氟金云母/氟磷灰石玻璃陶瓷的制备及性能研究

【摘要】： 针对当前生物材料研究的现状和前景，作者旨在研制具有良好发展前景的可用于口腔科和骨科的硬组织修复材料。制备了氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料；通过X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜分析／能谱分析(SEM／EDAX)、差热分析(DTA)、傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)、X光分析(X-Ray)等分析测试手段对玻璃陶瓷材料进行了研究。论述了氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料的力学性能与物相组成及微观结构之间的关系；讨论了玻璃陶瓷材料中可能存在的增韧机理；讨论了针状氟磷灰石晶体的生长机理和析晶动力学；对玻璃陶瓷材料进行了生物活性和生物相容性研究。得到如下主要结论： (1)采用熔铸法、两步法热处理制度制备出了主晶相为钙氟金云母和氟磷灰石相的玻璃陶瓷材料，该材料中的氟磷灰石晶体呈针状，与人体骨中磷灰石的针状形貌相似，提高了材料的生物活性和生物相容性；而层片状的钙氟金云母使得材料具有良好的可切削性，便于临床医生根据个体骨缺损情况的差异，加工成各种符合要求的形状。 (2)随着玻璃原料中的氟磷灰石成分含量的增多，氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料的力学性能都是逐渐增加的。当氟磷灰石成分含量增加到50％时，材料的力学性能达到最高值。材料的力学性能与目前的生物材料45S5Bioglass~(?)玻璃、HA和Bioverit~(?)玻璃陶瓷比较，具有较好优势，并符合人体密质骨的性能要求范围。 (3)氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料的增韧机理主要包括以下两种：即残余应力增韧和晶须拔出效应增韧。针状氟磷灰石晶体的长径比可达10以上，对玻璃陶瓷材料起到了很好的增韧作用。 (4)氟磷灰石晶体的c(o001)面上的生长基元呈环状分布，从而使晶体以螺旋位错生长机制长大。针状的氟磷灰石晶体尖端为圆锥形的凸台状，这就是螺旋位错生长机制中没有穷尽的台阶源。产生这种螺旋位错的原因可概括为以下两方面：一是晶体内部的热应力场；二是晶核与玻璃基体间的界面失配。 (5)氟磷灰石晶体生长指数n≈2，晶体生长维数m=1，玻璃为整体析晶机制，氟磷灰石晶体呈一维针状生长，晶体生长过程受界面反应控制。随着原料中氟磷灰石成分含量的增多，使得玻璃的析晶活化能降低，氟磷灰石晶体更容易从玻璃中析出。 (6)动物实验观察表明，动物术后饮食、精神状况正常，无中毒、溶血等现象，无过敏反应。术区无红肿、出血等不良反应，切口Ⅰ期愈合。初步显示氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料具有良好的生物相容性。 (7)模拟体液浸泡实验和动物植入实验表明，氟金云母／氟磷灰石玻璃陶瓷材料具有优异的生物活性。