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磷酸钙生物活性陶瓷粉末的冲击波合成及活化改性研究

廖其龙  
【摘要】: 羟基磷灰石和磷酸三钙等磷酸钙类生物材料与脊椎动物骨和齿的主要无机成分十分相近,具有良好的生物相容性,植入骨组织后能在界面上与骨形成很强的化学键合,各国学者均给予广泛关注,是临床医生喜用的医用材料。目前,医用的磷酸钙粉末是用分析纯化学原料人工合成的,其主要制备方法有在高温下反应的干式方法与在溶液中进行沉淀反应的湿式方法。传统的磷酸钙粉末制备方法均很难得到力学性能好的磷酸钙陶瓷,这就限制了磷酸钙陶瓷材料作为承重骨的应用。因而有必要寻求一些合成及改性的新方法。 冲击波技术作为材料制备、活化、改性等的研究手段,正日益受到人们的重视,它具有能产生高压、高温及作用时间短等特点,在材料研究中占有独特的地位。凝聚态物质经冲击波作用后,位错密度大大增加,表面能明显提高,化学活性增加,可显著改善粉体的烧结性能及反应活性。在冲击波作用下固体粉末混合物间相互碰撞、挤压、摩擦和穿透,能使晶粒粒度减小,分布均匀,达到细化与均化的目的。同时,在冲击波的作用下,固体颗粒发生高速运动,使其扩散速度是一般条件下固相反应中扩散速度的几倍,大大提高了反应速度,是一种合成超细粉末材料的新方法。因此,本研究提出了用冲击波技术合成磷酸钙陶瓷粉末及对磷酸钙粉末活化改性这一新的研究课题,以制备力学性能优良的磷酸钙人工骨材料。经查新表明在国内外的相关文献中关于这一领域的研究还未见报道,本研究将填补这方面的空白,具有较大的科学价值和实际意义。 本研究用冲击波方法处理CaCO_3与CaHPO_4·2H2O的混合物制备出了羟基磷灰石粉末。冲击波实验装置采用接触爆轰柱面装置,使用硝基甲烷液体炸药时,其炸药厚度应在20mm厚左右,既能顺利引爆又能保证样品的完整回收,所产生的初始入射压力约为16GPa,这种装置比现有用冲击波技术制备磷酸钙块状材料专利所用装置更简单、处理样品的量更多。与传统固相反应法相比较,冲击波合成的HA粉末有与之相似的晶体结构和组成,而且其粒度更细,分布 更均匀,内部存在着大量的晶格畸变,有更高的活性。X射线衍射数据分析表 明,用冲击波方法合成的HA粉末,其布拉格角队宽化度刀及晶面间距d三个 参数均与动物骨的参数更为接近,作为骨修复和替换材料应用更为有利。用冲 击波方法合成的HA粉末为含cO32一离子的碳酸盐轻基磷灰石,其钙磷含量的比 值为1.65,与人骨的结构、组成相似,植入人体后更有利于促进骨的生长和骨 性结合。作者认为冲击波合成方法是制备HA粉末的一种有效的新方法。所制 备的HA粉末与焙烧方法获得的HA粉末相比,在粒度分布、表面活性以及结 构参数等方面具有更有利的优势。但是,冲击波方法合成HA粉末的具体反应 机理、合适的反应条件以及反应条件与HA粉末的性能间的关系还可以作进一 步的深入研究。 在用冲击波技术来对湿化学法合成的HA团聚体粉末进行改性的研究中, 对冲击波处理的HA团聚体粉末的显微特性及由此得到的HA陶瓷的烧结特性 进行了研究,得出了以下结论:经冲击波处理后的HA团聚体粉末的晶相组成 没有改变,但晶粒粒度明显减小,且颗粒大小的分布更均匀,表明冲击波对HA 团聚体粉末具有细化与均化的作用;经冲击波处理后的HA粉末与未经冲击波 处理的HA粉末相比,其微观结构数据更接近动物骨的数据,在临床医学上的 应用将更为有利;经冲击波处理后的HA粉末存在一定程度的晶格畸变,其平 均晶格畸变量为4.87 x 10一3,此时粉体内储存的额外缺陷能约2.23J/g,该能量 与粉体固有的比表面能具有相同的数量级,可促进HA陶瓷的烧结;通过烧结 动力学的研究,证明经过冲击波处理后,轻基磷灰石粉末在烧结过程中有较高 的活性,烧结的活化能较低,使冲击试样比未冲击试样达到最大线收缩率时的 温度降低70℃,HA陶瓷的强度明显提高,抗压强度和抗弯强度可达948 .2MPa 和1 98.7MPa,而未经冲击波处理的试样对应的数值为670.4MPa和137.4MPa, 可获得强度更高的HA人工骨材料;HA陶瓷的体外溶解实验表明,经过冲击 波处理的HA粉末烧结得到的陶瓷试样与未经冲击处理的试样相比,在模拟体 液(S BF)中浸泡后的失重率及溶解的c扩十离子更少,且能更快地趋于稳定,其溶 解性相对较弱,性能更加稳定,SBF的PH值下降不大,对材料植入人体后产 生的酸性环境得到了改善。 本文研究了纳米轻基磷灰石的水热合成方法及用冲击波技术来处理水热合 成HA粉末后的显微结构及晶相组成的变化。研究中采用CaCO3和 caHPO,.2 HZO的混合物为前驱物,通过水热合成得到了晶粒尺寸和组分与人骨 相似的HA纳米晶体。通过XRD、SEM及FTIR方法对合成的粉末进行分析, 得出了如下的结论:前驱物C砰=l .2时,水热产物主要为CaZPZO7,仅有少量 HA。当前驱物C砰为1.67和2.0时,水热产物均为HA。当前驱物钙磷比C留P 为1.67时,晶轴方向的尺寸约85nln,端面尺寸约60nln,且有少量结构碳酸根 进入磷灰石晶体结构。而当前驱物钙磷比C留P增加到2.0时,进入磷灰石结构 的co32一量增加,引起磷灰石晶格畸变,阻碍了晶体的发育,所得HA晶粒尺寸


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