壓電生物陶瓷人工骨材料合成工藝研究

朱錄濤，申海燕

(1襄樊學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053；2襄樊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，湖北 襄樊 441021)

壓電生物陶瓷人工骨材料合成工藝研究

朱錄濤1，申海燕2

(1襄樊學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湖北 襄樊 441053；2襄樊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 醫(yī)學(xué)院，湖北 襄樊 441021)

根據(jù)電場能促進(jìn)骨細(xì)胞生長這一生物學(xué)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種新型的既能填充骨缺損又能刺激骨細(xì)胞形成的仿生人工骨材料，從眾多的壓電陶瓷中選取BaTiO3、從活性生物材料中選取Ca3(PO4)2為主要原料，輔以助熔劑、成孔劑等添加劑，合成壓電相與磷酸三鈣復(fù)合型生物陶瓷人工骨(BTTCP)，確定合適的制備工藝，并用XRD、SEM、EPMA等現(xiàn)代測試手段對其組成、性能及微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系進(jìn)行探討和分析，為骨缺損的修復(fù)探索一條新途徑.

人工骨；壓電性；BTTCP

人和動(dòng)物骨是一種主要由膠原、無機(jī)質(zhì)和孔隙組成的復(fù)合物，其中膠原占密質(zhì)骨體積的50%，日本學(xué)者Fukada和Yasuda[1]首先提出骨具有壓電性，骨膠原是壓電效應(yīng)的主要來源，膠原纖維的最大電位值發(fā)生在膠原纖維與骨軸夾角45°處，形成了壓電常數(shù)d14，動(dòng)物體壓電常數(shù)d常在10-7~10-9靜庫侖/達(dá)因(cgs/esu).不同種類動(dòng)物骨組織的壓電性能不完全一致，壓電常數(shù)也不完全一樣[2]. 電流能刺激骨生長現(xiàn)已被公認(rèn). 外置脈沖電磁場僅能使骨折間隙較小的骨不連完成愈合，對于缺損較大者卻無能為力. 上世紀(jì)70年代以來，惰性及活性生物陶瓷相繼出現(xiàn)，活性生物陶瓷具有代表性的是羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)[3]，HA是脊椎動(dòng)物骨和齒的主要無機(jī)成分，TCP有良好的生物降解性，但無直接誘導(dǎo)或刺激新骨形成的作用，因而又發(fā)展了BMP、骨基質(zhì)、骨髓細(xì)胞等與鈣磷陶瓷復(fù)合的人工骨，但BMP、骨基質(zhì)等的提取非常復(fù)雜，其有效誘導(dǎo)成骨的成分目前尚難合成. 目前，對壓電性與生物活性復(fù)合材料應(yīng)用于骨科、口腔病學(xué)的報(bào)道甚少. 筆者根據(jù)HA、TCP可以填充較大骨缺損但無刺激新骨形成及電場可以刺激原始細(xì)胞分化但不完成較大骨缺損連接的特性，設(shè)計(jì)并研制壓電性磷酸三鈣陶瓷人工骨材料(BTTCP).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 BaTiO3超細(xì)粉的制備

壓電陶瓷種類不下幾千種，實(shí)際應(yīng)用的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的大多數(shù)壓電陶瓷都含鉛，鉛有毒性，不能采用含鉛陶瓷. 具有鎢青銅結(jié)構(gòu)的鈮酸鹽類壓電陶瓷，其壓電性大多不如含鉛壓電陶瓷系列，且價(jià)格昂貴，也不采用. 本研究采用BaTiO3. 為了確保原料顆粒均勻、純度高、無毒性、燒結(jié)性能好，采用化學(xué)共沉淀法等方法制備BaTiO3超細(xì)粉，對草酸鹽共沉淀法的中間體——草酸氧鈦鋇[BaTiO(C2O4)2·4H2O]進(jìn)行熱分解來制備.

1.2 HA超細(xì)粉的制備

采用化學(xué)共沉淀法制備HA，控制Ca/P=1.67，用分析純NaOH溶液調(diào)正溶膠PH=8，最佳反應(yīng)溫度35℃，化學(xué)反應(yīng)式為: 5Ca(OH)2+3H3PO4→Ca5(PO4)3OH↓+9H2O.

將合成的非晶質(zhì)的羥基磷灰石在1 200℃煅燒2h，HA晶粒發(fā)育完整，結(jié)構(gòu)為六方晶系.

1.3 磷酸三鈣(TCP)預(yù)燒

本實(shí)驗(yàn)所用磷酸三鈣為市售化學(xué)試劑，為使易成型，于1 100~1 150℃下預(yù)燒，然后選粒備用. 磷酸三鈣有兩種晶型，即高溫型的α-TCP相和低溫型的β-TCP相，理論相變溫度為1 125℃. 由于兩種晶型熱膨脹系數(shù)不匹配，特別是燒結(jié)溫度高于1 125℃時(shí)，冷卻過程中發(fā)生相變，體積縮小7.3%，使材料內(nèi)部產(chǎn)生隱裂紋.

1.4 生物玻璃(BG)的制備

BG作為陶瓷表面涂層的一個(gè)基本組元，主要作用是保證復(fù)合材料的生物相容性和降解性. 其配料組成為：47%~50%SiO2、20%~28%Ca3(PO4)2、20%~30%CaCO3、10%~25%Na2CO3；熔制溫度1 250℃、保溫1h，水中淬冷后造粒，篩選出所需的顆粒(40—50孔/吋的顆粒)，篩下料球磨8h，烘干得超細(xì)粉備用.

1.5 多孔磷酸三鈣(PTCP)的制備

PTCP原料配方: 60%~80%Ca3(PO4)2、20%~40%生物玻璃粉、20%~30%成孔劑PMMA. 燒成在730℃和990℃處各保溫1h，此處分別是生物玻璃成核及晶化溫度. 燒成溫度1 250℃，保溫0.5h，讓PTCP具有一定強(qiáng)度對造粒有利[4]. 將燒成制備的PTCP研磨后篩選出粒度在80-120目的PTCP粉體和粒度＜120目的PTCP粉體，供制作壓電陶瓷的涂層用.

1.6 多孔人工骨涂層的制備

只有多孔磷酸鈣陶瓷才可誘導(dǎo)成骨，而致密磷酸鈣陶瓷未發(fā)現(xiàn)骨誘導(dǎo)現(xiàn)象.涂層須有一定的孔隙率，采用80~120目碳粒作成孔劑，涂層于1 150℃、保溫1h燒制，在300℃以前、550—900℃緩慢升溫，以利于成孔劑燃燒及玻璃轉(zhuǎn)變，保證涂層內(nèi)形成珊瑚狀連通氣孔[5]，降溫時(shí)在980℃、900℃及750℃各進(jìn)行適當(dāng)保溫，以促進(jìn)生物玻璃微晶化. 確定表面涂層配方見表1.

表1 人工骨表面涂層配方

1.7 壓電生物陶瓷材料制備工藝

樣品制成10mm×2.5mm圓柱形薄片，采用固相燒結(jié)法二次燒成，為促進(jìn)固相燒結(jié)，添加1%的Al2O3(占BaTiO3重量百分比)作為助熔劑，壓電生物陶瓷材料制備工藝流程如圖1.

圖1 壓電生物陶瓷材料制備工藝流程

1.8 樣品電極化

為發(fā)揮材料潛在的壓電性能，選擇極化電場Ep=2 KV/mm —3KV/mm，溫度T=373k，極化時(shí)間t=30min，極化裝置為北京互感器公司制造的萬能擊穿裝置；用中科院武漢物理研究所壓電信號(hào)檢測儀. 根據(jù)檢測需要，分為純BaTiO3、、BTHA、BTTCP基片和壓電生物陶瓷人工骨材料的電極化.

1.9 壓電生物陶瓷配方選擇

表2 壓電生物陶瓷的配方選擇

按表2制備未涂人工骨涂層的樣品，極化后作壓電信號(hào)測試. 同比例的BTHA與BTTCP的壓電信號(hào)相比，壓電信號(hào)較弱，且HA在體液中的溶解度較小，基本不溶解，β-TCP具有良好的生物降解性，在水溶液和體液中的溶解度是HA的15倍，植入動(dòng)物體后，降解下來的鈣和磷等離子能進(jìn)入活體循環(huán)系統(tǒng)形成新骨[6]，故不用HA作原料，采用β-TCP與BaTiO3復(fù)合制作生物壓電陶瓷，以克服β-TCP降解過快、降解速率難于與新骨生長速率相匹配以及BT過于穩(wěn)定等缺陷.

6＃、7＃配方的樣品均無壓電信號(hào)出現(xiàn)，8＃配方樣品壓電信號(hào)較弱， 9＃、10＃樣品有明顯的壓電信號(hào)出現(xiàn)；隨TCP含量提高，壓號(hào)信號(hào)衰減. 原因是β-TCP的密度較低，相同質(zhì)量的生物陶瓷與壓電陶瓷的體積差異懸殊，Ca3(PO4)2密度為3.07g/cm3，BaTiO3密度為6.017g/cm3、在重量百分比上Ca3(PO4)2僅占10%，在體積百分比上就占20%以上. 當(dāng)非壓電相成分Ca3(PO4)2所占比例>20%，壓電陶瓷粉體顆粒完全被生物陶瓷分散，破壞了BaTiO3相的電磁路連通性，材料失去壓電性. 本實(shí)驗(yàn)取10＃配方進(jìn)行深入研究，并且在樣品表面再燒結(jié)一層多孔人工骨涂層，來提高樣品的生物相容性和生物親和性.

2 性能測試及討論

2.1 材料吸水率、顯氣孔率、體積密度

按BaTiO3:Ca3(PO4)2=90:10(重量比),在不同的一次燒成溫度下制備A、B、C、D四組樣品，表面均無人工骨涂層. 用靜力稱重法測定其吸水率、顯氣孔率、體積密度見表3. 從表3看出，燒成溫度為1 400℃較合適，成孔劑量取3%造孔效果顯著.

表3 樣品的吸水率、顯氣孔率、體積密度

圖2 1300℃、1350℃燒成1h合成的BTTCP陶瓷的XRD圖

2.2 樣品的X-ray衍射分析

在1300℃、1350℃燒成1h合成的BTTCP9/1陶瓷XRD圖譜見圖2.β-TCP相向α-TCP 相的理論轉(zhuǎn)變溫度為1125℃，由于第二成分BaTiO3的大量介入以及動(dòng)力學(xué)因素影響，實(shí)際轉(zhuǎn)變溫度要高于1125℃。由圖2可見， 1300 XRD℃圖譜上還有大量β-TCP相未轉(zhuǎn)變?yōu)棣?TCP，而1350℃燒成樣品的主晶相為BaTiO3、β-TCP相，而α-TCP為第3相，說明在1350—1400℃燒成較為合理.

2.3 電活性測試

測出B、C、D三組樣品的相對介電常數(shù)、徑向共振頻率等，見表4

表4 樣品的壓電性能數(shù)據(jù)

對于薄圓片振動(dòng)膜，d33可按下列公式推算:

其中，Kp—平均機(jī)電耦合系數(shù)，d31—徑向壓電應(yīng)變系數(shù). 對于BaTiO3系電壓陶瓷，泊松比σE=0.27，泊松函數(shù)η1=2.03，d33=(2.2~2.5)d31. 以C3樣品為例，其Kp=24.15%、?=0.0108m、fs=285.46×103Hz、ρ=4.189g/cm3，代入以上公式,得: d31=3.50757×10?12c/N. 取d33=2.2 d31=7.7×10?12c/N=23.1×10?8cgs/esu，計(jì)算結(jié)果同前述的動(dòng)物體內(nèi)組織的壓電常數(shù)在一個(gè)數(shù)量級，即×10?8cgs.esu.

一般Kp值大、d33也大，配方及燒成工藝與d33關(guān)系可以通過Kp值間接反應(yīng)出來. 作C組樣品的Kp與成孔劑含量的關(guān)系曲線圖3. 作樣品B4、C4、D4的Kp與燒成溫度的關(guān)系曲線圖4. 從圖3可見，成孔劑含量增加，Kp下降，成孔劑含量超過3%后，Kp急劇下降. 從圖4可見，1400℃、保溫1h是比較合適的燒成條件.

圖3 pK與成孔劑含量關(guān)系曲線

圖4pK與燒成溫度關(guān)系曲線

2.4 BTTCP材料電子探針(EPMA)分析

圖5(a) 為1350℃燒成1h制得BTTCP陶瓷B4樣品電子探針形貌. 1400℃燒成1h制得BTTCP陶瓷C4樣品電子探針形貌見圖5(b)，晶體形貌較好，晶粒較大.

2.5 BTTCP材料掃描電鏡(SEM)分析

C4樣品極化處理后其SEM照片見圖6. 圖6(a)為3k 倍大區(qū)形貌，電疇結(jié)構(gòu)清晰，取向一致；圖6(b)為10k倍時(shí)大孔隙照片，大孔隙尺寸在幾十ūm，孔隙里BaTiO3呈四方晶型.

圖5 BTTCP9/1陶瓷電子探針形貌

圖6 C4樣品極化后SEM照片

3 結(jié)論

1) BaTiO3與Ca3(PO4)2復(fù)合，在1400℃高溫?zé)傻奶沾?，礦物組成為四方晶型的BaTiO3、β-TCP. TCP不會(huì)與BaTiO3反應(yīng)生成新化合物而使材料的壓電特性湮沒掉.

2) Ca3(PO4)2含量超過20%時(shí)，BTTCP的壓電性就沒有明顯表現(xiàn)，過多的非壓電晶粒會(huì)隔斷電疇路，造成陶瓷無壓電性.

3) BTTCP的壓電常數(shù)d33值在10?8cgs/esu，與動(dòng)物體骨、齒等組織的壓電常數(shù)相符，材料與動(dòng)物組織有良好的電相容性.

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Com posing of Piezoelectric Bioceram ic Artificial Bone

ZHU Lu-tao1, SHEN Hai-yan2
(1. School of Civil Engineering and Architecture, Xiangfan University,Xiangfan 441053, China; 2. Medical School, Xiangfan Vocational and Technical College, Xiangfan 441021, China)

This paper is intended to develop a new type of artificial bone material which can either fill the vacancy of bones or stimulate the formation of bone cells, according to the biological feature that electric field can stimulate the grow th of bone cells.BaTiO3is selected from many piezoelectric ceram ics and tricalcium phosphate from among active bioceramic. The piezoelectric material, tricalcium phosphate bioceramic composite (BTTCP) is fabricated w ith these two kinds of raw materials by adding fluxing agent and aperture-forming agent. The best parameter of the fabrication technique is confirmed. Through modern testing means such as XRD, SEM and EPMA, et al, the relationship of material composition, microstructure, and property are studied and discussed. The result of the experiment shows that BTTCP material leads a new way to the repairing of wounded bones.

Artificial bone; Piezoelectricity; BTTCP

TB39

A

1009-2854(2010)11-0044-06

(責(zé)任編輯：饒 超)

2010-09-27;

2010-10-25

朱錄濤(1965— ), 男, 湖北襄樊人, 襄樊學(xué)院建筑工程學(xué)院講師.