羟基磷灰石陶瓷人工骨制备工艺与结构和性能的综合研究

摘要

长期以来,制备和开发能修复和再造受损伤的骨组织、满足临床需求的人工骨植入材料,一直是生物医学工程领域的前沿课题。近年来,人工合成的羟基磷灰石因其与人体骨组织成分相似、具有良好的生物相容性和生物活性而受到广泛的重视,成为人工骨领域的研究热点。但目前的研究中对如何制备粒度可控、尺寸和形态接近人体骨和牙釉质中纳米磷灰石结晶的HA粉体以及制备气孔率和孔径可控、内部导通良好的多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨以满足临床多方面的需求,仍未能很好地解决。本文在制备纳米羟基磷灰石粉体及多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨方面进行了有益的尝试,并取得了一定的研究成果。本文的研究内容可以归纳为以下几方面: 1.本文用化学沉淀法合成纳米羟基磷灰石粉体,采用两种不同的反应体系为研究对象:(1)用磷酸氢二铵和四水硝酸钙作反应前驱物,(2)用磷酸和氢氧化钙作反应前驱物合成纳米HA粉体。研究了主要工艺参数对合成的纳米羟基磷灰石粉体的纯度、相结构、粒度和形态的影响规律和影响机理,制备了颗粒尺寸接近人体骨和牙釉质中磷灰石纳米结晶的HA粉体。 2.在Ca(NO<,3>)<,2>/(NH<,4>)<,2>HPO<,4>/H<,2>O体系下合成了纳米羟基磷灰石粉体。实验结果表明,反应的pH值和反应时间是影响合成的粉体纯度的重要参数,pH<10时难以得到高纯度的纳米羟基磷灰石粉体,反应时间不足时得到的产物是缺钙磷灰石；反应温度是影响粒度和形态的主要因素.在25℃-37℃范围内合成了尺寸和形态接近人体骨中磷灰石结晶的纳米羟基磷灰石颗粒,75℃下合成了尺寸和形态接近牙釉质中磷灰石结晶的纳米羟基磷灰石颗粒。常温下合成的纳米羟基磷灰石粉体在700℃下煅烧后可以得到晶态良好、形状接近球形、直径50-55nm的纳米羟基磷灰石颗粒。 3.在Ca(OH)<,2>/H<,3>PO<,4>/H<,2>O体系下了合成纳米羟基磷灰石粉体.实验证明反应前驱物的Ca/P摩尔比是影响合成的纳米羟基磷灰石粉体纯度的重要参数,Ca/P摩尔比低于1.67时合成的粉体是缺钙磷灰石；与上一种体系一样,反应温度也是影响粒度和形态的主要参数.反应温度60℃ 时合成了颗粒尺寸和形态接近牙釉质中磷灰石结晶的纳米羟基磷灰石颗粒。比较发现,两种反应体系下反应温度对纳米羟基磷灰石颗粒的结晶尺寸影响趋势存在一定的差别。 4.空气环境下,化学沉淀法合成纳米羟基磷灰石粉体时极易引入CO<,3><'2->离子。与人体骨的相结构对比分析表明,人体骨磷灰石也含有CO<,3><'2->离子,因而化学沉淀法合成的纳米羟基磷灰石粉体与骨磷灰石的成分接近。 5.用造孔剂法制备了多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨,选用熔点低的硬脂酸球形颗粒作造孔剂,解决了目前常用的有机造孔剂由于热膨胀使多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨内部易产生裂纹的问题,实验结果表明效果很好,硬脂酸颗粒是一种理想的造孔剂。 6.采用一种泡沫浸渍法和凝胶注模成型相结合的新工艺--泡沫浸渍凝胶成型工艺制备了气孔率和孔径可控、内部导通良好、具有开孔三维网状骨架结构的多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨。 该工艺包括以下几个主要步骤: (1)一步法进行粉体合成--浆料制备。用Ca(OH)<,2>和H<,3>PO<,4>合成粉体时得到的白色胶状沉淀直接用于制备陶瓷浆料。 (2) 选用对羟基磷灰石有良好分散作用的聚丙烯酸盐类阴离子型聚电介质作羟基磷灰石陶瓷浆料的分散剂。本文选用聚丙烯酸铵作分散剂,实验证明分散效果良好。 (3) 通过调节二次涂覆次数得到密度可控的坯体,烧结后可以得到气孔率和孔径可控的多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨。 本文选用开孔聚氨酯泡沫作母体,制备了内部导通良好、具有与聚氨酯泡沫母体相似的三维网状骨架结构的多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨,解决了目前多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨制备中存在的气孔率和孔径可控性差、内部孔之间导通性不易保证的问题。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题来源及意义

1.2人体骨的构造

1.2.1骨的成分和功能

1.2.2骨的微观结构

1.3骨修复材料的分类

1.3.1天然骨材料

1.3.2人工骨材料

1.4纳米羟基磷灰石粉体的制备方法

1.4.1化学沉淀法

1.4.2水热反应法

1.4.3溶胶—凝胶法

1.4.4微乳液法

1.5多孔羟基磷灰石陶瓷人工骨的制备方法

1.5.1自然体转化法

1.5.2复型法

1.5.3造孔剂法

1.5.4泡沫浸渍法

1.5.5快速成型技术

1.6纳米HA粉体和多孔HA陶瓷人工骨制备中存在的问题

1.7本文研究目的和主要内容

1.7.1研究目的

1.7.2研究内容

第二章用Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4合成纳米羟基磷灰石粉体

2.1引言

2.2实验原料和设备

2.2.1原材料及设备

2.2.2样品性能测试

2.3制备工艺

2.4结果与分析

2.4.1 pH值对产物纯度的影响

2.4.2反应时间对产物纯度的影响

2.4.3反应物初始浓度对产物纯度的影响

2.4.4反应温度对粒度、形态和相结构的影响

2.4.5洗涤方法对粉体分散状态的影响

2.5 HA粉体的高温热稳定性

2.5.1 TG-DTA结果分析

2.5.2 FT-IR结果分析

2.5.3 XRD结果分析

2.5.4 TEM和SEM结果分析

2.6本章小结

第三章用Ca(OH)2和H3PO4合成纳米羟基磷灰石粉体

3.1引言

3.2制备工艺

3.3结果与分析

3.3.1 Ca/P摩尔比对产物纯度的影响

3.3.2反应温度对粒度、形态和相结构的影响

3.3.3温度影响HA颗粒结晶尺寸的机理

3.3.4热处理对粒度的影响

3.4与人体骨磷灰石相结构的比较

3.4.1 XRD分析结果对比

3.4.2 FT-IR分析结果对比

3.5本章小结

第四章造孔剂法制备多孔HA陶瓷人工骨

4.1引言

4.2制备方法

4.2.1原料

4.2.2 工艺流程

4.2.3烧结过程参数控制

4.2.4气孔率和孔径的测定

4.3结果与分析

4.3.1影响多孔HA陶瓷人工骨气孔率的因素

4.3.2气孔率对多孔HA陶瓷人工骨强度的影响

4.3.3多孔HA陶瓷人工骨的微观结构

4.3.4造孔剂法的改进

4.4本章小结

第五章泡沫浸渍凝胶工艺制备多孔HA陶瓷人工骨

5.1引言

5.2制备方法

5.2.1原料

5.2.2工艺流程

5.3结果与分析

5.3.1浆料的流变学特性

5.3.2泡沫浸渍凝胶成型多孔HA陶瓷坯体

5.3.3坯体的干燥与烧成

5.3.4影响涂覆质量的因素

5.3.5多孔HA陶瓷人工骨的微观结构

5.3.6气孔率对多孔HA陶瓷人工骨强度的影响

5.4本章小节

第六章全文总结与展望

6.1本文工作总结

6.2本文的主要贡献和创新点

6.3研究工作展望

参考文献

致谢

攻读博士期间完成的论文