溶胶-凝胶法在磷酸钙陶瓷制备中的应用研究

摘要

近年来，出现了一种新的制备纳米羟基磷灰石的溶胶-凝胶法，这种方法以硝酸钙和五氧化二磷为原料，和其他溶胶-凝胶法相比，它所采用的原料价格低廉，制备过程简单，无需调节pH值和无需长时间的水解。此溶胶-凝胶法目前报道较多的是用于制备纳米HA粉，其反应机理还未见详细报道，为此本论文系统研究了此溶胶-凝胶体系的反应机理和相变过程，并扩展了其在磷酸钙陶瓷制备中的应用，首次采用此方法制备了致密的β-TCP/HA双相生物陶瓷、高温稳定的β-TCP生物陶瓷和多孔磷酸钙陶瓷。 本文首先研究了硝酸钙-五氧化二磷溶胶-凝胶体系的反应机理和相变过程，考察了乙二醇对此溶胶-凝胶体系的稳定作用和相变的影响。实验结果表明：用此溶胶-凝胶法制备HA，化学计量比的(钙磷比是1.67)HA的高温分解机制与反应物在分子水平上混合不均匀有关。乙二醇的添加可以改善凝胶的稳定性，从而保证化学组分以原子或分子级水平均匀分布。溶胶向凝胶转变形成的是一种含钙、磷的复杂化合物[(OEt)y，(NO3)2-y，Ca]2[P(OEt)s-x，(OH)x，]z，在200℃以下此化合物以非晶形态存在。烧结温度为200℃以上时有机物开始分解，化合物结构发生变化。400℃羟基磷灰石开始形成。 为制备高致密度的β-TCP/HA双相陶瓷，采用上述溶胶-凝胶体系制备钙磷比为0.56的低熔点物质(Ca0.56P)，将其添加到HA中，使其在烧结过程中获得液相且同时原位生成β-TCP；随后考察了Ca0.56P的添加量对β-TCP/HA双相陶瓷相成分的影响和致密度的影响。结果表明，此方法可以在低的烧结温度下得到较高致密度的BCP生物陶瓷；通过调节Ca0.56P的添加量(0～5wt％)可以制备不同HA/β-TCP比例的双相钙磷生物陶瓷(BCP)；相同烧结条件下，随Ca0.56P添加量(0～5wt％)增加，样品密度增加。 接下来，以上述溶胶-凝胶法为基，提供了一种新颖的提高TCP相变温度的方法。该方法是将羟基磷灰石粉添加到五氧化二磷的醇溶液中，使其在烧结过程中发生反应，原位生成β-TCP，使β-磷酸三钙向α相的转变温度提高到1300℃以上。初步探讨了此方法的高温稳定机理。 最后，用此溶胶-凝胶体系制备多孔磷酸钙生物陶瓷，考察了工艺因素对孔径、孔隙率的影响。和传统多孔陶瓷制备方法相比，此方法最大的优点是一步成型，省去了粉体制备过程。此方法制备出的多孔陶瓷具有类似于海绵的多孔结构，其大孔孔径大致分布在300～800μm范围，在大孔孔壁上分布有许多孔径在20~300μm的微孔，支架贯通性良好，孔隙率高。在发泡过程中通过控制温度、发泡时的溶剂余量和是否添加稳定剂可以得到不同孔径和孔隙率的多孔陶瓷。在配制原料时，通过对含钙磷原料量的控制，可以得到不同钙磷比的多孔磷酸钙陶瓷，如HA、TCP或HA/TCP双相材料等。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1生物医用材料

1.1.1生物医用金属材料

1.1.2生物医用高分子材料

1.1.3生物医用陶瓷材料

1.1.4生物医用复合材料

1.2磷酸钙生物陶瓷

1.2.1羟基磷灰石

1.2.2磷酸三钙

1.3溶胶-凝胶法制备磷酸钙陶瓷研究现状

1.4 HA/β-TCP双相钙磷(BCP)陶瓷研究现状

1.5多孔磷酸钙陶瓷研究现状

1.6本课题研究目的及内容

1.6.1课题的研究目的

1.6.2课题的研究内容

第2章羟基磷灰石及磷酸三钙的溶胶-凝胶法制备及体系相变研究

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂及仪器

2.2.2实验步骤与方法

2.2.3样品表征

2.3结果分析与讨论

2.3.1乙二醇对体系的稳定作用

2.3.2纯相HA的合成和真实钙磷比的确定

2.3.3体系稳定机理探讨

2.3.4体系反应机理研究

2.3.5稳定剂对体系相变的影响

2.4本章小结

第3章溶胶-凝胶法制备β-FCP/HA双相生物陶瓷

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验步骤与方法

3.2.2样品表征

3.3结果分析与讨论

3.3.1 Ca0.56P的掺杂量对初坯密度的影响

3.3.2 Ca0.56P的掺杂量对β-TCP/HA复合生物陶瓷相成分的控制

3.3.3 Ca0.56P的掺杂量、烧结温度和保温时间对β-TCP/HA双相生物陶瓷烧结性能的影响

3.4本章小结

第4章溶胶-凝胶法制备高温稳定的β-磷酸三钙

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验步骤与方法

4.2.2样品表征

4.3结果分析与讨论

4.3.1 XRD结果分析

4.3.2高温稳定机理探讨

4.4本章小结

第5章溶胶-凝胶法制备多孔磷酸钙生物陶瓷

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1实验步骤与方法

5.2.2样品表征

5.3结果分析与讨论

5.3.1多孔支架形貌分析

5.3.2工艺参数对多孔支架形貌的影响

5.3.3多孔支架的相成分分析

5.4本章小结

全文总结

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文