CN110272272A - 一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和应用。所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的化学式为Ca10(PO4)6(OH)2‑xFx，其中0＜x≤2。

Description

一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和 应用
技术领域
本发明涉及一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和应用，属于化学领域和生物医用材料领域。
背景技术
硬组织植入材料是硬组织损伤修复和重建的重要生物医用材料。由于社会人口老龄化问题加剧、各种疾病和交通事故等原因，硬组织植入材料的需求量日益增加。羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(HA)是一种生物活性陶瓷材料，其化学组成和结构与人体牙齿和骨骼中的主要无机成分一致。它可以直接吸附在骨组织、软组织和肌肉组织，不需要缓和组织的中间层，适宜做骨取代物，成为目前临床应用最广泛的硬组织替代材料。然而，纯羟基磷灰石强度低、韧性及力学性能差，同时，表面存在丰富的羟基使其易于粘附细菌，导致抑菌性差。羟基磷灰石本身晶格存在缺陷，其中的Ca2+容易被Mg2+、Na+、Ag+等金属离子替换，OH-易被少量的CO3 2-、F-等离子替换，PO4 3-容易被CO3 2-等替换。因此，可对羟基磷灰石进行掺杂改性研究，获得成分和功能与天然骨更为相近的材料。
由F-部分取代羟基磷灰石中的OH-形成的氟取代的磷灰石，简称FHA(Ca10(PO4)6(OH)2-xFx,0＜x≤2)(Rodriguez-Lorenzo,L.M.,et al.,Biomaterilas,2003,24(21),3777-3785)。因其具有比羟基磷灰石更好的物理化学稳定性、成骨活性而应用于齿科及整形外科。氟离子位于FHA晶体的c轴，并且引起了晶格在a轴方向的收缩，从而提高了FHA的结晶性。另外，由于FHA对于细菌糖酵素有明显的抑制作用，因此可以作为口腔细菌的抑制剂。FHA也具有较高的成骨活性，可以刺激成骨细胞响应及骨基质的形成。尽管氟有利于预防龋齿及提高成骨活性，但是氟含量较高时对于牙齿和骨具有严重的副作用。例如当饮用水中氟含量超标时会引起牙齿变色及凹陷，并且氟斑牙和氟骨症也是很严重的问题。HA中氟含量较高时会引起释放到培养基的Ca2+减少，导致细胞增殖被抑制。因此，优化FHA中的氟含量使其具有最好的生物活性是非常重要的。
目前已见报道的氟掺杂HA的制备方法有沉淀法、水热法、溶胶-凝胶法、电化学沉积法及烧结法等。公开号为CN101293113A的中国专利公开了一种制备氟磷灰石/羟基磷灰石固溶体纳米粉体的方法，其以钙化合物、部分酯化磷酸或磷酸酯的醇溶液为基础，在其中加入含氟化合物和有机胺，通过溶胶燃烧自蔓延的方法合成了氟磷灰石/羟基磷灰石固溶体纳米粉体。公开号为CN104071764A的中国专利公开了一种掺氟/钾羟基磷灰石材料的制备方法，其以Ca(NO3)2·4H2O与H3PO4为原料得到α-磷酸钙粉末，将其分散在含有K+和F-的碱性溶液中制得掺氟、钾羟基磷灰石材料。公开号为CN106868474A的中国专利公开了一种制备氟掺杂羟基磷灰石/磷酸镁复合涂层的水热辅助溶胶凝胶方法，其以钙的化合物(Ca(NO3)2或Ca(OH)2)、磷的化合物(NH4H2PO4或(NH4)2HPO4)、氟的化合物(NH4F或NaF)为原料制得钙磷氟体系溶胶，水热反应后得到氟掺杂羟基磷灰石。以上专利中材料的制备方法复杂且在制备过程中易引入杂质离子，如CO3 2-、NO3 -、NH4 +、Na+等，容易对材料的结构和性能产生影响。其中CO3 2-的引入使HA晶体结构发生变化，使其结晶性降低，溶解度提高(Kumar,G.S.,et al.,Materials Chemistry and Physics,2012,134(2-3),1127-1135)；Na+的存在影响HA的烧结性能，同时影响细胞吸附及骨的代谢和重吸收过程(Sopyan,I.,et al.,CeramicsInternational,2017,43(15),12263-12269)。因此，杂质离子的存在会对氟掺杂羟基磷灰石的结构及性能产生影响。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种不含杂质离子的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料及其制备方法和应用。
第一方面，本发明提供了一种不含杂质离子的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料，所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷材料的化学式为Ca10(PO4)6(OH)2-xFx，其中0＜x≤2。
较佳地，0＜x≤0.2，优选为0.002≤x≤0.02。当0.002≤x≤0.2时，和人体骨中的氟含量较为接近，具有较好的生物学性能，能够有效的促进蛋白质的吸附。并且当0.002≤x≤0.02时，得到微量氟掺杂HA，所得材料可极大程度上促进蛋白质吸附，成骨细胞增殖，具有较好的生物活性。
第二方面，本发明还提供了一种如上所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的制备方法，包括：
按照Ca10(PO4)6(OH)2-xFx称取氟源、钙源、磷源并与水混合，然后在0～250℃下水热反应10～76小时，再经抽滤、烘干后得到所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料；
所述钙源为氟化钙、氢氧化钙、氧化钙、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种；所述磷源为磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种；
所述氟源为氟化钙。
本发明选用氟化钙作为氟源，既能够提供氟，又能作为反应物参与反应，更有利于氟离子进入到羟基磷灰石晶格中，从而获得了不含杂质离子的氟掺杂羟基磷灰石。
较佳地，所述水热反应的温度为100～200℃。
较佳地，将磷源与水混合，得到磷源前驱悬浮液；再将氟源加入到磷源前驱悬浮液中混合均匀；最后再加入钙源并混合均匀。由于钙源用料多，会先跟磷源反应，所以需要最后加入。
第三方面，本发明还提供了一种不含杂质离子的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料，将上述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料、粘结剂和溶剂混合并压制成型，然后在600～1500℃下烧结1～4小时，得到所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料。
本发明将上述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料与、粘结剂和溶剂混合后压制成型并烧结(烧结温度为600～1500℃，时间可为1～4小时)，得到所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料，块体材料有利于成骨细胞在其表面进行粘附增殖。
较佳地，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种，加入量为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的0.6～1wt％。
较佳地，所述溶剂为水、乙醇中的至少一种，加入量为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的5～15wt％。
较佳地，利用模具进行压制成型，所述模具为直径10～20mm的圆柱形模具。
较佳地，所述压制成型的方式为干压成型或/等静压成型，所述干压成型的压力为8～10MPa，时间为1～3分钟，所述等静压成型的压力为8～10MPa，时间为1～3分钟。
第四方面，本发明还提供了一种如上所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料在制备硬组织修复材料中的应用。
第五方面，本发明还提供了一种如上所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料在制备硬组织修复材料中的应用。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明制备方法操作简单，产量较大。所使用的原料成本低廉，适用于规模化生产，具有工业应用前景和价值；
(2)本发明的制备选用的氟源(氟化钙)既能够提供氟，又能作为反应物参与反应，更有利于氟离子进入到羟基磷灰石晶格中；
(3)本发明的副产物只有水，产物羟基磷灰石结构中不会引入除了氟以外的外源离子，不会由反应物带进来的外源离子如Cl-、CO3 2-、Na+、NO3 -、NH4 +等掺杂进入HA晶体结构，因而可以消除杂质离子的影响；
(4)本发明所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料或生物陶瓷块体块体材料：氟离子等价取代羟基磷灰石结构中的氢氧根，导致材料溶解性降低，稳定性增强。微量氟掺杂羟基磷灰石(0.002≤x≤0.02)蛋白质吸附能力强，可以更好的促进成骨细胞增殖，使其在硬组织修复材料方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1为(a)对比例1：HA；(b)实施例1：F0.002；(c)实施例2：F0.02；(d)实施例3：F0.04；(e)实施例4：F0.2；(f)实施例5：F1；(g)实施例6：F2陶瓷粉体的XRD图谱；
图2为(a-c)对比例1：HA；(d-f)实施例2：F0.02；(g-i)实施例4：F0.2；(j-l)实施例6：F2陶瓷粉体样品的SEM图像；
图3为不同氟含量HA陶瓷粉体样品对牛血清蛋白(BSA)及溶酶菌(LSZ)两种蛋白质的吸附量；
图4为(a)对比例1：HA；(b)实施例1：F0.002；(c)实施例2：F0.02；(d)实施例3：F0.04；(e)实施例4：F0.2；(f)实施例5：F1；(g)实施例6：F2陶瓷块体的XRD图谱；
图5为(a-b)对比例1：HA；(c-d)实施例2：F0.02；(e-f)实施例4：F0.2；(g-h)实施例6：F2陶瓷块体样品的SEM图像；
图6为不同氟含量HA陶瓷块体样品表面的细胞增殖情况。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
在本公开中，氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的组成通式可为Ca10(PO4)6(OH)2-xFx，其中0＜x≤2，优选为0.002≤x≤0.2，更优选为0.002≤x≤0.02。当0.002≤x≤0.2时，和人体骨中的氟含量最为接近，具有较好的生物学性能，能够有效的促进蛋白质的吸附。0.002≤x≤0.02，得到微量F掺杂HA，所得材料可极大程度上促进蛋白质吸附，成骨细胞增殖，具有较好的生物活性，使其在硬组织修复材料方面具有重要的应用价值。
在公开中，氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料合成工艺简单，氟离子等价取代羟基磷灰石结构中的氢氧根，导致材料溶解性降低，稳定性增强；微量氟掺杂羟基磷灰石(0.002≤x≤0.2，优选为0.002≤x≤0.02)可以更好的促进成骨细胞增殖，使其在硬组织修复材料方面具有重要的应用价值。
在本公开的一实施方式中，可通过共沉淀法制备氟掺杂羟基磷灰石陶瓷粉体材料。具体来说，按化学计量比(Ca10(PO4)6(OH)2-xFx)分别称取氟源，钙源和磷源，加水均匀混合。然后进行水热反应后，抽滤，烘干，即得氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料。以下示例性地说明采用共沉淀法制备氟掺杂羟基磷灰石陶瓷粉体材料的方法。
按照化学计量比(Ca10(PO4)6(OH)2-xFx)分别称取氟源，钙源和磷源，加水搅拌均匀，得到混合物。作为可优选的实施方式，钙源可为氟化钙、氢氧化钙、氧化钙等中的任意一种或几种的混合物。作为可优选的实施方式，磷源可为磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的任意一种或几种的混合物。其中磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙既可作为钙源，又可作为磷源。作为可优选的实施方式，氟源可为氟化钙，其既可作为氟源，又可作为钙源。此外，还可分别制备氟源，钙源和磷源的前驱悬浮液；在搅拌条件下，将氟源前驱悬浮液倒入磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀，再将钙源前驱悬浮液倒入到氟源前驱悬浮液和磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀。
将混合物进行水热反应，将产物进行抽滤，烘干得到粉体。作为可优选的实施方式，水热反应包括：可在搅拌器上，温度在0～200℃下反应10～76h。可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在烘箱里进行，反应条件为0～250℃下反应10～76h。还可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在可旋转均相反应器中进行，转速为0～20转/分钟，反应条件为0～250℃下反应10～76h。
作为一个制备氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的示例，包括：(1)按照计量比分别称取氟源、钙源和磷源，加水搅拌均匀。(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。将混合液进行水热反应，用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为0-20转/分钟，反应条件为0-250℃下反应10-76h。(3)反应完毕后，将产物进行抽滤，烘干得到粉体。
在本公开中，氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料的化学组分为其化学式可为Ca10(PO4)6(OH)2-xFx，其中0＜x≤2，优选0.002≤x≤0.2，更优选为0.002≤x≤0.02。在本公开中，氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料和生物陶瓷块体材料在硬组织植入体方面具有非常重要的应用价值。
在本公开的一实施方式中，可通过共沉淀法结合烧结方法制备氟掺杂羟基磷灰石陶瓷块体材料，其制备工艺简单，产量大，适用于规模化生产。具体来说，按化学计量比(Ca10(PO4)6(OH)2-xFx)分别称取氟源，钙源和磷源，加水均匀混合。然后进行水热反应后，抽滤，烘干，模压，烧结，即得氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料。以下示例性地说明氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料的制备方法。
按照化学计量比(Ca10(PO4)6(OH)2-xFx)分别称取氟源，钙源和磷源，加水搅拌均匀，得到混合物。作为可优选的实施方式，钙源可为氟化钙、氢氧化钙、氧化钙等中的任意一种或几种的混合物。作为可优选的实施方式，磷源可为磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的任意一种或几种的混合物。其中磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙既可作为钙源，又可作为磷源。作为可优选的实施方式，氟源可为氟化钙，其既可作为氟源，又可作为钙源。此外，还可分别制备氟源，钙源和磷源的前驱悬浮液；在搅拌条件下，将氟源前驱悬浮液倒入磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀，再将钙源前驱悬浮液倒入到氟源前驱悬浮液和磷源前驱悬浮液中，搅拌均匀。
将混合物进行水热反应，将产物进行抽滤，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料。作为可优选的实施方式，水热反应包括：可在搅拌器上，温度在0～200℃下反应10～76h。可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在烘箱里进行，反应条件为0～250℃下反应10～76h。还可利用水热体系，将反应液转移到聚四氟乙烯容器内，在可旋转均相反应器中进行，转速为0～20转/分钟，反应条件为0～250℃下反应10～76h。
将氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料、粘结剂和溶剂混合并压制成型，然后在600～1500℃下烧结1～4小时，得到氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料。作为可优选的实施方式，粘结剂可为聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种，加入量可为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的0.6～1wt％。作为可优选的实施方式，溶剂可为水、乙醇中的至少一种，加入量为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的5～15wt％。其中粘结剂和溶剂的加入顺序不受限制，可分别加入，或将二者混合后再加入(例如，直接加入聚乙烯醇水溶液，浓度为6～10wt％)。作为可优选的实施方式，利用模具进行压制成型，模具为直径10～20mm的圆柱形模具。作为可优选的实施方式，压制成型的方式可为干压成型或/等静压成型。干压成型的压力可为8～10MPa，时间为1～3分钟。等静压成型的压力可为8～10MPa，时间为1～3分钟。应注意，上述烧结可利用管式炉在600-1500℃烧结而成，也可利用箱式炉在600～1500℃烧结而成。
作为一个制备氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料的示例，包括：(1)按照计量比分别称取氟源、钙源和磷源，加水搅拌均匀。(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。将混合液进行水热反应，用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为0-20转/分钟，反应条件为0-250℃下反应10-76h。(3)反应完毕后，将产物进行抽滤，烘干得到粉体。(4)使用直径为13mm模具将粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成生物陶瓷片材。
在本公开中，所得氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷材料不含杂质离子，避免了杂质离子对氟掺杂羟基磷灰石材料结构及性能的影响；材料合成工艺简单，产量大，适用于规模化生产。而且，微量氟离子掺杂羟基磷灰石(0.002≤x≤0.02)蛋白质吸附能力强，可以更好的促进成骨细胞增殖，使其在硬组织修复材料方面具有重要的应用价值。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6(OH)1.998F0.002(F0.002)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.5926g Ca(OH)2，0.0004g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6(OH)1.998F0.002；
(4)将制得的F0.002粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
实施例2：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6(OH)1.98F0.02(F0.02)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.5893g Ca(OH)2，0.0039g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6(OH)1.98F0.02；
(4)将制得的F0.02粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
实施例3：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6F0.04(F0.04)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.5856g Ca(OH)2，0.0078g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6F0.06；
(4)将制得的F0.04粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
实施例4：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6(OH)1.8F0.2(F0.2)的化学计量比分别准确称取3.7810gCa(H2PO4)2·H2O，2.5560g Ca(OH)2，0.0390g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6(OH)1.8F0.2；
(4)将制得的F0.2粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
实施例5：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6(OH)F(F1)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.4078g Ca(OH)2，0.1952g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6(OH)F；
(4)将制得的F1粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
实施例6：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6F2(F2)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.2226g Ca(OH)2，0.3904g CaF2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到氟掺杂羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6F2；
(4)将制得的F2粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
对比例1：
(1)按照下列化学式Ca10(PO4)6(OH)2(HA)的化学计量比分别准确称取3.7810g Ca(H2PO4)2·H2O，2.5930g Ca(OH)2加水搅拌均匀；
(2)将反应液转移到聚四氟乙烯容器内。用不锈钢容器固定在均相反应器中，转速为15转/分钟，反应条件为150℃下反应24h；
(3)反应完毕后，抽滤得到湿粉，烘干得到羟基磷灰石粉体Ca10(PO4)6(OH)2；
(4)将制得的HA粉体与适量的6wt％聚乙烯醇(PVA)水溶液(PVA溶液质量为粉体质量的5-15％)混合均匀，使用直径为13mm模具将0.2g粉体在10Mpa压力下保压1分钟，并在800℃温度下烧结2小时制成块体材料。
表1为实施例1-6和对比例1制备的不同氟掺杂含量的羟基磷灰石块体材料对于牛血清蛋白(BSA)及溶菌酶(LSZ)的吸附量：
图1是(a)对比例1：HA；(b)实施例1：F0.002；(c)实施例2：F0.02；(d)实施例3：F0.04；(e)实施例4：F0.2；(f)实施例5：F1；(g)实施例6：F2陶瓷粉体的XRD图谱。从图1中可知实施例1、2、3、4和对比例1一样归属于HA相(JCPDS No.09-0432)，实施例5和6归属于氟磷灰石(Ca10(PO4)6F2，FA)相(JCPDS No.15-0876)。说明随着氟掺杂量的增加，峰位逐渐右移，从HA相逐渐变为FA相，并且衍射峰强度逐渐增强，峰变尖锐，说明F-的引入使羟基磷灰石的结晶性增强。
图2是不同氟掺杂量的HA生物陶瓷粉体材料的SEM照片，其中(a-c)对比例1：HA；(d-f)实施例2：F0.02；(g-i)实施例4：F0.2；(j-l)实施例6：F2。样品均为微米尺度上的片状结构(a，d，g和j)。随氟含量的增加，片状结构表面晶粒(b，e，h和k)直径从20nm增加到50nm，晶粒长度变化不明显，其分布范围均较大，从50nm-200nm不等。并且从截面图(c，f，i和l)可以看出，随掺杂量的增加，片体的厚度从300nm增加到1μm，层间晶体的排列方式发生明显变化，随着掺杂量的增加层间晶体排列的取向性增强，特别是F2，其内部晶粒方向是垂直于表面的。
图3是不同氟含量HA陶瓷粉体样品对牛血清蛋白(BSA)及溶酶菌(LSZ)两种蛋白质的吸附情况。为了检测材料对于蛋白质的吸附情况，将10mg粉体样品浸泡在250μg/mL牛血清蛋白(BSA)(或溶菌酶(LSZ))溶液中(PBS介质)，在37℃条件下保持4h。然后取上清液测剩余溶菌酶浓度，所使用的试剂是BCA测试盒，使用酶标仪(Multiskan Go,ThermalScientific,USA)在562nm处读取吸光度值。通过吸附前后的蛋白质浓度的差值换算出吸附量。实验得到的两种蛋白质吸附量在表1中列出。从表1中结果中可以看出，样品中含氟量对牛血清蛋白(BSA)及溶菌酶(LSZ)两种蛋白质的吸附能力有较为明显的影响。随掺杂量的增加，两种蛋白质的吸附量均先增大后减小，其中，微量氟掺杂样品(F0.002和F0.02)对两种蛋白质的吸附量较大，尤其是实施例2(F0.02)的蛋白质吸附能力最强。当氟掺杂含量超过0.02时(例如F0.04、F0.2、F1、F2)，两种蛋白质的吸附量已经由于氟含量的增加开始减少。随着氟含量的增加，FHA的晶粒尺寸逐渐增加(图2)，比表面积减小，导致蛋白质吸附位点发生变化，蛋白质的吸附量逐渐减少。
图4是(a)对比例1：HA；(b)实施例1：F0.002；(c)实施例2：F0.02；(d)实施例3：F0.04；(e)实施例4：F0.2；(f)实施例5：F1；(g)实施例6：F2陶瓷块体的XRD图谱。从图中可以看出，氟掺杂HA块体材料与粉体材料一样结晶性良好，无杂相出现。随氟含量的增加，峰位右移，从HA相变为FA相。
图5为(a-b)对比例1：HA；(c-d)实施例2：F0.02；(e-f)实施例4：F0.2；(g-h)实施例6：F2陶瓷块体样品的SEM图像。从图中可以看出，随着氟含量的增加，氟掺杂HA陶瓷的颗粒逐渐增大。
图6是不同氟含量HA陶瓷块体样品表面的成骨细胞(MC3T3-E1)增殖情况。将氟掺杂HA陶瓷块体样品材料灭菌后置入24孔板中，再将生长状态良好的成骨细胞(MC3T3-E1)以15000个/孔的密度接种到各个孔内，转移至37℃的烘箱中培养3、7、14天后，使用MTT法进行细胞计数，观察陶瓷块体材料表面的细胞增殖情况。随着培养时间的延长，材料表面的细胞数量逐渐增多。成骨细胞在材料表面的增殖情况与样品中的含氟量有关，样品F0.02表面成骨细胞增殖量最多。F0.2的样品与纯HA相比也能明显促进成骨细胞的增殖。而样品F1和F2对于成骨细胞的增殖具有明显的抑制作用。说明微量氟掺杂(0.002≤x≤0.2)可以提高MC3T3-E1成骨细胞的增殖活性。

Claims (10)

1.一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料，其特征在于，所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的化学式为Ca10(PO4)6(OH)2-xFx，其中0＜x≤2。
2.根据权利要求1所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料，其特征在于，0＜x≤0.2，优选为0.002≤x≤0.02。
3.一种如权利要求1或2所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于，包括：
按照Ca10(PO4)6(OH)2-xFx称取氟源、钙源、磷源并与水混合，然后在0～250℃下水热反应10～76小时，再经抽滤、烘干后得到所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料；
所述钙源为氟化钙、氢氧化钙、氧化钙、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种；
所述磷源为磷酸、磷酸钙、磷酸一氢钙、磷酸二氢钙中的至少一种；
所述氟源为氟化钙。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为100～200℃。
5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，将磷源与水混合，得到磷源前驱悬浮液；再将氟源加入到磷源前驱悬浮液中混合均匀；最后再加入钙源并混合均匀。
6.一种氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料，其特征在于，将权利要求1或2所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料、粘结剂和溶剂混合并压制成型，然后在600～1500℃下烧结1～4小时，得到所述氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料。
7.根据权利要求6所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇、聚乙二醇中的至少一种，加入量为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的0.6～1wt%。
8.根据权利要求7或8所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料，其特征在于，所述溶剂为水、乙醇中的至少一种，加入量为氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料质量的5～15wt%。
9.一种如权利要求1或2所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷粉体材料在制备硬组织修复材料中的应用。
10.一种如权利要求6-8中任一项所述的氟掺杂羟基磷灰石生物陶瓷块体材料在制备硬组织修复材料中的应用。
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