生物陶瓷的活跃分子HAP
摘 要：生物陶瓷是特种陶瓷的重要组成部分，是生物医学工程学中不和或缺的功能材料。羟基磷灰石（HAP）是非常重要的生物陶瓷材料，其成分和人体骨骼十分近似，因其具有良好的生物相容性和与生物体组织良好的物理化学相容性，在生物医药和骨组织替代材料领域有着十分广泛的应用。随着科技的不断发展，人们追求优良相容性的同时也不断注重材料强度的在实际应用中发挥的作用，为了同时具备这两大优点，多孔陶瓷和复合陶瓷随之产生，与之对应的新型合成制备方法也不断涌现。
关键词：生物陶瓷，HAP，致密，多孔，复合
1、生物陶瓷概况
材料是人类生产的物质基础，材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家科学技术和经济发展水平的重要依据，材料技术是国民经济发展的关键技术之一，而生物材料是新型材料的重要组成部分，是生物医学工程学的四大支柱之一，其研究内容涉及材料、医学物理、生物
化学和现代高技术等诸多学科领域，是可以对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能材料。
生物陶瓷材料作为生物医学材料起始于十八世纪初。[1]1808年初制成了用于镶牙的陶齿，1892年Dreesman发表有关使用熟石膏填充骨缺损的第一篇报告，1963年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，该年Smith报告发展了一种陶瓷骨替代材料，这是一种用环氧树脂浸透的48％气孔的多孔铝酸盐材料，它与骨组织的物理性能很相匹配。
然而，在医学上广泛重视研究和应用各种生物陶瓷材料，还是近二十年来的事，由于过去医学领域中应用得最广泛的生物医学材料是金属和有机材料，而金属长期埋植在人生物体内容易发生腐蚀，许多金属离子对人体有毒，金属磨屑会引起周围生物组织发生变化，另外还会产生金属元素向各种器官转移、组织变态反应等问题，而有机材料则强度较低，许多应用受到限制，还存在长期耐久性问题。
生物医用组分材料必须满足下面几项要求：
(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象；
(2)具有良好的生物稳定性，材料的结构不因体液作用而有变化，同时材料组成不引起生物体的生物反应；
(3)具有足够的强度和韧性，能够承受人体的机械作用力，所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应，增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能；
(4)具有良好的灭菌性能，保证生物材料在临床上的顺利应用。
此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困难而使其应用受到限制等。
生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料，与传统的陶瓷材料不同，它不但指多晶体，而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属的复合、无机与无机、无机与有机或生物材料的复合材料，是材料科学与临床医学的交叉学科。
2、HAP生物活性陶瓷材料
羟基磷灰石（Hydroxyapatite)，简称HAP或HA，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活
性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，因而引起了广泛的关注。
就羟基磷灰石生物陶瓷来说，目前从致密型向多孔发展是一个引人瞩目的课题。针对HAP 生物陶瓷力学性能差的特点，人们首先进行的是致密HAP 陶瓷的研究。致密HAP的表面显气孔率较小，经电镜观察孔径为80μm，有较好的机械性能。致密HAP 具有一定的可加工性，在临床使用中极为方便，但因其植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架，主要用于人工齿根种植体。
[2]不同结晶形貌的 HA 晶体具有不同的表面特性和生物活性，并且对 HA 生物陶瓷材料的性能有着不同的影响；因此，在 HA 合成方面，人们已经不满足于通过各种合成方法得到 HA 粉体，而是希望通过对 HA 形貌的调控，进而达到优化 HA 生物陶瓷使用性能的目的，所以 HA 形貌的可控化研究越来越受到人们重视。与此同时，旨在强化骨传导性和诱导成骨， 多孔 HA 生物陶瓷的研究和开发也受到人们广泛关注。
近10 年来，多孔羟基磷灰石陶瓷受到重视，其宏观多孔生物材料的兴起，更加引起了材料工作者的极大兴趣，取得了相应的科研成果。如果植入骨基质的替换物为骨单位提供支持框架，则骨单位可以此为依托生长，骨缺陷可以重建和修复，如果为骨缺陷提供骨基质替换物在孔隙结构上与骨单位及脉管连接方式相一致，则植入材料会促进骨组织的重建。孔隙率越高，越有利于新骨的长入。
然而随着孔隙率的提高，多孔HA陶瓷的强度明显下降，影响并削弱HAP在体内初期作为支架材料的支撑作用。正是由于多孔HAP生物陶瓷支架结构本身脆性高，抗折强度低的限制，在承重部位的应用受到了很大的限制。为解决多孔陶瓷本身脆性问题，近年来特别重视发展复合HAP陶瓷材料以改善生物陶瓷材料的力学性能，复合材料的优点是材料的韧性和强度大大提高。
3、HAP粉末制备方法
[3]3.1水热合成法
水热法是在特制的密闭反应容器中(高压釜)，采用水溶液作为反应介质，在高温高压环境
中，使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。这种方法通常以磷酸氢钙等为原料，在水溶液体系，温度为200-400℃的高压釜中制备HAP。这种方法条件较易控制，反应时间较短，省略了煅烧和研磨步骤，粉末纯度高，晶体缺陷密度低；合成温度相对较低，反应条件适中，设备较简单，耗电低。因此，水热法制备的粉体不但具有晶粒发育完整、粒度小且分布均匀、颗粒团聚较轻、原材料便宜，以及很容易得到合适的化学计量比和晶型的优点，而且制备的粉体不需煅烧处理，从而避免引起烧结过程中的晶粒长大、缺陷形成及杂质产生，因此所制得的粉体具有较高的烧结活性。
控制适当的PH值、反应温度、搅拌时间，经陈化、清洗、过滤、干燥和热处理后，可以制备高纯羟基磷灰石生物陶瓷材料。
3.2自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成技术(SHS)是利用反应放热制备材料的新技术。SHS技术可以制备出纳米羟基磷灰石。该技术是利用硝酸盐与羧酸反应，在低温下实现原位氧化自发燃烧，快速合成HAP前驱体粉末。制备的HAP粉体具有纯度高、成分均匀、颗粒尺寸大小适宜，无硬团等特性。采用sHs技术合成纳米级HAP前驱体粉末的方法为：按照n(Ca)：n(P)=1.67，称
取一定量的柠檬酸，分别用蒸馏水溶解混合，调节pH值在3左右，于80℃加热蒸发形成凝胶，然后在200℃的电炉中进行自蔓延燃烧，最后得到分布均匀烧结性能良好的纳米级HAP前驱体粉末。
[4]3.3溶胶-凝胶法
溶胶凝胶法是近些年才发展起来的新方法，但已引起了广泛的关注，即将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合形成溶胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将干凝胶作高温煅烧处理，即可得到粉体陶瓷。此法制得的产物纯度高、颗粒超细、均匀性好、颗粒形状及尺寸可控、Ca/P摩尔比可任意调节、反应在室温进行、生成物为凝胶产物，因此能制备出比表面积巨大(10～40m2/g)、具纳米尺寸(<100nm)的无定形HAP粉末，且设备简单；但是其原料价格高、有机溶剂毒性及高温热处理时颗粒容易快速团聚等因素制约了这种方法的应用。
张大海等人陷3采用钙乙二醇化合物和具有一定活性、由P2O5，和n-丁酸反应生成的PO(OH)x(OR)3-x。产物为前驱体，以Ca/P=1.67的比例混合，加入醋酸得到稳定混合溶液，制备羟基磷灰石。Liu等人发展了一种新的合成HAP的方法归。在较低的温度(300～40
0℃)合成了纯的结晶HAP。主要步骤是把三乙烷基亚磷酸盐用无水乙醇稀释。加少量的蒸馏水进行水解，随后逐滴加入计量比(Ca/P=1．67)的Ca(NO3)2的无水乙醇溶液，陈化16小时后在60℃下烘干直到得白色凝胶，研磨成粉后燃烧。也可用纯蒸馏水做唯一的稀释剂，其余步骤相同。
3.4沉淀法
通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌，在一定的pH值下发生化学反应，产生胶体HAP沉淀物，在一定温度下煅烧得到HAP晶体粉末，该法反应温度不高，合成粉料纯度高，颗粒较细，工艺相对简单，合成粉料的成本相对较低较其它方法更适合于实验生产。但是，必须严格控制工艺条件，否则极易生成Ca/P值相对较低的缺钙磷灰石，如合理控制混合溶液的pH值及反应产生沉淀的时间，采用分散设备使溶液混合均匀，保证反应完全进行。
3.5超声波合成法
超声波在水介质中引起气穴现象，使微泡在水中形成、生长和破裂。这能激活化学物种的反应活性，从而有效地加速液体和固体反应物之间非均相化学反应的速度。因而可用超声
波来合成羟基磷灰石，但是反应机理还不十分清楚。Ktm等人采用把H3PO4和Ca(OH)2按Ca/P=1.67的比例混合，把混合物加入到蒸馏水中配成悬浮液，用钛制集音器浸入悬浮液中传导超声波，选择合适的放射时间及温度，可以在常压下合成单相的HAP，监测悬浮液的pH值，把平衡值做为反应结束的标志。超声波法合成的HAP粉末非常细、粒径分布范围窄，而且这种合成方法在某些方面比其它加热的方法更为有效。
3.6固相反应合成法
把固态磷酸钙及其他化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下，反应温度高于1000℃，可以得到结晶较好的羟基磷灰石。这种方法合成的羟基磷灰石纯度高，结晶性好，晶格常数不随温度变化，并且经湿法和固相法合成的羟基磷灰石的红外光谱研究表明，固相法制备的HAP比湿法更好，但是其要求较高的温度和热处理时间，粉末的可烧结性差，使得应用受到了一定的限制。
4、致密HAP陶瓷
4.1致密HAP生物陶瓷的制备
将HAP基材加入添加剂及粘结剂制成一定的颗粒级配，在金属模内加压成形，生坯经烘干在900℃左右烧成素坯，素坯进行精加工，然后在1 300℃左右加压烧结而成。
4.2致密HAP陶瓷的性能
致密HAP的表面显气孔率较小，经电镜观察孔径为80μm，有较好的机械性能。致密HAP具有一定的可加工性，在临床使用中极为方便，但因其植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架，主要用于人工齿根种植体。
[5]因此，多孔羟基磷灰石陶瓷受到了重视，其宏观多孔生物材料的兴起，更加引起了材料工作者的极大兴趣。如果植入骨基质的替换物为骨单位提供支持框架，则骨单位可以此为依托生长，骨缺陷可以重建和修复，如果为骨缺陷提供骨基质替换物在孔隙结构上与骨单位及脉管连接方式相一致，则植入材料会促进骨组织的重建。因此，植人体(生物陶瓷)应当模仿骨结构，在充分研究骨结构的基础上，应加快设计生物陶瓷种植体的形状及结构。
5、HA 形貌的可控合成
HA 粉体是制备块状、多孔HA 及HA 复合材料的原料，其粉体颗粒的形状、大小及均匀性
将直接影响最终产品的品质。虽然已有多种方法可以合成HA，但是其形貌控制既受pH 值、温度、压力、反应时间和反应物配比等诸多因素影响，又受引入反应体系的一些添加剂的影响，如：特殊阴离子、氨基酸或聚电解质、胶原蛋白及多糖等高分子聚合物等。目前已获得的HA 主要有针状、棒状、球状及片状等，下文将分别论述各形貌HA 的可控合成。
