生物陶瓷的活躍分子HAP
摘 要：生物陶瓷是特種陶瓷的重要組成部分，是生物醫學工程學中不和或缺的功能材料。羥基磷灰石（HAP）是非常重要的生物陶瓷材料，其成分和人體骨骼十分近似，因其具有良好的生物相容性和與生物體組織良好的物理化學相容性，在生物醫藥和骨組織替代材料領域有著十分廣泛的應用。隨著科技的不斷發展，人們追求優良相容性的同時也不斷注重材料強度的在實際應用中發揮的作用，為了同時具備這兩大優點，多孔陶瓷和復合陶瓷隨之產生，與之對應的新型合成制備方法也不斷涌現。
關鍵詞：生物陶瓷，HAP，致密，多孔，復合
1、生物陶瓷概況
材料是人類生產的物質基礎，材料的品種、數量和質量已成為衡量一個國家科學技術和經濟發展水平的重要依據，材料技術是國民經濟發展的關鍵技術之一，而生物材料是新型材料的重要組成部分，是生物醫學工程學的四大支柱之一，其研究內容涉及材料、醫學物理、生物
化學和現代高技術等諸多學科領域，是可以對機體組織進行修復、替代與再生的特殊功能材料。
生物陶瓷材料作為生物醫學材料起始于十八世紀初。[1]1808年初制成了用于鑲牙的陶齒，1892年Dreesman發表有關使用熟石膏填充骨缺損的第一篇報告，1963年在生物陶瓷發展史上也是重要的一年，該年Smith報告發展了一種陶瓷骨替代材料，這是一種用環氧樹脂浸透的48％氣孔的多孔鋁酸鹽材料，它與骨組織的物理性能很相匹配。
然而，在醫學上廣泛重視研究和應用各種生物陶瓷材料，還是近二十年來的事，由于過去醫學領域中應用得最廣泛的生物醫學材料是金屬和有機材料，而金屬長期埋植在人生物體內容易發生腐蝕，許多金屬離子對人體有毒，金屬磨屑會引起周圍生物組織發生變化，另外還會產生金屬元素向各種器官轉移、組織變態反應等問題，而有機材料則強度較低，許多應用受到限制，還存在長期耐久性問題。
生物醫用組分材料必須滿足下面幾項要求：
(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合后不出現有損生物學性能的現象；
(2)具有良好的生物穩定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；
(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；
(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。
此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應用受到限制等。
生物陶瓷主要是用于人體硬組織修復和重建的陶瓷材料，與傳統的陶瓷材料不同，它不但指多晶體，而且包括單晶體、非晶體生物玻璃和微晶玻璃、涂層材料、梯度材料、無機與金屬的復合、無機與無機、無機與有機或生物材料的復合材料，是材料科學與臨床醫學的交叉學科。
2、HAP生物活性陶瓷材料
羥基磷灰石（Hydroxyapatite)，簡稱HAP或HA，化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬表面活
性材料，由于生物體硬組織(牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料，因而引起了廣泛的關注。
就羥基磷灰石生物陶瓷來說，目前從致密型向多孔發展是一個引人矚目的課題。針對HAP 生物陶瓷力學性能差的特點，人們首先進行的是致密HAP 陶瓷的研究。致密HAP的表面顯氣孔率較小，經電鏡觀察孔徑為80μm，有較好的機械性能。致密HAP 具有一定的可加工性，在臨床使用中極為方便，但因其植入人體內后，只能在表面形成骨質，缺乏誘導骨形成的能力，僅可作為骨形成的支架，主要用于人工齒根種植體。
[2]不同結晶形貌的 HA 晶體具有不同的表面特性和生物活性，并且對 HA 生物陶瓷材料的性能有著不同的影響；因此，在 HA 合成方面，人們已經不滿足于通過各種合成方法得到 HA 粉體，而是希望通過對 HA 形貌的調控，進而達到優化 HA 生物陶瓷使用性能的目的，所以 HA 形貌的可控化研究越來越受到人們重視。與此同時，旨在強化骨傳導性和誘導成骨， 多孔 HA 生物陶瓷的研究和開發也受到人們廣泛關注。
近10 年來，多孔羥基磷灰石陶瓷受到重視，其宏觀多孔生物材料的興起，更加引起了材料工作者的極大興趣，取得了相應的科研成果。如果植入骨基質的替換物為骨單位提供支持框架，則骨單位可以此為依托生長，骨缺陷可以重建和修復，如果為骨缺陷提供骨基質替換物在孔隙結構上與骨單位及脈管連接方式相一致，則植入材料會促進骨組織的重建。孔隙率越高，越有利于新骨的長入。
然而隨著孔隙率的提高，多孔HA陶瓷的強度明顯下降，影響并削弱HAP在體內初期作為支架材料的支撐作用。正是由于多孔HAP生物陶瓷支架結構本身脆性高，抗折強度低的限制，在承重部位的應用受到了很大的限制。為解決多孔陶瓷本身脆性問題，近年來特別重視發展復合HAP陶瓷材料以改善生物陶瓷材料的力學性能，復合材料的優點是材料的韌性和強度大大提高。
3、HAP粉末制備方法
[3]3.1水熱合成法
水熱法是在特制的密閉反應容器中(高壓釜)，采用水溶液作為反應介質，在高溫高壓環境
中，使得原來難溶或不溶的物質溶解并重結晶的方法。這種方法通常以磷酸氫鈣等為原料，在水溶液體系，溫度為200-400℃的高壓釜中制備HAP。這種方法條件較易控制，反應時間較短，省略了煅燒和研磨步驟，粉末純度高，晶體缺陷密度低；合成溫度相對較低，反應條件適中，設備較簡單，耗電低。因此，水熱法制備的粉體不但具有晶粒發育完整、粒度小且分布均勻、顆粒團聚較輕、原材料便宜，以及很容易得到合適的化學計量比和晶型的優點，而且制備的粉體不需煅燒處理，從而避免引起燒結過程中的晶粒長大、缺陷形成及雜質產生，因此所制得的粉體具有較高的燒結活性。
控制適當的PH值、反應溫度、攪拌時間，經陳化、清洗、過濾、干燥和熱處理后，可以制備高純羥基磷灰石生物陶瓷材料。
3.2自蔓延高溫合成法
自蔓延高溫合成技術(SHS)是利用反應放熱制備材料的新技術。SHS技術可以制備出納米羥基磷灰石。該技術是利用硝酸鹽與羧酸反應，在低溫下實現原位氧化自發燃燒，快速合成HAP前驅體粉末。制備的HAP粉體具有純度高、成分均勻、顆粒尺寸大小適宜，無硬團等特性。采用sHs技術合成納米級HAP前驅體粉末的方法為：按照n(Ca)：n(P)=1.67，稱
取一定量的檸檬酸，分別用蒸餾水溶解混合，調節pH值在3左右，于80℃加熱蒸發形成凝膠，然后在200℃的電爐中進行自蔓延燃燒，最后得到分布均勻燒結性能良好的納米級HAP前驅體粉末。
[4]3.3溶膠-凝膠法
溶膠凝膠法是近些年才發展起來的新方法，但已引起了廣泛的關注，即將醇鹽溶解于有機溶劑中，通過加入蒸餾水使醇鹽水解、聚合形成溶膠，溶膠形成后，隨著水的加入轉變為凝膠，凝膠在真空狀態下低溫干燥，得到疏松的干凝膠，再將干凝膠作高溫煅燒處理，即可得到粉體陶瓷。此法制得的產物純度高、顆粒超細、均勻性好、顆粒形狀及尺寸可控、Ca/P摩爾比可任意調節、反應在室溫進行、生成物為凝膠產物，因此能制備出比表面積巨大(10～40m2/g)、具納米尺寸(<100nm)的無定形HAP粉末，且設備簡單；但是其原料價格高、有機溶劑毒性及高溫熱處理時顆粒容易快速團聚等因素制約了這種方法的應用。
張大海等人陷3采用鈣乙二醇化合物和具有一定活性、由P2O5，和n-丁酸反應生成的PO(OH)x(OR)3-x。產物為前驅體，以Ca/P=1.67的比例混合，加入醋酸得到穩定混合溶液，制備羥基磷灰石。Liu等人發展了一種新的合成HAP的方法歸。在較低的溫度(300～40
0℃)合成了純的結晶HAP。主要步驟是把三乙烷基亞磷酸鹽用無水乙醇稀釋。加少量的蒸餾水進行水解，隨后逐滴加入計量比(Ca/P=1．67)的Ca(NO3)2的無水乙醇溶液，陳化16小時后在60℃下烘干直到得白色凝膠，研磨成粉后燃燒。也可用純蒸餾水做唯一的稀釋劑，其余步驟相同。
3.4沉淀法
通過把一定濃度的鈣鹽和磷鹽混合攪拌，在一定的pH值下發生化學反應，產生膠體HAP沉淀物，在一定溫度下煅燒得到HAP晶體粉末，該法反應溫度不高，合成粉料純度高，顆粒較細，工藝相對簡單，合成粉料的成本相對較低較其它方法更適合于實驗生產。但是，必須嚴格控制工藝條件，否則極易生成Ca/P值相對較低的缺鈣磷灰石，如合理控制混合溶液的pH值及反應產生沉淀的時間，采用分散設備使溶液混合均勻，保證反應完全進行。
3.5超聲波合成法
超聲波在水介質中引起氣穴現象，使微泡在水中形成、生長和破裂。這能激活化學物種的反應活性，從而有效地加速液體和固體反應物之間非均相化學反應的速度。因而可用超聲
波來合成羥基磷灰石，但是反應機理還不十分清楚。Ktm等人采用把H3PO4和Ca(OH)2按Ca/P=1.67的比例混合，把混合物加入到蒸餾水中配成懸浮液，用鈦制集音器浸入懸浮液中傳導超聲波，選擇合適的放射時間及溫度，可以在常壓下合成單相的HAP，監測懸浮液的pH值，把平衡值做為反應結束的標志。超聲波法合成的HAP粉末非常細、粒徑分布范圍窄，而且這種合成方法在某些方面比其它加熱的方法更為有效。
3.6固相反應合成法
把固態磷酸鈣及其他化合物均勻混合在一起，在有水蒸氣存在的條件下，反應溫度高于1000℃，可以得到結晶較好的羥基磷灰石。這種方法合成的羥基磷灰石純度高，結晶性好，晶格常數不隨溫度變化，并且經濕法和固相法合成的羥基磷灰石的紅外光譜研究表明，固相法制備的HAP比濕法更好，但是其要求較高的溫度和熱處理時間，粉末的可燒結性差，使得應用受到了一定的限制。
4、致密HAP陶瓷
4.1致密HAP生物陶瓷的制備
將HAP基材加入添加劑及粘結劑制成一定的顆粒級配，在金屬模內加壓成形，生坯經烘干在900℃左右燒成素坯，素坯進行精加工，然后在1 300℃左右加壓燒結而成。
4.2致密HAP陶瓷的性能
致密HAP的表面顯氣孔率較小，經電鏡觀察孔徑為80μm，有較好的機械性能。致密HAP具有一定的可加工性，在臨床使用中極為方便，但因其植入人體內后，只能在表面形成骨質，缺乏誘導骨形成的能力，僅可作為骨形成的支架，主要用于人工齒根種植體。
[5]因此，多孔羥基磷灰石陶瓷受到了重視，其宏觀多孔生物材料的興起，更加引起了材料工作者的極大興趣。如果植入骨基質的替換物為骨單位提供支持框架，則骨單位可以此為依托生長，骨缺陷可以重建和修復，如果為骨缺陷提供骨基質替換物在孔隙結構上與骨單位及脈管連接方式相一致，則植入材料會促進骨組織的重建。因此，植人體(生物陶瓷)應當模仿骨結構，在充分研究骨結構的基礎上，應加快設計生物陶瓷種植體的形狀及結構。
5、HA 形貌的可控合成
HA 粉體是制備塊狀、多孔HA 及HA 復合材料的原料，其粉體顆粒的形狀、大小及均勻性
將直接影響最終產品的品質。雖然已有多種方法可以合成HA，但是其形貌控制既受pH 值、溫度、壓力、反應時間和反應物配比等諸多因素影響，又受引入反應體系的一些添加劑的影響，如：特殊陰離子、氨基酸或聚電解質、膠原蛋白及多糖等高分子聚合物等。目前已獲得的HA 主要有針狀、棒狀、球狀及片狀等，下文將分別論述各形貌HA 的可控合成。
