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目 录

摘要 II

第一章 绪论 1

1.1 羟基磷灰石的结构与性质 1

1.1. 1 羟基磷灰石的结构 1

1.1．2 羟基磷灰石的物理与化学性质 3

1.1．3 羟基磷灰石的其他性质 3

1.2 羟基磷灰石粉体的制备方法 4

1.2 .1 　沉淀法 4

1.2 .2 　溶胶-凝胶法 4

1.2 .3 　水热法 4

1.2 .4 　超声波合成法 5

1.2 .5 　固态合成法 5

1.2 .6 　自蔓延高温合成法 5

1.3 水热法制备HA粉体的研究现状 6

1.3 .1 水热法的应用 6

1.3 .2 水热法制备HA的发展 7

1.4 提出本课题的目的以及研究内容 8

第二章 实验方法 9

2.1 实验过程 9

2.1.1 实验原料 9

2.1.2 实验仪器 9

2.1.3 HA粉体制备工艺流程 9

2.1.4 蛋白质的吸附实验过程 11

2.2 性能表征 11

2.2.1 TEM分析 11

2.2.2 XRD分析 12

2.2.3 紫外分光光度计分析蛋白质的吸附 12

第三章 水热法制备纳米HA工艺过程研究 14

3.1 工艺参数 对粉体性能的影响 14

3.1.1 沉淀性能 14

3.1.2 TEM分析 17

3.1.3 XRD分析 22

3.2 HA的水热制备机理 23

3.2.1 水热法前驱物的溶解机制 23

3.2.2 水热法晶核形成机理 24

3.2.3 水热法制备HA的机理 24

第四章 蛋白质的吸附研究 26

4.1 水热温度对HA吸附蛋白质的影响 26

4.2 高温热处理对HA吸附蛋白质的影响 27

第五章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

绪论

自19世纪九十年代以来, 生物材料学领域得到了飞速的发展, 无机生物医用材料的科学研究以及其应用十分的活跃, 其中十分受关注的是羟基磷灰石(hydroxyapatite , 简称HA 或HAP)活性陶瓷材料的科学研究和临床应用。羟基磷灰石属于一种微溶于水的弱碱性磷酸钙盐, 它的组成十分接近生物体骨晶体成分, 与人体骨骼晶体的结构基本上一致 。HA因 具有很好的界面生物活性和生物相容性^[1], 故而能与生物体中的骨形成很强的化学结合且产生骨传导作用，从而逐渐诱导骨周围的骨组织生长, 它是很理想的生物体硬组织的修复和替代材料^[2], 而且HA可以制成性能非常优良的HA骨组织工程支架材料、HA涂层材料^[3]、HA陶瓷、药物载体^[4]及抗肿瘤活性物质以及人造鼻软骨、人造颌骨、皮肤内移植、牙膏添加剂、骨填充材料、人造齿根、人工中耳通气管材料和金属的种植涂层材料等, 虽然有大量的有关于HA仿生材料的合成方面的研究报道,实际上也取得了许许多多的科学研究成果。但现今有关HA纳米晶体形成的机理研究报道十分稀少, 羟基磷灰石晶体作为一种低维的人工晶体^[5], 在通过水热法合成的过程中, 它的传统的晶化机理依然符合溶解- 重结晶这个模型, 即以先溶解，再扩散转移，继而结晶的时间顺序形成晶体。水热法合成HA晶体的晶化过程是一个有序化进程, 可以分别从分子状态和结构的改变来看。分子的状态变化是从分散态变化为凝聚态，其结构变化是从无序变化为短程有序，最后形成长程有序的晶体。这种变化的根本原因在热力学上来说是能量的起伏和结构的起伏。此文以经典的晶体生长的基本理论为依据, 讨论了水热法制备的样品的物相、组分、微观形貌、相演变和晶相形成的机理，且制备出了效果良好的样品材料。

羟基磷灰石的结构与性质

1.1.1 羟基磷灰石的结构

羟基磷灰石，又被称为羟磷灰石，碱式磷酸钙，它是钙磷灰石（Ca₅(PO₄)₃(OH)）的自然矿物化。其化学式经常被写成（Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂）以突出表示它的组成部分。羟基磷灰石简称 HA（或者HAP），HA在生物体里的存在形式主要是存在于脊椎动物骨骼及动物牙齿。羟基磷灰石的晶体结构是L⁶PC 对称型和P63/m 空间群的六角柱体（如图1），是六方晶系。与c轴垂直的面即（001）面是一个六边形的形状，a、b轴的夹角为120°，且a轴与 c 轴互相垂直。十个Ca² 、 六个磷酸根和两个氢氧根离子共同构成一个晶胞。沿轴自上而下投影所得晶胞的中央位置的官能团是氢氧根， 6 个二价钙离子分两层组成两个平行的三角形包围着氢氧根离子；在更外面，又有 6 个磷酸根官能团分成两层组成两个平行的三角形。

图1-1 羟基磷灰石的晶型

如图 2 所示。HA 晶体结构较为复杂，可以总结为两种结构形式:一种结构是由 6 个磷酸根离子四面体组成 9 个角顶，每一个角顶有一个氧离子，晶胞中的钙离子处于 6 个磷酸根离子四面体当中且与9 个氧离子连接在一起，钙离子的配位数为 9； 另一种结构形式是由 6 个 二价钙离子组成 OH － Ca相配位的八面体，其邻近的 4 个磷酸根离子中的 6 个角顶上的二价氧离子和氢氧根离子与角顶的 钙离子相连接，钙离子的配位数是 7。

图1-2 HA的晶胞结构

1．1．2羟基磷灰石的物理与化学性质

羟基磷灰石理论上的钙与磷的摩尔比为5/3，比值约为1．67，其摩尔质量是 1004．64g/mol，密度约为 3．16g/cm，它是一种无色无臭的结晶粉体。其折射率在 1．64 ～ 1．65之间，热膨胀系数为 1．5× 10^-6 K^-1。

HA晶体在水中微溶，其水溶液呈弱碱性， pH 在 7 ～ 9 之间，比较容易溶解在酸性溶剂中，很难溶于碱性环境，HA的离子交换能力非常强，可与含羧基( － COOH) 的氨基酸、蛋白质、有机酸等物质发生化学反应。

1．1．3 羟基磷灰石的其他性质

（1）羟基磷灰石具有的生物降解性

有关的科学研究结果表明，HA几乎不溶于水溶剂中^[6] 。但是研究显示HA具有缓慢的降解性质。造成这种效果的主要由是以下几个原因：

①理化学方面的原因：物理化学的溶解形式由样品的溶解产物以及其所在的pH环境决定；

②因晶界变化分解成为小颗粒状态：在生物体的特殊生理环境条件下，多孔的HA会发生物理或者化学溶解，比如在晶体边界等活性比较高的地方发生化学反应从而分解为较小的颗粒状态；

③生理方面的因素：例如材料的结晶度下降、HA晶粒的表面积变大、HA晶粒的尺寸的减小以及锶离子、镁离子、碳酸根离子等杂质离子的出现都会加快多孔HA的降解速度。

（2）羟基磷灰石的诱导成骨^[7]性质

国际上已经普遍的认可HA陶瓷具有的优越的骨传导性能，但是它的骨诱导性能却直到最近才有实验给予证明。把样品移植到生物的体内，可以慢慢地生成骨的形成蛋白质并且骨髓的新骨组织也会慢慢显现。对于HA的有关生物活性的机理，Gross、Duchesne等人曾经做过相关的研究与讨论，他们认为HA植入生物体与相邻近的体液和骨发生反应，反应主要是钙、磷等离子的交换，这种交换将维持在动态平衡状态，使得HA中与骨的界面产生新的HA。HA里散发出钙离子和磷离子，生物体液中的钙离子和磷离子也聚集在HA的表面，致使在HA的表面产生钙离子和磷离子层而且与骨细胞中的蛋白质分子相结合，这样HA与骨组织会紧密地形成一个整体。离子的持续交换会极大的影响细胞的增生与分化，从而引起HA表层的骨生长^[8]。

（3）羟基磷灰石的生物相容性

HA 与人体骨骼中的主要的无机成分在组成上是十分相近的，且它具有非常好的生物活性与生物相溶性，在人体植入HA晶体后，由于人体的组织液的作用，HA晶体中的钙元素和磷元素将弥散到需要修复的组织的表面，与人体骨骼组织紧密地结合在一起，形成比较强的相互作用，从而促进了受损骨组织的修复。

羟基磷灰石粉体的制备方法

制备HA粉体有各种各样的方法, 综合起来大致可分为湿法和干法两大类。湿法包括沉淀法^[9-10]、溶胶-凝胶法^[11]、水热合成法^[12]、乳液剂法^[13]、超声波合成法^[14]等；干法有固态反应法^[15]等, 这些反应方法都各有优势与不足。

1.2 .1 　沉淀法

沉淀法是在一定的温度和一定的pH环境的条件下，把适当浓度的磷酸盐与钙盐通过搅拌的方式混合在一起，使混合溶液发生特定的化学反应从而生成HA沉淀物, 沉淀物HA在400 ～ 600 ℃的温度甚至更高的温度下进行煅烧, 可以制得符合一定条件或者比例的HA晶体。若想获得结晶度较高的HA, 应调节烧结温度到9 00 ～ 1200 ℃之间。该法的反应温度不是很高, 合成的HA粉体纯度较高, 合成的颗粒很细, 操作工艺技术简单易懂, 合成HA粉体的成本较其他方法来说较低。但是此法必需严格地把控工艺的条件, 不然的话极容易生成Ca/P 比值很低的缺钙磷灰石颗粒,因而应该严格控制生成沉淀所需要的时间以及调控混合液的pH , 借助分散设备使溶液均匀地混合, 以保证合成HA的反应可以完全地进行，之后用乙醇对反应后的悬浊液进行反复地过滤再烘干, 使得固相和液相分离, 以提高HA粉体的纯净度。

1.2 .2 　溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是二十世纪末才发展起来的制备粉体的新方法, 已得到了世界各国的关注。此法是把醇盐样品溶解在有机溶剂里,往醇盐中加入蒸馏水使其水解或者醇解，再发生聚合反应, 最后变成溶胶,。溶胶形成后, 继续加入水会慢慢地转变成为凝胶状态, 将凝胶在真空环境中低温干燥脱水, 继而会得到比较疏松的干凝胶, 最后对干燥后的干凝胶做高温下的煅烧处理, 即可制得纳米级的粉体样品。与传统的固相烧结法以及固相合成法相比, 此法的合成以及烧结过程中所需的温度较低, 钙磷前驱体的混合会在分子的水平上进行,使得溶胶的化学均匀性高。此种方法是制备HA晶须的一种有效的方法。但因原料的价格过高、有机溶剂有毒、对环境会造成相当大的污染及团聚过快等因素的制约，这种方法极少被使用。

1.2 .3 　水热法

水热法是将装有用蒸馏水制得的样品水溶液的特质的密闭反应容器（通常为高压釜）置于高温高压的环境中，把原来比较难溶或者不溶的固体溶解且发生重结晶反应的一种方法。此法经常把磷酸钙等磷酸盐当做反应物, 溶解在水中后于温度在200 ～400 ℃之间的高压釜中发生反应产生HA晶体。这种方法以人工控制条件会比较容易, 发生反应所需的时间少, 此法制备HA粉体不需煅烧与研磨, 制得的粉末纯净度较高, 晶体缺陷相对较少。且合成过程是在相对较低的温度环境中进行, 反应的条件不苛刻, 所需设备简单易得, 消耗的电能少。因此通过水热法制备的样品粉体晶粒发育很完整、粒度较小且分布很均匀、颗粒的团聚程度较轻、原材料相对便宜、很容易获得适宜的化学计量比和合适的晶型。

如今的科学技术飞速的发展对材料性能以及品质的要求更高，该法在单晶生长性能、陶瓷粉料的制造、薄膜的生成、合成材料、高分子的聚合、材料的评价以及加工、废物的再生、地热的利用等方面有极大的进步。对比其他的制粉方法，用水热法制备得到的粉体有非常好的性能：粉体的晶粒完整发育、晶粒的直径很小且分布非常均匀、很少有团聚现象、容易得到极好的晶粒形态、产物的形态规则且能够控制、生产的成本较低、不需要球磨与高温燃烧的过程、在一定程度上避免了结构缺陷和杂质的出现等等。该法耗能低、投入低、污染低，而且能制得高质量的粉体，产量也很高。水热反应条件的改变会影响粉体的结晶形态以及晶体结构。水热法制得的粉体有下列的特点：

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