硅灰石增韧多孔羟基磷灰石生物陶瓷的制备工艺及性能研究

【摘要】：生物功能陶瓷是用来构成人体骨骼和牙齿等的某些部位，部分或整体修复、替换人体的某些组织和器官，或增进其功能的陶瓷材料。随着人口的老龄化，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，患者对生物陶瓷材料及其制品的需求越来越大。同时，随着材料科学、生命科学和组织工程技术的发展，人们逐步认识了材料和机体间的相互作用，通过构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动而成为生命组织的一部分。生物功能陶瓷的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。 羟基磷灰石(hydroxyapatite，简写为HAP)是人体硬组织中最主要的无机成分，多孔羟基磷灰石生物陶瓷不仅具有良好的生物相容性，而且能与人体组织形成牢固的骨性结合，促进新骨的生长。当人体硬组织需要修复或替换时，羟基磷灰石多孔陶瓷便成为首选材料。作为移植用的生物材料，患者和材料设计者都非常关心材料性能问题，尤其是作为强度材料时的断裂问题。但是纯羟基磷灰石多孔陶瓷是低强度脆性材料，只能应用于非承重部位，大大限制了其临床应用。因此，研究多孔羟基磷灰石生物陶瓷的断裂和强化增韧问题十分紧迫而且意义重大。 本论文通过沉淀法制备了羟基磷灰石粉体，分别采用磷钼酸喹啉重量法和EDTA容量法分析合成的HAP粉体的Ca、P元素含量从而进行Ca/P比分析，采用X射线粉晶衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(IR)对HAP粉体的物相和形貌进行表征，考察了水浴温度、溶液pH值、分散剂PEG20000用量和反应物初始浓度以及预煅烧过程等影响因素的作用机制，在此基础上优化了制备工艺，合成了烧结性能良好的羟基磷灰石粉体。以此HAP粉体为陶瓷前驱体，添加天然针状硅灰石用作增韧相，以淀粉为造孔剂，聚乙烯醇为粘结剂，制备了多孔复相陶瓷。通过XRD、SEM、IR、光学显微镜和差热分析(DTA)对羟基磷灰石多孔陶瓷与硅灰石／羟基磷灰石复相多孔陶瓷进行显微结构的表征，采用液压式万能试验机、电动抗折仪和显微硬度测试仪测试了多孔陶瓷的抗压强度、抗折强度和显微硬度。通过实验可以得出，优化沉淀法的工艺条件，可以制备烧结性能良好的超细羟基磷灰石粉体。天然针状硅灰石可以有效增韧羟基磷灰石多孔陶瓷。此种材料的应用，不仅有利于扩大羟基磷灰石生物陶瓷的使用范围，而且提升了天然矿物的使用性能和附加值，具有重要的社会价值和经济价值。主要结论为： (1)采用沉淀法合成HAP粉体，影响产物组成、晶体物相和形貌的因素的作用大小依次为水浴合成温度、溶液pH值、Ca(NO_3)_2初始浓度和PEG20000用量。水浴温度越高，碱性范围内pH值越低，反应物初始浓度越大，所制备的HAP粉体纯度越高，结晶越完整，