧化钙和亚磷酸溶液反应制得了一种精细的羟基磷灰石初级粒子.为了制备烧结羟基磷灰石陶瓷,这些初级粒子并没有以粉末形式煅烧,而是在单向模具中进行压实,然后在不同温度进行粉末粒子的热处理,最后再在高温进行烧结.在低于1000℃的温度获得了98.15%的理论致密度.在1200℃长时间保温20h,并不影响烧结羟基磷灰石的相组成.Ikoma等[7]也用此法得到了精细的羟基磷灰石粉末和致密度为的98%烧结羟基磷灰石.Kivrak等[8]使用一种全新的一步化学沉淀技术制备了亚微米尺寸的、化学成分均匀的高纯双相混合粉末.在粉末沉淀过程中,使用四水硝酸钙和溶解于蒸馏水中一定数量的磷酸氢二胺盐作为反应物质.复合生物陶瓷粉末用含有20%～90%的HA(平衡相是TCP相)制备.用复合粉料制备的小球在1200℃的干燥气氛中烧结成几乎完全密实的固体.李晓玲等[9]报告了采用湿法合成法制备羟基磷灰石生物陶瓷的新途径.用钙离子和磷酸离子在水溶液和(或)有机溶液中发生合成反应,生成HA微晶.其实验步骤是:①自制高纯度的氧化钙粉末:取化学纯碳酸钙粉末通入氮气加热,使碳酸钙充分分解成氧化钙.②制备高纯度的氢氧化钙悬浮液.悬浮液高速搅拌后颗粒粒径为0.075Λm.③悬浮液中加入稀释纯磷酸,特定的条件下反应生成HA沉淀.④沉淀物水洗干燥得到粒径为0.1Λm的HA结晶体.HA晶体在金属模内加压成生胚,经900℃烧结成素胚,素胚经加工,用1300℃加压烧结成致密型HA.文献[10]介绍了用溶液沉淀制备羟基磷灰石的一种新方法,它用硝酸钙的酒精溶液和P2O5作原料,用柠檬酸作凝结介质,先加热两种反应物的混合溶液然后在500℃～800℃之间进行烧结制备羟基磷灰石粉末.柠檬酸的引入有利于凝结过程.来自没有柠檬酸溶液和有柠檬酸溶液的羟基磷灰石粉末尺寸分别约为0.5Λm和1.0Λm.2.2 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是将反应物质制成溶胶,通过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,即可获得磷酸钙粉末.Layrolle等[11]发明了一种制备羟基磷灰石的新工艺,利用溶胶凝胶法在酒精气氛中由二乙氧钙Ca(OE)2和磷酸H3PO4合成了一种非晶态的、包含碳酸盐的纳米磷酸钙粉末,其Ca P比为1.67.由于在酒精中比在水中更低的溶解效应,得到了具有可控组分的纳米非晶态磷酸钙(ACP)粉末.在酒精溶液中,中间产物ACP沉淀保持不变,表明HA既没有晶粒长大也没有转变.纳米粉末必须在600℃加热以转变成结晶相(晶体化合物).ACP的结晶伴随着晶粒长大和扩散.以98MPa的压力将粉末压制成原始试样,然后在500℃～1300℃加热.在600℃时,粉末结晶成碳酸羟基磷灰石和少量的磷酸三钙,磷酸三钙将在900℃转变为羟基磷灰石,伴随的热力学再结晶与晶粒长大、缩孔和活动的表面扩散有关.经过1100℃烧结后,碳酸羟基磷灰石分解产生微孔陶瓷,其平均孔隙尺寸为0.2Λm,开放孔隙为15.5%.这种微孔陶瓷可以用作骨填充材料.Majling等[12]用干凝胶挤压成羟基磷灰石圆柱试样,然后通过烧结制成了致密的半透明陶瓷.挤压试样整体进行干燥,然后施以500℃和1000MPa进行压固.在610℃加热样品开始致密化,致密化烧结在870℃完成,即膨胀测量曲线表明试样不再收缩.这样形成的烧结试样试半透明的.进一步加热到1200℃导致试样肿胀,表明原来致密的基体出现孔隙.结构中的孔隙可以不断产生,从试样的表面到内部,它的扩展受热控制.单相致密多晶体材料中的孔隙与冷却时陶瓷中微裂纹的产生没有必然的联系.Mizutani[13]用多磷酸钙凝胶在140℃～200℃下制备了棒状单分散、直径1～7Λm、长度0.1～2.0Λm的类羟基磷灰石晶体.随着钙离子浓度、多磷酸钙凝胶和添加剂的改变,晶体的形貌和尺寸显著变化.添加乙醇如二丙醇将极大促进单分散性羟基磷灰石的形成.随着溶液中钙离子浓度的增加,羟基磷灰石晶体的Ca P比增加,但是形状比减小.3 磷酸钙陶瓷的烧结制备致密磷酸钙陶瓷的主要方法是粉末烧结技术.磷酸钙陶瓷粉末先要压制成需要的形状,然后在1000℃～1500℃进行烧结.以Ca与P原子比为1.67的磷灰石粉末为原料,可得到HA陶瓷;以Ca与P原子比为 1.5的磷灰石粉末为原料,可得到Β-TCP陶瓷.后者在900℃要经历一个从磷灰石向Β-TCP的相变过程[2].在高温形成的相依赖于烧结气氛中水的分压.当存在水时,可以形成HA并在1360℃以下为稳定相,而不存在水时,C4P和C3P是稳定相[1].文献[16]研究了烧结时Ca P为1.67和1.5的磷酸钙陶瓷粉末烧结期间形成的结构和表面形态,文献[17]、[18]讨论添加剂对羟基磷灰石烧结行为和显微结构的影响,文献[19]研究了羟基磷灰石中非晶相的形成规律.4 磷酸钙生物陶瓷的力学性能与应用致密磷酸钙陶瓷的力学性能请参见表1,数据的离散是由于强度分布、气孔、杂质以及颗粒的尺寸变化引起的.力学性能是衡量作为种植体的生物材料的重要性能.从力学相容的角度来看,作为硬组织替换用的磷酸钙盐至少应与被替换的器官有相近的强度和弹性模量.人体中不同部位的骨骼其力学性能也有差异.磷酸钙盐的机械强度与其显微结构密切相关,致密磷酸钙盐陶瓷在强度和杨氏模量的指标上要比人骨高几倍,但断裂韧性却低很多[1].这说明脆性是制约磷酸钙生物陶瓷临床应用的主要因素之一[3].因此,改善磷酸钙盐陶瓷的脆性,使其能应用到大块骨缺损的修复及承力部位,就成为这一领域中材料研究急需解决的问题.目前,磷酸钙生物陶瓷已经可以做成颗粒、纤维、块体、多孔、涂层等多种不同形态、结构的材料,被用作小的非承载种植体,应用于口腔种植、牙槽脊增高、颔面骨缺损修复、耳小骨替换、正形和骨缺损修复等临床手术之中[1-4].表1磷酸钙生物陶瓷的力学性能(LarryL.Hench,1998)[1]性能烧结羟基磷灰石烧结Β-磷酸三钙皮质骨成分Ca10(OH)2(PO4)6(>99.2%)Β-Ca3(PO4)2(>99.7%)物相磷灰石磷钙矿密度(g cm3)3.163.071.6～2.1维氏硬度(HV)600压缩强度(MPa)500～1000460～680100～230弯曲强度(MPa)115～200140～15450～150杨氏模量(GPa)80～11033～907～30断裂韧性,1.02～12KIC(MPa・m1 2)5 磷酸钙生物陶瓷材料的发展趋势磷酸钙陶瓷的主要缺点是其脆性,致密磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性,多孔磷酸钙陶瓷虽然可被新生骨长入而极大增强,但是在再建骨完全形成之前,为及早代行其功能,也必须对它进行增韧补强[3].磷酸钙陶瓷基复合材料,已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一.基于仿生原理,制备类似于自然组织的组成、结构和性质的理想生物陶瓷,应该是生物陶瓷的一个发展方向[2].磷酸钙盐生物陶瓷人工骨,虽然与骨盐的组成相同,但不同部位的骨性质是不尽相同的,组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的课题.在21世纪,生物陶瓷将成为临床中普遍选用的材料,一个具有相当规模的生物陶瓷高技术产业即将形成.参考文献:[1] L.L.Hench.Bioceramics[J].J.Am.Ceram.Soc.,1998,81(7):170 5-1728.[2] 张兴栋,诸培南.生物陶瓷[M].高技术新材料要览,北京:中国科学技术出版社,1993.287-289.[3] 杨晓鸿,王志宏.生物陶瓷种植体研究概述——从致密到多孔[J].大自然探索,1998,17(3):51-56.[4] 曾绍先.医用生物陶瓷及临床应用[J].化学进展,1997,9(1):90-98.[5] T.Hattori,Y.Iwadate.Hydrothermalpreparationofcalciumhyd roxyapatitepowders[J].J.Am.Ceram.Soc.,1990,73(6):1803-1 805.[6]K.C.B.Yeong,J.Wang,S.C.Ng.Fabricatingdensifiedhydroxyap atiteceramicsfromaprecipitatedprecursor.MaterialsLetter s[J].MaterialsLetters,1999,38(3):208-213.[7]T.Ikoma,A.Yamazaki,S.Nakamura,M.Akao.Preparationandstru cturerefinementofmonoclinichydroxyapatite[J].JournalofS olidStateChemistry,1999,144(2):272-276.[8]N.KivrakandA.C.Tas.SynthesisofCalciumHydroxyapatite-TricalciumPhosphate(HA-TCP)CompositeBioceramicPowderandThe irSinteringBehavior[J].J.Am.Ceram.Soc.,1998,81(9):2245-2252.[9] 李晓玲,徐彬,林枝华,黎非.羟基磷灰石生物陶瓷制备的研究[J].南京医科大学学报,1998,28(3):242-243.[10] W.J.Weng.Anewsolutionwaytopreparehydroxyapatitepowders[ J].KeyEngineeringMaterials,1997,132:85-88.[11]yrolle,A.Ito,T.Tateishi.Sol-GelSynthesisofAmorphous CalciumPhosphateandSinteringintoMicroporousHydroxyapati teBioceramics[J].J.Am.Ceram.Soc.,1998,81(6):1421-142[12]J.Majling,P.Znaik,A.Palovaetal.Sinteringoftheultrahighp ressuredensifiedhydroxyapatitemonolithicxerogels[J].J.M ater.Res.,1997,12(1):198-202.[13]U.Mizutani,S.Uchida,Y.Fujishiro,T.Sato.Synthesisofmonod ispersedhydroxyapatiteusingcalciumpolyphosphategelsaspr ecursors[J].BritishCeramicTransactions,1998,97(3):105-1 11.[14]L.M.Qi,J.M.Ma.H.M.Chengetal.Microemulsion-mediatedsynth esisofcalciumhydroxyapatitefinepowders[J].J.Mater.Sci.Lett.,1997,16(21):1779-1781.[15]K.Kandori,N.Horigami,A.Yasukawa,T.Ishikawa.Textureandfo rmationmechanismoffibrouscalciumhydroxyapatiteparticles preparedbydecompositionofcalcium-EDTAchelates[J].J.Am.C eram.Soc.,1997,80(5):1157-1164.[16]J.J.Prieto-Valdes,A.S.Hernandez,R.G.Moralesetal.Formati onofstructureandsurfacemorphologyinhydroxyapatitetypeso fceramicsduringsintering[J].Surf.Rev.Lett.,1997,4(4):67 1-677.[17]M.A.Fanovich,M.S.Castro,Improvementofthemicrostructurea ndmicrohardnessofhydroxyapatiteceramicsbyadditionoflith ium[J].J.M.PortoLopez.Mater.Lett.,1998,33(5-6):269-272.[18]A.Nakahira,K.Shiba,S.Yamaguchi,K.EffectofY2O3onsinterin gandmicrostructureofhydroxyapatite[J].KeyEngineeringMat erials,1999,161-163:177-180.[19]K.A.Gross,V.Gross,C.C.Berndt.Thermalanalysisofamorphous phasesinhydroxyapatitecoating[J].J.Am.Ceram.Soc.,1998,8 1(1):106-112.CALCIUMPHOSPHATEBIOCERAMICSQINXiang-ge, MAChen,MENGXiang-cai(CollegeofMaterialEngineering,JiamusiUnive rsity,Jiamusi154007,China)ABSTRACT:Thecalciumphosphatebioceramics,includingtricalciumphosp hateandhydroxyapatite,possessbetterbiocompatibilityandb ioactivity.Inthispaper,thepreparationandmechanicalprope rtiesofthecalciumphosphatebioceramicmaterialsarereviewe d.Itisconcludedthatsolutiondepositionandsol-gelsynthesi sarepreparativeprocessespreferentiallyusedforcalciumpho sphatefinepowders.Duetotheirlowtoughness,calciumphospha teceramicsneedtobestrengthenedandtoughenedinordertobroa dentheirapplicationareainclinicalpractices.KEYWORDS: calciumphosphatebioceramic;hydroxylapatite;preparationp rocesses;mechanicalpropertie。