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羥基磷灰石生物陶瓷納米粒子的制備、表征及生長(zhǎng)機(jī)理的研究

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羥基磷灰石(HAP)作為最有代表性的生物活性陶瓷材料，在材料及近代生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科領(lǐng)域一直受到人們的密切關(guān)注。與人體骨骼晶體成份、結(jié)構(gòu)基本一致的HAP具有良好的生物活性和相容性，，植入人體后對(duì)組織無刺激和排斥作用，能與骨形成很強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合，用作骨缺損的充填材料，能為新骨的形成提供支架，發(fā)揮骨傳導(dǎo)作用，是理想的硬組織替代材料。但因受到本身脆性高、抗折強(qiáng)度低、韌性和力學(xué)性能差等缺陷的限制，應(yīng)用并不廣泛。為了解決這些問題，許多科技工作者近年來進(jìn)行了許多研究，將其作為涂層材料、復(fù)合材料及納米材料來研究開發(fā)，獲得了突破性的進(jìn)展，但在臨床應(yīng)用上還有待深入。有研究發(fā)現(xiàn)，HAP顆粒越小，骨植人體的扭轉(zhuǎn)模量、拉伸模量和拉伸強(qiáng)度就越高，疲勞抗力也相應(yīng)提高，因而可以在很大程度上改善骨植入體的力學(xué)性能。此外，納米粒子的尺寸及形貌嚴(yán)重影響著納米材料的物化性質(zhì)，因此，本論文以生物陶瓷材料羥基磷灰石納米粒子大小及其形貌的可控制備為出發(fā)點(diǎn)，采用了不同的化學(xué)制備方法，探討影響羥基磷灰石納米粒子大小及形貌的因素，并且初步進(jìn)行了一些關(guān)于羥基磷灰石納米粒子的生長(zhǎng)機(jī)理研究工作。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　 1.采用均相共沉淀法，以硝酸鈣和磷酸氫二銨作為前驅(qū)體，在水溶液體系中成功合成出納米級(jí)羥基磷灰石粒子。研究了溶液的pH值、陳化時(shí)間、反應(yīng)的溫度、熱處理溫度、加料方式及速度等因素對(duì)所制得粒子顆粒大小、晶型、分散度、純度等性能的影響，探索出制備納米級(jí)羥基磷灰石粒子簡(jiǎn)單的工藝條件。
　　 2.采用水熱法，對(duì)以硝酸鈣和磷酸氫二銨為前驅(qū)體，在水熱條件下采用均相沉淀法制備HAP納米粒子并且對(duì)其進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，水熱溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)HAP微晶尺寸變化有較大影響，相對(duì)而言，升高溫度，有利于HAP微晶在a軸方向的生長(zhǎng)，而延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間則有利于HAP微晶在c軸方向的生長(zhǎng)；pH值對(duì)物相組成和微晶尺寸均有顯著的影響，pH值升高將阻礙HAP微晶在c軸方向的生長(zhǎng)，并且只有當(dāng)pH≥8.7時(shí)，所得產(chǎn)物為純HAP，沒有CaHP04雜質(zhì)出現(xiàn)。并在適當(dāng)優(yōu)化條件下制備出了長(zhǎng)度在71-343nm,直徑在19-38nm，長(zhǎng)徑比為2-18的結(jié)晶度高、分散性好的HAP納米棒。
　　 3.采用反相微乳液法，采用非離子表面活性劑穩(wěn)定下的微乳液(Triton X-100+Tween80)/環(huán)己烷/(正己醇十正丁醇)/水溶液)體系中，成功制備出棒狀納米級(jí)羥基磷灰石粒子，HAP粒子直徑約在20-25nm之間，長(zhǎng)約28-64nm，混合乳化劑最佳HLB值為13.5，粒徑分布較窄，且分散性較好。另外，由于TX-100和CTAB這兩種乳化劑的不同穩(wěn)定作用使得w/o微乳液界面膜更加穩(wěn)定，有效阻礙了粒子間的團(tuán)聚，因而在利用TX-100+CTAB/正丁醇十正己醇/環(huán)己烷/水相四組分微乳液為模板時(shí)制備出的納米級(jí)羥基磷灰石粉體的分散性更好。
　　 4.在水熱條件下采用乳液為模板制備HAP納米粒子，水熱法與微乳液法相結(jié)合使用，將有利于發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在分子尺度上控制結(jié)晶化程度高的粒子的大小、形態(tài)和結(jié)構(gòu)。采用水熱微乳液法制備HAP納米粒子，考察在水熱微乳液法中考察CTAB濃度、pH值對(duì)HAP生長(zhǎng)的影響。
　　 5.采用囊泡、微乳有序體系作為模板，研究羥基磷灰石納米粒子生長(zhǎng)機(jī)理，通過調(diào)整參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)羥基磷灰石形貌的有效控制，從而實(shí)現(xiàn)不同形貌羥基磷灰石納米粒子的可控制備。采用CTAB/SDS囊泡為模板在25℃下反應(yīng)24h所得產(chǎn)品的形貌為薄片卷曲狀；微乳液Ⅰ(環(huán)己烷/SDS，CTAB/丁醇/水溶液)體系下25℃下反應(yīng)24h所得到的帶狀晶體；微乳液Ⅱ(環(huán)己烷/TX-100/丁醇/水溶液)在pH=8，160℃下反應(yīng)12h時(shí)的產(chǎn)品，形貌大多為棒狀，當(dāng)此體系調(diào)節(jié)pH到9時(shí)，所得產(chǎn)品的形貌大多為球形。
　　 羥基磷灰石作為人體硬組織替換材料是生物材料發(fā)展的一大熱點(diǎn)，隨著全球老齡化的發(fā)展，HAP生物活性材料必將具有廣闊的研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)前景。

作者 孫玉繡

學(xué)科專業(yè) 應(yīng)用化學(xué)

授予學(xué)位 博士

授予單位 北京化工大學(xué)

導(dǎo)師姓名 郭廣生

學(xué)位年度 2007

MeSH主題詞 乳化劑(Emulsifying Agents) 拉伸強(qiáng)度(Tensile Strength) 磷灰石(Apatites) 納米粒(Nanoparticles) 牙瓷料(Dental Porcelain)

分類號(hào) TB383;R318.08

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