溶胶-凝胶法制备含氟羟基磷灰石生物涂层的特点及研究进展

・３６４・　材料导报　２００６年５月第２０卷专辑Ⅵ　

溶胶一凝胶法制备含氟羟基磷灰石生物涂层的特点及研究进展　

张玲，王芬　

（陕西科技大学材料科学与工程学院，咸阳７１２０８１）　

摘要　含氟羟基磷灰石（ＦＨＡ，Ｃａ１。（Ｐ０４）６（ＯＨ２一　Ｆｘ），０＜ｘ＜２）涂层由于比羟基磷灰石（Ｃａｌｏ（　）６一　

（０Ｈ）　，ＨＡ）涂层的溶解度低、热膨胀系数小且生物活性好在临床医学中有着更加广泛的应用前景。介绍了ＦＨＡ的　

结构特点、ＦＨＡ涂层的制备工艺，并重点陈述了溶胶一凝胶技术在制备ＦＨＡ涂层中的应用。最后在综述国内外研究　

进展的基础上，提出了目前研究中存在的不足，并展望了ＦＨＡ涂层今后的研究和发展趋势。　

关键词　Ｓｏｌ—ｇｅｌ含氟羟基磷灰石（ＦＨＡ）生物涂层研究进展　

Ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｎ　Ｆｌｕｏｒ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ　Ｂｉｏｃｏａｔｉｎｇ　

Ｄｅｒｉｖｅｄ　Ｆｒｏｍ　Ｓｏｌ－ｇｅｌ　

ＺＨＡＮＧ　Ｌｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｆｅｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ￣Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｙａｎｇ　７１２０８１）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｆｌｕｏｒ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ（ＦＨＡ，Ｃａｚｏ（Ｐ０４）６（０Ｈ２一　Ｆｘ），０＜Ｘ＜２）ｃｏａｔｉｎｇ　ｈａｓ　ａ　ｍｏｒｅ　ｐｒｏｍｉｓｉｎｇ　ａｐ—　

ｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ，ｓｍａｌｌｅｒ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｅｘｐａｎｓｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ｂｉｏａｃｔｉｖｉｔｙ　ｔｈａｎ　ｈｙｄｒｏｘｙａｐａ—　ｒｉｔｅ（Ｃａ１ｏ（Ｐ０４）６（０Ｈ）２，ＨＡ）ｃｏａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＦＨＡ，ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ＦＨＡ　ｃｏａｔｉｎｇ　

ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌ—ｇｅｌ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｐｒｅｐａｒｉｎｇ　ＦＨＡ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｅｍｐｈａｓｉｚｅｄ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　

ｏｆ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｔ　ｈｏｍｅ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ．ｔｈｅ　ｄｅｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｉｎ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＦＨＡ　ｃｏａｔｉｎｇ　ａｒｅ　

ｓｔａｔｅｄ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｓｏｌ—ｇｅｌ，ｆｌｕｏｒ－ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ（ＦＨＡ），ｂｉｏｅｏａｔｉｎｇ，ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　

０引言　

羟基磷灰石由于其良好的生物活性和骨诱导性被广泛用作　

金属植入材料的活性涂层。但在ｌ临床应用中发现，羟基磷灰石　在人体中的降解速度较快，导致涂层的剥落，以致种植体在人体　

内快速失效。部分氟离子（Ｆ＿）取代羟基（ＯＨ一）可以改善磷灰　

石涂层的溶解性，从而显著提高涂层在生理液中的稳定性，促进　

骨细胞增殖，提高磷酸钙在成骨过程中的生物矿化和骨组织中　磷灰石晶体的形成。ＦＨＡ生物涂层可以改善金属植入体ｌ临床　

应用中现存的不足，具有广阔的应用前景，因而成为近年来生物　

材料领域中的研究热点。　

制备ＦＨＡ涂层的方法有等离子喷涂［１　］、电子束沉积［３］、　

离子束溅射法［　］、脉冲激光沉积［　ｑ］、Ｓｏｌ—ｇｅｌ［９￣１４］技术。Ｓｏｌ—　

ｇｅｌ与其它方法相比，能容易的引入各种金属元素，在低温下就　

能获得化学成分均一、晶粒细小、性质稳定的ＦＨＡ涂层，是当　

前用于制备ＦＨＡ涂层较为理想的制备技术。　

１　ＦＨＡ及其涂层的结构特点　

人骨中的无机成分并不是一种纯的羟基磷灰石，而是由氟　离子、碳酸根离子部分取代羟基和钠、镁等金属离子部分取代钙　

离子形成的固溶体。ＦＨＡ是磷灰石同型异构体中的一种，它与　羟基磷灰石的不同之处在于氟部分或全部取代了羟基在沿平行　

于Ｃ轴方向排列的位置，磷灰石原子结构中原子投影在Ｃ轴上　

的示意图如图１所示。　

Ｏ　ＣａＩ　Ｏ　ＣａｌＩ　

Ｏ　ＯＨ／Ｆ　

●Ｐ　

图１　沿Ｃ轴投影的羟基磷灰石结构平面图　

Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｌａｎ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｘｙａｐａｔｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　Ｃ　ａｘｉｓ　

由于Ｆ＿比０Ｈ一小，使得ＦＡ的晶格常数比ＨＡ小，ＦＡ的　

晶格常数为：ａ一９．３６８４Ａ，Ｃ一６．８８４１Ａ；而ＨＡ的为：ａ一　

９．４１８Ａ，ｃ＝６．８８４Ａ，因而晶体结构更加致密，溶解度降低［　］。　

ＦＡ与ＨＡ能形成全范围的固溶体形成ＦＨＡ［　］，因此通过Ｆ＿　

取代ＯＨ一，在保持ＨＡ部分生物活性的同时［”　，可以减小　

ＨＡ涂层的溶解度，提高它的稳定性，改进ＨＡ涂层长期稳定性　

较差的问题。　另外，研究表明［１５］：由于Ｆ＿取代ＯＨ一，ＦＡ的热膨胀系数　

（９．Ｉ×１０　Ｋ　）比ＨＡ（１５×１０　Ｋ　）的要小，使得ＦＨＡ的　

＊国家自然科学基金资助（５０３７２０３７）　

张玲：女，１９８２年生，硕士　王芬：通讯联系人，教授Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｆ（￣ｓｕｓｔ．ｅｄｔＬ　

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热膨胀系数将会与金属基体更为匹配（如Ｔｉ　９．０×１０　Ｋ　）。　将ＦＨＡ作为金属植入体的活性涂层可使涂层与基体之间在制　

备过程中产生的残余应力减小，涂层开裂和剥落的程度也会明　

显减少。同时，附着强度也会得到提高，可在临床应用中延长植　

入体的使用寿命。　

除此之外，ｒ对生物矿化过程有十分重要的作用，少量ｒ　的存在有利于骨组织中磷灰石晶体的形成，能够更好的诱导类　

骨质矿物在涂层表面沉积，增加植入体和生物体组织的结合。　

２　Ｓｏｌ－ｇｅｌ制备ＦＨＡ涂层技术及其影响因素　

溶胶一凝胶法的基本原理是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，经过干燥　或脱水转化成凝胶，再经过热处理得到所需要的超细粉体、纤维　或薄膜的化学方法。　

２．１　Ｓｏｌ－ｇｅｌ制备ＦＨＡ涂层技术　

Ｓｏｌ－ｇｅｌ制备ＦＨＡ涂层按其合成机制可分为无机路线和有　机路线＿２０］。氟引入剂主要有氟化铵（ＮＨ　Ｆ）、六氟磷酸（ＨＰＦ６）　

和三氟醋酸（ＴＦＡ）。　

（１）无机路线　

无机路线制备ＦＨＡ涂层通常采用Ｃａ（Ｎ０３）２一（ＮＩ－ｈ）　

Ｈ２ＰＯ　—ＮＨ　Ｆ体系。将四水硝酸钙（Ｃａ（ＮＯ　）２・４Ｈ２０）和磷　

酸二氢铵（（ＮＨ　）Ｈ。Ｐ０４）溶于蒸馏水中分别作为钙和磷的前驱　液，按照ＦＨＡ的化学计量比将氟引入剂加入磷前驱体液中，然　

后将Ｃａ前驱液缓慢滴加到Ｐ前驱液中并控制Ｃａ／Ｐ摩尔比在　

１．６７，并用一定浓度的氨水调节混合溶液的ｐＨ值。　

（２）有机路线　

一般采用四水硝酸钙和亚磷酸三乙酯（或五氧化二磷　（Ｐｚ　０５）、磷酸三乙酯（ＴＥＰ））分别作为Ｃａ和Ｐ的前驱体。有机　

路线常采用的体系有：Ｃａ（Ｎ０３）２一Ｐ２　０５一ＨＰＦ６一乙醇体系；　

Ｃａ（ＮＣｈ）ｚ－亚磷酸三乙酯一ＨＰＦ６一乙醇体系，Ｃａ（Ｎ０３）ｚ－Ｐ２　０５一　

ＴＦＡ－乙醇体系，Ｃａ（ＮＯ　）２一亚磷酸三乙酯一ＴＦＡ－乙醇体系。由　于ＴＥＰ的反应活性比亚磷酸三乙酯低很多，水解速度很慢，故　

不适于用作Ｐ的前驱体。有机路线制备ＦＨＡ至少需要２４ｈ的　

陈化时间使得前驱体溶液能够充分水解。　通过以上两种路线获得的溶胶经陈化后，采用浸渍提拉法　

或旋转涂覆法在金属基体上反复镀膜，且每一次镀膜都须在一　定温度下干燥和热处理。最后需在约６ｏｏ￣Ｃ的温度下热处理使　

得非晶态物质转变为磷灰石晶体。　

２．２影响因素　

ＦＨＡ的晶体结构、形貌、晶格参数和涂层的热性能及溶解　

性主要受到Ｓｏｌ—ｇｅｌ过程中Ｆ含量、引氟机制及ｐＨ值等因素的　

影响。　（１）氟含量　

ＨＡ通过ｒ取代０Ｈ一，能形成全范围的ＦＨＡ固溶体。随　

着ｒ的增加，ＦＨＡ的晶格参数、热膨胀系数和溶解度都随之减　小。同时晶化温度也随ｒ的增加而降低Ｅ　；而且当热处理温度　

高于８ＯＯ￣Ｃ时在ＦＨＡ中产生的不稳定相磷酸三钙（ＴＣＰ）也逐　

渐减少，因而ＦＨＡ的稳定性增强。增加ｒ的取代，ＦＨＡ的结　晶度增加，晶体尺寸减少Ｅ　，晶格参数经热处理后也各异，例　如，随着ｒ的增加，ａ轴逐渐减小，而ｃ轴上变化不明显。　

（２）引氟机制　不同的氟引入机制将会形成不同结构的ＦＨＡ。一步引氟　机制由于引氟顺序的不同可能会形成两种具有双层结构的　

ＦＨＡ：一种是外层为ＨＡ包裹的ＦＨＡ，表述为Ｆ＿ＨＡ；另一种是　

外层为ＦＡ包裹的ＦＨＡ，表述为Ｈ－ＦＡ。两种不同结构的ＦＨＡ　的溶解度和生物活性有所不同。前者由于外层为ＨＡ，其溶解　

度较大，生物活性较高，随着ＨＡ的溶解，溶解度慢慢趋于稳　定，生物活性有所降低，而后者则完全相反。多步引氟Ｅ拢　通过　控制引氟顺序和每一步的引氟量，可以形成具有梯度结构的　

ＦＨＡ（Ｍｕｌｔｉ－ＦＨＡ）晶体。Ｍｕｌｔ　ＦＨＡ的晶体形貌和溶解性都　同Ｈ—ＦＡ相似，都具有以ＨＡ为晶核外层包裹ＦＡ的结构。　ＭｕｌｔｂＦＨＡ具有与ＨＡ相似的斜六方结构，且各层间没有明显　

的间距，而双层结构的ＦＨＡ在不同相之间有明显的间距。　

（３）ＰＨ值的影响　

在Ｓｏｌ－ｇｅｌ技术中，通常加入酸或碱催化剂来延迟或加速凝　

胶化（缩聚）过程。碱催化剂通常认为会促进金属水解形成金属　氢氧化物，从而加速凝胶化进程。Ｐ前驱液的水解形成Ｐ＿０Ｈ、　钙源的引入和形成［一Ｃａ－（）－Ｐ＿］链状结构是形成ＦＨＡ结构所必　

须的，但Ｐ的水解反应形成Ｐ－ＯＨ需要在２４ｈ剧烈搅拌下才能　

完成，故形成［一ｃａ　（）－Ｐ＿］链状结构是决定反应速率关键的一步。　

因此，氨水通常用来调节Ｃａ－Ｐ混合液体的ｐＨ值，促使　［一Ｃａ－（）－Ｐ＿］链的形成。研究表明Ｅ“］：随着氨水加入量的增加，缩　

聚反应和凝胶化加快，凝胶时间缩短；但是如果氨水过量，将导　致反应剧烈，在溶液中形成沉淀。通常在制备ＦＨＡ溶胶时，氨　

水的加入量应控制在￣５ｖｏｌ　以获得透明溶胶，但在实际中，还　

应综合考虑前驱液浓度、反应物配比及反应温度等的影响。　除上述因素外，前驱液浓度、水解时间、陈化时间和温度、热　处理制度等对最终形成的ＦＨＡ涂层的结构和性质也有很大影　

响，其影响与Ｓｏｌ－ｇｅｌ制备其他涂层类似，在此不一一赘述。　

３研究进展　

翁文剑等＿ｌ　］分别采用Ｃａ（ＮＯ　）ｚ－Ｐ２　０５一ＴＦＡ＿乙醇体系　

和Ｃａ（Ｎ０３）ｚ－Ｐｚ０５一ＨＰＦ６一乙醇体系分别在钛基体上制备了一　

定含氟量的ＦＨＡ涂层，并研究了该涂层的溶解性和生物活性，　

表明ＦＨＡ涂层比ＨＡ具有更小的溶解度和热膨胀系数，但是　其生物活性有所降低，特别是含氟量较高时。同时作为氟引入　

剂的ＴＦＡ沸点很低，容易挥发，导致氟引入效率不高，并且价格　

也比较昂贵，而ＨＰＦ６主要是价格比较昂贵。此外，其采用的溶　胶体系都需要经过漫长的回流处理，使得成本高，合成效率低。　Ｋｈｎ［”．１‘］等采用Ｃａ（Ｎ０３）ｚ－ＴＥＰ－ＮＩ－ｈＦ－乙醇体系在氧化