鎂磷灰石涂層生物材料組織與性能研究.pdf

1、磷灰石生物材料，特別是羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2, HA)和β-磷酸三鈣(β-Ca3(PO4)2,β-TCP)在生物體內(nèi)具有生物相容性和生物活性。然而，由于較高的脆性和較低的強度，它們并不適合直接用于生物體內(nèi)的承重部位。另一方面，金屬生物材料由于它們具有優(yōu)良的機械性能，能夠滿足承重的需要。但是，由于金屬生物材料不能直接與骨進行化學鍵合，并且金屬植入體的磨損和腐蝕還可能導致金屬離子的釋放，引起疾病并最終會導致移植手術(shù)的失敗

2、。
　　 當在金屬(合金)基體上涂上磷灰石涂層，金屬材料優(yōu)異的機械性能與磷灰石材料良好的生物活性完美結(jié)合使這種復合生物材料成為醫(yī)療應用的理想選擇。
　　 然而，磷灰石涂層在醫(yī)療實踐中的應用仍然面臨許多問題，包括它們較高的溶解率、生物活性以及涂層與基體間結(jié)合強度的不足，都會影響移植材料在生物體內(nèi)的長期穩(wěn)定性。
　　 近年的研究發(fā)現(xiàn)，使用生物骨內(nèi)存在的離子如K+、Na+、2n2+、Mn2+和Mg2+等可以替代磷灰石結(jié)

3、構(gòu)中的Ca2+，利用這些離子在骨新陳代謝、促進媒介反應和生物控制等方面的功能可以提高磷灰石材料的牛物活性及其物理化學性能。
　　 鎂是生物骨中存在的最重要的二價離子之一，它經(jīng)常與骨和牙齒組織的鈣化過程直接相關(guān)。鎂還間接地影響礦物質(zhì)的新陳代謝，甚至控制著礦物質(zhì)的晶化過程(包括晶粒尺寸、晶格常數(shù)等)以及這些礦物質(zhì)的形成方式。因此，鎂磷灰石生物材料近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。本研究著力于通過溶膠凝膠法在鈦合金(Ti6A14V)基體上合

4、成鎂磷灰石生物材料涂層，并通過現(xiàn)代分析方法對涂層的理化性能、機械性能和生物活性進行了詳細分析。通過對涂層各方面性能的優(yōu)化以得到具有較高的生物活性、可控的溶解速率、可接受的表面形貌以及涂層與基體間結(jié)合強度優(yōu)良的涂層。通過實驗研究與理論分析，獲得了如下主要結(jié)論。
　　 1．在600℃燒結(jié)條件下，通過溶膠凝膠法合成了鎂磷灰石涂層。涂層致密，厚度均勻，沒有裂紋和夾雜物出現(xiàn)，整個涂層厚約2μm。
　　 2．鎂合成進入磷灰石涂層對磷

5、灰石的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大影響。當合成進入涂層鎂的含量χ＜1時，涂層顯示出HA相和β-TCP相共存的特點。當鎂的含量χ＞1時，涂層中只有β-TCP相存在。鎂離子在羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)中替換鈣離子會引起羥基磷灰石的晶格畸變，這種畸變抑制了非晶態(tài)磷灰石向羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，但卻促進了非晶態(tài)磷灰石向β-TCP晶相的轉(zhuǎn)變。鎂合成進入涂層會導致涂層元素組成發(fā)生變化。當合成進入涂層鎂的含量χ=1時，涂層中鎂的含量與設(shè)計值保持基本一致，涂層中元素處

6、于均勻分布狀態(tài)。當鎂的含量χ＞1時，除了少部分鎂進入磷灰石晶體結(jié)構(gòu)外，大部分鎂在涂層表面以氧化鎂的形式富集，從而導致了鎂元素含量在XPS元素分析中的快速增加。
　　 3．鎂在涂層中會引起涂層機械性能的變化。鎂合成進入磷灰石涂層會促進涂層中磷酸三鈣的形成，這種促進引起涂層硬度和楊氏模量的降低，所以涂層作為植入體在承重條件下還需要依靠金屬基體的機械性能。鎂合成進入涂層可以改善涂層與基體的結(jié)合力。這種結(jié)合力的改善源于鎂在過渡層中與磷灰

7、石和基體金屬鈦形成復合結(jié)構(gòu)Ca-P-H-O-Ti-Mg。在一定的范圍內(nèi)，涂層中的鎂的含量越高，形成的Mg-Ti-O化學鍵數(shù)量就越多，對涂層與基體的結(jié)合力就越有好處。
　　 4．鎂磷灰石在生理鹽水中的溶解特性顯示，涂層的溶解速率與含鎂量有關(guān)。當涂層含鎂量χ=1時，涂層中加入鎂有利于降低涂層的溶解性；當含鎂量χ＞1時，加入的鎂會使涂層的溶解性升高。含鎂磷灰石涂層溶解時會向周圍環(huán)境提供Mg2+。由于Mg2+會對骨細胞協(xié)調(diào)成長和新陳代謝

8、的反應起到關(guān)鍵作用，鎂磷灰石涂層將對移植后鎂缺乏現(xiàn)象有緩解作用。
　　 5．不同鎂磷灰石涂層在模擬體液中顯示了不同的生物活性。當涂層中含鎂量χ=1時，鎂在涂層中的存在將增加體液中磷灰石的形核率，有利于新磷灰石在涂層表面沉積。而當涂層含鎂量χ>1時，鎂會增加涂層的溶解速率從而抑制磷灰石從體液中向涂層表面的進一步沉積。模擬體液中不同有機物質(zhì)對新磷灰石在鎂磷灰石涂層上沉積的影響不同。葡萄糖在模擬體液中對新磷灰石沉積的影響較小，可以與磷

9、灰石共同沉積形成新的沉積層。而模擬體液中的蛋白質(zhì)會對鈣磷物質(zhì)的沉積產(chǎn)生一定的影響，它通過在涂層表面形成富含蛋白質(zhì)的新沉積層抑制新磷灰石在涂層表面的繼續(xù)沉積。
　　 6．鎂磷灰石涂層在研究范圍內(nèi)(0=χ=2)都有利于MG63成骨細胞在涂層表面的粘附和增殖，表現(xiàn)出了良好的生物活性。但是由于培養(yǎng)介質(zhì)為細胞提供了充分的鎂離子，使含鎂涂層與不含鎂涂層未表現(xiàn)出明顯的差異。
　　 7．在涂層中加入鎂、氟、鋅離子會對涂層的理化性能產(chǎn)生不

10、同的影響。氟和鋅加入涂層會進入羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)，起到穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)的作用。而鎂加入涂層則會影響羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，更容易促進β-磷酸三鈣相在涂層中的形成。氟離子加入鎂磷灰石涂層則會抑制這種轉(zhuǎn)變的發(fā)生，起到穩(wěn)定羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)的作用。
　　 8．鎂、氟、鋅等離子在涂層中對涂層的機械性能有一定的影響。在磷灰石晶體結(jié)構(gòu)中引入陽離子鎂和鋅取代鈣離子的位置會引起涂層硬度和楊氏模量的降低，引入陰離子F-取代OH-分子團的位置則會