上海交通大学：《走进纳米科学》课程教学资源（文献资料）纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中的作用及改变

上浒充通大￥ Shanghai Jiao Tong University 纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中的作用 及改变 《走进纳米科学》结题报告 学生姓名：古丽米娜·阿布都克力木 所在院系：生命科学技术学院 所在专业：生物技术 所在班级：F1208002 学生学号：5120809043 指导教师：程先华 完成时间：2014年7月20日

纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中的作用 及改变 《走进纳米科学》结题报告 学生姓名：古丽米娜·阿布都克力木 所在院系：生命科学技术学院 所在专业：生物技术 所在班级：F1208002 学生学号：5120809043 指导教师：程先华 完成时间：2014 年 7 月 20 日

目录 摘要 ……3 前言 ……3 1.粉体的制备 ……4 1.1纳米羟基磷灰石的制备 ……4 1.2纳米A12O3-ZO2复合粉体的制备 5 2生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展…4 21生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因.……………5 2.2对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用.....6 2.3A1203、ZO2等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 2.4生物陶瓷材料目前存在的缺陷 …7 3.可行性分析 7 3.1创新想法与思考 7 3.2纳米技术加入蛋白质工程的优点8 3.3技术方案 P 3.4技术难点与不足 …9 4.结论 …9 5.谢辞 9 6.参考文献

目录 摘要…………………………………………………………………3 前言…………………………………………………………………3 1.粉体的制备……………………………………………………….4 1.1 纳米羟基磷灰石的制备……………………………………....4 1.2 纳米 Al2O3-ZrO2 复合粉体的制备………………………...5 2.生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展……………………….4 2.1 生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因…………………5 2.2 对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用………………...6 2.3 Al2O3、ZrO2 等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 2.4 生物陶瓷材料目前存在的缺陷……………………………...7 3.可行性分析…………………………………………………….....7 3.1 创新想法与思考………………………………………………7 3.2 纳米技术加入蛋白质工程的优点…………………………. ..8 3.3 技术方案………………………………………………….......8 3.4 技术难点与不足……………………………………………...9 4.结论……………………………………………………………….9 5.谢辞……………………………………………………………….9 6.参考文献………………………………………………………….9

摘要 总结并分析国内外纳米生物陶瓷的研究发展，芳香及趋势，探讨纳米生物陶 瓷材料在骨科中应用的可能性，在此基础上对纳米生物陶瓷材料在制备人工关节 方面的应用前景进行展望。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶 瓷，活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷3类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材 料的代表，从粉体的制工艺，生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。生物陶瓷材料作为无极生物医学材料，具有良好的生物相容性，耐蚀性 等优点越来越受到人们的重视。由于生物陶瓷材料在强度韧性方面存在局限性， 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入，其强度，韧 性，硬度以及生物相容性都有显著提高，纳米生物陶瓷材料终将成为人类再塑健 康人体。 关键词：生物陶瓷：人工关节：纳米技术 ABSTRACT To summarize and analyze of the research progres s,direction and tendency of nano-bioceramic materials ,and probe into the feas ibility of applying nano-bioceramic materials in orthopedics,based on which to forward prospects in fabrication of artificial joints with nano-bioceramic materials.Bioceramic materials could be divided into inert bioceramic,active bioceramic and absorbable bioceramic according its bioactivity.Hydroxyapatite is a kind of ideal bioceramic,which drawn great attention from domes tic and abroad scholars on its fabrication,biocompatibility and medical carrier.As an inorganic biomaterial,bioceramics were more and more important in people's eyes due to its excellent biocompatibility and corros ion res is tance.Large-scale application of bioceramic in clinic is difficult due to its limited obdurability.With the development of nano-technology and nano-materials,the intens ity,toughnes s,rigidity and bioactivity are greatly improved and nano-bioceramic materials will contribute to the molding of healthy body for human. KEY WORDS:biological ceramics;joint prosthesis;NT(Nanotechnology) 前言 20世纪70年代以来，随着A12O3多晶和单晶陶瓷的广泛应用，生物陶瓷 进入了蓬勃发展的时期。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶瓷、 活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷3类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材料 的代表，从粉体的制备工艺、生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。羟基磷灰石的分子式为Ca10PO4)6(OH2,它是四元无机化合物磷灰石 中的一种，其晶体结构属六方晶系，属L6PC对称型和P63m空间群。与其他生 物材料相比，羟基磷灰石含有与人体硬组织的无机质相同的物质，因此，与生物 组织具有良好的生物相容性，无生物毒性。A12O3、ZrO2、SiC及Si3N4等均属 于惰性生物陶瓷，它们在人体内不易溶解，它与生物硬组织的结合为一种机械的

摘要 总结并分析国内外纳米生物陶瓷的研究发展，芳香及趋势，探讨纳米生物陶 瓷材料在骨科中应用的可能性，在此基础上对纳米生物陶瓷材料在制备人工关节 方面的应用前景进行展望。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶 瓷，活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷 3 类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材 料的代表，从粉体的制工艺，生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。生物陶瓷材料作为无极生物医学材料，具有良好的生物相容性，耐蚀性 等优点越来越受到人们的重视。由于生物陶瓷材料在强度韧性方面存在局限性， 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入，其强度，韧 性，硬度以及生物相容性都有显著提高，纳米生物陶瓷材料终将成为人类再塑健 康人体。 关键词：生物陶瓷；人工关节；纳米技术 ABSTRACT To summarize and analyze of the research progres s , direction and tendency of nano-bioceramic materials ,and probe into the feas ibility of applying nano-bioceramic materials in orthopedics , based on which to forward prospects in fabrication of artificial joints with nano-bioceramic materials .Bioceramic materials could be divided into inert bioceramic, active bioceramic and absorbable bioceramic according its bioactivity. Hydroxyapatite is a kind of ideal bioceramic, which drawn great attention from domes tic and abroad scholars on its fabrication, biocompatibility and medical carrier. As an inorganic biomaterial,bioceramics were more and more important in people's eyes due to its excellent biocompatibility and corros ion res is tance.Large-scale application of bioceramic in clinic is difficult due to its limited obdurability. With the development of nano-technology and nano-materials , the intens ity, toughnes s , rigidity and bioactivity are greatly improved and nano-bioceramic materials will contribute to the molding of healthy body for human. KEY WORDS: biological ceramics; joint prosthesis; NT(Nanotechnology) 前言 20 世纪 70 年代以来, 随着 Al2O3 多晶和单晶陶瓷的广泛应用, 生物陶瓷 进入了蓬勃发展的时期。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶瓷、 活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷 3 类, 其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材料 的代表, 从粉体的制备工艺、生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。羟基磷灰石的分子式为 Ca10(PO4)6(OH)2,它是四元无机化合物磷灰石 中的一种, 其晶体结构属六方晶系, 属 L6PC 对称型和 P63m 空间群。与其他生 物材料相比, 羟基磷灰石含有与人体硬组织的无机质相同的物质, 因此, 与生物 组织具有良好的生物相容性, 无生物毒性。Al2O3、ZrO2、SiC 及 Si3N4 等均属 于惰性生物陶瓷,它们在人体内不易溶解, 它与生物硬组织的结合为一种机械的

锁合。生物陶瓷材料要求具有较高的生物弹性及生物相容性以及稳定的化学特 性。利用这些特性可制成各种组织和器官，用于人体的修复或替换。据资料报道 [6,生物材料作为生物医学材料其始于18世纪初，其最先在齿科材料中得以应 用。1963年，Smith等学者发展了一种陶瓷骨替代材料7-10，但生物陶瓷材料在医 学上得到广泛研究和应用，是近二十年来的事。生物陶瓷材料作为无机生物医学 材料，具有良好的生物相容性、耐蚀性等优点越来越受到人们的重视。 随着纳米技术和纳米材料的发展，纳米的微尺度效应及对材料的强韧性作 用越来越受到人们的关注。纳米粉体（超微粉）的合成是纳米陶瓷制备的第一步 也是提高陶瓷材料韧性的有效途径之一。粉体的性能如化学成分配比、粉体纯度、 成分分布、粉体颗粒大小、颗粒尺度分布、团聚状态等对粉体材料的烧结及纳米 陶瓷的性能都有极大的影响。根据粉体制备的原理不同，可分为物理法和化学 法。而现在更普遍的是根据合成粉体的条件不同区分，可分为气相法、液相法、 固相法3类3-1。 1.粉体的制备 1.1纳米羟基磷灰石的制备 国内外学者探索采用不同的方法制备纳米羟基磷灰石，这里着重介绍化学 反应法的制备方法，该工艺方法较为简单。 按照羟基磷灰石中钙磷比为n(Ca)/n(P)=1.67配制一定浓度的NH4)2HPO4 溶液和CaNO3)2溶液。其中CaNO3)2-4H2O用无水乙醇配制，(NH4)2HPO4 用去离子水配制。根据公式10Ca(NO3)2·4H2O+6(NH4)2HPO4+8NH3H2O Ca10(PO4)6(OH2+20NH4NO3+6H2O,将两种溶液进行化学反应。先在烧杯中放 入CNO3)2溶液，然后加入少量(NH4)2HPO4溶液，使反应混合液中产生羟基 磷灰石晶核，然后按照10mL/min的速度滴加(NH4)2HPO4溶液，随着反应的 进行，随时滴加氨水，维持反应液的pH值在10.5~11.0。待反应完毕后，强力搅 拌反应2h,然后陈化24h,倾去上层清液，用去离子水洗涤并过滤两次，再用无 水乙醇洗涤并过滤两次，直至沉淀物为中性。将所得糊状沉淀物 在干燥箱中90℃干燥24h,取少量干燥样品，用于X射线衍射分析和透射 电子显微镜分析。通过对干燥并研磨后得到的羟基磷灰石粉体进行X射线衍射 图谱分析，见图1，根据比较半衍射峰的宽窄，可看出羟基磷灰石粉体的晶粒尺寸 较小，为纳米颗粒

锁合。生物陶瓷材料要求具有较高的生物弹性及生物相容性以及稳定的化学特 性。利用这些特性可制成各种组织和器官, 用于人体的修复或替换。据资料报道 [1-6], 生物材料作为生物医学材料其始于 18 世纪初, 其最先在齿科材料中得以应 用。1963 年,Smith 等学者发展了一种陶瓷骨替代材料[7-10], 但生物陶瓷材料在医 学上得到广泛研究和应用, 是近二十年来的事。生物陶瓷材料作为无机生物医学 材料, 具有良好的生物相容性、耐蚀性等优点越来越受到人们的重视。 随着纳米技术和纳米材料的发展, 纳米的微尺度效应及对材料的强韧性作 用越来越受到人们的关注。纳米粉体( 超微粉) 的合成是纳米陶瓷制备的第一步, 也是提高陶瓷材料韧性的有效途径之一。粉体的性能如化学成分配比、粉体纯度、 成分分布、粉体颗粒大小、颗粒尺度分布、团聚状态等对粉体材料的烧结及纳米 陶瓷的性能都有极大的影响。根据粉体制备的原理不同, 可分为物理法和化学 法。而现在更普遍的是根据合成粉体的条件不同区分, 可分为气相法、液相法、 固相法 3 类[3-11]。 1.粉体的制备 1.1 纳米羟基磷灰石的制备 国内外学者探索采用不同的方法制备纳米羟基磷灰石, 这里着重介绍化学 反应法的制备方法, 该工艺方法较为简单。 按照羟基磷灰石中钙磷比为 n(Ca)/n(P)=1.67 配制一定浓度的(NH4)2HPO4 溶液和 Ca(NO3)2 溶液。其中 Ca (NO3)2·4H2O 用无水乙醇配制, (NH4)2HPO4 用去离子水配制。根据公式 10Ca (NO3)2·4H2O+6 (NH4)2HPO4+8NH3·H2O Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O,将两种溶液进行化学反应。先在烧杯中放 入 Ca (NO3)2 溶液, 然后加入少量(NH4)2HPO4 溶液, 使反应混合液中产生羟基 磷灰石晶核, 然后按照 10 mL/min 的速度滴加(NH4)2HPO4 溶液, 随着反应的 进行, 随时滴加氨水, 维持反应液的 pH 值在 10.5～11.0。待反应完毕后, 强力搅 拌反应 2 h, 然后陈化 24 h, 倾去上层清液, 用去离子水洗涤并过滤两次, 再用无 水乙醇洗涤并过滤两次, 直至沉淀物为中性。将所得糊状沉淀物 在干燥箱中 90 ℃干燥 24 h, 取少量干燥样品, 用于 X 射线衍射分析和透射 电子显微镜分析。通过对干燥并研磨后得到的羟基磷灰石粉体进行 X 射线衍射 图谱分析, 见图 1, 根据比较半衍射峰的宽窄,可看出羟基磷灰石粉体的晶粒尺寸 较小, 为纳米颗粒

1400 1200 1000 800 600 400 200 20 40 6080 衍射角20() 图1粉体的X射线衍射分析语 对粉体进行电镜观察，通过团簇的粉体可以大致测出粉体的尺寸在30~80 nm。可见采用该粉体制备工艺可以获得纳米级的羟基磷灰石粉体，见图2。 图2羟基磷灰石粉体的电镜照片(×1000) 1.2纳米A203-Zr02复合粉体的制备 将标定好的A1(NO3)39H2O、ZrOCL28H2O、YNO3)3:6H2O按摩尔比配 成一定摩尔浓度的混合液，醇水比5：1加入无水乙醇，并加入一定量的聚乙二 醇200和聚乙二醇1540作为分散剂。将此溶液倒入锥形瓶，置于电子恒温水浴 锅中缓慢加热至75℃，保温6h,制得白色溶胶。沉淀过程是在室温电磁搅拌器 上完成的。化学沉淀可以用正滴法（将沉淀剂溶液滴入盐溶液中）或反滴法（将 盐溶液滴入沉淀剂溶液中)。这两种方法的主要区别在于盐溶液的pH值随反应 时间的变化速率不同。对于多种阳离子材料，采用反滴法阳离子在前驱物中有更 好的均匀性2)，故采用这种方法。采用NH4HCO3作为沉淀剂代替传统的氨水- 湿化学法制备纳米氧化物时最常用的沉淀剂。采用NH4HCO3作沉淀剂时，在轻 微搅拌的同时将盐溶液以3 mL/min的速度滴入NH4HCO3溶液的烧瓶中以获 得前驱物沉淀。将合成的悬浮液陈化12h后过滤，然后用蒸馏水洗涤凝胶至3 mol/L AgNO3溶液检测不出C1-。用蒸馏水洗涤过的凝胶再用无水乙醇洗3遍。 将胶体放入坩埚内，在150℃干燥，经研磨和煅烧后得到复合粉体。 选用反应物浓度为0.15mol/L得到的粒度约为15~20nm,团聚情况相对较 好的粉体。经X射线衍射分析见图3，可知采用NH4HCO3作沉淀剂所得粉体

对粉体进行电镜观察, 通过团簇的粉体可以大致测出粉体的尺寸在 30~80 nm。可见采用该粉体制备工艺可以获得纳米级的羟基磷灰石粉体, 见图 2。 1.2 纳米 Al2O3-ZrO2 复合粉体的制备 将标定好的 Al(NO3)3·9H2O、ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3· 6H2O 按摩尔比配 成一定摩尔浓度的混合液, 醇水比 5∶1 加入无水乙醇, 并加入一定量的聚乙二 醇 200 和聚乙二醇 1540 作为分散剂。将此溶液倒入锥形瓶, 置于电子恒温水浴 锅中缓慢加热至 75 ℃, 保温 6 h, 制得白色溶胶。沉淀过程是在室温电磁搅拌器 上完成的。化学沉淀可以用正滴法( 将沉淀剂溶液滴入盐溶液中) 或反滴法( 将 盐溶液滴入沉淀剂溶液中) 。这两种方法的主要区别在于盐溶液的 pH 值随反应 时间的变化速率不同。对于多种阳离子材料, 采用反滴法阳离子在前驱物中有更 好的均匀性[12], 故采用这种方法。采用 NH4HCO3 作为沉淀剂代替传统的氨水- 湿化学法制备纳米氧化物时最常用的沉淀剂。采用 NH4HCO3 作沉淀剂时, 在轻 微搅拌的同时将盐溶液以 3 mL/min 的速度滴入 NH4HCO3 溶液的烧瓶中以获 得前驱物沉淀。将合成的悬浮液陈化 12 h 后过滤, 然后用蒸馏水洗涤凝胶至 3 mol/L AgNO3 溶液检测不出 Cl- 。用蒸馏水洗涤过的凝胶再用无水乙醇洗 3 遍。 将胶体放入坩埚内,在 150 ℃干燥, 经研磨和煅烧后得到复合粉体。 选用反应物浓度为 0.15 mol/L 得到的粒度约为 15~20 nm, 团聚情况相对较 好的粉体。经 X 射线衍射分析见图 3, 可知采用 NH4HCO3 作沉淀剂所得粉体