论文总字数：23973字

摘 要

磷酸三钙（TCP）具有良好的生物相容性、生物活性、生物降解性、骨传导性和较高的机械强度，是理想的人体骨组织修复和替代材料。但是，骨植入手术中会面临感染问题，因此在磷酸三钙中加入抗菌剂是必要的。与有机抗菌剂相比，纳米银具有有效期长、持续性好、安全性高、耐热性好、广谱抗菌等特点，可以加入磷酸三钙中提高其抗菌性能。

本文采用硝酸银和氨水为原料，葡萄糖（C₆H₁₂O₆）为还原剂，β-磷酸三钙为载体，通过液相化学还原法制备了银-磷酸三钙杂化材料。研究结果表明，硝酸银-磷酸三钙摩尔比为1:15时制备的杂化材料中纳米银粒径最小，平均粒径为7nm。增加硝酸银-磷酸三钙摩尔比，纳米银的粒径逐渐增大。加入分散剂可以减小纳米银粒子的粒径，淀粉具有最佳效果。将反应温度从50℃提高到70℃可以加快纳米银-磷酸三钙杂化材料的制备过程，但对杂化材料的颜色和纳米银的粒径大小影响不大。银的加入改变了磷酸三钙的热稳定性，1350℃下未发生β-磷酸三钙向α-磷酸三钙的相转变。

关键词：磷酸三钙；银；银-磷酸三钙杂化材料；液相化学还原法；分散剂

Abstract

Tricalcium phosphate is the ideal material for repair and replacement of human bone tissues because of excellent biocompatibility, bioactivity, biodegradability, bone-conducted property and high mechanical strength. However, bacterial infection occurs a lot in the implant and reconstructive surgeries and it’s necessary to add antibacterial agents to tricalcium phosphate. Compared with organic antibacterial agents, silver nanoparticles have numerous advantages, such as long validity, great sustainability, high security, good heat resistance, long-spectrum antibacterial effect and can be added into tricalcium phosphate to enhance its antimicrobial ability.

In this thesis, the silver-tricalcium phosphate (Ag-TCP) hybrid material is fabricated by liquid chemical reduction method using silver nitrate (AgNO₃) and ammonia as raw materials, glucose (C₆H₁₂O₆) as the reducer and tricalcium phosphate as the carrier. The results indicate that the mean size of nano-silver in the hybrid material reaches its minimum (7nm) when the molar ratio of Ag and TCP is 1:15. The size of nano-silver increases with the mole ratio increasing. The addition of the dispersant can decrease the size of nano-silver and the starch is the best. Increasing the reaction temperature from 50ºC to 70ºC can accelerate the preparation process of Ag-TCP hybrid material but has little effect on the colour of the hybrid material and the size of nano-silver. The addition of silver changes the thermal stability of tricalcium phosphate and no phase transition from β-TCP to α-TCP happens at 1350ºC.

KEY WORDS: tricalcium phosphate; silver; silver-tricalcium phosphate hybrid material; liquid chemical reduction method; dispersant

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 磷酸三钙及其制备 1

1.2.1 磷酸三钙的结构与性能 1

1.2.2 磷酸三钙的制备 2

1.3 载银磷酸三钙纳米材料 3

1.3.1 银的生物学作用与制备 3

1.3.2 银掺杂磷酸三钙 4

1.3.3 银-磷酸三钙杂化材料 4

1.4本文的研究目的和主要研究内容 5

1.4.1 研究目的 5

1.4.2 研究内容 5

第二章 实验方法 6

2.1 实验原料和设备 6

2.1.1 实验用原料 6

2.1.2 实验设备 6

2.2 载银磷酸三钙杂化粉末制备过程 7

2.2.1 磷酸三钙制备过程 7

2.2.2 银-磷酸三钙杂化材料的制备过程 7

2.3 实验样品性能表征 8

2.3.1 物相分析 8

2.3.2 微观形貌观察 9

2.3.3 粒径分析 9

第三章 工艺条件对杂化材料制备的影响 10

3.1 硝酸银-磷酸三钙摩尔比对杂化材料制备的影响 10

3.2不同分散剂对银-磷酸三钙杂化材料制备的影响 16

3.3 反应温度对银-磷酸三钙杂化材料制备的影响 21

第四章 结论 24

致谢 25

参考文献 26

第一章 绪论

1.1 引言

近几十年来，生物医用材料作为一种受损组织的置换、修复材料在临床医学中得到了广泛的应用，并藉此产生了每年上千亿美元的巨大市场。在众多的生物医用材料中，骨组织修复材料需求数量非常大。全球每年大约有220万名患者进行骨修复或骨替换手术，共花费将近2亿5千万。然而，在这些患者中，大约90%~95%的患者仍采用传统的自体骨移植修复治疗^[1]。这种治疗方法虽然移植修复效果较佳，但却需要进行两次外科手术，给患者造成病原性创伤，并且因取骨量有限，所以仅适用于较小的骨缺损的治疗，而且很难根据患者缺损部位准确塑性。自体骨移植的这些缺点，刺激着合成骨组织修复材料的发展。现如今，加强生物材料的研究、开发和临床应用对人类的健康与生命有着重要的意义——利用组织工程学原理和方法来构建骨组织修复材料以进行骨移植和骨修复，为改进自体骨移植弊端，修复骨缺损提供了全新的方向和方法。

1.2 磷酸三钙及其制备

磷酸三钙[Ca₃(PO4)₂，简称TCP]在人的骨骼中普遍存在，是一种良好的骨修复材料。磷酸三钙主要由钙、磷两种元素组成，成分与骨骼的无机成分类似，与骨头的结合能力好。它有很好的生物相容性，且降解性能优异，降解速率适中。当它被植入人体后，通过物理化学溶解、吞噬细胞吞噬等方式而逐渐被溶解降解，降解出来的钙离子、磷离子可以进入到人体的循环系统参与新生骨的形成，并进行骨矿化沉积到类骨质里，最终被新生骨组织代替，因而成为骨组织修复领域的主要研究对象^[1]。虽然也有其他的陶瓷、金属、有机高分子等生物医学材料在临床领域作为骨骼和牙齿的替代填补材料进行使用，但是多数材料的生物相容性与磷酸三钙相差甚远。

1.2.1 磷酸三钙的结构与性能

磷酸三钙是一种性能优良的细胞生物可吸收性活性陶瓷材料，其钙磷比为1：5，与正常骨组织的钙磷比很接近，具有良好的生物相容性，与骨结合好，无排异反应。高温型的α-TCP和低温型的β-TCP是磷酸三钙存在最多的两种相结构。α-TCP的结晶系是单斜晶体系，空间群为P2₁ /a，晶格常数a=1.289nm，b=2.728nm，c=1.522nm，密度为2.86g/cm³；β-TCP晶体为三方晶系，空间群为R3_c，其晶格常数a=1.032nm，c=3.69nm，理论密度为3.07g/cm³，β-TCP转变为α-TCP的相转变温度在1120～1160℃^[2]。

目前有关于生物陶瓷的研究和制备我们一般选择β-TCP而非α-TCP。主要是因为两个原因：①相比较于β-TCP，α-TCP虽然机械强度高，但溶解度也过大，当它被植入人体后，会以较快的降解速度进行降解，而来不及在人工骨材料中较好地发挥作用。②TCP的相结构较多，不同的温度煅烧会生成不同的相。当温度逐渐升高，β-TCP会转变为α-TCP，晶体结构发生了变化，体积增大，陶瓷发生膨胀，产生应力和裂纹，力学性能进一步降低而不能适用于人工骨^[3]。

β-磷酸三钙由于具有良好生物相容性、骨传导作用和生物降解性，且在成骨速度上远快于羟基磷灰石（HA），所以被认为是一种非常理想的、临床应用前景十分诱人的硬组织缺损修复材料^[2]。人体中的磷酸三钙均匀地分布在胶原基质中，是一种天然的纳米复合材料。但是在单独作为骨修复材料使用时，β-磷酸三钙的耐疲劳强度和弹性模量低于α-TCP，脆性大，抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨要求，只能用于相对较小的骨缺损修复，为新骨提供支架^[4]。

许多实验研究表明β-磷酸三钙植入骨缺陷区有较好的修复效果，显示出优异的骨再生性能。β-磷酸三钙溶解度远高于羟基磷灰石，大约是羟基磷灰石的10~15倍，能更好的渗透进溶液中。如此，β-磷酸三钙的降解可以提供大量的Ca和P，从而为骨的生长提供了丰富的元素。同时β-磷酸三钙在体内的新陈代谢，可以刺激新生骨组织的生成，并为新生组织提供一定的支撑，直至新生组织有一定的生物力学性能，为新骨组织所置换。因为以上所述的优良性能，β-磷酸三钙的研究及生物学应用引起材料和医学工程领域的重大关注^[5]。以β-磷酸三钙为基体的各种复合人工骨正在研究制备甚至投入临床应用中，带动了生物陶瓷在医学领域的活跃发展。

此外，β-磷酸三钙在其它领域也有广泛应用，如药物载体、发光材料、催化剂等。但其韧性等有所欠缺，若将其与医用高分子材料等其它生物材料进行复合，则有可能得到一种更有应用前景的新型材料。

1.2.2 磷酸三钙的制备

目前磷酸三钙粉末的制备技术已经较为成熟。其制备方法主要分为乳液法、机械化学法、水热法、固相反应法、醇化合物法、前驱体法和液相沉淀法等。

乳液法是一种极好的可以制备出超细粉末的方法，并且这种方法制备出的磷酸三钙粉末分散性好，团聚现象不明显^[6]。它通过表面活性剂使得不相容的溶剂形成均匀的乳液并析出固相。所以乳液法制备过程中表面活性剂作用极其重要，它直接影响着合成磷酸三钙粉末中的晶相、颗粒的大小和分布。

机械化学法的基本思想是使用一种较强的机械力碾压粉末并使得粉末破碎、使其比表面积和表面能增大从而互相作用发生反应。它获得的粉末因为具有工艺制备简单、成本低廉、绿色无污染等特点而受到越来愈多的关注，却也因为其粒子分布不均、形状不规则而需要对其机械力进行深入的探讨^[7]。

水热法一般是以钙盐和磷酸盐为原料，给其适当的压力和温度水浴，便可合成晶格完整、粒径大小可控的磷酸三钙粉末^[8]。

固相反应法是按一定的比例将磷酸盐和硝酸盐混合，经处理后将其置于适当温度下进行煅烧，可直接或研磨后得到粒径较小的粉末。邵阳等^[9]在适宜的60℃条件下，将适量或过量的磷酸盐和硝酸盐混合并煅烧发生固相反应，制得了纯度较高的β-TCP粉末。此方法制备的磷酸三钙粉末晶体无团聚、结晶性和填充性好；但粉末粗大，往往有杂相存在。

醇化合物法^[10]则是用钙盐和磷酸盐化合物作为先驱体，在溶剂中进行水解和氧化反应合成磷酸三钙。张大海^[10]用乙二醇钙和P₂O₅的n-丁醇溶液为先驱体，用较为简便的方法合成β-TCP。醇化合物法的β-TCP粉末不仅大小分布均匀，而且无杂相；但是制备过程中所用到的溶剂对环境有污染甚至是对人体有伤害，所以很少用此方法投入制备。

前驱体法^[11]就是通过获得目标产物前的一种存在形式，并用其来进行制备和合成目标产物。李延报等^[12]在实验中选择了无定形磷酸钙，将其作为前驱体，经过适当的热处理后获得了纯度极高的磷酸三钙粉末。此方法不仅制备过程简单、工序少、制备时间短，而且不易掺入杂相，能够保证粉末的高纯度。

液相沉淀法^[13]的原理是使钙盐和磷酸盐在水溶液中发生反应，从而得到磷酸三钙沉淀，其得到的产物混合均匀，颗粒细小，纯度和表面活性较高，是制备β-TCP粉体最常用的方法。沈雁等^[14]将Ca(OH )₂和H₃PO₄按Ca/P=1. 50的比例进行配料，且将两者反应所得的沉淀进行离心和机械球磨并在900℃下锻烧得到β-TCP粉末。研究表明，机械球磨和沉淀法结合制备的β-TCP粉体呈球形，粒径分布范围较窄且纯度较高，且工艺简单，可大批量生产^[15]。

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