2022年羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料分析研究进展

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1、1 / 8 羟基磷灰石及其复合生物陶瓷材料研究进展生物医学工程学杂志 1999 年第 0期第 16卷 无机生物材料及有机/ 无机复合材料组作者：张玉军尹衍升王迎军单位：张玉军尹衍升 山东工业大学材料学院，济南250061）；王迎军 6(OH2，hydroxyapatite，简称 HAP 具有极好的生物相容性和生物活性，被认为是最有前途的陶瓷人工齿和人工骨置换材料。然而，纯HAP陶瓷的机械性能比较差，例如，断裂韧性(KIC不超过 1.0 MPam1/2，而且，在潮湿的环境中Weibull因子较低 (n=5 12，作为人工种植体其使用可靠性较差。到目前为止，HAP陶瓷不能用作承载种植体，它在医学上

2、的应用仅限于小的非承载种植体、粉末、涂层和低承载的多孔种植体。为了提高HAP陶瓷材料的使用可靠性，近十几年来已经进行了许多研究工作。本文将结合我们的实验工作，简单探讨在该领域的某些研究进展。1 HAP粉末的制备制备 HAP粉末有许多方法，主要有湿法和固态反应法 1。固态反应法往往给出符合化学计量、结晶完整的产品，但是它们要求相对较高的温度和热处理时间，而且。这种粉末的可烧结性较差。湿法包括：沉淀法2，3、水热合成法4和溶胶 - 凝胶法58等。用水热合法成法获得的HAP材料一般结晶程度高，Ca/P 接近化学计量值。溶胶- 凝胶法可以得到无定形、纳M尺寸、 Ca/P 比接近 1.67 的 HAP粉

3、末。用沉淀法在温度不超过100 的条件下，可制备纳M尺寸的纤维颗粒粉末 9。就 HAP粉末的制备而言，制备工艺已经比较成熟。但是到目前为止在我国还没有形成HAP粉末材料的批量生产能力。2 HAP陶瓷HAP陶瓷的烧结温度一般为10001200 ，袁建军等人10的研究说明， 1300 是HAP陶瓷材料的最佳烧成温度。如果烧结温度过高可造成HAP分解和颗粒异常长大，导致强度降低。热压11、热等静压烧结可得到具有细晶结构，高密度而且稳定性和机械性能良好的制品。微波烧结12不仅有效地节约时间和能源，而且有利于HAP材料的微观结构和机械强度。致密 HAP陶瓷的机械性能取决于HAP粉末中 Cap比值、气孔率

4、和杂质。随着HAP中Ca/P 比的增加，强度提高。在Ca/P=1.67 时，达到最大值；当Ca/P 大于 1.67 时，强度突然降低。这是由于当Ca/P 大于 1.67 时，在烧结过程中容易产生CaO 。CaO吸收水分形成Ca(OH2并最终形成CaCO3，导致材料强度降低，甚至会自破坏。致密纯 HAP陶瓷的断裂韧性(KIC在0.8 1.2 MPam1/2范围内，抗弯强度、抗压强度和拉精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 8 页2 / 8 伸强度分别为 38250 MPa、120900 MPa和38 300 MPa。数据的离散是

5、由于强度分布、气孔、杂质以及颗粒的尺寸变化引起的。致密HAP陶瓷的 Youngs 模量 (E在35120 GPa的范围内，维氏硬度(HV在3.0 GPa 和7.0 GPa 之间，在 10001100 表现出超塑性 8。多孔 HAP陶瓷已广泛用作骨置换材料13， 14。由于骨组织可以很好地生长到多孔HAP的孔洞中，从而提高了HAP种植体的强度。对于多孔陶瓷，其内部连通气孔的孔径在5 40 m时，允许纤维组织长入；孔径为40100 m时，允许非矿化的骨样组织长入；孔径在150 m时，已能为骨组织长入提供理想场所 15。但是如此大的气孔会明显降低种植体的强度。因此，多孔HAP陶瓷只能用于非载重的颌面

6、骨以及填充小骨缺陷等。3 HAP基生物陶瓷复合材料羟基磷灰石材料合成加工研究方面的技术进步，已能制备可控制微观结构和化学组成的致密的以及多孔的HAP生物陶瓷。但是，由于HAP的使用可靠性差，使它的应用受到限制。近几年来，许多方法已经用于HAP陶瓷增韧补强，例如，层状结构 16、金属间化合物颗粒17、金属颗粒、纳M颗粒、晶须、长纤维、部分稳定氧化锆增强等等 8。表 1列出了一些 HAP基生物陶瓷复合材料的性能。表1 HAP基陶瓷复合材料的性能材料相对密度(% 抗弯强度(MPa KIC(MPa m1/2 相组成工艺参考文献纯 HAP - 100 1.0 HAP HP 110017 HAP+20%A

7、l2O3+5%Ni3Al particles - 160 2.3 HAP,Al2O3,Ni3Al HP 110017 HAP+10-30vol% long metal fiber 94-100 96-224 3.7-7.4 HAP HP 10008 HAP+5-30% Al2O3particles 96-99.7 90-250 1.4-2.5 HAP,-TCP, Al2O3HP 1000-12508,17 HAP+10-50vol%(3YZrO293-99.5 160-310 1.0-3.0 HAP,-TCP, -TCP,ZrO2HP 1050-14008 HAP/C - 85 - HAP,C

8、 HP 105016 复合的优点是使HAP材料的韧性和强度提高。不过，在HAP基体中引入第二相往往会导致生物相容性的下降，并有可能加速HAP 的分解。一般说来，用生物惰性材料增强的HAP材料的生物活性会比纯HAP低。晶须增强HAP 复合材料具有很好的增韧效果，但是许多市售的晶须被认为是潜在的致癌物质。另外，HAP 在人体中的浸蚀速度为每年1530 m ，用于增强的晶须可从HAP 进入到人体中，容易引起严重的健康问题8。总之，尽管通过增韧补强可使HAP 材料的机械性能提高，但是由于生物相容性的和生物活性的降低，工艺复杂等原因，在现阶段还未发现HAP 基陶瓷复合材料广泛的用途。4 精选学习资料 -

9、 - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 8 页3 / 8 结束语目前，全球植入医用植入体的患者已逾3000万人18，对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大。根据作者所掌握的信息，目前除了喷涂HAP的钛合金外，其余HAP 基生物材料还不能用于承载骨的置换，这对于材料科学是一个挑战。理想的骨置换种植体必须是具有高强度、低弹性模量，具有直径100 m 微孔而且使用可靠性高的HAP材料。如上所述，金属、金属间化合物、Al2O3、 PSZ 、SiC、Si3N4和纤维 /晶须等都可提高材料的使用可靠性。但是，金属，包括金属纤维、金

10、属间化合物增强的HAP 陶瓷植入人体后，存在腐蚀，生物惰性和差的生物相容性等原因，而不宜使用。Al2O3、ZrO2、SiC 和 Si3N4增强HAP陶瓷，由于热膨胀失配，在湿环境中降解，HAP分解和生物惰性等原因也难以实际应用。应该说，纤维/ 晶须HAP 复合材料具有较好的使用可靠性。大家知道，纤维状的材料在人体内容易引发癌症的产生。象Al2O3、ZrO2、 SiC 和 Si3N4都是生物惰性材料，它们在人体中不易溶解，纤维状的惰性陶瓷材料则是影响人体健康的重要因素。值得注意的是，磷酸钙材料显示出极好的生物活性和生物相容性，它们与人骨和齿有着相似的化学组成和矿物组成，而且，其中一些具有可吸收性

11、。在磷酸钙中，HAP是最好的生物相容性和生物活性材料。可以说，纤维状的HAP材料与惰性陶瓷晶须和纤维不同，对人体健康不造成危害。综合考虑材料的生物相容性、生物活性和材料的机械性能，HAP纤维 /晶须与HAP的复合材料恐怕是将来硬组织置换种植体最合适的陶瓷材料之一。参考文献1 刘康时 . 陶瓷导刊， 1993；352 王迎军，朱建业，郑岳华等. 中国陶瓷， 1994；4123 高家诚，张亚平，谭继福等. 材料工程， 1994；1184 于道成，经幼苹. 现代技术陶瓷，1998；增刊 8065 Layrolle P, Ito A, Tateishi T. J Am Ceram Soc, 1998。

12、 81(614216 程逵，沈颌，黄丽平等 . 现代技术陶瓷，1998；增刊 8017 Masuda Y, Matubara K, Sakka S. J Ceram Soc Jpn, 1990。 9812668 Suchanek W, Yoshimara M. J Mater Res, 1998。 13(1949 傅希贤，杨宏秀. 硅酸盐通报，1996；42610 袁建军，刘智恩. 徐晓晖等 . 中国陶瓷， 1996；32(3711 唐膺，翁文剑，陆建平. 中国陶瓷， 1994；30(2412 Feng Y, Agrawal DK, Roy DM et al. J Mater Res, 199

13、4。 9(118013 王迎军，刘康时. 中国陶瓷， 1995；31(1714 田进涛，张世新，杨守峰等. 现代技术陶瓷，1998；增刊： 794 15 郑岳华，候小姝，杨兆雄. 硅酸盐通报，1995；32016 丁新更，葛曼珍，杨辉等. 现代技术陶瓷，1998；增刊： 797 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 8 页4 / 8 17Je-Won CHoi, Young-Min Kong,Hyoun-Ec Kim. J Am Ceram Soc, 1998 ；81(7174318 国家高技术新材料领域专家委员会. 材料导报

14、， 199913(11参考文献 (105条 熊兆贤 材料物理导论 2001 W D 金格瑞 陶瓷导论 1982 理查德 J 布鲁克 陶瓷工艺 1999 Joeeph cesanano 查看详情 1971 周健儿 颗粒组成对陶瓷泥浆性能的研究1988(13 刘阳 .胡晓力 .汪永清 .陈虎 .郑乃章表面活性剂在陶瓷料浆中的应用期刊论文 -中国陶瓷 2001(3 A Rapo.L piani.R Ricceri Sodium tripoly phosphate and polyphosphate as dispersing agents for kaolin suspensions:Meologi

15、cal characterization2002 尚桂秋 浅谈水质对泥浆性能的影响1982(30 刘卫东 .张立乾 .朱立洪 .李宗来添加剂、季节性与泥浆流动性期刊论文 -中国陶瓷 2003(5 李家驹 .缪松兰 陶瓷工艺学 2001 沈毅 .刘连顺 高铝质强化日用瓷的研制期刊论文 -中国陶瓷 2000(1 甄强 .刘建强 .曹家麟 .赵明华 .王以伟利用云南陶瓷原料生产高性能强化瓷的研究期刊论文 -陶瓷 2003(6 李玉书 .王正平 矿化剂对高铝瓷烧结的影响1992(04 李文超 .王俭 .刘建华 刚玉强化日用瓷的理论分析1991(02 张熙年 .袁勇 .李非柳 强化瓷的研究1992(01

16、 刘贤纪 .孙仁花 .王志义 高硅质强化瓷的研究1993(04 乐福新 论粉石英在强化瓷中的应用期刊论文 -陶瓷研究 2001(1 李文超 .王俭 .王金淑 -方石英强化日用瓷研制过程中几个关键问题分析1995(04 樊振坤 .刘贤纪 .孙仁花 纳长石质高级日用细瓷的研究1993(01 杨道 .李启绩 .许永建 镁质粘土滑石瓷的研制1990(06 桑建华 .王秀峰 镁质强化瓷的研制1994(01 桑建华 提高滑石质象牙瓷成坯率的若干问题探讨1995(01 周祚万 氧化锌晶须及其复合材料的应用期刊论文 -化工新型材料1998(11 李家驹 .缪松兰 陶瓷工艺学 2001 张儒岭 .许景维 山东陶

17、瓷工业科技进步与成果1993 W Schreyer.J F Schairer.J Petrol 查看详情 1961(03 J F Schairer.H S Yoder 查看详情 1961 李余增 热分析 1987 吴刚 材料结构表征及应用2002 分析化学手册 ,热分析分册 2000 H 萨尔满 .H 舒尔兹 陶瓷学 1989 孙宾 陶瓷材料的韧性及增韧性的研究2000(05 熊兆贤 材料物理导论 2001 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 8 页5 / 8 关振铎 .张中太 .焦金生 无机材料物理性能1992 Y Zho

18、u.Q L Ge.T C Lei Diffusional cubic-to-tetragonal phase transformation and microstructural evolution in ZrO2-Y2O3 ceramics1991(26 R McMeeking.A G Evans The Mechanics of Transformation Toughening in Brittle Materials1982(65 周玉 .雷廷权 陶瓷材料学 1995 J K Guo Thickness on the Mechanical Properties of 3D C/Py/S

19、iC Composites under Cylic stressed and unstressed Conditions1982(17 T C Lei.Q L Ge.Y Zhou Microstructure and fracture behavior of an Al2O3-ZrO2-SiCw ceramic composite1994(02 S T Buljan.V K Satin Silicon nitride-based composites1987(02 Niihata K Design concept of structural ceramics:Ceramic nanocompo

20、sites1991(10 高濂 .李蔚 纳M陶瓷 2002 Z B Yu.D P Thompson.A R Bhatti Synergistic roles ofcatbon fibres and ZrO2 particles in strengthening and toughening Li- -sialon composites2002(02 P Chivavibul.M Enoki.Y Kagawa Effect of gage length on tensile strength and failaure strain of woven fabric Al2O3 fiber- ZrO

21、2 minicomposite reinforced Al2O3 matrix composite2003(22 C D Madhusoodana.Y Kameshima.A Yasumori Preparation of fiber- reinforced binderless zeolite disks in solid state2003(22 匡加才 .张长瑞 .江大志碳纤维增韧增强氮化硅陶瓷基复合材料力学性能的数值模拟期刊论文 -高科技纤维与应用2002(3 徐永东 .成来飞 .张立同 .尹洪峰连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究期刊论文 -硅酸盐学报 2002(2 doi:10.3

22、321/j.issn:0454-5648.2002.02.009 尹洪峰 .徐永东 .张立同 纤维增韧陶瓷基复合材料界面相的作用及其设计期刊论文 -硅酸盐通报 1999(3 宋桂明 .周玉 .孙毅纤维增强陶瓷基复合材料中纤维增韧分析模型期刊论文 -固体火箭技术 1999(1 Kroeddel Matthia.Kutter G.S Deyerlor Michanecal of Short carbon-fiber-reinforced ceramic-cesic foroptomechamial applications2002 潘国顺 .章思炎 .高键 晶须增韧陶瓷断口的分形维数与断裂韧性19

23、94(04 K Wang.V K rstic Michenical property of reaction sintered TiN ceramics B4C addition2003(38 吕金志浩 .郑治祥 .丁厚福晶须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料的阻力行为期刊论文 -兵器材料科学与工程2001(3 朱其芳 .姚伟 .孙丽虹 .王瑞坤 .董利民 .张宝清SiC晶须有序添加角度对Si3N4基体陶瓷的增韧效应期刊论文 -中国有色金属学报2000(6 隋万美 陶瓷基复相材料的非相变增韧机制期刊论文 -中国陶瓷 2000(1 Pin Go.Changmo Sung.J J kostetsky

24、Silicon nitride matrix composites with unidirectional silicon carbide whisker reinforcement 外文期刊 2002(37 Wei-dong Fei.Wen-zuo LI.Chong-kai Yao Hot rolling behaviors of whisker reinforced 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 8 页6 / 8 aluminum composites 外文期刊 2002(37 吕珺 .郑治祥 .金志浩 .王永兰晶

25、须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料的抗热震性能期刊论文 -材料工程 2000(12 宋桂明 .周玉 .林广涌 .贾德昌 .雷廷权SiCw/ZrO2(6mo1%Y2O3 陶瓷中晶须增韧的数值模型期刊论文 - 无机材料学报 1998(5 doi:10.3321/j.issn:1000-324X.1998.05.009 张宏泉 .杨中民 .牟善彬 SiC晶须、晶板增韧AIN 陶瓷的研究 1998(02 于爱永 .黄传真 .许崇海 碳化硅晶须增韧陶瓷复合材料断裂韧性的理论计算Xuan Lin.P Darell Ownby Pressureless sintering of B4C whisker rei

26、nforced Al2O3 matrix composites外文期刊 2000(35 宋桂明 .周玉 .孙毅 .雷廷权晶须增韧陶瓷基复合材料裂纹扩展行为模型期刊论文 -材料研究学报 1998(1 Y JI.J A Yeomans Microstructure and michenical properties of chromium and chromium/nickel particulate reinforced alumina ceramics2002(37 林广涌 .雷廷权 .周玉 晶须增韧和相变增韧复合作用的机制与效果1995(02 张国军 .岳雪梅 .金宗哲 颗粒增韧陶瓷裂纹扩展

27、微观过程1995(04 张存满 .徐政弥散 SiC颗粒增韧氧化铝陶瓷内部残余应力分析期刊论文 -同济大学学报 (自然科学版 2002(11 刘艳改 .周玉 .贾德昌LiTaO3 颗粒增韧 Al2O3 陶瓷复合材料的制备与性能期刊论文 -材料工程 2002(6 吕金志浩 .郑治祥 .丁厚福晶须及颗粒增韧氧化铝基陶瓷复合材料的阻力行为期刊论文 -兵器材料科学与工程2001(3 张存满 .徐政 .许业文弥散 SiC颗粒增韧 Al2O3 基陶瓷的增韧机制分析期刊论文 -硅酸盐通报 2001(5 施鹰 .黄校先 .严东生颗粒补强锆英石复相陶瓷的力学性能,残余应力和增韧行为研究期刊论文 -无机材料学报 1

28、998(2 doi:10.3321/j.issn:1000-324X.1998.02.013 杨学桂 .刘峰 .候耀永 二相粒子复合陶瓷内应力的有限元分析及其增韧机理1998(03 M H bocavegra-bernal.S DIAE.DE LA torre Review phase transitions in zirconium dioxide and related materials for high performance engineering ceramics2002(37 张浠 .叶裕恭 陶瓷材料相变增韧尺寸效应的力学分析1997(03 许崇海 .丁文亮 .黄传真 .邓建新

29、.艾兴基于残余应力增韧机制的陶瓷材料期刊论文 -应用科学学报 2001(1 杜善义 .李文方含随机分布微裂纹的相变颗粒增韧陶瓷材料的强度和刚度预报1994(02 闫洪 .窦明民 .李和平二氧化锆陶瓷的相变增韧机理和应用期刊论文 -陶瓷学报 2000(1 吴建锋 .徐晓虹 .孙淑珍 .陈志坚 .陈安民 .周玲ZrO2-Al2O3 系增韧陶瓷人工关节的研究期刊论文 -硅酸盐通报 2000(4 阚艳梅 .靳喜海 复相陶瓷的内在增韧机制及其影响因素1998(04 张浠 .叶裕恭 相变增韧陶瓷平面应变型定长扩展裂纹的渐近分析(1997(07 石连生 .王彪 相变增韧陶瓷问题中的随机界质计算方法1996(

30、06 DeAzaAntomioH.Chevalier Jerome.Fantozzi Gilberl Slow-crack-growth behavior of 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 8 页7 / 8 zirconia-toughened alumina ceramics processed by different methods2003(01 Huang Chuan zhen.Wang Jun.Jing Sun A study on the wear resistance of ZrO2/Al2O3 cer

31、amic scissors for spinning and weaving2002(06 Guo Ruisong.Guo Duoli.Zhao Dan Low temperature ageing in water vapor and mechanical properties of ZTA ceramics 外文期刊 2002(06 Suzuki TohruS.Sakka Yoshio.Nakano Keishi Microstructure and uperplasticity invarious Zirconia-dispersed aluminas2002(10 李凤梅 .管葆青 .

32、赵家禧自增韧热压氮化硅陶瓷的研究期刊论文 -复合材料学报 1997(2 曾庆丰 .徐永东 .张立同 .成来飞 .吕杰自增韧氮化硅陶瓷显微结构与力学性能的表征期刊论文 -无机材料学报 2002(1 doi:10.3321/j.issn:1000-324X.2002.01.018 戴金辉 .李建保 晶粒原位异向生长与自增韧陶瓷材料期刊论文 -稀有金属 2002(6 武安华 .葛昌纯原位增韧 -Si3N4/ -Sialon 复相陶瓷 期刊论文 -北京科技大学学报2002(6 doi:10.3321/j.issn:1001-053X.2002.06.012 董绍明 .江东亮 .谭寿洪 .郭景坤高温等静

33、压烧结碳化硅基复相陶瓷的强化与增韧期刊论文 -无机材料学报 1999(1 doi:10.3321/j.issn:1000-324X.1999.01.010 郭香华 .胡宁 .蔡乾煌 .郑泉水 .昝青峰 .汪长安 .黄勇陶瓷叠层结构增韧设计的数值模拟及实验研究期刊论文 -硅酸盐学报 2000(3 doi:10.3321/j.issn:0454-5648.2000.03.008 沈建兴 .张炳荣 .刘宏 .王介峰金属间化合物增韧陶瓷材料的效果与机理期刊论文 -硅酸盐通报 2000(4 张巨先 .高陇桥 .李发 无团聚、纳 MZrO2 增韧 Al2O3 基陶瓷材料 1999(05 左洪波 .郭英奎

34、.李明飞WC及ZrO2复合增韧 Al2O3 基复合陶瓷材料的透射电镜分析期刊论文 -材料工程 1999(4 李建林 .江东亮 .谭寿洪高强空心粒子增韧增强陶瓷材料期刊论文 -硅酸盐学报 1999(5 doi:10.3321/j.issn:0454-5648.1999.05.022 郭景坤陶瓷材料的强化与增韧新途径的探索期刊论文 -无机材料学报1998(1 doi:10.3321/j.issn:1000-324X.1998.01.005 候耀勇 .蔺玉胜 .曲转航ZrO2增韧 Al2O3/SiC nano复合陶瓷的力学性能及微结构1997(03 李凤梅 .管葆青 .赵家禧自增韧热压氮化硅陶瓷的研

35、究期刊论文 -复合材料学报 1997(2 杜春生 .杨正方 .袁启明反应烧结制备氧化锆增韧莫来石陶瓷期刊论文 -硅酸盐通报 1999(6 田雅娟 .陈尔凡 .程远杰 .周本廉四脚状氧化锌晶须及应用期刊论文 -硅酸盐学报 2000(2 doi:10.3321/j.issn:0454-5648.2000.02.015 陈尔凡 .田雅娟 .周本廉T-ZnO晶须增强环氧树脂复合材料的力学行为期刊论文 -高分子材料科学与工程2003(2 陈尔凡 .田雅娟 .周本廉偶联剂对 T-ZnO晶须 /环氧树脂复合材料的影响期刊论文 -塑料工业 2003(4 周祚万 氧化锌晶须及其复合材料的应用期刊论文 -化工新型材料1998(11 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 8 页8 / 8 靳治良 .李胜利 .李武晶须增强体复合材料的性能与应用期刊论文 -盐湖研究 2003(4 师昌绪 材料大词典 1994 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 8 页