生物陶瓷类材料

一、羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）的制备方法

HA粉体的合成方法有：溶液法、水热法、固相反应法、醇盐法和熔解法。为了合成纯的HA，必须严格控制反应时的pH值、温度等。合成的HA经高温烧结即得到HA陶瓷（致密、多孔），常用的烧结方法有常规烧结、热压烧结、热等静压和冷等静压烧结。

（一）HA粉体的合成

1．溶液法（solution　method）　溶液法又称湿法或溶胶－凝胶法一种是酸碱溶液的中和反应，另一种是Ca2＋盐溶液或溶胶与PO3－4盐溶液或溶胶的反应，用稀氨溶液调解pH值为8～14，生成的HA或HA凝胶经24h老化→洗涤→干燥，制得HA粉。

（1）6H3PO4＋10Ca（OH）2＝Ca10（PO4）6（OH）2＋18H2O

（2）10CaCl2＋6Na2HPO4＋2H2O＝Ca10（PO4）6（OH）2＋12NaCl＋8HCl

10Ca（NO3）2＋6（NH4）2HPO4＋2H2O＝Ca10（PO4）6（OH）2＋12NH4NO3＋8HNO3

在（1）反应中，将1　000ml　10．3M的H3PO4溶液缓慢滴入1　000ml　10．5M的Ca（OH）2悬浮液中，不断搅拌，温度控制在60℃，最终pH达9，反应时间7h，生成物沉淀于60℃真空干燥24h，即得HA粉末。

该方法在常温常压下进行，通过控制Ca／P比1．67，可合成出纯度高、比表面积大、具纳米尺寸（＜100nm）的无定型HA。

2．水热法（hydrothermal　methods）　又名热液法，是指在密封压力容器中，以水溶液作反应介质，通过对反应容器加热，创造高温、高压反应环境，研究制备材料的一种方法。水热法适合制备完整的HA单晶。

如将CaCO3［或Ca（OH）2］与Ca3（PO4）2混合物在高温和不断通入水蒸气下煅烧制HA，化学反应为：

CaCO3［Ca（OH）2］＝CaO＋CO2（H2O）

CaO＋3Ca3（PO4）2＋H2O＝Ca10（PO4）6（OH）2

也可以以硝酸钙Ca（NO3）2与磷酸铵（NH4）3PO4为原料，利用水热法制备针状HA。生成羟基磷灰石的离子反应方程式如下：

5Ca2＋＋3PO3－4＋NH3·H2O＝Ca5（PO4）3 OH＋NH＋4

3．固相反应法（solid　phase　reaction methods）　也叫干法，这种方法合成的HA很纯，结晶性好，晶格常数不随温度变化。目前的合成路线有：Ca3（PO4）2＋Ca4P2O9；CaCO3＋Ca4P2O9；Ca3（PO4）2＋CaO；CaHPO4＋CaCO3。反应条件均＞1　200℃，采用水蒸气，得到晶格缺陷较多，结晶程度高的HA。

（二）HA陶瓷的制备

以HA粉料为原料，经高温烧结即得到HA陶瓷。原料若是固相反应而得，粒径大，原料粉需要较长时间磨混，其过程易被污染；湿法易合成出组成均匀、粒度细小的粉末。起始粉末在烧结前一般需预先压制成型，也可烧结时同时加压，但热压技术成本较高，其性能与常规方法得到的产品差别不大，固使用较少。

制备多孔HA的方法很多，如直接在烧结体上钻孔，是最简单易行的获得大孔洞的方法；在起始粉浆中掺入适当大小的有机物颗粒，或者将粉浆灌入有机物的海面体内制成预制件，然后高温烧结，让有机物挥发，在烧成陶瓷上留下均匀贯通的孔隙；另外，在起始粉浆中加入过氧化氢溶液作发泡剂，利用过氧化氢溶液在一定温度下挥发的性质，制成多孔陶瓷；最后一种是将珊瑚或者动物骨骼经高温高压水热反应或高温烧结直接变成多孔块状磷酸钙陶瓷，通过水热交换处理得到的珊瑚羟基磷灰石既具有羟基磷灰石良好的生物相容性，又保持了珊瑚的原始孔隙结构。

例：质量分数60%的HA粉体与15%聚1，2－亚乙基亚胺水溶液混合成糊状，再加入发泡剂聚氧化乙烯十二醇醚，搅拌成泡沫状，孔隙率由搅拌时间调控。再添加水溶性多官能基环氧化物，使气孔结构固定，于1　200℃烧结，得到的多孔HA孔隙率75%、平均孔径150μm，贯穿孔直径30～50μm以上。

热压烧结通常用于致密陶瓷材料的烧结，相对于常温烧结所需要的温度低一些，在1　100～1　250℃范围内。

二、β－磷酸三钙

磷酸三钙（β－TCP）是可吸收性生物陶瓷材料，它的结构可分为高温型α相（即αTCP）和低温相（低于1　180℃）的β－TCP。α相和β－相的转变温度为1　120～1　180℃。

（一）磷酸三钙（β－TCP）粉体的合成方法

与HA相似，β－TCP的合成方法有固相反应法（干法）和溶液法（湿法）。

1．固相反应法　以摩尔比2∶1将CaHPO4·2H2O和CaCO3混合，900℃左右保温2h，自然冷却。反应方程式如下：

2CaHPO4·2H2O＋CaCO3＝Ca3（PO4）2＋5H2O↑＋CO2↑

2．溶液法　按一定的Ca／P比将Ca（NO3）2和（NH4）2HPO4混合，用稀氨溶液调解pH值在11～12，反应12h，经过虑、洗涤、干燥，然后经高温（700～1　100℃）得到β－TCP。合成反应如下：

3Ca（NO3）2＋2（NH4）2HPO4＋2NH4OH＝Ca3（PO4）2＋6NH4NO3＋2H2O

（二）多孔β－TCP陶瓷的制备

将合成的β－TCP粉末与高温黏结剂按一定比例混合、磨细、加入成孔剂（石蜡、萘等）成型，在900℃左右烧结即得到β－TCP多孔陶瓷。烧结温度和黏结剂含量是影响多孔陶瓷材料性能的主要因素，当温度大于1　300℃时，材料开始发生熔化，温度越高，陶瓷材料收缩明显，密度和强度增加，但孔径和孔隙率减少。800～1　000℃是制备β－TCP陶瓷合适的温度范围。

与HA相比，β－TCP在水中有较大的溶解度，随着其烧结温度的降低，β－TCP的结晶形态为半晶，这种结晶不完全的β－TCP降解性能较好。

三、HA／β－TCP双相陶瓷（BCP）

Ca／P比决定磷酸钙材料的溶解度及在体内的吸收性，HA在体内比较稳定，但吸收慢，将较稳定的HA与较易吸收的β－TCP相结合可以达到某种适宜平衡。

合成BCP原料为二水磷酸氢钙（CaHPO4·2H2O）、磷酸氢钙（CaHPO4）或磷酸八钙［Ca8H2（PO4）6·5H2O］，通过沉淀或水解制备缺钙磷灰石（CDA），再将不同Ca／P比例的CDA于1　100℃条件下进行烧结即得。

BCP可制成不同形状的产品，如粒料、致密或多孔块状等。孔径大于200μm的多孔块体是添加荼等物质后烧结而成，其中的微孔（小于10μm）由烧结工艺条件控制。

四、生物活性玻璃陶瓷（bioglass）

Bioglass也称为生物活性玻璃微晶，它是一种多相复合材料，含有一种以上的结晶相及玻璃相，对含有磷灰石或磷酸三钙微晶，或在生理环境下能够生成HA表面层的微晶玻璃都称为生物活性玻璃陶瓷。它具有不同程度的表面溶解能力，易被体液浸润，生物相容性好，植入体内能直接与骨结合。1970年美国hench开发的生物玻璃其化学组成为SiO2－P2O5－CaO－Na2O四元体系，Ca／P比为2～5，各成分的含量是SiO2为45%～55%，Na2O为20%～25%，CaO为20%～25%，P2O5为6%。1982年日本Kokubo在MgOCaO－P2O5－SiO2四元体系中部分析出结晶的磷灰石和硅灰石，研制出高强度的生物活性玻璃陶瓷A－W。

这类钙磷微晶玻璃的是以CaO－P2O5和CaO－P2O5－SiO2体系为基础，再加以Al2O3、MgO、Na2O、TiO2等添加物，制备主要有熔融法和溶胶－凝胶法。

熔融法是将各玻璃氧化物组分混合均匀后，放入坩埚内加热熔融，倒入模子中得到玻璃，将玻璃粉碎，加压成型后烧结，使玻璃晶化制成微晶玻璃。用熔融法制备微晶玻璃的工艺与材料表面析晶或体内析晶速率有关，当表面晶化的速率比较小时，可直接用块状玻璃经热处理晶化析晶制备材料；当表面晶化速率比较大时，先把熔体倒入水中或把熔体倒入在高速旋转的鼓面上制得玻璃粉末或薄膜，接着用类似烧结陶瓷的方法进行晶化处理。

溶胶－凝胶法是，一种把含有硅磷酸盐玻璃组分的有机化合物溶入乙醇或其他有机溶剂中形成均匀的溶胶，然后凝胶化得凝胶，材料的氧化物摩尔组成为54%CaO－40%SiO2－6%P2O5。用溶胶－凝胶法制备微晶玻璃时，先用溶胶－凝胶法制得玻璃，然后再经热处理得到所需材料。

多孔微晶玻璃的制法有两种，一种时利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相，再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。另一种方法是先合成玻璃粉末，然后加入诸如CaCO3、PMMA、淀粉等做发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。制备微孔时可利用前一种方法，通过改变组分和控制可溶相的晶粒大小来得到所需的微孔；若制备大孔时则后一种方法有明显优势，造孔剂的形状、大小对孔都有影响。