可生物降解磷酸钙及复合材料的制备及性能研究

【摘要】：磷酸钙由于其在化学组成和生物性能上与骨骼无机相具有相似性而广泛地应用作骨 组织替代材料。目前对磷酸钙的研究热点之一是其可生物降解性的应用,比如骨组织工程 支架材料、控释载体等。在不同的应用用途和植入环境等对磷酸钙材料的生物降解速率要 求不同,而目前已有磷酸钙材料的生物降解速率可调节程度很小。因此,研究和开发出生 物降解速率可调节的磷酸钙材料已成为当前生物材料界一个具有挑战性的课题。 在磷酸钙材料中,羟基磷灰石(HA)与骨组织的无机相晶相组成相同,与人体组织有良 好的生物相容性,与骨组织可发生直接的化学键合(即生物活性),但完全化学计量比的HA 几乎无生物降解能力。磷酸三钙(TCP)与正常骨组织的钙磷比很接近,具有较好的生物相 容性,与骨结合性好,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 可以发生生物降解,植入体内可以被生物吸收,并且α-TCP的溶解速率大于β-TCP。要使 磷酸钙具有生物降解能力可调性,将上述几种材料复合成双相磷酸钙是一种有效途径。按 生物环境下磷酸钙实际降解过程的要求,不同晶相的晶粒应形成一个纳米结构化的团簇 (即在几百纳米范围内各相均匀分布的纳米晶粒团聚体),这样才能有效地发挥出复相调 节生物降解速率的效能。 因此,本论文采用将不同生物降解速率的磷酸钙形成纳米结构化复相材料以及与单 相磷酸钙相结合的研究思路,来实现磷酸钙材料的生物降解速率在一定范围内、连续调节 的目的。通过形成Ca/P比可控的无定形磷酸钙先驱体,经动力学上控制(如热处理)的技 术路线,制备出所需单相磷酸钙和纳米结构化复相磷酸钙材料。在此基础上,本文对无定 形磷酸钙,单相磷酸钙,纳米结构化复相磷酸钙材料的形成机理、表面改性、生物降解特 性、与聚乳酸复合形成致密和多孔材料等方面进行了系统的研究。本论文在下列方面开展 了研究: 1. 无定形磷酸钙制备及其形成机理研究 通过合成聚合物的加入和沉淀反应的低温进行,对反应体系实施动力学因素的控制, 成功地合成出Ca/P比可控的无定形磷酸钙。 浙江大学博士学位论文 实验结果表明合成聚合物的种类、聚合物的添加量、反应前的Calp比、反应PH值、 反应物种类以及添加碳酸根等都会对无定形磷酸钙形成产生影响。 合成无定形磷酸钙的最佳条件是为初始反应PH值为10、添加聚合物为分子量为 llxM均的PEG(聚乙二醇),添加量为PEG:caz+为1:1;在PH大于7以上都可以获得ACpO 无定形磷酸钙颗粒的尺度为40阳1(X him。 通过改变反应PH值可以使ACp的C别,比在1.34-1.50之间调节;添加碳酸根可以 使ACP的C剑甲比在1.5卜1.67之间调节。 ACP的形成机理研究表明:聚合物先和钙离子发生络合作用形成聚合物一钙离子络合 物,然后再与磷酸根发生沉淀反应生成无定形磷酸钙;这样,一部分聚合物替代无定形磷 酸钙团簇之间结合水的聚合物,可以有效地阻碍C匆(I’O4)‘或C却叼(Po咖(C伪入团簇中原 子的自我排列和离子的迁移、交换,也就是阻碍了磷灰石晶核的形成;一部分聚合物吸附 在无定形磷酸钙颗粒周围、一定程度上影响无定形磷酸钙的溶解;因此,有效地阻碍了ACP 在水溶液中向磷灰石的转变。在较低PH值的环境下,部分叩护一发生质子化(形成了HPo扩), 降低了AcP的C日,比,形成了具有[c呼五”任于o为田O4为一伽l班峨幻.阅[I2o)结构、低C砰 比的ACP。添加的碳酸根体系中,碳酸根进入了无定形磷酸钙的结构形成了具有 【Ca(9以po月沁(C伪舔·咖l卿哟械H20),结构的、高C别甲比的CACp,碳酸根起到调节C砰 比的作用。 本文的ACP制备技术显示出方便而有效,这种方法是首次报道。 2.单相磷酸钙和纳米结构化复相材料的制备及其形成机理研究 论文依据微晶玻璃的形成原理,以不同C田甲比的无定形磷酸钙为先驱体,经过动力学 上的控制形成单相或复相磷酸钙;利用无定形磷酸钙初次颗粒具有40~10(沁m的特点,保 证能形成具有均匀调控性能的、纳米结构化的复相磷酸钙颗粒。 将Ca/P比为1 .5的ACP经800℃、3小时热处理后可获得a一CP单相粉末,颗粒尺寸 为20(Inm;经90(】℃、3小时热处理后可获得p一TCP单相粉末,颗粒尺寸为300nm。将C砰 比为1.5的AcP在800~90()℃范围内3小时热处理后,可形成a/p~TCp双相粉末,其p一cP 相含量随温度升高从O%至100%任意可调。 将由碳酸根加入引起Ca/P比不同的ACP在800℃、3小时热处理法后可获得两相含量 浙江大学博士学位论文 不同的a.TCD”A复相粉末。当碳酸根加入量l smol%(碳酸根相对于磷酸根的摩尔比),只 能形成a.TCP单相粉末,其颗粒尺寸为200nm;当碳酸根加入量场0 mol%,只能形成HA 单相粉末,其颗粒尺寸为100nm以下;当碳酸根加入量15 m01%~60欢101%范围内,其 1」A相含量随碳酸根加入量升高从0%至100%任意可调。 利用密度法及结合TEM等分析手段,证实了本工作中制得的亩p.TCp和a.TCp川叭复 相粉末具有纳米结构化复相团簇结构,也是首次对这种独特复相结构的报道。 纳米结构化复相团簇结构形成的机理为alp一cP相复相磷酸钙粉末为ACP的热处理晶 化过程不同晶相转变而形成;a.TCP川[A复相磷酸钙粉末为CACP在热处理时发生相转变 和相间的反应而形成。 由ACp作为先驱?