压电生物陶瓷人工骨材料合成工艺研究

朱录涛，申海燕

(1襄樊学院 建筑工程学院，湖北 襄樊 441053；2襄樊职业技术学院 医学院，湖北 襄樊 441021)

压电生物陶瓷人工骨材料合成工艺研究

朱录涛1，申海燕2

(1襄樊学院 建筑工程学院，湖北 襄樊 441053；2襄樊职业技术学院 医学院，湖北 襄樊 441021)

根据电场能促进骨细胞生长这一生物学特点，设计一种新型的既能填充骨缺损又能刺激骨细胞形成的仿生人工骨材料，从众多的压电陶瓷中选取BaTiO3、从活性生物材料中选取Ca3(PO4)2为主要原料，辅以助熔剂、成孔剂等添加剂，合成压电相与磷酸三钙复合型生物陶瓷人工骨(BTTCP)，确定合适的制备工艺，并用XRD、SEM、EPMA等现代测试手段对其组成、性能及微观结构的关系进行探讨和分析，为骨缺损的修复探索一条新途径.

人工骨；压电性；BTTCP

人和动物骨是一种主要由胶原、无机质和孔隙组成的复合物，其中胶原占密质骨体积的50%，日本学者Fukada和Yasuda[1]首先提出骨具有压电性，骨胶原是压电效应的主要来源，胶原纤维的最大电位值发生在胶原纤维与骨轴夹角45°处，形成了压电常数d14，动物体压电常数d常在10-7~10-9静库仑/达因(cgs/esu).不同种类动物骨组织的压电性能不完全一致，压电常数也不完全一样[2]. 电流能刺激骨生长现已被公认. 外置脉冲电磁场仅能使骨折间隙较小的骨不连完成愈合，对于缺损较大者却无能为力. 上世纪70年代以来，惰性及活性生物陶瓷相继出现，活性生物陶瓷具有代表性的是羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)[3]，HA是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，TCP有良好的生物降解性，但无直接诱导或刺激新骨形成的作用，因而又发展了BMP、骨基质、骨髓细胞等与钙磷陶瓷复合的人工骨，但BMP、骨基质等的提取非常复杂，其有效诱导成骨的成分目前尚难合成. 目前，对压电性与生物活性复合材料应用于骨科、口腔病学的报道甚少. 笔者根据HA、TCP可以填充较大骨缺损但无刺激新骨形成及电场可以刺激原始细胞分化但不完成较大骨缺损连接的特性，设计并研制压电性磷酸三钙陶瓷人工骨材料(BTTCP).

1 实验

1.1 BaTiO3超细粉的制备

压电陶瓷种类不下几千种，实际应用的具有钙钛矿结构的大多数压电陶瓷都含铅，铅有毒性，不能采用含铅陶瓷. 具有钨青铜结构的铌酸盐类压电陶瓷，其压电性大多不如含铅压电陶瓷系列，且价格昂贵，也不采用. 本研究采用BaTiO3. 为了确保原料颗粒均匀、纯度高、无毒性、烧结性能好，采用化学共沉淀法等方法制备BaTiO3超细粉，对草酸盐共沉淀法的中间体——草酸氧钛钡[BaTiO(C2O4)2·4H2O]进行热分解来制备.

1.2 HA超细粉的制备

采用化学共沉淀法制备HA，控制Ca/P=1.67，用分析纯NaOH溶液调正溶胶PH=8，最佳反应温度35℃，化学反应式为: 5Ca(OH)2+3H3PO4→Ca5(PO4)3OH↓+9H2O.

将合成的非晶质的羟基磷灰石在1 200℃煅烧2h，HA晶粒发育完整，结构为六方晶系.

1.3 磷酸三钙(TCP)预烧

本实验所用磷酸三钙为市售化学试剂，为使易成型，于1 100~1 150℃下预烧，然后选粒备用. 磷酸三钙有两种晶型，即高温型的α-TCP相和低温型的β-TCP相，理论相变温度为1 125℃. 由于两种晶型热膨胀系数不匹配，特别是烧结温度高于1 125℃时，冷却过程中发生相变，体积缩小7.3%，使材料内部产生隐裂纹.

1.4 生物玻璃(BG)的制备

BG作为陶瓷表面涂层的一个基本组元，主要作用是保证复合材料的生物相容性和降解性. 其配料组成为：47%~50%SiO2、20%~28%Ca3(PO4)2、20%~30%CaCO3、10%~25%Na2CO3；熔制温度1 250℃、保温1h，水中淬冷后造粒，筛选出所需的颗粒(40—50孔/吋的颗粒)，筛下料球磨8h，烘干得超细粉备用.

1.5 多孔磷酸三钙(PTCP)的制备

PTCP原料配方: 60%~80%Ca3(PO4)2、20%~40%生物玻璃粉、20%~30%成孔剂PMMA. 烧成在730℃和990℃处各保温1h，此处分别是生物玻璃成核及晶化温度. 烧成温度1 250℃，保温0.5h，让PTCP具有一定强度对造粒有利[4]. 将烧成制备的PTCP研磨后筛选出粒度在80-120目的PTCP粉体和粒度＜120目的PTCP粉体，供制作压电陶瓷的涂层用.

1.6 多孔人工骨涂层的制备

只有多孔磷酸钙陶瓷才可诱导成骨，而致密磷酸钙陶瓷未发现骨诱导现象.涂层须有一定的孔隙率，采用80~120目碳粒作成孔剂，涂层于1 150℃、保温1h烧制，在300℃以前、550—900℃缓慢升温，以利于成孔剂燃烧及玻璃转变，保证涂层内形成珊瑚状连通气孔[5]，降温时在980℃、900℃及750℃各进行适当保温，以促进生物玻璃微晶化. 确定表面涂层配方见表1.

表1 人工骨表面涂层配方

1.7 压电生物陶瓷材料制备工艺

样品制成10mm×2.5mm圆柱形薄片，采用固相烧结法二次烧成，为促进固相烧结，添加1%的Al2O3(占BaTiO3重量百分比)作为助熔剂，压电生物陶瓷材料制备工艺流程如图1.

图1 压电生物陶瓷材料制备工艺流程

1.8 样品电极化

为发挥材料潜在的压电性能，选择极化电场Ep=2 KV/mm —3KV/mm，温度T=373k，极化时间t=30min，极化装置为北京互感器公司制造的万能击穿装置；用中科院武汉物理研究所压电信号检测仪. 根据检测需要，分为纯BaTiO3、、BTHA、BTTCP基片和压电生物陶瓷人工骨材料的电极化.

1.9 压电生物陶瓷配方选择

表2 压电生物陶瓷的配方选择

按表2制备未涂人工骨涂层的样品，极化后作压电信号测试. 同比例的BTHA与BTTCP的压电信号相比，压电信号较弱，且HA在体液中的溶解度较小，基本不溶解，β-TCP具有良好的生物降解性，在水溶液和体液中的溶解度是HA的15倍，植入动物体后，降解下来的钙和磷等离子能进入活体循环系统形成新骨[6]，故不用HA作原料，采用β-TCP与BaTiO3复合制作生物压电陶瓷，以克服β-TCP降解过快、降解速率难于与新骨生长速率相匹配以及BT过于稳定等缺陷.

6＃、7＃配方的样品均无压电信号出现，8＃配方样品压电信号较弱， 9＃、10＃样品有明显的压电信号出现；随TCP含量提高，压号信号衰减. 原因是β-TCP的密度较低，相同质量的生物陶瓷与压电陶瓷的体积差异悬殊，Ca3(PO4)2密度为3.07g/cm3，BaTiO3密度为6.017g/cm3、在重量百分比上Ca3(PO4)2仅占10%，在体积百分比上就占20%以上. 当非压电相成分Ca3(PO4)2所占比例>20%，压电陶瓷粉体颗粒完全被生物陶瓷分散，破坏了BaTiO3相的电磁路连通性，材料失去压电性. 本实验取10＃配方进行深入研究，并且在样品表面再烧结一层多孔人工骨涂层，来提高样品的生物相容性和生物亲和性.

2 性能测试及讨论

2.1 材料吸水率、显气孔率、体积密度

按BaTiO3:Ca3(PO4)2=90:10(重量比),在不同的一次烧成温度下制备A、B、C、D四组样品，表面均无人工骨涂层. 用静力称重法测定其吸水率、显气孔率、体积密度见表3. 从表3看出，烧成温度为1 400℃较合适，成孔剂量取3%造孔效果显著.

表3 样品的吸水率、显气孔率、体积密度

图2 1300℃、1350℃烧成1h合成的BTTCP陶瓷的XRD图

2.2 样品的X-ray衍射分析

在1300℃、1350℃烧成1h合成的BTTCP9/1陶瓷XRD图谱见图2.β-TCP相向α-TCP 相的理论转变温度为1125℃，由于第二成分BaTiO3的大量介入以及动力学因素影响，实际转变温度要高于1125℃。由图2可见， 1300 XRD℃图谱上还有大量β-TCP相未转变为α-TCP，而1350℃烧成样品的主晶相为BaTiO3、β-TCP相，而α-TCP为第3相，说明在1350—1400℃烧成较为合理.

2.3 电活性测试

测出B、C、D三组样品的相对介电常数、径向共振频率等，见表4

表4 样品的压电性能数据

对于薄圆片振动膜，d33可按下列公式推算:

其中，Kp—平均机电耦合系数，d31—径向压电应变系数. 对于BaTiO3系电压陶瓷，泊松比σE=0.27，泊松函数η1=2.03，d33=(2.2~2.5)d31. 以C3样品为例，其Kp=24.15%、ϕ=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，计算结果同前述的动物体内组织的压电常数在一个数量级，即×10−8cgs.esu.

一般Kp值大、d33也大，配方及烧成工艺与d33关系可以通过Kp值间接反应出来. 作C组样品的Kp与成孔剂含量的关系曲线图3. 作样品B4、C4、D4的Kp与烧成温度的关系曲线图4. 从图3可见，成孔剂含量增加，Kp下降，成孔剂含量超过3%后，Kp急剧下降. 从图4可见，1400℃、保温1h是比较合适的烧成条件.

图3 pK与成孔剂含量关系曲线

图4pK与烧成温度关系曲线

2.4 BTTCP材料电子探针(EPMA)分析

图5(a) 为1350℃烧成1h制得BTTCP陶瓷B4样品电子探针形貌. 1400℃烧成1h制得BTTCP陶瓷C4样品电子探针形貌见图5(b)，晶体形貌较好，晶粒较大.

2.5 BTTCP材料扫描电镜(SEM)分析

C4样品极化处理后其SEM照片见图6. 图6(a)为3k 倍大区形貌，电畴结构清晰，取向一致；图6(b)为10k倍时大孔隙照片，大孔隙尺寸在几十ūm，孔隙里BaTiO3呈四方晶型.

图5 BTTCP9/1陶瓷电子探针形貌

图6 C4样品极化后SEM照片

3 结论

1) BaTiO3与Ca3(PO4)2复合，在1400℃高温烧成的陶瓷，矿物组成为四方晶型的BaTiO3、β-TCP. TCP不会与BaTiO3反应生成新化合物而使材料的压电特性湮没掉.

2) Ca3(PO4)2含量超过20%时，BTTCP的压电性就没有明显表现，过多的非压电晶粒会隔断电畴路，造成陶瓷无压电性.

3) BTTCP的压电常数d33值在10−8cgs/esu，与动物体骨、齿等组织的压电常数相符，材料与动物组织有良好的电相容性.

[l] SIERPOWSKA J, LAMM I M J, HAKULINEN M A, et al. Effect of human trabecular bone composition on its electrical properties[J]. Medical Engineering & Physics, 2007, 29(8): 845-852.

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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

(责任编辑：饶 超)

2010-09-27;

2010-10-25

朱录涛(1965— ), 男, 湖北襄樊人, 襄樊学院建筑工程学院讲师.