磷酸钙复合胶凝材料的制备及性能研究

论文摘要

磷酸钙胶凝材料（CPC）具有可塑性、生物相容性好、骨传导性等优点，能直接通过注射器注入局部并快速固化，可作为药物缓释载体辅助治疗，载生长因子促进新骨的形成，是理想的骨替换及修复材料。随着研究的不断完善，这类骨替代材料将会得到越来越广泛的应用，成为生物材料的一个重要分支。但该类材料强度低、力学性能差的问题一直未能得到解决，且相关基础理论研究匾乏，限制了其应用范围，因此，临床仍以采用生物活性较差的PMMA骨水泥为主。针对目前的研究现状，开展CPC及其复合材料的相关理论研究，制备具有可操作性、力学性能好、可诱导成骨、降解速度与成骨速度匹配的CPC骨替代材料并研究其临床应用具有重要意义。为此，本文对CPC制备工艺、微观结构、力学性能及增强和生物学性能进行了研究。以磷酸氢钙和碳酸钙为原料，通过适宜的烧成工艺，合成了纯度高、性能稳定的α-磷酸三钙（α-TCP）。单纯α-TCP的水化硬化过程是溶解—析晶的过程，水化产物随pH值的不同而不同，当pH＜5.5时，水化产物为羟基磷灰石（HAP）、磷酸八钙（OCP）和磷酸二氢钙（DCPD）；当6＜pH＜8时，水化产物为HAP；NH4H2PO4可促进α-TCP的水化反应，缩短凝固时间，改善抗压强度；当NH4H2PO4的浓度为2.0M时，α-TCP凝固时间为17min，抗压、抗折强度分别为37.17MPa和6.2MPa。利用β-磷酸三钙（β-TCP）良好的降解性能和α-TCP的水化硬化性能，采用双氧水造孔法制备了可任意塑形、具有一定的强度的可降解多孔复合胶凝材料。α-TCP／β-TCP复合材料表面具有一定的生物活性，孔径受双氧水浓度影响，双氧水浓度越高，孔径越大；不同孔径材料在SBF中形成类骨磷灰石的能力不同：300～400μm＞200～300μm＞100～200μm＞400～500μm。根据晶体成核生长原理，采用两步湿法合成了高纯Ca4（PO4）2O（TTCP）。在此基础上，选用合适的促凝剂，用X衍射、红外光谱及扫描电镜等测试手段研究α-Ca3（PO4）2-Ca4（PO4）2O双相体系泥的胶凝特性，发现80wt％α-TCP-20wt％TTCP硬化体抗压强度最高达38.76MPa，且水化较为完全，水化产物主要是HAP；通过对该组成复合胶凝材料水化硬化过程及其水化转化率的研究，建立了水化反应动力学模型，说明了水化反应过程前期由表面溶解控制、后期由扩散控制。同时探讨了影响α-TCP／TTCP复合胶凝材料水化硬化过程及抗压强度的因素。结果表明：改变柠檬酸浓度、提高胶凝材料颗粒度、降低液固比可以改善α-TCP／TTCP复合胶凝材料的性能；低结晶度的HAP可作为晶种加速水化反应，而高结晶度的HAP可作为“骨料”提高胶凝材料的强度。研究发现经过氧化处理的碳纤维（CF）表面氧含量增多，挠曲强度及拨出功增高。采用8wt％NaOH溶液氧化处理碳纤维，长径比为375，添加量为0.3wt％时，增强磷酸钙胶凝材料（CPC）的效果最为理想，抗压强度提高了55％，最大达63.46MPa；抗折强度提高近100％，最大可达11.95MPa；CF增强磷酸钙复合胶凝材料的界面结合方式主要为两种：一是弱化学结合力，利用经氧化后碳纤维表面带有的部分羟基、羧基、羰基及水分子，与基体材料形成有效的弱化学力结合；二是机械结合，当胶凝材料流入和填充经处理后纤维表面的刻蚀沟槽等物理缺陷时，形成的凹凸嵌合使这一作用得到提高，在两者的共同作用下复合材料获得了良好的界面结合。研究表明α-TCP／TTCP复合胶凝材料具有良好的生物相容性、生物活性、生物降解性和骨传导性。α-TCP／TTCP植入体内后，界面形成Ca-P富集层，随Ca-P富集层的消失，最终与骨组织融为一体；该胶凝材料能在生物体内逐步降解，并被生物体组织吸收取代，降解和新骨生成过程是同时进行，是既相互联系又相互制约的复杂而缓慢的生物转化过程。本文采用湿式反应法合成高纯度TTCP工艺，解决了TTCP制备困难、纯度低的问题，在合成工艺上有较大创新；探讨了钙磷材料的水化机理，简化了磷酸钙化合物的合成和加工工艺，为研究开发其它磷酸钙种类的胶凝材料开辟了新途径；采用α-TCP的水化产物粘结β-TCP颗粒制备双相多孔磷酸钙材料避免了烧结过程和高结晶度HAP的形成，保证了磷酸钙的生物活性，为多孔材料的制备提供了新工艺；采用生物相容相好、力学性能优良的碳纤维与CPC复合，提高了CPC的机械强度，为CPC的增强提供了一条切实可行的方法。该胶凝材料性质稳定、操作方便、能自行固化，适用于作盖髓材料、牙体修复材料及骨缺损充填材料和牙根管充填材料，可提高疗效，缩短疗程，简化操作，具有临床使用价值。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 骨的组成与结构
• 1.2 骨的缺损与移植修复
• 1.2.1 骨的缺损
• 1.2.2 骨的康复
• 1.2.3 骨的移植修复材料
• 1.2.4 骨组织工程
• 1.3 钙磷生物材料
• 1.3.1 钙磷生物材料的发展
• 1.3.2 生物活性及其机理
• 1.3.3 钙磷生物材料的骨传导性和骨诱导性
• 1.4 磷酸钙胶凝材料
• 1.4.1 生物骨水泥的研究现状
• 1.4.2 磷酸钙胶凝材料的主要种类
• 1.4.3 磷酸钙胶凝材料的应用前景
• 1.4.4 磷酸钙胶凝材料目前存在的问题
• 1.5 论文的选题目的及主要研究内容
• 第二章 α-TCP的胶凝特性研究
• 2.1 α-TCP的合成
• 2.2 α-TCP的水化性能
• 2.3 促凝剂的选择
• 2.4 α-TCP的胶凝特性
• 2.4.1 α-TCP的水化过程
• 2.4.2 α-TCP硬化产物的性能表征
• 2.5 本章小结
• 第三章 α-TCP/β-TCP复合体系的胶凝特性研究
• 3.1 β-TCP的合成
• 3.2 α-TCP/β-TCP的复合制备工艺
• 3.2.1 α-TCP、β-TCP的复合比例
• 3.2.2 成孔方法的选择
• 3.2.3 双氧水的浓度
• 3.2.4 温度及保温时间
• 3.2.5 养护
• 3.3 α-TCP/β-TCP胶凝材料的性能表征
• 3.3.1 微观形貌分析
• 3.3.2 XRD定性分析
• 3.3.3 显气孔率和容重分析
• 3.3.4 表面生物活性
• 3.4 本章小结
• 第四章 α-TCP/TTCP复合体系的胶凝特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 TTCP的合成
• 4.2.1 固-固反应法制备TTCP
• 4.2.2 湿法反应制备TTCP
• 4.3 促凝剂的选择
• 4.4 α-TCP/TTCP复合体系的胶凝特性
• 4.4.1 α-TCP与TTCP的复合制备
• 4.4.3 α-TCP/TTCP的胶凝性能
• 4.5 α-TCP/TTCP的水化动力学模型
• 4.6 影响α-TCP/TTCP胶凝性能的因素
• 4.6.1 促凝剂的浓度
• 4.6.2 α--TCP/TTCP的颗粒度
• 4.6.3 液固比
• 4.6.4 羟基磷灰石晶体
• 4.7 本章小结
• 第五章 碳纤维增强α-TCP/TTCP复合胶凝材料的研究
• 5.1 碳纤维的预处理
• 5.2 不同氧化程度CF的增强效果
• 5.3 CF长径比、含量对CPC硬化体强度的影响
• 5.4 CF对CPC的增强机制
• 5.5 本章小结
• 第六章 磷酸钙复合胶凝材料的生物学性能
• 6.1 生物降解性能
• 6.1.1 体外溶解
• 6.1.2 体内降解
• 6.2 生物相容性
• 6.2.1 材料与方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.3 骨传导性
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 附录
• Ⅰ 缩写名称
• Ⅱ 攻读博士学位期间发表论文
• 致谢