生物陶瓷复合材料的研究

http://www.100md.com 《中国生物医学工程学报》 2000年第3期

     黄传勇 孙淑珍 张中太

    本文采用化学共沉淀法制备了羟基磷灰石(HAP)和二氧化锆(ZrO₂)超细粉。以此为原料，通过不同材料的优化组合，采用烧结法制备了HAP-ZrO₂二元体系及HAP-ZrO₂-BG三元体系复合生物陶瓷材料，并通过XRD、FTIR、TEM、SEM等测试手段揭示了材料的矿物组成及显微结构。研究结果表明：复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性、生物相容性，是一种很有应用前景的复合型生物陶瓷材料。

    关键词：羟基磷灰石；二氧化锆；生物陶瓷；复合材料

    0 引 言

    自70年代末，羟基磷灰石作为新型生物材料问世以来，已越来越引起医学界及相关学科浓厚兴趣。由于羟基磷灰石是由与人体硬组织无机质相近的物质组成的，因此羟基磷灰石是骨和牙齿种植中很具潜力的生物材料。由于纯羟基磷灰石脆性较大，强度较低，所以人们都在通过各种途径对它进行改性制成复合材料，如添加SiC晶须，碳晶须等，虽然强度韧性有所提高，但同时也带来新问题，如晶须毒性及含量等。纳米陶瓷复合材料是一种高技术陶瓷材料，是纳米陶瓷的延伸和发展，业以证明纳米陶瓷复合材料室温强度和韧性比单组分材料提高2～5倍^[1]。

    本文研究了羟基磷灰石与二氧化锆的复合工艺，在满足生物相容性和亲和性基础上，通过改变材料的微观结构及研制复合材料等方法，使其材料内部形成其他晶相而达到补强增韧的效果。

    1 实验方法

    1.1 原料的选择与制备

    1.1.1 羟基磷灰石的制备^[2]

    本实验采用分析纯Ca(OH)₂和H₃PO₄作原料，用化学共沉淀法合成羟基磷灰石，其工艺流程为：

    1.1.2 二氧化锆的制备

    本实验采用分析纯的氯氧化锆(ZrCl₂*8H₂O)、氧化钇(Y₂O₃)、氨水、氯化铵、盐酸，采用化学共沉淀法制备二氧化锆超细粉。其工艺流程为：

    1.2 二元体系(HAP-ZrO₂)复合生物陶瓷的制备

    将不同配比的原料按如下所示的工艺流程进行加工，得到不同配比的二元体系复合生物陶瓷。

    配料→混料→造粒→预成形→等静压成形→素烧→修坯→烧成→粗磨→抛光→检测

    分别按上述流程制得以HAP为基体加入(wt)10%，20%，30% ZrO₂的二元体系复合生物陶瓷。

    1.3 三元体系(HAP-ZrO₂-BG)复合生物陶瓷的制备

    本实验采用正交方法进行配方设计，因素及位级如表1所示，选用L9(3⁴)正交表安排实验，如表2所示。

    表1 因素位级表

    因素

    A：BG(wt %)

    B：Al₂O₃(wt %)

    C:烧成温度(℃)

    D：保温时间(h)

    1

    20

    6

    1250

    2

    2

    15

    4

    1300

    1.5

    3

    10

    2

    1350

    0.75

    材料制备工艺流程如二元体系复合生物陶瓷材料的制备工艺流程，在高温烧成过程中，在800℃，900℃进行保温，以促进生物玻璃的微晶化。

    表2 正交实验配方设计表

    序号

    A

    B

    C

    D

    抗折强度(MPa)

    序号

    A

    B

    C

    D

    抗折强度(MPa)

    1

    1

    1

    1

    1

    33

    9

    3

    3

    2

    1

    42

    2

    1

    2

    2

    2

    24

    Ⅰ

    141

    274

    119

    206

    因素主次

    3

    1

    3

    3

    3

    84

    Ⅱ

    273

    200

    167

    205

    CABD

    4

    2

    1

    2

    3

    101

    Ⅲ

    227

    167

    355

    230

    2

    2

    2

    3

    1

    131

    K₁

    47

    91

    39

    69

    6

    2

    3

    1

    2

    41

    K₂

    91

    67

    56

    68

    7

    3

    1

    3

    2

    140

    K₃

    76

    56

    118

    77

    较优生产条件

    8

    3

    2

    1

    3

    45

    R

    44

    35

    79

    9

    C₃A₂B₁D₃

    1.4 材料性能测试及微观结构测试

    1.4.1 材料抗折强度测试

    据国家标准GB6569-86，用三点弯曲加载方式在美国制造的MTS陶瓷实验系统上测量材料的破坏负载，在负荷点上，以0.5mm/min位移加载。

    1.4.2 断裂韧性参数K_IC测试

    据常规性能评价方法标准75-70-03，在单边切口梁在三点弯曲加载条件下，用英国制造的INSTRON1341型电动伺服材料实验系统上测量最大负荷，加载速率为0.05mm/min。

    1.4.3 体外溶解实验^[4]

    材料在体外的降解速率与材料的溶解性能是有关联的，因而通过材料在不同时间内在模拟体液中浸泡时重量变化，可以间接预测复合生物陶瓷材料的降解速率。本实验是以三元体系复合生物陶瓷(HAP∶ZrO₂∶BG=55∶24∶15 1350℃)在复方乳酸钠注射液(平衡液)中浸泡不同时间的重量变化来预测其降解速率的。

    1.4.4 生物相容性测试

    (1)急性毒性及亚急性毒性实验：SD大鼠10只，雌雄兼有，体重220～260g，预先检查体重及血常规，血小板，将三元体系复合生物陶瓷(HAP∶ZrO₂∶BG=55∶24∶15 1350℃)研成细粉，粉末1g加入2ml生理盐水，配成悬浮液，无菌条件下注入腹腔，观察有无死亡或不良反应。

    (2)生物陶瓷体内实验：用新西兰大白兔10只(1800～2950g)，雌雄兼有，将三元体系复合生物陶瓷经消毒，植入大白兔左大腿根部骨缺损部位，用肌肉包裹，二周后取出材料及周围肌组织，作石蜡切片，HE染色，光镜下观察组织学变化。

    1.4.5 材料微观结构测试

    将二元体系复合生物陶瓷及三元体系复合生物陶瓷材料置于日本理学公司D/MAX-ⅢA型X射线衍射仪下进行材料矿物组成的定性分析，其断口形貌及显微结构用SX-40G型扫描电镜观察。

    2 结果与讨论

    2.1 原料测试结果与讨论

    2.1.1 对羟基磷灰石的测试

    对合成的HAP进行X射线衍射分析(XRD)和透射电镜(TEM)分析测试，结果如图1和图2。

    图1 化学共沉淀法制备HAP微粉的XRD图

    图2 化学共沉淀法制备HAP微粉的TEM图

    XRD分析表明在不同温度下煅烧的HAP，其结晶程度所不一样的，随着温度的提高，HAP峰越明显、尖锐，因而温度的提高对纯化粉末，稳定晶质有利；TEM分析表明结果晶质HAP晶体发育良好，接近羟基磷灰石的理论晶型六方柱形，晶粒细小，与人齿的羟基磷灰石十分相似。

    2.1.2 对二氧化锆的测试

    对合成的二氧化锆超细粉进行XRD和TEM分析，结果如图3和图4。XRD分析表明粉末中主要是四方形结晶相，与标准的衍射图十分吻合，无单斜相存在，从透射电镜中也可得到证明。

    图3 化学共沉淀法制备ZrO₂微粉的XRD图

    图4 化学共沉淀法制备ZrO₂微粉的TEM图

    2.2 二元体系复合生物陶瓷材料测试结果与讨论

    2.2.1 抗折强度的测试

    二元体系复合生物陶瓷材料抗折强度的测量结果如表3所示。

    表3 二元体系复合生物陶瓷材料抗折强度表

    σ(MPa)

    ZrO₂(wt %)

    HAP∶ZrO₂=90∶10

    HAP∶ZrO₂=80∶20

    HAP∶ZrO₂=70∶30

    1300℃

    55

    71

    65

    1350℃

    60

    78

    93

    1400℃

    57

    87

    110

    1450℃

    56

    83

    120

    从二元体系复合生物陶瓷的抗折强度测试中可以看出，含30% ZrO₂的材料随着温度提高，性能增加，而含20%ZrO₂的材料在1450℃后反而有所下降，这一趋势在含10%ZrO₂材料中更为明显。这除了ZrO₂作为弥散相增强作用随着含量增加，性能有所提高之外，HAP的晶粒尺寸及ZrO₂晶粒尺寸对性能也是有影响的^[5]。含30%ZrO₂的二元体系材料的抗折强度达到120MPa，而且断裂韧性值也较之纯HAP陶瓷几乎增加了一倍，这正如设想一样，ZrO₂增韧补强作用是明显有效的。

    2.2.2 XRD分析及微观结构分析

    图5 HAP-ZrO₂(70∶30,1450℃)材料的XRD图

    图6 HAP-ZrO₂(70∶30,1450℃)材料的SEM图

    对二元体系复合生物陶瓷(HAP∶ZrO₂=70∶30，1450℃)进行XRD及微观结构分析，其结果如图5和图6。

    从二元体系复合生物陶瓷的XRD分析可见，二元体系复合生物陶瓷材料以HAP和四方相ZrO₂为主晶相，有少量β-Ca₃(PO₄)₂，c-ZrO₂和m-ZrO₂，HAP和ZrO₂之间没有发生化学反应，这也可以从SEM图中得出。HAP与ZrO₂之间界线清晰。HAP及ZrO₂发育良好，但ZrO₂产生偏析，材料断裂时，表现为韧性断裂和脆性断裂方式并存，在HAP表面出现解理条纹。

    2.3 三元体系复合生物陶瓷材料测试结果与讨论

    2.3.1 正交实验结果

    从正交实验表中得出最优实验条件，按此条件：含15%BG，6%Al₂O₃，55%HAP，24%ZrO₂,1350℃保温45min制得三元体系复合生物陶瓷的抗折强度150MPa，经实验表明，从正交实验表中所得条件较为合适，确实可行。

    2.3.2 抗折强度的测试

    三元体系复合生物陶瓷抗折强度测量结果见表2(正交实验表)。为促进材料烧结，改善材料高温流动性，使材料成分均匀，有效地保存其力学性能而引入生物玻璃等，进一步改善材料结构，进而改善材料组成，提高其性能，其作用也可以从XRD和SEM图中得以证明。

    表4 几种生物材料物理性能与生物体硬组织比较^[5]

    致密骨

    HAP+ZrO₂

    HAP+ZrO₂+BG

    Al₂O₃

    Si₃N₄

    抗折强度(MPa)

    160～180

    120

    150

    500

    600

    莫氏硬度

    5

    5

    5

    9

    9

    K_IC(MPa.m^1/2)

    2.2～4.6

    1.74

    2.08

    4

    5

    2.3.3 XRD分析及微观结构分析

    对三元体系复合生物陶瓷(HAP∶ZrO₂∶BG=55∶24∶15 1350℃)进行XRD及微观结构分析，其结果如图7和图8。

    图7 HAP-ZrO₂-BG(55∶24∶15, 1350℃)

    材料的XRD图

    图8 HAP-ZrO₂-BG(55∶24∶15,1350℃)

    材料的SEM图

    从三元体系复合生物陶瓷的XRD分析可见，三元体系材料中主晶相为HAP和ZrO₂(有c、t和m相)，有一定的β-Ca₃(PO₄)₂及玻璃相，玻璃晶化主晶为Ca₂P₂O₇和CaSiO₃。HAP和ZrO₂分布较二元体系有明显改善，ZrO₂粒子均匀弥散于基体中。玻璃相重结晶出现柱状、棒状结晶体，这对材料强度的提高颇为有益。

    2.3.4 体外溶解实验结果

    见表5。

    表5 复合材料(HAP∶ZrO₂∶BG=55∶24∶15 1350℃)在平衡液中重量的变化

    浸泡时间(天)

    7

    14

    21

    (m₁-m₀)/(m₀)

    HAP-ZrO₂

    -0.0217%

    -0.174%

    -0.205%

    HAP-ZrO₂-BG

    -0.062%

    -0.124%

    -0.195%

    注：表中m₀和m₁分别为浸泡前与浸泡后的重量

    体外模拟溶解表明，复合陶瓷材料在模拟体液中有一定的溶解性，在材料植入体内后，浸泡在组织液中，这种溶解过程即开始，并将持续进行。另外，组织液中可含有一些酸性代谢产物和酸性水解酶类，造成局部的弱酸性环境，这将促进材料的溶解过程。但陶瓷材料在模拟体液中溶解量小，因而认为溶解只是一个因素，而另外的因素^[6，7](如破骨细胞和吞噬细胞)是否参与降解，还有待于进一步的探索。

    2.3.5 生物相容性测试结果

    急性毒性与亚急性毒性实验表明，注药后动物生命活跃，进食消化代谢正常，血液常规检查除红细胞增高外，其余指标与注药前无明显差别，也未见陶瓷材料微粒的沉积。

    在偏光显微镜下观察大白兔左大腿根部切片的组织学变化，其结果如图9。

    图9 HAP-ZrO₂-BG(55∶24∶15,1350℃)切片在偏光显微镜下观察图

    从大白兔中取出三元体系材料后，可见肌组织紧紧包裹住复合陶瓷材料表面，两者界面接触紧密，肌组织颜色鲜红，同正常肌组织一样。复合生物陶瓷周围为一层薄薄的纤维组织包绕。在偏光显微镜下观察，肌组织与复合生物陶瓷接触面形成一层薄薄的纤维结缔组织，肌组织细胞结构正常，未见淋巴细胞，巨噬细胞浸润，亦未见肌组织细胞溶解、坏死迹象，即无排斥及毒性反应，具有较好的生物相容性。

    3 结论

    (1)采用化学共沉淀法合成的羟基磷灰石与二氧化锆纯度高，性能良好，是较好的生物陶瓷原料。

    (2)通过实验制得的二元体系复合生物陶瓷材料(HAP∶ZrO₂=70∶30 1450℃),经测定其最大抗折强度为120MPa，断裂韧性值为1.74MPa.m^1/2。

    (3)三元体系复合生物陶瓷材料(HAP∶ZrO₂∶BG=55∶24∶15 1350℃)采用正交实验设计方法，经过测定其最大抗折强度为150MPa,断裂韧性值为2.08MPa.m^1/2。

    (4)二元体系和三元体系复合生物陶瓷材料主晶相为羟基磷灰石的六方柱状晶体与二氧化锆的四方晶体，晶粒细小。二氧化锆起到了增韧补强的作用，由于二氧化锆的弥散韧化,相变增韧等作用使单组分的羟基磷灰石陶瓷性能有较大的提高(K_IC仅为0.89MPa.m^1/2)。

    (5)生物学及动物学实验表明，二元体系和三元体系复合生物陶瓷材料除了具有良好的力学性能之外，还具有良好的化学稳定性，生物相容性。

    黄传勇(清华大学材料科学与工程系，北京 100084)

    孙淑珍(武汉工业大学材料学院，武汉 430070)

    张中太(清华大学材料科学与工程系，北京 100084)

    参考文献

    1，张庭璇.纳米科学技术中的陶瓷.陶瓷，1994，(1)：20～25

    2，Hench LL. Bioceramics: from concept to clinic, J Am Ceram Soc, 1991,74(7):1487～1510

    3，邓勃.分析测试数据中的统计处理方法.北京：清华大学出版社，1995，204

    4，Holinger J. Biodegradate bone repair materials, Clin Orthop Related Res, 1986,207:290～305

    5，王零森.特种陶瓷.湖南长沙：中南工业大学出版社，1994，143～149

    6，张恩党.TCP陶瓷生物降解过程研究.武汉工业大学学报，1991，20(4)：39～43

    7，Cameron HU. Evaluation of a biodegradable ceramic, J Biomed Mater Res, 1997,11:179～191

    百拇医药网 http://www.100md.com/html/analecta/2000/12/01/05/992.htm