羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料分析研究进展

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1、羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料研究进展生物医学工程学杂志1999 年第0期第16卷无机生物材料及有机/无机复合材料组作者：张玉军尹衍升王迎军单位：张玉军尹衍升山东工业大学材料学院，济南250061 )；王迎军华南理工大学材料系，广州510632)关键词：羟基磷灰石；复合材料；生物陶瓷摘要 综述了羟基磷灰石陶瓷及其复合生物陶瓷材料方面的最新进展，并简单探讨了HAP生物陶瓷的发展方向。Advancement of Hydroxyapatite-Based Bioceramic Composites羟基磷灰石 Cao(PO46(OH2, hydroxyapatite ,简称HAR具有极好的生物相容性

2、和生物活性，被认为是最有前途的陶瓷人工齿和人工骨置换材料。然而，纯HAP陶瓷的机械性能比较差，例如，断裂韧性(Kic不超过1.0 MPa-m 1/2,而且，在潮湿的环境中 Weibull因子较低(n=512,作为人工种植体其使用可靠性较差。到目前为止，HAP陶瓷不能用作承载种植体，它在医学上的应用仅限于小的非承载种植体、粉末、涂层和低承载的多孔种植体。为了提高 HAP陶瓷材料的使用可靠性，近十几年来已经进行了许多研究工作。本文 将结合我们的实验工作，简单探讨在该领域的某些研究进展。1 HAP粉末的制备制备HAP粉末有许多方法，主要有湿法和固态反应法e。固态反应法往往给出符合化学计量、结晶完整的

3、产品，但是它们要求相对较高的温度和热处理时间，而且。这种粉末的可烧结性较差。湿法包括：沉淀法 2”、水热合成法 和溶胶-凝胶法15加等。用水热 合法成法获得的 HA阳料一般结晶程度高，Ca/P接近化学计量值。溶胶-凝胶法可以得到无定形、纳M尺寸、Ca/P比接近1.67的HAP粉末。用沉淀法在温度不超过100 c的条件下，可制备纳M尺寸的纤维颗粒粉末 2。就HAP粉末的制备而言，制备工艺已经比较成熟。但是到目前为止在我国还没有形成HAP粉末材料的批量生产能力。2 HAP陶瓷HAP陶瓷的烧结温度一般为 10001200 C,袁建军等人 m的研究说明，1300 c是HAP陶瓷材料的最佳烧成温度。如果

4、烧结温度过高可造成HAP分解和颗粒异常长大，导致强度降低。热压 11 、热等静压烧结可得到具有细晶结构，高密度而且稳定性和机械性能良好的制品。微波烧结”不仅有效地节约时间和能源，而且有利于HA阳料的微观结构和机械强度。致密HAP陶瓷的机械性能取决于 HAP粉末中Cap比值、气孔率和杂质。随着HAP中Ca/P 比的增加，强度提高。在Ca/P=1.67 时，达到最大值；当Ca/P 大于 1.67时，强度突然降低。这是由于当 Ca/P大于1.67时，在烧结过程中容易产生CaQ CaO吸收水分形成Ca(OH并最终形成CaCO,导致材料强度降低，甚至会自破坏。致密纯HAP陶瓷的断裂韧性(Kic在0.81

5、.2 MPam1/2范围内，抗弯强度、抗压强度和拉伸强度分别为38250 MPa、120900 MPa和38300 MPa。数据的离散是由于强度分布、气孔、杂质以及颗粒的尺寸变化引起的。致密HAP陶瓷的Youngs模量（E在35120 GPa的范围内，维氏硬度（HV在3.0 GPa和7.0 GPa之间，在10001100c表现出超塑性 由。多孔HAP陶瓷已广泛用作骨置换材料：13, 14：。由于骨组织可以很好地生长到多孔HAP的孔洞中，从而提高了 HAP#植体的强度。对于多孔陶瓷，其内部连通气孔的孔径在540m时，允许纤维组织长入；孔径为 40100 m时，允许非矿化的骨样组织长入；孔径在15

6、0 pm时，已能为骨组织长入提供理想场所15二但是如此大的气孔会明显降低种植体的强度。因此，多孔 HAP陶瓷只能用于非载重的颌面骨以及填充小骨缺陷等。3 HAP基生物陶瓷复合材料羟基磷灰石材料合成加工研究方面的技术进步，已能制备可控制微观结构和化学组成的致密的以及多孔的 HAP生物陶瓷。但是，由于 HAP的使用可靠性差，使它的应用受到限制。近几年来，许多方法已经用于HAP陶瓷增韧补强，例如，层状结构应、金属间化合物颗粒金属颗粒、纳 M颗粒、晶须、长纤维、部分稳定氧化错增强等等用。表1列出了一些HAP基生物陶瓷复合材料的性能。表1 HAP基陶瓷复合材料的性能材料相对密度抗弯强度Kc相组成工艺参考

7、文献(%(MPa(MPa- m1/2纯HAP-100ZrO299.53101.0-3.0TCP,ZrQ1400 C8HAP/C-85-HAP,CHP 1050C16复合的优点是使HAP材料的韧性和强度提高。不过，在HAP基体中引入第二相往往会导致生物相容性的下降，并有可能加速HAP的分解。一般说来，用生物惰性材料增强的HAPM料的生物活性会比纯 HAPf氐。晶须增强HAP复合材料具有很好的增韧效果，但是许多市售的晶须被认为是潜在的致癌物质。另外，HAP在人体中的浸蚀速度为每年 1530 pm用于增强的晶须可从HAP进入到人体中，容易引起严重的健康问题。总之，尽管通过增韧补强可使HAP材料的机械

8、性能提高，但是由于生物相容性的和生物活性的降低，工艺复杂等原因，在现阶段还未发现HAP基陶瓷复合材料广泛的用途。4 结束语目前，全球植入医用植入体的患者已逾3000万人 18 ，对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大。根据作者所掌握的信息，目前除了喷涂HAP的钛合金外，其余HAP 基生物材料还不能用于承载骨的置换，这对于材料科学是一个挑战。理想的骨置换种植体必须是具有高强度、低弹性模量，具有直径100 m微孔而且使用可靠性高的HAP材料。如上所述，金属、金属间化合物、AI2Q、PSZ SiC、Si 3N和纤维/晶须等都可提高材料的使用可靠性。但是，金属，包括金属纤维、

9、金属间化合物增强的 HAP 陶瓷植入人体后，存在腐蚀，生物惰性和差的生物相容性等原因，而不宜使用。AI2O、ZrO2、SiC和Si 3N增弓虽HAP陶瓷，由于热膨胀失配，在湿环境中降解，HAP分解和生物惰性等原因也难以实际应用。应该说，纤维/ 晶须 HAP 复合材料具有较好的使用可靠性。大家知道，纤维状的材料在人体内容易引发癌症的产生。象Al 2O3、 ZrO2、 SiC 和 Si 3N4都是生物惰性材料，它们在人体中不易溶解，纤维状的惰性陶瓷材料则是影响人体健康的重要因素。值得注意的是，磷酸钙材料显示出极好的生物活性和生物相容性，它们与人骨和齿有着相似的化学组成和矿物组成，而且，其中一些具有

10、可吸收性。在磷酸钙中，HAP是最好的生物相容性和生物活性材料。可以说，纤维状的HAP材料与惰性陶瓷晶须和纤维不同，对人体健康不造成危害。综合考虑材料的生物相容性、生物活性和材料的机械性能，HAP纤维/晶须与HAP的复合材料恐怕是将来硬组织置换种植体最合适的陶瓷材料之一。 参考文献1 刘康时.陶瓷导刊，1993; 3 ： 52 王迎军，朱建业，郑岳华等.中国陶瓷，1994; 4 ： 123高家诚，张亚平，谭继福等.材料工程，1994; 1 ： 184于道成，经幼苹.现代技术陶瓷，1998;增刊：8065 Layrolle P, Ito A, Tateishi T. J Am Ceram Soc,

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