等离子喷涂羟基磷灰石涂层的体外性质研究△
作者：吕 林1 曹 阳2 陈继镛2 张兴栋2
单位：1 四川联合大学原子核科学技术研究所(四川成都，610064)；2 分析测试中心
关键词：羟基磷灰石；涂层；体外稳定性；相变
中国修复重建外科杂志980205 摘 要 为了解羟基磷灰石(HA)涂层材料的稳定性，将等离子喷涂的HA涂层分别经过：①0.15 MPa，125℃的水蒸汽中保温6小时；②在空气中加热至650℃保温30分钟；③在0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时。结果显示：水蒸汽的存在能大大降低非晶相向结晶相的转变温度，并能促进其它的磷酸钙杂相向HA转变。经Tris-HCl缓冲液的溶解实验显示：经水蒸汽处理后的HA涂层的稳定性大大高于加热处理后的HA涂层。认为，适当提高水蒸汽的处理温度能促进相变反应，缩短处理时间。
THE CHARACTERISITICS OF PLASMA-SPRAYED COATINGS OF HYDROXY APATITE IN VITRO/Lu Lin, Cao Yang, Chen Jiyong, et al. Institute of Materials Science and Technology, Sichuan Unon University, Chengdu, P. R. China 610041
, http://www.100md.com
Abstract In order to investigate the stability of Hydroxyapatite (HA) coated material, the plasma-sprayed coatings of HA were divided into four groups: ① keeping in water vapour at 125℃, with a pressure of 0.15 MPa for 6 hr; ② heating at 650℃ in air for half an hr; ③ keeping in water vapour at 490℃, with a pressure of 0.01 MPa for 2 hr; and ④ the control. The XRD, FTIR analysis and the dissolution test were carried out. The results showed: ①the degree of crystalization in XRD analysis was ③>①>②>④;②the ampitude of OH- peak in FTIR analysis was ③>①>②>④ and ③the dissolution rate in tris-HCl buffer was ③<①<②<④. The conclusions were ①the treating with water vapour could decrease the transformation temperature which was needed to convert the amorphous phase into cystalline phase; ②water vapour treatment could accelerate the transformation of Z-TCP, TCPM into crystalline HA; ③water vapour treatment could promote the structural integrity of plasma-sprayed coated of and HA and ④water vapour treatment could lower the dissolution rate of HA coated in Tris-HCl buffer.
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Key words Hydroxyapatite Coating Stability in votro Transformation
磷酸钙陶瓷，特别是羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是人体硬组织的主要无机成份，能与骨形成直接的骨键合，具有优良的生物相容性和生物稳定性。但是块状HA陶瓷的脆性大，在生理环境中易发生疲劳破坏，使其不能单独作为承力材料在临床上应用。Hench[1]提出利用金属材料为芯，表面覆盖生物活性陶瓷，使其既有金属材料优良的力学性能，又具有生物活性陶瓷的表面生物活性。1987年，Groot等[2]成功地利用等离子喷涂技术在金属表面制备生物活性陶瓷涂层。研究表明：磷酸钙涂层引导新骨形成的过程与涂层表面在体液的作用下的溶解——再结晶过程密切相关，而涂层的结晶度和成份不同造成了涂层材料在体内的稳定性不同[3]。我们采用加热法和水蒸汽法对HA涂层材料进行后处理，比较不同涂层材料在体外的稳定性，初步探讨HA涂层中所含杂相以及结晶度对涂层稳定性的影响。
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1 材料与方法
1.1 材料
涂层所用粉料为纯HA[4]，基体材料为钛，尺寸为12 mm×12 mm。表面用氧化铝粉粗化并清洗备用。喷涂是在等离子喷涂机上进行(METCO公司—美国)。喷涂条件为电流380 A，电压68 V，样品距喷枪口12 cm，涂层厚度70 μm。喷涂后的样品采用以下方式处理：①将样品置于125℃，压强为0.15 MPa的水蒸汽中保温6小时；②在空气中加热至650℃保温30分钟；③将样品放在0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时。将各种处理后的样品作红外吸收光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)和X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析，了解其结构和成份。作为对照样，未处理的HA涂层也进行相应的分析测试。
1.2 溶解实验
, 百拇医药
将各种涂层试样分别浸泡在50 ml的Tris-HCl缓冲液中(pH=7.3)。将装有样品及浸泡液的容器置于37℃，振动速度为70次/min的恒温浴中，于一定的时间间隔取浸泡液5 ml，将每次取出的溶液用等离子发射光谱((inductively coupled plasma, ICP)测Ca、P含量。同时加入同量的原液，以保持浸泡液的体积不变。最后于840小时将样品取出烘干，并作相应的理化分析。
2 结果
2.1 XRD
各种涂层的XRD谱见图1。由图1可见，未经处理的HA涂层主要由：结晶的HA、非晶相以及其它的磷酸钙杂相构成。这些杂相为α-磷酸三钙(α-tricalcium phosphate, α-TCP)，β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate, β-TCP)和焦磷灰石(tetracalcium phosphate, TCPM)。经490℃和125℃水蒸汽处理后的样品几乎全为HA。而在空气中加热至650℃处理的涂层的结晶度提高，但杂相仍存在。各种涂层的结构和组成见附表。
, 百拇医药
2.2 FTIR
未处理的HA涂层的FTIR(图2)在633 cm-1和3 572 cm-1处未见羟基(OH-)峰。具有明显的氧磷灰石的特征。而经水蒸汽处理后的样品则表现出明显的HA的特征，出现了羟基峰和磷酸根的振动带。在空气中加热的样品也具有同样的特征谱带，只是羟基峰的强度不及经水蒸汽处理后的样品。
2.3 Ca、P的溶解
由图3，4可见，未经处理样品Ca、P的溶解析出量最大。Ca在前90小时大量析出之后缓慢增长，而P在90小时～350小时间略有下降，然后继续增加。经水蒸汽处理后的样品Ca、P析出量最小，二者几乎相同。经空气中加热处理的样品溶解介于上述二者之间，其变化规律与未处理的样品相似。
附表 各种涂层的性质(%) 编号
, 百拇医药
处理方法
HA含量
杂相量
结晶度
1
未处理
82
18
14
2
空气中加热至650℃保温30分钟
83
17
, 百拇医药
53
3
0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时
100
0
44
4
0.15 MPa，125℃的水蒸汽中保温6小时
100
0
70
, 百拇医药
图1 各种涂层的XRD示意图
a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
图2 各种涂层的FTIR示意图
a 未经处理的涂层 b 在空气中加热至650℃保温30分钟 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽中保温2小时 d 经0.15 MPa，125℃水蒸汽中保温6小时
图3 各种涂层在Tris-HCl缓冲液中浸泡后析出的钙离子浓度变化关系示意图
, 百拇医药
a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
图4 各种涂层在Tris-HCl缓冲液中浸泡后析出的磷离子浓度变化关系示意图
a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
3 讨论
3.1 相变
等离子喷涂是一个高温过程，HA颗粒经火焰加热后部分熔化，失去羟基，甚至分解[5]。由于喷涂后的涂层中出现非晶相及杂相，使涂层的稳定性大大降低，因而涂层的后处理就成为非常必要的。为提高涂层的结晶度，通常采用加热的后处理方法。在真空中，非晶相向晶相的转化温度为630℃[5]。而在有水蒸汽的情况下，相变在125℃时已发生。水蒸汽的存在大大降低了相变温度。这可能是由于水分子具有很强的极性，当其进入晶格中，对晶格场产生影响，降低势垒，从而降低了相变温度。
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涂层中的磷酸钙杂相，经水蒸汽处理后消失，转化为HA。而加热处理后的涂层中磷酸钙杂相没有多大的变化，表明水能促进磷酸钙杂相向HA转变，其转化方式可能按下列方式进行：
Ca4(PO4)2O(焦磷灰石)+2Ca3(PO4)2(磷酸三钙)+H2O(水)水蒸汽→Ca10(PO4)6(OH)2(羟基磷灰石)
3.2 溶解
磷酸钙盐的溶解性与其结构和成份相关。研究表明[4]，涂层中的磷酸钙相的溶解速度按下列顺序增加：HA、β-TCP、α-TCP、TCPM。未经处理的样品中含有TCP、TCPM等相，它们的溶解性高，降解快，且涂层中含有大量的非晶相，这样导致涂层的早期迅速溶解。90小时后，涂层中的溶解主要是氧磷灰石。氧磷灰石释放的钙离子的量较大，而磷离子的释放量较少，这主要是由于氧磷灰石表面缺乏羟基，使得其表面吸收附着氢离子。氢离子的存在阻碍了磷酸根离子的析出[4]。与此同时，由于涂层的溶解，溶液对HA而言已处于过饱和态，Ca、P重新沉积在涂层表面形成HA。因此，在溶解90小时后，溶液中由于沉积形成HA而消耗掉部分Ca、P，而涂层溶解出的Ca多于P，造成整个溶液中钙离子的浓度缓慢增加，而磷离子的浓度下降。
, 百拇医药
涂层经加热处理后，其结晶度大大提高，溶解性大大低于未处理的HA涂层(图3，4)。然而，由于热处理不能消除磷酸钙杂相，而这些相在常温下是亚稳态，溶解性高，降解快。这就使得经热处理后的样品，虽然结晶度提高，降解比未处理的样品低，然而与经水蒸汽处理后的样品相比，其降解仍快得多。
HA涂层经水蒸汽处理后，结晶度增加，杂相消失，其结构更加完整。因而体外降解最慢，稳定性最好。
4 结论
4.1 水蒸汽能降低HA相变温度，适当提高处理温度，可加速相变过程，缩短处理时间。
4.2 水蒸汽能促使HA涂层中的TCP，TCPM等杂相向HA转变。
4.3 等离子喷涂的HA涂层经水蒸汽处理后，其结构的完整性优于经空气中加热处理的样品。
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4.4 涂层的体外溶解性与涂层的结晶度和HA结构的完整性密切相关。结晶度越高，结构完整性越好，涂层的溶解性越低。
5 参考文献
1 Hench LL. Direct chemical bond of bioactive glass-ceramic materials to bone and muscle. J Biomed Mater Res, 1973;4(1):25
2 De Groot K, Geesink RGT, Klein CPAT et al. Plasma-sprayed coatings of hydroxyapatite. J Biomed Mater Res, 1987:21(11):1375
3 Ducheyne P, Radin S, King L. The effect of calcium phosphate ceramic composition and structure on vitro behavior: I Dissolution. J Biomed Mater Res, 1993;27(11):25
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4 曹 阳，陈继镛，冯家民等.等离子喷涂羟基磷灰石涂层体外溶解性研究.见：新型功能材料—94秋季中国材料研讨会.中国材料研究学会编.化学工业出版社，1995：214～220
5 Zyman Z, Weng J, Liu X et al. Phase and structural changes in hydroxyapatite coatings under heat treatment. Biomaterials, 1994;15(2):151
△ 国家计委八、五攻关课题
(收稿：1997-01-13修回：1998-02-15), 百拇医药
单位：1 四川联合大学原子核科学技术研究所(四川成都，610064)；2 分析测试中心
关键词：羟基磷灰石；涂层；体外稳定性；相变
中国修复重建外科杂志980205 摘 要 为了解羟基磷灰石(HA)涂层材料的稳定性，将等离子喷涂的HA涂层分别经过：①0.15 MPa，125℃的水蒸汽中保温6小时；②在空气中加热至650℃保温30分钟；③在0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时。结果显示：水蒸汽的存在能大大降低非晶相向结晶相的转变温度，并能促进其它的磷酸钙杂相向HA转变。经Tris-HCl缓冲液的溶解实验显示：经水蒸汽处理后的HA涂层的稳定性大大高于加热处理后的HA涂层。认为，适当提高水蒸汽的处理温度能促进相变反应，缩短处理时间。
THE CHARACTERISITICS OF PLASMA-SPRAYED COATINGS OF HYDROXY APATITE IN VITRO/Lu Lin, Cao Yang, Chen Jiyong, et al. Institute of Materials Science and Technology, Sichuan Unon University, Chengdu, P. R. China 610041
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Abstract In order to investigate the stability of Hydroxyapatite (HA) coated material, the plasma-sprayed coatings of HA were divided into four groups: ① keeping in water vapour at 125℃, with a pressure of 0.15 MPa for 6 hr; ② heating at 650℃ in air for half an hr; ③ keeping in water vapour at 490℃, with a pressure of 0.01 MPa for 2 hr; and ④ the control. The XRD, FTIR analysis and the dissolution test were carried out. The results showed: ①the degree of crystalization in XRD analysis was ③>①>②>④;②the ampitude of OH- peak in FTIR analysis was ③>①>②>④ and ③the dissolution rate in tris-HCl buffer was ③<①<②<④. The conclusions were ①the treating with water vapour could decrease the transformation temperature which was needed to convert the amorphous phase into cystalline phase; ②water vapour treatment could accelerate the transformation of Z-TCP, TCPM into crystalline HA; ③water vapour treatment could promote the structural integrity of plasma-sprayed coated of and HA and ④water vapour treatment could lower the dissolution rate of HA coated in Tris-HCl buffer.
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Key words Hydroxyapatite Coating Stability in votro Transformation
磷酸钙陶瓷，特别是羟基磷灰石(hydroxyapatite, HA)是人体硬组织的主要无机成份，能与骨形成直接的骨键合，具有优良的生物相容性和生物稳定性。但是块状HA陶瓷的脆性大，在生理环境中易发生疲劳破坏，使其不能单独作为承力材料在临床上应用。Hench[1]提出利用金属材料为芯，表面覆盖生物活性陶瓷，使其既有金属材料优良的力学性能，又具有生物活性陶瓷的表面生物活性。1987年，Groot等[2]成功地利用等离子喷涂技术在金属表面制备生物活性陶瓷涂层。研究表明：磷酸钙涂层引导新骨形成的过程与涂层表面在体液的作用下的溶解——再结晶过程密切相关，而涂层的结晶度和成份不同造成了涂层材料在体内的稳定性不同[3]。我们采用加热法和水蒸汽法对HA涂层材料进行后处理，比较不同涂层材料在体外的稳定性，初步探讨HA涂层中所含杂相以及结晶度对涂层稳定性的影响。
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1 材料与方法
1.1 材料
涂层所用粉料为纯HA[4]，基体材料为钛，尺寸为12 mm×12 mm。表面用氧化铝粉粗化并清洗备用。喷涂是在等离子喷涂机上进行(METCO公司—美国)。喷涂条件为电流380 A，电压68 V，样品距喷枪口12 cm，涂层厚度70 μm。喷涂后的样品采用以下方式处理：①将样品置于125℃，压强为0.15 MPa的水蒸汽中保温6小时；②在空气中加热至650℃保温30分钟；③将样品放在0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时。将各种处理后的样品作红外吸收光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)和X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)分析，了解其结构和成份。作为对照样，未处理的HA涂层也进行相应的分析测试。
1.2 溶解实验
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将各种涂层试样分别浸泡在50 ml的Tris-HCl缓冲液中(pH=7.3)。将装有样品及浸泡液的容器置于37℃，振动速度为70次/min的恒温浴中，于一定的时间间隔取浸泡液5 ml，将每次取出的溶液用等离子发射光谱((inductively coupled plasma, ICP)测Ca、P含量。同时加入同量的原液，以保持浸泡液的体积不变。最后于840小时将样品取出烘干，并作相应的理化分析。
2 结果
2.1 XRD
各种涂层的XRD谱见图1。由图1可见，未经处理的HA涂层主要由：结晶的HA、非晶相以及其它的磷酸钙杂相构成。这些杂相为α-磷酸三钙(α-tricalcium phosphate, α-TCP)，β-磷酸三钙(β-tricalcium phosphate, β-TCP)和焦磷灰石(tetracalcium phosphate, TCPM)。经490℃和125℃水蒸汽处理后的样品几乎全为HA。而在空气中加热至650℃处理的涂层的结晶度提高，但杂相仍存在。各种涂层的结构和组成见附表。
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2.2 FTIR
未处理的HA涂层的FTIR(图2)在633 cm-1和3 572 cm-1处未见羟基(OH-)峰。具有明显的氧磷灰石的特征。而经水蒸汽处理后的样品则表现出明显的HA的特征，出现了羟基峰和磷酸根的振动带。在空气中加热的样品也具有同样的特征谱带，只是羟基峰的强度不及经水蒸汽处理后的样品。
2.3 Ca、P的溶解
由图3，4可见，未经处理样品Ca、P的溶解析出量最大。Ca在前90小时大量析出之后缓慢增长，而P在90小时～350小时间略有下降，然后继续增加。经水蒸汽处理后的样品Ca、P析出量最小，二者几乎相同。经空气中加热处理的样品溶解介于上述二者之间，其变化规律与未处理的样品相似。
附表 各种涂层的性质(%) 编号
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处理方法
HA含量
杂相量
结晶度
1
未处理
82
18
14
2
空气中加热至650℃保温30分钟
83
17
, 百拇医药
53
3
0.01 MPa，490℃的水蒸汽中保温2小时
100
0
44
4
0.15 MPa，125℃的水蒸汽中保温6小时
100
0
70
, 百拇医药
图1 各种涂层的XRD示意图
a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
图2 各种涂层的FTIR示意图
a 未经处理的涂层 b 在空气中加热至650℃保温30分钟 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽中保温2小时 d 经0.15 MPa，125℃水蒸汽中保温6小时
图3 各种涂层在Tris-HCl缓冲液中浸泡后析出的钙离子浓度变化关系示意图
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a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
图4 各种涂层在Tris-HCl缓冲液中浸泡后析出的磷离子浓度变化关系示意图
a 未经处理的涂层 b 经0.15 MPa，125℃水蒸汽保温6小时 c 经0.01 MPa，490℃水蒸汽保温2小时 d 在空气中加热至650℃保温30分钟
3 讨论
3.1 相变
等离子喷涂是一个高温过程，HA颗粒经火焰加热后部分熔化，失去羟基，甚至分解[5]。由于喷涂后的涂层中出现非晶相及杂相，使涂层的稳定性大大降低，因而涂层的后处理就成为非常必要的。为提高涂层的结晶度，通常采用加热的后处理方法。在真空中，非晶相向晶相的转化温度为630℃[5]。而在有水蒸汽的情况下，相变在125℃时已发生。水蒸汽的存在大大降低了相变温度。这可能是由于水分子具有很强的极性，当其进入晶格中，对晶格场产生影响，降低势垒，从而降低了相变温度。
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涂层中的磷酸钙杂相，经水蒸汽处理后消失，转化为HA。而加热处理后的涂层中磷酸钙杂相没有多大的变化，表明水能促进磷酸钙杂相向HA转变，其转化方式可能按下列方式进行：
Ca4(PO4)2O(焦磷灰石)+2Ca3(PO4)2(磷酸三钙)+H2O(水)水蒸汽→Ca10(PO4)6(OH)2(羟基磷灰石)
3.2 溶解
磷酸钙盐的溶解性与其结构和成份相关。研究表明[4]，涂层中的磷酸钙相的溶解速度按下列顺序增加：HA、β-TCP、α-TCP、TCPM。未经处理的样品中含有TCP、TCPM等相，它们的溶解性高，降解快，且涂层中含有大量的非晶相，这样导致涂层的早期迅速溶解。90小时后，涂层中的溶解主要是氧磷灰石。氧磷灰石释放的钙离子的量较大，而磷离子的释放量较少，这主要是由于氧磷灰石表面缺乏羟基，使得其表面吸收附着氢离子。氢离子的存在阻碍了磷酸根离子的析出[4]。与此同时，由于涂层的溶解，溶液对HA而言已处于过饱和态，Ca、P重新沉积在涂层表面形成HA。因此，在溶解90小时后，溶液中由于沉积形成HA而消耗掉部分Ca、P，而涂层溶解出的Ca多于P，造成整个溶液中钙离子的浓度缓慢增加，而磷离子的浓度下降。
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涂层经加热处理后，其结晶度大大提高，溶解性大大低于未处理的HA涂层(图3，4)。然而，由于热处理不能消除磷酸钙杂相，而这些相在常温下是亚稳态，溶解性高，降解快。这就使得经热处理后的样品，虽然结晶度提高，降解比未处理的样品低，然而与经水蒸汽处理后的样品相比，其降解仍快得多。
HA涂层经水蒸汽处理后，结晶度增加，杂相消失，其结构更加完整。因而体外降解最慢，稳定性最好。
4 结论
4.1 水蒸汽能降低HA相变温度，适当提高处理温度，可加速相变过程，缩短处理时间。
4.2 水蒸汽能促使HA涂层中的TCP，TCPM等杂相向HA转变。
4.3 等离子喷涂的HA涂层经水蒸汽处理后，其结构的完整性优于经空气中加热处理的样品。
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4.4 涂层的体外溶解性与涂层的结晶度和HA结构的完整性密切相关。结晶度越高，结构完整性越好，涂层的溶解性越低。
5 参考文献
1 Hench LL. Direct chemical bond of bioactive glass-ceramic materials to bone and muscle. J Biomed Mater Res, 1973;4(1):25
2 De Groot K, Geesink RGT, Klein CPAT et al. Plasma-sprayed coatings of hydroxyapatite. J Biomed Mater Res, 1987:21(11):1375
3 Ducheyne P, Radin S, King L. The effect of calcium phosphate ceramic composition and structure on vitro behavior: I Dissolution. J Biomed Mater Res, 1993;27(11):25
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4 曹 阳，陈继镛，冯家民等.等离子喷涂羟基磷灰石涂层体外溶解性研究.见：新型功能材料—94秋季中国材料研讨会.中国材料研究学会编.化学工业出版社，1995：214～220
5 Zyman Z, Weng J, Liu X et al. Phase and structural changes in hydroxyapatite coatings under heat treatment. Biomaterials, 1994;15(2):151
△ 国家计委八、五攻关课题
(收稿：1997-01-13修回：1998-02-15), 百拇医药