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介孔磷灰石微球和涂层的制备及形成机理

作　者: 郭亚平
导　师: 周玉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 磷灰石微球 磷灰石涂层 介孔结构 贝壳 电泳沉积
分类号: R318.08
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


磷灰石是人体中骨、牙齿等硬组织的主要无机成分,具有优良的生物相容性、生物活性、骨传导性、无毒性和非炎性等优点,因此人工合成的磷灰石粉末或者涂层被广泛的应用于骨填充材料和替代材料。最近,研究表明材料的生物活性不仅与材料的化学组成有关,还与材料的孔径、孔容、孔结构等显微结构有关。生物材料的介孔结构能促进细胞黏附、生物代谢物的吸收,控制材料的再吸收速度使其与骨组织修复速度相匹配。本文提出了化学浸泡法、类乳液法、电泳沉积-化学浸泡法,并制备了介孔磷灰石微球和涂层。采用XRD、FTIR、SEM、TEM、XPS、BET、TG-DSC等分析手段表征了介孔磷灰石微球和涂层的形貌、物相、介孔结构和体外磷灰石形成活性,探讨了介孔磷灰石微球和涂层的形成机理。热力学计算表明贝壳粉末和碳酸钙粉末经磷酸缓冲溶液（PBS溶液）处理后在低温下能够转化成磷酸钙盐。磷灰石在热力学上比其它磷酸钙盐更稳定,但是转化产物受PBS溶液的pH值控制。如果溶液pH值保持在6.0或者6.4,则转化产物为磷酸八钙（OCP）和磷酸氢钙（DCPD）,如果溶液pH值保持在7.4或者8.0,则转化产物为磷灰石。磷灰石的形成机理是溶解-沉淀反应,即贝壳粉末和碳酸钙粉末浸泡到PBS溶液后,小颗粒率先溶解,游离出的钙离子与溶液中磷酸根离子反应生成磷灰石并沉积在大颗粒表面。提高磷灰石转化率的方法包括减少粒径、延长反应时间和增大PBS溶液浓度等。碳酸钠溶液与含贝壳有机质的氯化钙溶液通过沉淀反应制备了碳酸钙微球。采用化学浸泡法和类乳液法将碳酸钙微球转化成低结晶度的缺钙型介孔磷灰石微球。磷灰石晶格中的部分PO43-离子被CO32-离子和HPO42-离子取代。采用化学浸泡制备的介孔磷灰石微球的形貌不规则,粒径分布不均匀,其吸附-脱附等温线为IV型,含有H3型迟滞环,对应的BJH孔径分布曲线为单峰结构,峰位置位于3.9 nm。在Na2HPO4/十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）/环己烷/正丁醇乳液体系中,采用类乳液法制备了单分散的介孔磷灰石微球,粒径约5μm,其吸附-脱附等温线也为IV型,含有H3型迟滞环,对应的BJH孔径分布曲线为双峰结构,峰位置位于3.9 nm和9.0 nm。延长反应时间和提高反应温度会导致孔径为9.0 nm的介孔消失。磷灰石微球的介孔结构形成原因取决于磷灰石纳米粒子的堆积,通过直接或者以CTAB胶束为模板堆积形成孔径分别为3.9 nm和9.0 nm的介孔。采用电泳沉积-化学浸泡两步法制备了介孔磷灰石涂层,即首先将贝壳粉末或者碳酸钙粉末电泳沉积到Ti6Al4V基体表面形成贝壳涂层或碳酸钙涂层,然后经PBS溶液处理转化成介孔磷灰石涂层。贝壳涂层或者碳酸钙涂层在PBS溶液中浸泡1天后转化成具有片状形貌的介孔磷灰石涂层,孔径分布在3.9 nm。当浸泡时间延长到9天,涂层形貌由片状转化成海绵状,而且介孔结构部分消失。Ti6Al4V基体经H3PO4/HF溶液处理后,表面形成一层无定形的TiOx,同时吸附少量的PO43-离子。在贝壳涂层转化成磷灰石涂层过程中,TiOx和PO43-离子能够促进磷灰石的形成,导致TiOx氧化层中存在Ca、P、Ti的梯度分布。模拟体液（SBF）浸泡实验表明:介孔磷灰石涂层由于低Ca/P比、介孔结构和贝壳有机质,因此浸泡到SBF溶液后涂层表面能够快速沉积上一层磷灰石。采用电泳沉积-化学浸泡两步法制备了磁性介孔磷灰石涂层,即首先将CaCO3/Fe3O4粉末电泳沉积到Ti6Al4V基体表面形成CaCO3/Fe3O4涂层,然后经PBS溶液处理转化成磁性介孔磷灰石涂层。将CaCO3/Fe3O4涂层浸泡到PBS溶液后,片状磷灰石沉积在CaCO3/Fe3O4颗粒表面。Fe3O4纳米粒子能够加速碳酸钙转化成磷灰石,磁性碳酸钙涂层在PBS溶液中浸泡1天后残留的碳酸钙只有9.1%,低于无磁性碳酸钙涂层的41.0%。磁性介孔磷灰石涂层的孔径为3.9 nm,即使浸泡时间延长到9天介孔不消失。SBF浸泡实验表明Fe3O4纳米粒子能够提高磷灰石涂层的体外磷灰石形成活性。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-17
第1章 绪论  17-37
  1.1 课题背景  17-18
  1.2 介孔生物陶瓷的制备方法及应用前景  18-24
    1.2.1 制备方法  19-22
    1.2.2 应用前景  22-24
  1.3 羟基磷灰石涂层的制备方法  24-32
    1.3.1 仿生法  25-26
    1.3.2 等离子喷涂法  26-27
    1.3.3 电化学沉积法  27-29
    1.3.4 电泳沉积法  29-32
  1.4 以生物矿物为原料制备羟基磷灰石的方法  32-35
    1.4.1 水热法  33-34
    1.4.2 化学浸泡法  34-35
  1.5 本论文的研究目的、意义和主要研究内容  35-37
    1.5.1 研究目的和意义  35-36
    1.5.2 主要研究内容  36-37
第2章 磷灰石粉末的制备及热力学计算  37-59
  2.1 原料与实验方法  37-40
    2.1.1 贝壳的来源及提取  37-39
    2.1.2 磷酸缓冲溶液的配置  39
    2.1.3 磷灰石粉末的制备  39
    2.1.4 表征手段  39-40
  2.2 低温制备磷灰石的热力学研究  40-46
    2.2.1 磷酸钙盐的溶解相图  40-45
    2.2.2 磷酸缓冲溶液的浓度对转化速率的影响  45-46
  2.3 工艺条件对低温制备磷灰石粉末的影响  46-52
    2.3.1 溶液pH 值对转化产物的影响  46-48
    2.3.2 反应时间对转化产率的影响  48-50
    2.3.3 贝壳粉末的粒径对转化速率的影响  50-52
    2.3.4 碳酸钙的物相对转化产物的影响  52
  2.4 磷灰石粉末的形成机理  52-57
    2.4.1 贝壳粉末转化成磷灰石粉末的两种途径  53-56
    2.4.2 粒径对转化机理的影响  56-57
  2.5 本章小结  57-59
第3章 介孔磷灰石微球的制备及形成机理  59-85
  3.1 原料与实验方法  59-61
    3.1.1 碳酸钙微球的制备  59-60
    3.1.2 介孔磷灰石微球的制备  60
    3.1.3 表征手段  60-61
  3.2 介孔磷灰石微球的结构和形貌  61-70
    3.2.1 碳酸钙微球的形貌和结构  61-63
    3.2.2 化学浸泡法制备介孔磷灰石微球  63-67
    3.2.3 类乳液法制备介孔磷灰石微球  67-70
  3.3 介孔磷灰石微球的影响因素  70-78
    3.3.1 贝壳有机质  70-73
    3.3.2 反应时间  73-74
    3.3.3 温度  74-77
    3.3.4 碳酸钙物相  77-78
  3.4 介孔磷灰石微球的形成机理  78-83
    3.4.1 类乳液法的提出  78-79
    3.4.2 类乳液法制备介孔磷灰石微球的机理  79-83
  3.5 本章小结  83-85
第4章 介孔磷灰石涂层的制备及形成机理  85-115
  4.1 原料与实验方法  85-87
    4.1.1 钛合金的预处理  85
    4.1.2 碳酸钙粉末的制备  85-86
    4.1.3 电泳沉积贝壳涂层和碳酸钙涂层  86
    4.1.4 介孔磷灰石涂层的制备  86-87
    4.1.5 表征手段  87
  4.2 电泳沉积贝壳涂层  87-100
    4.2.1 化学处理对钛合金结构和形貌的影响  87-90
    4.2.2 贝壳涂层的形貌和结构  90-95
    4.2.3 贝壳涂层的形成机理  95-97
    4.2.4 影响贝壳涂层沉积量的因素  97-100
  4.3 化学浸泡法制备介孔磷灰石涂层  100-109
    4.3.1 贝壳涂层转化成介孔磷灰石涂层  100-105
    4.3.2 碳酸钙涂层转化成介孔磷灰石涂层  105-109
  4.4 介孔磷灰石涂层的形成机理  109-113
    4.4.1 磷灰石涂层的形成机理  109-112
    4.4.2 介孔结构的演化机理  112-113
  4.5 本章小结  113-115
第5章 介孔磷灰石涂层的模拟体液浸泡实验  115-132
  5.1 原料与实验方法  115-116
    5.1.1 模拟体液的配制  115-116
    5.1.2 模拟体液浸泡实验  116
    5.1.3 表征手段  116
  5.2 介孔磷灰石涂层的体外磷灰石形成活性  116-127
    5.2.1 形成类骨型磷灰石的热力学依据  117-120
    5.2.2 贝壳涂层转化成介孔磷灰石涂层的体外磷灰石形成活性  120-124
    5.2.3 碳酸钙涂层转化成介孔磷灰石涂层的体外磷灰石形成活性  124-127
  5.3 影响介孔磷灰石涂层体外磷灰石形成活性的因素  127-130
    5.3.1 介孔磷灰石涂层的Ca/P 比  127-129
    5.3.2 介孔磷灰石涂层的介孔结构  129-130
    5.3.3 介孔磷灰石涂层中的贝壳有机质  130
  5.4 本章小结  130-132
第6章 磁性介孔磷灰石涂层的制备及形成机理  132-149
  6.1 原料与实验方法  132-133
    6.1.1 磁性纳米粒子的制备  132-133
    6.1.2 磁性碳酸钙粉末的制备  133
    6.1.3 磁性介孔磷灰石涂层的制备  133
    6.1.4 表征手段  133
  6.2 磁性介孔磷灰石涂层结构和形貌  133-141
    6.2.1 磁性介孔磷灰石涂层的物相结构  133-136
    6.2.2 磁性介孔磷灰石涂层的形貌  136-138
    6.2.3 磁性介孔磷灰石涂层的孔结构  138-141
  6.3 磁性介孔磷灰石涂层的磁性能和热稳定性  141-143
    6.3.1 磁性介孔磷灰石涂层的磁性能  141
    6.3.2 磁性介孔磷灰石涂层的热稳定性  141-143
  6.4 磁性介孔磷灰石涂层的形成机理  143-146
    6.4.1 磁性纳米粒子对介孔磷灰石形成速率的影响  143-145
    6.4.2 磁性纳米粒子对介孔结构的影响  145-146
  6.5 磁性介孔磷灰石涂层的体外磷灰石形成活性  146-148
  6.6 本章小结  148-149
结论  149-151
参考文献  151-169
攻读博士学位期间发表的论文  169-172
致谢  172-173
个人简历  173

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中图分类: > 医药、卫生 > 基础医学 > 医用一般科学 > 生物医学工程 > 一般性问题 > 生物材料学
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