摘 要

β-磷酸三钙（β-Tricalcium phosphate，化学式β-Ca₃(PO₄)₂，简称β-TCP）是一种性能优异的生物材料，由于具有良好的生物活性、生物相容性和生物降解性，在骨修复和替换方面应用广泛。由于β-TCP特殊的结晶性能，制备过程中需要高温煅烧，而高温煅烧会促进晶粒长大，难以得到纳米级别产物；制备的纳米粉体粒径不均匀；磷酸钙存在众多物相，在制备过程中有杂质生成，难以得到纯β-TCP。天然骨组织中的无机矿物除了含有磷酸钙类成分外，还含有Mg、Sr、Mn等元素，含量不高但对机体的生命活动至关重要。在β-TCP中掺杂Mg不仅能提高生物活性，还能提高β-TCP的稳定性，即使在较高煅烧温度下也不会发生相转变。因此本论文重点探讨Mg掺杂β-TCP的合成条件。

本论文采取乙醇-水体系制备掺镁β-TCP纳米材料。首先对掺杂量5mol%（Mg/(Ma Ca)=0.05，记为β-TCP-5M）的实验组，通过控制单一变量法讨论反应参数对产物纯度和粒径的影响，利用XRD、DLS等表征方法对物相和粒度进行测试分析，结果表明在反应温度40℃，煅烧温度800℃，pH控制在7，乙醇/水体积比为3:2，（Mg Ca）/P比为1.467时制备出平均粒径119nm、结晶度较高的β-TCP-5M。以同样的反应参数，改变Mg掺杂量，对β-TCP，β-TCP-5M，β-TCP-10M，β-TCP-20M，β-TCP-50M，β-TCP-100M实验组进行分析，利用XRD，TEM等表征方法，讨论其物相、粒径和形貌随Mg掺杂量的变化趋势。当掺杂量低于20mol%时，Mg掺杂量增加有利于抑制HAP生成，提高β-TCP的结晶度，降低晶粒尺寸，产物形貌由不规则的棒状变为大小均匀的球状。Mg取代晶体中Ca的格点位置使产物晶型由β-TCP向(Ca,Mg)₃(PO₄)₂转变。产物中实际掺杂量低于理论值。当掺杂量超过20mol%时，实际掺杂量大于理论值。增大达到50mol%时，产物不再是β-TCP，而是Ca₃Mg₃(PO₄)₄，Ca₇Mg₂P₆O₂₄，Mg₂P₂O₇三种物质的混合物，粒径增大，晶粒为棒状；掺杂量为100mol%时产物是结晶度较高的纯Mg₂P₂O₇，煅烧后粉体已部分烧结，团聚程度很高，TEM图像中难以看出晶粒形貌。

关键词：纳米β-TCP，乙醇-水体系，掺镁，磷酸钙镁

Abstract

β-Tricalcium phosphate (β-Ca₃(PO₄)₂, β-TCP) is a biomaterial with superior properties. Because of being good at bioactivity, biocompatibility and biodegradability, β-TCP has been widely applied in bone repairing and replacing. Due to the special crystal habit, it must be calcinated at high temperature, which makes the particles get bigger than nano-size; the particles sizes are not uniform; Calcium phosphate have so many phases that it’s difficult to get pure β-TCP. Natural bones contain many other elements like Mg, Sr, Mn besides calcium phosphate inorganic constituent. Despite the amount is trace, they are indispensible to human living. So the main goal of this paper is to discuss synthesis conditions of Mg doped β-TCP.

In this paper, alcohol-water system was used to product nano-size Mg doped β-TCP. First of all, for sample doped Mg 5mol%( Mg/(Ma Ca)=0.05, β-TCP-5M), single factor test method was used to discuss the effect of reacting conditions to puerility and particle size. The phase composition of powders was characterized by XRD, and the particle size was studied by DLS. The results showed that when reaction temperature at 40℃, calcination temperature at 800℃ , pH 7, alcohol/water volume ratio 3:2, and (Mg Ca)/P ratio 1.467, product was obtained with uniform particle size and high crystalline. The same reacting conditions were used to synthesize β-TCP doped different proportions of Mg. β-TCP，β-TCP-5M，β-TCP-10M，β-TCP-20M，β-TCP-50M，β-TCP-100M. Then the products were studied how the phase, particle size and morphology change with the different amount of Mg by using XRD, TEM and DLS. When doping ratio is below 20mol%, increasing Mg amount can help restrain HAP appearing, enhance crystallinity of β-TCP, reduce the particle size. Morphology changed from irregular rodlike to uniform spherical. Mg replaced the lattice point of Ca in β-TCP, which made crystal structure transformed from β-TCP to (Ca,Mg)₃(PO₄)₂.Tthe actual doping ratio was below to theoretical value. When doping ratio was more than 20mol%, actual doping ratio was more than theoretical value. As it increased to 50mol%, the product was not β-TCP but consisted of Ca₃Mg₃(PO₄)₄，Ca₇Mg₂P₆O₂₄，Mg₂P₂O₇ with particle size increasing and rodlike. When doping ratio was 100mol%, the product was Mg₂P₂O₇ with high crystallinity, and the particles were sintered after calcination. It was difficult to figure the morphology from TEM pictures.

Key Words：Nano β-TCP; alcohol-water system; synthesis; doping Mg;

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 β-TCP研究现状和应用 2

1.3 β-TCP纳米材料的研究现状 2

1.4 Mg掺杂β-TCP材料的研究现状 4

1.5 选题的意义及研究思路 4

第2章 乙醇-水体系制备纳米β-TCP-5M 6

2.1引言 6

2.2 纳米β-TCP-5M粉体的制备 6

2.2.1实验原料及设备 6

2.2.2 实验工艺流程 6

2.2.3 样品测试与表征 7

2.3 乙醇-水体系影响因素的分析与讨论 7

2.3.1 反应温度对样品纯度的影响 7

2.3.2煅烧温度对物相和粒径的影响 8

2.3.3 pH值对物相和粒径的影响 11

2.3.4 (Ca Mg)/P值对产物物相和粒径的影响 13

2.3.5 乙醇/水比例对样品物相和粒径的影响 14

2.4 本章小结 16

第3章 不同掺杂量纳米β-磷酸钙镁的制备 17

3.1引言 17

3.2掺杂不同Mg含量的纳米β-磷酸钙镁的制备 17

3.2.1实验原料及设备 17

3.2.2实验工艺流程 17

3.2.3 样品测试与表征 17

3.3 不同Mg掺杂量β-磷酸钙镁的结果分析 18

3.3.1 不同Mg掺杂量β-磷酸钙镁的XRD结果 18

3.3.2 不同产物中实际Mg掺杂量 22

3.3.3 不同掺Mg量样品的透射电镜表征 23

3.4 本章小结 26

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 前言

材料是社会发展的基石。每一次科技的飞跃都离不开相关材料的突破。工业时代的来临得益于钢铁冶炼技术的提高，信息时代的到来以单晶硅的产业化为前提，而今人均寿命和医疗水平的提高也离不开生物材料的进步和发展。

生物材料包括生物体材料（biological material）和生物医用材料（biomedical material），前者一般都是指具体组成某种组织细胞的成分，如纤维蛋白、胶原蛋白，磷脂和糖蛋白等；后者是指与医学诊断、治疗、修复或替换机体组织和器官或增进其功能有关的一类功能性材料，简称生物材料（biomaterial）^[1]。

骨修复材料是生物材料中很重要的一类。长期以来，骨修复材料包括自体骨、同种异体骨和人工骨修复材料。尽管自体骨是公认的最理想的植入材料，但是其来源有限，移植过程中会造成二次伤害，而且身体不同部位的骨具有不同的形态和功能，移植后可能会发生形态的异常和功能的紊乱。同种异体骨虽然缓解了来源上的问题，但是会导致艾滋、乙肝等接触传染病的传播，此外，免疫排斥反应也是有待解决的一大难题。因此最具优势潜能的是人工骨修复材料^[2-3]。人工骨修复材料应具有如下性质：（1）良好的生物相容性和生物活性，可与骨直接进行化学结合而不影响骨细胞在该区域的活性及再生，并且无毒副作用；（2）降解吸收的速率可调控，要与骨的生长速率相当，降解过快会导致植入材料与骨的结合变弱，引起植体疏松，降解过慢则会导致与骨的结合处产生过剩应力；（3）在组成、结构和形状上要与天然骨相仿，这样才能更好地替代天然骨的功能；（4）其表面形态要适合细胞粘附、增殖和分化，能刺激或诱导骨骼生长；（5）有与天然骨相等或更好的机械耐受性^[3,6]。人工骨修复材料包括金属材料、高分子材料、陶瓷材料以及复合材料。金属材料拉伸及压缩强度高，耐冲击性以及延展性好，易于加工成型^[4]。但是不具有生物活性，不易与机体形成紧密键合，大多数医用金属材料的弹性模量高于骨组织，会造成骨应力吸收而引起植体松动。长期处于体内环境中金属会发生腐蚀，腐蚀产生的金属离子向周围组织扩散可能产生毒副作用。腐蚀后的材料由于自身性质的改变也会导致植入失败^[5]。这些缺陷限制了医用金属材料在临床上的应用。生物高分子材料虽然具有良好的弹性，易加工成型，但是由于高生物活性、排斥性、难以预测的降解速率以及较差的机械强度限制了其应用^[2]。综合来看，与人工骨修复材料性能要求符合最好的是生物陶瓷材料。由于在机体中具有优秀的生物学性能，关于羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂，HAP）和磷酸三钙（Ca₃(PO₄)₂，TCP）的研究、应用是最广泛的。天然骨中无机质主要是纳米羟基磷灰石和碳酸磷灰石等，约占总质量的65%；有机成分主要是Ⅰ型胶原纤维，占总质量的34%，剩下的为水^[7,8]。天然骨中的无机成分和HAP的结构最为相似，但是在pH大于4.2的水溶液中，HAP是溶解性最小的磷酸钙相^[9,10]，因此HAP在体内难以降解吸收。而β –TCP的降解速率是HAP的近10倍^[11]，优异的降解性能使β-TCP作为骨替代材料更具优势。β-TCP属于三方晶系，斜方六面体结构，空间群为R3C，Z=21，晶胞参数为a=b=10.4352(2) Å，c=37.4029(5) Å，α=β=90°，γ=120°^[12]。其Ca/P比为1.5，和天然骨无机成分的Ca/P比（1.66）非常接近。许多研究证明，β-TCP不会对骨髓的造血机能产生影响，也没有毒副作用、排斥反应或过敏现象，不会导致癌变产生^[13]。由β-TCP溶解后产生的Ca、P元素在表面形成的Ca-P层可以与生物性磷灰石直接结合，溶解的Ca、P也会被新骨吸收，新骨逐渐取代原先植入的β-TCP ^[14]，因此β-TCP具有良好的生物相容性和成骨性能。

1.2 β-TCP研究现状和应用

关于β-TCP的应用研究，多集中于载药、生物支架、人工骨等生物医学领域。Zhang^[15]等利用β-TCP做利福平的载体，发现孔隙率为46.70±1.600（%）时能有效减缓药物的释放速率并维持在每天15μg/mL。王常勇等^[16]将软骨细胞接种到二维多孔β-TCP陶瓷支架上，培养一周后植入裸鼠背部皮下，结果显示在裸鼠背部皮下有新生软骨生成，形成的软骨基本保持陶瓷支架的形态，表明多孔β-TCP陶瓷是软骨细胞较适合的贴附基质。Manuel Houmard等^[17]以机械沉淀法（robocasting）制备的HAP/β-TCP复合材料支架，发现当微孔尺寸在几百微米，并且压缩强度大于或等于人体松质骨时，材料允许骨细胞长入其中，可替代承载骨，并且在SBF或水中没有显著溶解。侯喜君等^[18]将健康牛松质骨高温煅烧后制备的以β-TCP为主要成分的煅烧骨植入兔股骨远端骨缺损部位，4周后发现骨缺损周边开始形成新骨，并随着时间延长新骨形成量增多，12周后材料中心部位也有新骨长入，材料逐渐溶解，表明β-TCP有良好的成骨性能。单一的β-TCP材料性能有限，将β-TCP与其他种类材料进复合，以此来提高综合性能，弥补不足之处。Niemelä T^[19]在聚乳酸中加入20wt%β-TCP后，相比未掺杂的聚乳酸，复合材料的降解速率显著降低，机械性能提高。关于骨替代材料的研究方向逐渐由惰性材料向免疫调节性材料转变，在Zetao Chen^[20]等人的研究中，将种植有吞噬细胞的β-TCP材料作用于骨髓间充质干细胞（BMSCs）上，发现BMSCs的分化率显著提高，促进新骨生成。可见关于β-TCP促进骨生成的机理还有很大的研究空间。β-TCP虽具有骨传导作用，但没有骨诱导作用，因此只能为小范围的骨缺陷修复提供支架，若将其与具有骨诱导作用的物质复合，如骨形态发生蛋白（BMP），制备出兼具骨传导和骨诱导作用的人工复合材料，将会大大提高其应用范围^[21]。

1.3 β-TCP纳米材料的研究现状

纳米材料是指组成材料的基本单元是尺寸为1-100nm的粒子，介于纳米团簇和块体材料的过度状态。当粒子尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续状态分裂成分离能级，从而导致纳米材料出现许多奇特性能，如表面效应，量子尺寸效应，体积效应，隧道效应和界面相关效应。这使纳米材料有着特殊的应用和效果。