关键词：β-TCP；人工骨；可控溶解速率；制备方法
摘 要 开发了一个制备高性能多孔高纯β-磷酸三钙(β-TCP)陶瓷新工艺，采用湿法工艺，将自制高纯、超细(1～几μm)的高纯、超细CaCO3 调和成浆料加入到分析纯磷酸配制成的一定浓度的磷酸溶液中反应，配料按Ca/P原子比为1.50。反应在搅拌和超声波震荡下进行，并在10 min内完成，制得组成为Ca3 (PO4 )2 nH2 O的TCP前驱体沉淀，该沉淀粒度细(0.8～几μm)而均匀，过滤性能优良，固液能快速分离。用3%PVA溶液作粘结剂，20～30目的柱状硬脂酸作成孔剂，经压模成型、干燥、在1170 ℃下煅烧制得高性能多孔β-TCP生物陶瓷。研究表明，CaCO3 粒度对TCP前驱体粒度、β-TCP陶瓷的孔隙率、抗压强度以及溶解速度均有影响，根据临床应用需要可以通过选用不同CaCO3 粒度及致孔剂形状大小来调节陶瓷的孔隙率、孔结构，以控制陶瓷强度和溶解速度。
Study on New PreparingProcess of β-Tricalcium Phosphate
Bioactive Ceramics with High Properties
1 前 言
80年代以来，人们对生物降解(Biodegration)型磷酸钙陶瓷材料给予了极大的重视并进行了较深入的研究。具有良好生物相容性、骨传导作用和生物降解性的β-TCP特别引人注目。它的组成成分与生物骨中的无机成分相似，生物相容性好，植入体内后发生溶解，溶解下来的Ca、P进入活体循环系统然后形成新生骨，一定时间后非生命的植入体逐渐溶解消失，为有生命的新生骨所取代。在成骨速度上β-TCP优于羟基磷灰石(HA)，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。文献报道所研制的β-TCP多孔生物陶瓷，若溶解速度较快则强度较低，若降低空隙率提高强度，则负载骨形态发生蛋白(BMP)的能力差和溶解速度低。另外生成的孔在宏观上大部分为封闭孔，也影响BMP的吸载和释放。本研究目的在于通过研究制备新工艺，制备性能更优的可控降解速度β-TCP多孔生物陶瓷，对其结构力学性能和降解性能进行研究，为临床应用做前期准备。
2 实验部分
植入体用生物活性磷酸钙陶瓷(CPC)材料，要求有害元素含量尽可能少。CPC陶瓷的力学性能与制备CPC粉末的原料粉末粒度密切相关，目前许多研究者在制备磷酸钙类化合物时都是采用化学试剂作为原料，因而很难保证工艺对原料试剂纯度和粒度的要求。本研究采用自制高纯微细碳酸钙微粉为原料，保证了产物对碳酸钙粉末的纯度和粒度要求。
2.1 磷酸三钙前驱体制备
将分析纯磷酸配成一定浓度的溶液，自制高纯CaCO3 调和成浆料，按Ca/P比为1.50配料，在常温下搅拌磷酸溶液并加超声波震荡，快速将CaCO3 浆料加入，搅拌10分钟停止反应。该法反应速度很快，体系的pH值迅速上升到近中性，在超声波分散作用下制得化学组成为Ca3 (PO4 )2 nH2 O的非晶态TCP前驱体，其XRD谱表现为衍射峰宽化，不能在JSPDS PDF卡片上找到相对应钙磷晶型化合物XRD谱(图略)。该沉淀粒度细(0.8～几μm)而均匀，颗粒分散性好，过滤性能优良，固液分离速度快。
2.2 多孔β-TCP陶瓷的制备
粘接剂：PVC溶液(3%)；成孔剂：20～30目的球形硬脂酸或柱状硬脂酸；磷酸钙原料粉末：各种粒度的TCP原料粉末
制备方法：(1)称取定量的磷酸钙原料粉末，加入相应量球形硬脂酸或柱状硬脂酸混合均匀，用PVC溶液调和，在模型中压模。(2)在90 ℃下烘干。(3)按一定的升温制度升温和在特定温度下烧成，并保温40 min。
3 结果与讨论
3.1 CaCO3 粒度对制备TCP前驱体粒度的影响
CaCO3 粒度越细，比表面积越大，与磷酸反应很快溶解近完全，体系pH值迅速上升到6～7，生成的大量Ca3 (PO4 )2 nH2 O微粒在短时间内析出，体系中Ca2+ 、PO4 3- 迅速下降，使已析出的Ca3 (PO4 )2 nH2 O微粒包裹沉淀长大作用不明显，加上超声波的分散作用，削弱了微粒间的凝聚长大过程，得到单分散性好的TCP前驱体。CaCO3 粒度(JL-1155型激光粒度分布测试仪测试)对制备TCP前驱体粒度的影响见表1，
表1 TCP前驱体粒度随原料CaCO3 粒度变化关系
编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| CaCO3 粒径(d50 ，μm) | 0.98 | 2.60 | 2.98 | 3.73 | 5.81 | 9.32 |
| TCP前驱体粒径(d50 ，μm) | 0.82 | 1.32 | 2.04 | 2.5 | 3.54 | 4.52 |
3.2 β-磷酸三钙陶瓷的烧制温度确定
本研究采用d50 =1.52μm的TCP前驱体进行了β-TCP、α-TCP高温烧成实验。样品烧成后迅速取出在室温下急冷，以保持高温时的晶型。将TCP前驱体在1080 ℃下保温煅烧40 min，根据XRD图谱，烧成品全部为β-TCP；在1150 ℃下保温煅烧40 min，根据XRD图谱，烧成品全部为β-TCP；在1200 ℃下保温煅烧40 min，根据XRD图谱，烧成品为β-TCP和α-TCP的混合物；在1250 ℃下保温煅烧40 min，根据XRD图谱，烧成品为α-TCP(图略)。由煅烧实验可知，若要制备β-TCP，煅烧温度宜控制在1170 ℃以下，若要制备α-TCP，煅烧温度宜控制在1230 ℃以上。所得结果与文献[1]CaO-P2 O5 体系温度—组成相图(图略)一致。
图1所示样品为球形孔多孔β-TCP陶瓷照片；图3.2所示样品为柱状孔多孔β-TCP陶瓷照片。从图1、图2可看出，柱状硬脂酸成孔的多孔β-TCP陶瓷内部孔道互相贯通，便于吸载和释放BMP以及β-TCP的溶解。而球形硬脂酸成孔的多孔β-TCP陶瓷内部孔道贯通性较差，需要在植入一段时间后，随着TCP的逐步溶解，大孔道才相互贯通。陶瓷体的大孔孔径在400-700 μm。小孔径在10-30μm。
图1 球状孔多孔β-TCP陶瓷照片 图2 柱状孔多孔β-TCP陶瓷照片
(TCP前驱体的粒度为d50 =1.32μm，煅烧温度为1150℃，保温40分钟。孔隙率为55%)
图3 多孔β-TCP陶瓷在生理盐水中的溶解曲线
3.3 TCP前驱体粒度对β-TCP烧结强度的影响
TCP前驱体粒度对β-TCP烧结强度的影响见表2
实验条件：粘接剂为3%PVA溶液，成孔剂为20～30目球状硬脂酸。TCP前驱体粉与成孔剂的重量比为10∶4.5。升温速度：常温～900 ℃为90 min，900～1100 ℃为80 min，1100～1150 ℃为30 min。1150 ℃下保温40 min。
表2 TCP前驱体粒度对β-TCP烧结强度的影响
编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| TCP 粒径(d50 ，μm) | 0.82 | 1.32 | 2.04 | 2.5 | 3.54 | 4.52 |
| β-TCP陶瓷孔隙率(%) | 51 | 53 | 57 | 62 | 64 | 67 |
| 抗压强度(MPa) | 8.2 | 7.5 | 6.6 | 6.2 | 5.8 | 4.9 |
由表2可看取，TCP前驱体的粒度越细，制备的多孔β-TCP陶瓷烧结体抗压强度越大，这是因为TCP前驱体的粒度越细，其表面活化能越大，在高温煅烧过程中，微粒聚集、烧结，形成致密骨架，使陶瓷体强度增加。
3.4 孔隙率对多孔β-TCP烧结强度的影响
多孔β-TCP样品的制备用d50 =1.32μm的TCP前驱体粉料，加20-30目球状硬脂酸调节孔隙率，烧结温度为1150℃，保温40分钟。孔隙率对多孔β-TCP烧结强度之影响见表3。
表3 孔隙率对多孔β-TCP烧结强度之影响
编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| β-TCP陶瓷孔隙率(%) | 50 | 53 | 59 | 66 | 71 | 75 |
| 抗压强度(MPa) | 8.0 | 7.5 | 6.4 | 5.7 | 3.9 | 2.3 |
从表3可知，随着孔隙率的增加，多孔β-TCP陶瓷体的抗压强度降低，为了保证其一定的强度，孔隙率宜控制在65%以下。
3.5 多孔β-TCP陶瓷体外溶解速率
将图1、图2所示多孔β-TCP陶瓷体经表面处理后，用生理盐水浸泡并用蠕动泵循环泵使浸泡液处于微湍动状态，模拟人体体液微循环状态。由图3可看出，本研究用新工艺制备的多孔β-TCP陶瓷体在模拟人体体液环境情况下，溶解性能良好，能为新骨生成提供丰富的Ca、P。相同孔隙率下，柱状孔多孔β-TCP陶瓷的溶解速度快于球形孔多孔β-TCP陶瓷。孔隙率较小的多孔β-TCP陶瓷其溶解速度相对较小。
4 结 论
本新工艺的独特点为：(1)采用超细CaCO3 粉末、反加料，用超声波分散，反应时间短，制得的TCP前驱体粉末粒径细而均匀，分散性好；(2)反应生成的TCP前驱体沉淀过滤性能好，克服了常规湿法合成的无定形TCP沉淀难于过滤的问题，免除了长时间(一般24 h以上)陈化的过程，提高了效率；(3)由于TCP粒度细，表面活化能高，煅烧过程中聚集、烧结形成牢固的骨架，有利于陶瓷强度提高：制备β-TCP的煅烧温度宜控制在1170 ℃以下；(4)采用柱状硬脂酸作致孔剂制得的多孔β-TCP陶瓷内部孔道互相贯通，有利于体液在陶瓷中的微循环，加速TCP溶解；制备BMP/β-TCP复合人工骨材料时，有利于BMP的吸载和释放；(5)可根据需要通过选用不同粒度的CaCO3 、致孔剂形状、用量，调节β-TCP陶瓷的孔隙率和孔的结构，从而控制陶瓷的强度和溶解速度。
新工艺制备的多孔β-TCP生物陶瓷样品目前正在第四军医大学和海军总医院做临床医学试验，已完成的实验证明新工艺制备的多孔β-TCP陶瓷应用前景极好。