羟基磷灰石生物陶瓷纳米粒子的制备、表征及生长机理的研究

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羟基磷灰石生物陶瓷纳米粒子的制备、表征及生长机理的研究

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羟基磷灰石(HAP)作为最有代表性的生物活性陶瓷材料，在材料及近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注。与人体骨骼晶体成份、结构基本一致的HAP具有良好的生物活性和相容性，，植入人体后对组织无刺激和排斥作用，能与骨形成很强的化学结合，用作骨缺损的充填材料，能为新骨的形成提供支架，发挥骨传导作用，是理想的硬组织替代材料。但因受到本身脆性高、抗折强度低、韧性和力学性能差等缺陷的限制，应用并不广泛。为了解决这些问题，许多科技工作者近年来进行了许多研究，将其作为涂层材料、复合材料及纳米材料来研究开发，获得了突破性的进展，但在临床应用上还有待深入。有研究发现，HAP颗粒越小，骨植人体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高，疲劳抗力也相应提高，因而可以在很大程度上改善骨植入体的力学性能。此外，纳米粒子的尺寸及形貌严重影响着纳米材料的物化性质，因此，本论文以生物陶瓷材料羟基磷灰石纳米粒子大小及其形貌的可控制备为出发点，采用了不同的化学制备方法，探讨影响羟基磷灰石纳米粒子大小及形貌的因素，并且初步进行了一些关于羟基磷灰石纳米粒子的生长机理研究工作。具体研究内容如下：
　　 1.采用均相共沉淀法，以硝酸钙和磷酸氢二铵作为前驱体，在水溶液体系中成功合成出纳米级羟基磷灰石粒子。研究了溶液的pH值、陈化时间、反应的温度、热处理温度、加料方式及速度等因素对所制得粒子颗粒大小、晶型、分散度、纯度等性能的影响，探索出制备纳米级羟基磷灰石粒子简单的工艺条件。
　　 2.采用水热法，对以硝酸钙和磷酸氢二铵为前驱体，在水热条件下采用均相沉淀法制备HAP纳米粒子并且对其进行了研究。研究发现，水热温度和反应时间对HAP微晶尺寸变化有较大影响，相对而言，升高温度，有利于HAP微晶在a轴方向的生长，而延长反应时间则有利于HAP微晶在c轴方向的生长；pH值对物相组成和微晶尺寸均有显著的影响，pH值升高将阻碍HAP微晶在c轴方向的生长，并且只有当pH≥8.7时，所得产物为纯HAP，没有CaHP04杂质出现。并在适当优化条件下制备出了长度在71-343nm,直径在19-38nm，长径比为2-18的结晶度高、分散性好的HAP纳米棒。
　　 3.采用反相微乳液法，采用非离子表面活性剂稳定下的微乳液(Triton X-100+Tween80)/环己烷/(正己醇十正丁醇)/水溶液)体系中，成功制备出棒状纳米级羟基磷灰石粒子，HAP粒子直径约在20-25nm之间，长约28-64nm，混合乳化剂最佳HLB值为13.5，粒径分布较窄，且分散性较好。另外，由于TX-100和CTAB这两种乳化剂的不同稳定作用使得w/o微乳液界面膜更加稳定，有效阻碍了粒子间的团聚，因而在利用TX-100+CTAB/正丁醇十正己醇/环己烷/水相四组分微乳液为模板时制备出的纳米级羟基磷灰石粉体的分散性更好。
　　 4.在水热条件下采用乳液为模板制备HAP纳米粒子，水热法与微乳液法相结合使用，将有利于发挥各自的优点，可以实现在分子尺度上控制结晶化程度高的粒子的大小、形态和结构。采用水热微乳液法制备HAP纳米粒子，考察在水热微乳液法中考察CTAB浓度、pH值对HAP生长的影响。
　　 5.采用囊泡、微乳有序体系作为模板，研究羟基磷灰石纳米粒子生长机理，通过调整参数来实现对羟基磷灰石形貌的有效控制，从而实现不同形貌羟基磷灰石纳米粒子的可控制备。采用CTAB/SDS囊泡为模板在25℃下反应24h所得产品的形貌为薄片卷曲状；微乳液Ⅰ(环己烷/SDS，CTAB/丁醇/水溶液)体系下25℃下反应24h所得到的带状晶体；微乳液Ⅱ(环己烷/TX-100/丁醇/水溶液)在pH=8，160℃下反应12h时的产品，形貌大多为棒状，当此体系调节pH到9时，所得产品的形貌大多为球形。
　　 羟基磷灰石作为人体硬组织替换材料是生物材料发展的一大热点，随着全球老龄化的发展，HAP生物活性材料必将具有广阔的研究价值和市场前景。

作者 孙玉绣

学科专业 应用化学

授予学位 博士

授予单位 北京化工大学

导师姓名 郭广生

学位年度 2007

MeSH主题词 乳化剂(Emulsifying Agents) 拉伸强度(Tensile Strength) 磷灰石(Apatites) 纳米粒(Nanoparticles) 牙瓷料(Dental Porcelain)

分类号 TB383;R318.08

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