特材班-新型稀土釔摻雜改性磷酸鈣骨水泥-立項(xiàng)申請書

1、.附件1：第十四屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽江西理工大學(xué)賽區(qū)作品立項(xiàng)申報(bào)書作品名稱： 新型稀土釔摻雜改性磷酸鈣骨水泥 申報(bào)者姓名（集體名稱）： 羅遠(yuǎn)方 盧賽輝 所屬學(xué)院及班級(jí)： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 無機(jī)122班 聯(lián)系電話：指導(dǎo)老師姓名： 漆小鵬 申報(bào)立項(xiàng)時(shí)間： 2014年11月 類別： 自然科學(xué)類學(xué)術(shù)論文 哲學(xué)社會(huì)科學(xué)類社會(huì)調(diào)查報(bào)告和學(xué)術(shù)論文 科技發(fā)明制作A類（大型制作）科技發(fā)明制作B類（小發(fā)明、小制作）1.本課題研究的目的和基本思路1.1目的：本課題采用摻雜稀土釔對(duì)磷酸鈣骨水泥進(jìn)行改性研究，探究稀土釔的摻雜對(duì)磷酸鈣骨水泥性能的影響，制備出生物相容性優(yōu)良

2、、具備顯影性能、符合實(shí)際應(yīng)用需要的新型磷酸鈣骨水泥。1.2基本思路：此課題研究的基本思路有： （1）制備出新型稀土釔改性磷酸鈣骨水泥，確定制備工藝，為材料的后續(xù)發(fā)展提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。（2）明確釔離子對(duì)磷酸鈣骨水泥水化機(jī)理的影響、在水化過程中所起的作用，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的變化，為稀土改性磷酸鈣骨水泥的后續(xù)研究和發(fā)展提供理論指導(dǎo)。（3）明確稀土釔的加入量對(duì)材料力學(xué)性能、pH值、流變學(xué)性能、可注射性能、顯影性能、微觀結(jié)構(gòu)及生物學(xué)性能的影響和機(jī)理，確定釔的最佳加入量。（4）通過體外實(shí)驗(yàn)，確定稀土釔改性磷酸鈣骨水泥中釔離子的釋放規(guī)律；明確釔離子的加入對(duì)材料生物學(xué)性能及體外降解性能的影響，深入分析釔離子在其中所起

3、的作用，為稀土改性磷酸鈣骨水泥的后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用提供理論支持。2. 作品的科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處2.1作品的科學(xué)性、先進(jìn)性：稀土元素由于具有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛。自開發(fā)應(yīng)用以來，先后在冶金、石油化工、輕紡、玻璃陶瓷、永磁、液氫材料等許多方面得到了應(yīng)用。稀土還具有類似微量元素的性質(zhì)，可以促進(jìn)農(nóng)作物的種子萌發(fā)，促進(jìn)根系生長，促進(jìn)植物的光合作用。另一方面，人體硬組織的無機(jī)成分除羥基磷灰石外還有許多陰、陽離子，并且發(fā)現(xiàn)在生物磷酸鹽化石中，稀土元素含量比較高。而釔元素，作為稀土元素?fù)诫s羥基磷灰石，對(duì)羥基磷灰石的合成有促進(jìn)作用，并且使其具有更穩(wěn)定的性質(zhì)。而磷酸鈣骨水泥的自固化產(chǎn)物

4、也是羥基磷灰石，依據(jù)釔摻雜羥基磷灰石的優(yōu)良性能，判斷釔摻雜磷酸鈣骨水泥業(yè)必定會(huì)有良好的改性效果。故有此課題來探究釔摻雜改性磷酸鈣骨水泥具體性能的變化，其釔摻雜羥基磷灰石具有的特點(diǎn)：（1）稀土元素Y的原子半徑與Ca相當(dāng)，可以用Y離子替代羥基磷灰石中的Ca離子。用Y離子替代羥基磷灰石中的Ca離子，能夠形成更加穩(wěn)定的磷灰石結(jié)構(gòu)。（2）相對(duì)于HA，含釔羥基磷灰石表現(xiàn)出更好的細(xì)胞相容性。（3）本身含釔羥基磷灰石材料符合生物體應(yīng)用的基本要求，無細(xì)胞毒性作用。（4）氧化釔的加入對(duì)羥基磷灰石的生成有促進(jìn)作用，而且降低了其生成的溫度。（5）含釔羥基磷灰石納米微晶在形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等方面與生物骨、牙組織磷灰石相似，

5、釔的加入提高了HA的生物活性，并且使其具有一定的抑菌作用。（6）由于釔摻雜的羥基磷灰石具有親水性，在酶解物試驗(yàn)中，相比于HA和摻雜Cd、Zn、Mg離子的羥基磷灰石，Y-HA對(duì)變性骨膠原具有最好的吸附性。并且，Y-HA對(duì)于Ca離子的吸收也較其余幾者強(qiáng)，隨著Y離子含量的增加，Ca離子的吸附濃度也變大，表明Ca離子和Y離子之間有較好的相容性，這可能是由于Y3+相對(duì)于其它離子(二價(jià)離子Cd離子、Zn離子、Mg離子)而言，具有不同的電荷數(shù)和結(jié)構(gòu)。（7）在骨粘附性方面，Y-HA比HA以及Cd、Zn、Mg離子摻雜羥基磷灰石的骨粘附性好。含釔離子濃度較大的的HA相比濃度較小者更能促使骨細(xì)胞貼壁生長。因此，由上

6、述釔摻雜羥基磷灰石各種性能的提高，給此次課題研究的釔摻雜磷酸鈣骨水泥提供了良好的依據(jù)，表明了作品的科學(xué)性與先進(jìn)性。2.2作品的獨(dú)特之處：本研究提出用稀土釔來改性磷酸鈣骨水泥，將釔對(duì)材料生物學(xué)性能的改善與磷酸鈣骨水泥本身的優(yōu)異性能結(jié)合起來，開展稀土在磷酸鈣骨水泥中的應(yīng)用，并提出進(jìn)行稀土釔對(duì)磷酸鈣骨水泥水化性能和機(jī)理、力學(xué)性能、顯影性能、流變學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及生物學(xué)性能影響的系統(tǒng)研究和分析，具有鮮明的特色。（1）開展了稀土釔在磷酸鈣骨水泥中的應(yīng)用，并對(duì)其水化機(jī)理進(jìn)行研究和分析，為磷酸鈣骨水泥的發(fā)展提供新的思路和方法。（2）提出利用稀土釔的摻雜來改善磷酸鈣骨水泥顯影性能和生物學(xué)性能，并將其和材料的力

7、學(xué)性能、pH值、流變學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、釔離子釋放率、體外降解性能等進(jìn)行結(jié)合，綜合分析釔離子的作用機(jī)理。3.作品的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，人們生活水平得到提高，壽命得以延長，如何改善康復(fù)治療水平以提高患者的生活和生命質(zhì)量也受到了重視和關(guān)注。生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)的快速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了可能，其研究焦點(diǎn)之一集中在對(duì)生物醫(yī)用材料的探索上，而骨組織修復(fù)材料一直是生物醫(yī)用材料的研究熱點(diǎn)1, 2。骨缺損是臨床骨科最常見的病癥之一，可由于感染、外傷、腫瘤和先天性疾病等造成，大部分不能自愈而需進(jìn)行骨移植。隨著人口老齡化和各種創(chuàng)傷的增加，對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料尤其是骨移植材料的需求也持續(xù)

8、增長。自體骨至今仍然是最常用的植骨材料，自體骨移植效果很好，被譽(yù)為目前骨移植材料中的黃金標(biāo)準(zhǔn)，但無論是自體松質(zhì)骨移植還是皮質(zhì)骨移植，均需手術(shù)取骨，給病人造成醫(yī)源性創(chuàng)傷，而因取骨量有限，故僅適用于較小的骨缺損的治療；并且這種方法不適用于老人、小孩及有癌癥等惡性疾病的人，并且很難根據(jù)缺損部位準(zhǔn)確塑型。異體骨或異種骨移植，雖然骨的來源豐富，但比自體骨成骨潛力差，存在免疫排異反應(yīng)，而且因異體骨處理方面的疏漏可導(dǎo)致受體感染, 有導(dǎo)致傳染疾病和腫瘤生成的可能，同時(shí)也存在準(zhǔn)確塑型難的問題，從而限制了異體骨的廣泛應(yīng)用。因此，骨缺損修復(fù)替代物的開發(fā)研究具有重大的意義，當(dāng)今世界各國都十分重視用于骨組織修復(fù)的人工材

9、料的理論及實(shí)驗(yàn)研究3-6。 磷酸鈣骨水泥自固化的產(chǎn)物為羥基磷灰石，而羥基磷灰石具有良好的生物相容性和生物活性，在臨床上廣泛應(yīng)用于骨缺損的修復(fù)，植入體內(nèi)后，鈣和磷會(huì)游離出材料表面被身體組織吸收，并生長出新的組織。本課題研究稀土元素釔的摻雜來提高磷酸鈣骨水泥的材料性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于磷酸鈣骨水泥，釔摻雜磷酸鈣骨水泥的生物相容性與生物活性，這毫無疑問對(duì)磷酸鈣骨水泥作為骨修復(fù)材料就有更好的應(yīng)用前景?？偟膩碚f有以下幾點(diǎn)：（1）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的制備工藝的確定。（2）稀土釔的摻雜可以提高磷酸鈣骨水泥的顯影性能和生物學(xué)性能，為磷酸鈣骨水泥的發(fā)展提供新的思路和方法，拓展稀土在生物材料中的應(yīng)用。（3

10、）所制備的稀土釔摻雜磷酸鈣骨水泥具有良好的生物學(xué)性能和物理化學(xué)性能，其綜合性能基本滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。4.當(dāng)前國內(nèi)外同類課題研究水平概述（注：附主要參考文獻(xiàn)目錄）自固化磷酸鈣骨水泥（Calcium Phosphate Cement, CPC）的問世，正是對(duì)這些問題有益探索的結(jié)果。CPC又稱羥基磷灰石骨水泥(Hydroxyapatite Cement，HAC)，最先由Brown和Chow7于1986年研制成功，它是指一類以各種磷酸鈣鹽為主要成份，在生理?xiàng)l件下具有自固化能力，固化產(chǎn)物與人體骨骼中的無機(jī)成分相類似的無機(jī)材料。具有高度的生物相容性、可臨時(shí)塑形性、良好的密閉性能、奇特的藥物緩釋載體功能、

11、良好的自固化性、具有降解活性及成骨活性、固化過程的等溫性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)在很大程度上符合臨床修復(fù)骨缺損的要求，因此，它們?nèi)找媸艿街匾暎袕V闊的應(yīng)用前景8-10。Zhao等11將臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞和磷酸鈣骨水泥支架結(jié)合用于骨修復(fù)，顯示了磷酸鈣骨水泥良好的生物相容性和作為骨修復(fù)材料廣闊的前景。CPC作為目前唯一能自行固化并產(chǎn)生骨再生效果的骨骼修復(fù)材料，以其生物相容性高和可任意塑形這兩種特性的統(tǒng)一，得到了國際生物材料界和醫(yī)學(xué)界的重視，成為當(dāng)今生物材料的研究熱點(diǎn)之一，并逐步試用于臨床12, 13。近年來，利用不同離子的摻雜來改善磷酸鈣骨水泥的性能成為這個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要的摻雜離子有鍶（Sr）離子、鎂

12、（Mg）離子、鋅（Zn）離子和硅（Si）離子等14-17，其中以鍶離子的研究最為引人關(guān)注。如Alkhraisat等18制備了鍶離子改性生物骨水泥，發(fā)現(xiàn)鍶離子的加入不僅使固化產(chǎn)物中有鍶離子的取代，并且改變了固化產(chǎn)物。細(xì)胞相容性實(shí)驗(yàn)表明，含鍶和不含鍶離子的骨水泥均有利于成骨細(xì)胞的生長和增殖。Yu等19以機(jī)械力化學(xué)法制備了含鍶磷酸鈣骨水泥，實(shí)驗(yàn)表明，此種磷酸鈣骨水泥發(fā)生了兩步水解反應(yīng)，鍶離子通過水化反應(yīng)摻雜進(jìn)入磷酸鈣中，有助于磷酸鈣骨水泥抗壓強(qiáng)度的提高。由于鍶元素的存在以及致密的微觀結(jié)構(gòu)，此種磷酸鈣骨水泥在X光下具有良好的顯影性。Wang等20將碳酸鍶摻入磷酸鈣骨水泥中作為顯影劑，并具體研究了碳酸鍶

13、的加入量對(duì)磷酸鈣骨水泥抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、可注射性、孔隙分布等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，8%的碳酸鍶的加入提高了骨水泥的抗壓強(qiáng)度，延長了凝結(jié)時(shí)間，并使骨水泥具有較好的顯影性。碳酸鍶的加入不會(huì)明顯影響骨水泥的相轉(zhuǎn)變。Guo等21對(duì)含鍶羥基磷灰石骨水泥進(jìn)行了體外及體內(nèi)生物學(xué)性能研究，研究發(fā)現(xiàn)，含鍶羥基磷灰石骨水泥具有良好的生物相容性和降解性，鍶離子的加入有利于材料降解性能的提高，鍶離子梯度分布于植入物和新骨之間，鍶離子的加入可能對(duì)新骨生成有促進(jìn)作用。在自然界中，磷酸鹽巖石中的磷灰石常富含稀土，沉積磷酸鹽的特征是富釔(Y)。動(dòng)物骨灰中稀土元素含量在0.0002%-0.8%之內(nèi)，其中釔的含量最高。在模

14、擬人體致密骨、牙齒的無機(jī)成分時(shí)，若添加一定成分的稀土，設(shè)計(jì)生物陶瓷組分，改善材料的物理化學(xué)性能及生物學(xué)性能，將具有重要的理論意義和實(shí)際意義。一些研究者在這方面做出了有益的探索，如劉泉等22研究了釔-羥基磷灰石（HA）納米微粒對(duì)人牙周膜細(xì)胞生物學(xué)行為的影響，結(jié)果表明：含釔分別為0.05 mol/L和0.25 mol/L的Y-HA納米微晶均比HA納米微晶能促進(jìn)牙周膜細(xì)胞增殖明顯。Ergun等23, 24的研究表明：三價(jià)態(tài)的稀土離子能替代鈣離子進(jìn)入到磷灰石結(jié)構(gòu)中，為補(bǔ)償額外的正電荷，每兩個(gè)釔離子取代一個(gè)鈣離子，導(dǎo)致磷灰石折射率和晶格參數(shù)的改變。含釔為0.1-0.35 mol/L的磷灰石陶瓷表面吸附了

15、大量的高濃度的鈣和玻基結(jié)合蛋白、膠原，增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的黏附，認(rèn)為釔元素進(jìn)入到磷灰石晶體內(nèi)可能為蛋白質(zhì)的吸附和細(xì)胞的粘附提供位點(diǎn),可以促進(jìn)磷灰石生物陶瓷的細(xì)胞相容性。Sato等25在鈦的表面沉積了一層納米羥基磷灰石涂層，研究發(fā)現(xiàn)摻雜了釔的納米晶羥基磷灰石涂層與未摻雜釔的涂層相比具有更好的成骨活性。Wang等26對(duì)氧化釔（Y2O3）的加入對(duì)CaHPO4·2H2O +CaCO3體系固相反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Y2O3的加入會(huì)影響其固相反應(yīng)機(jī)理，改變磷酸鈣的多相轉(zhuǎn)變溫度和羥基磷灰石的形成溫度。白石等27制備了不同釔含量的釔/羥基磷灰石(Y/HA)復(fù)合納米晶體微粒并其結(jié)構(gòu)、化學(xué)和生物學(xué)性能進(jìn)行

16、了研究。結(jié)果表明，釔元素進(jìn)入羥基磷灰石晶體結(jié)構(gòu)中并取代部分鈣元素，鈣和釔的溶出隨著釔含量的增大增多；能促進(jìn)人牙周膜細(xì)胞和大鼠成骨細(xì)胞生長，對(duì)口腔細(xì)茵有一定的抑制作用。釔/羥基磷灰石復(fù)合納米微晶，在形態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)、合成和結(jié)晶度方面與生物骨、牙組織的磷灰石相似，具有更好的生物、化學(xué)活性及一定的抑菌作用。以上研究均表明，在磷酸鈣基陶瓷中加入少量的稀土釔會(huì)改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，并有利于材料生物相容性和成骨活性等生物學(xué)性能的提高。目前稀土釔在骨修復(fù)材料中的研究主要集中在利用釔摻雜制備釔/羥基磷灰石納米微晶和在金屬表面沉積釔/羥基磷灰石涂層，以提高材料的生物活性。磷酸鈣骨水泥的摻雜改性主要集中在鍶離子、鎂離

17、子、鋅離子等，還未見有稀土釔離子摻雜到磷酸鈣骨水泥中的報(bào)道。由于本研究制備的磷酸鈣骨水泥水化產(chǎn)物為弱結(jié)晶羥基磷灰石，結(jié)合文獻(xiàn)報(bào)道中含釔羥基磷灰石良好的生物活性，本項(xiàng)目提出將稀土釔摻雜到磷酸鈣骨水泥中，將釔對(duì)材料生物學(xué)性能的改善與磷酸鈣骨水泥本身的優(yōu)異性能結(jié)合起來，制備新型稀土改性磷酸鈣骨水泥，并對(duì)其水化機(jī)理和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，此項(xiàng)研究將為稀土改性磷酸鈣骨水泥的后續(xù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)，本項(xiàng)目是一個(gè)多學(xué)科交叉課題，涉及材料學(xué)、生物學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)的重要科學(xué)問題，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景及重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。主要參考文獻(xiàn)：1 Hench LL, Polak JM. Third-generation

18、 biomedical materials. Science, 2002, 295: 1016-1017.2 Peppas NA, Langer R. New challenges in biomaterials. Science, 1994, 263: 1715-1720.3 Yuan HP, Li YB, De Bruijn JD, et al. Tissue responses of calcium phosphate cement: A study in dogs. Biomaterials, 2000, 21: 1283-1290.4 Wang XP, Ye JD, Wang H.

19、Effects of Additives on the rheological properties and injectability of a calcium phosphate bone substitute material. J Biomed Mater Res B, 2006, 78: 259-264.5 戴紅蓮, 陳曉明, 黃福龍等. 可注射磷酸鈣骨水泥的研究. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 28 (1): 30-34.6 Xu HHK, Weir MD, Burguera EF, et al. Injectable and macroporous calcium phosph

20、ate cement scaffold. Biomaterials, 2006, 27: 4279-4287.7 Brown W.E., Chow L.C. A new calcium phosphate water setting cement. In:Brown PW, editor. Cements research progress. Westerville, OH:American Ceramic Society; 1986. p. 35279.8 楊洪, 王凱, 師明旭等. 快速固化型磷酸鈣骨水泥的研究. 現(xiàn)代化工, 2011, 31 (10): 28-30.9 張濤, 高杰維,

21、屈樹新等. 鈣磷物質(zhì)的量比對(duì)磷酸鈣骨水泥性能的影響. 無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 26(6): 957-962.10 Lopez-Heredia MA, Kamphuis GJB, Thüne P C. An injectable calcium phosphate cement for the local delivery of paclitaxel to bone. Biomaterials, 2011, 32 (23): 5411-5416.11 Zhao L, Weir M D, Xu HHK. Human umbilical cord stem cell encapsula

22、tion in calcium phosphate scaffolds for bone engineering. Biomaterials, 2010, 31(14): 3848-3857.12 Habraken WJEM, Liao HB, Zhang Z, et al. In vivo degradation of calcium phosphate cement incorporated into biodegradable microspheres. Acta Biomaterialia, 2010, 6 (6): 2200-2211.13 Liao HB, Walboomers X

23、F, Habraken WJEM. Injectable calcium phosphate cement with PLGA, gelatin and PTMC microspheres in a rabbit femoral defect. Acta Biomaterialia, 2011, 7 (4): 1752-1759.14 Julien M, Khairoun I, LeGeros RZ, et al. Physicochemical mechanical and in vitro biological properties of calcium phosphate cements

24、 with doped amorphous calcium phosphates. Biomaterials, 2007; 28: 956965.15 Boanini E, Gazzano M, Bigi A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature. Acta Biomaterialia, 2010, 6: 18821894.16 Pina S, Olhero SM, Gheduzzi S. Influence of setting liquid composition and liqu

25、id-to-powder ratio on properties of a Mg-substituted calcium phosphate cement. Acta Biomaterialia, 2009, 5 (4): 1233-1240.17 Panzavolta S, Torricelli P, Sturba L, et al. Setting properties and in vitro bioactivity of strontium-enriched gelatincalcium phosphate bone cements. J Biomed Mater Res A, 200

26、8; 84A: 965972.18 Alkhraisat MH, Moseke C, Blanco L，et al. Strontium modified biocements with zero order release kinetics. Biomaterials, 2008, 29: 4691-4697.19 Yu T, Ye JD, Wang YJ. Preparation and characterization of a novel strontium-containing calcium phosphate cement with the two-step hydration

27、process. Acta Biomaterialia, 2009, 5: 2717-2727.20 Wang XP, Ye JD, Wang YJ. Influence of a novel radiopacifier on the properties of an injectable calcium phosphate cement. Acta Biomaterialia, 2007, 3: 757763.21 Guo D, Xu K, Han Y. The influence of Sr doses on the in vitro biocompatibility and in viv

28、o degradability of single-phase Sr-incorporated HAP cement. J Biomed Mater Res A, 2008; 86A: 947958.22 劉泉, 莫安春. 釔-羥基磷灰石納米微粒對(duì)人牙周膜細(xì)胞生物學(xué)行為的影響. 牙體牙髓牙周病學(xué)雜志, 2008, 18(3): 139-143.23 Ergun C, Webster TJ, Bizios R, et al. Hydroxyapatite with substituted magnesium, zinc, cadmium and yttrium. I. Structure and

29、 microstructureJ Biomed Mater Res，2002，59(1)：305-3l1.24 Webster TJ, Ergun C, Doremus RH, et al. Hydroxyapatite with substituted magnesium, zinc, cadmium, and yttrium. II. Mechanisms of osteoblast adhesionJ Biomed Mater Res，2002，59(2)：3l2-3l7.25 Sato M, Sambito MA, Aslani A, et al. Increased osteobla

30、st functions on undoped and yttrium doped nanocrystalline hydroxyapatite coatings on titanium. Biomaterials，2006, 27(11): 235826 Wang Y, Gao JC , Hu JZ , et al. Solid reaction mechanism of CaHPO4·2H2O +CaCO3 with and without yttria. Rare Metals, 2009, 28(1): 77-81.27 白石, 莫安春, 陳治清等. 釔/羥基磷灰石復(fù)合納米晶

31、體微粒的制備及性能. 中國口腔種植學(xué)雜志, 2006, l1(1): 1-4.5.該課題研究的主要內(nèi)容和預(yù)期成果、主要研究方法和手段5.1課題研究主要內(nèi)容：從上面的論述可知，當(dāng)稀土釔的摻雜量在一定范圍內(nèi)，摻雜釔的羥基磷灰石與未摻雜釔的羥基磷灰石相比具有更好的生物相容性和成骨活性，由于本研究制備的磷酸鈣骨水泥水化產(chǎn)物為弱結(jié)晶羥基磷灰石，并且目前稀土釔在磷酸鈣骨水泥中的應(yīng)用還未見報(bào)道，本研究擬采用稀土釔改性磷酸鈣骨水泥，制備新型稀土改性磷酸鈣骨水泥，并對(duì)其水化機(jī)理及性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，具體研究內(nèi)容如下：（1）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的制備研究在先前的研究中，我們已經(jīng)采用化學(xué)法制備了磷酸鈣骨水泥，水化產(chǎn)

32、物為弱結(jié)晶羥基磷灰石。在本項(xiàng)目中，我們將采用液相法和機(jī)械力化學(xué)法制備稀土釔改性磷酸鈣骨水泥，對(duì)制備過程中的影響因素及不同方法制備的稀土釔改性磷酸鈣骨水泥進(jìn)行系統(tǒng)研究和分析，確定稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的最佳制備方法。（2）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的水化機(jī)理研究系統(tǒng)研究釔的加入對(duì)磷酸鈣骨水泥水化性能的影響及其水化機(jī)理。釔的加入是否會(huì)影響磷酸鈣骨水泥本身的水化過程，水化產(chǎn)物會(huì)有何變化，釔在水化過程中所起到的作用。（3）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的物化性能研究系統(tǒng)研究稀土釔的加入量等對(duì)稀土釔改性磷酸鈣骨水泥材料力學(xué)性能、pH值、流變學(xué)性能、顯影性能、可注射性能、物相轉(zhuǎn)變、微觀結(jié)構(gòu)等的影響，深入研究和分析釔離

33、子的作用機(jī)理，為稀土改性磷酸鈣骨水泥的后續(xù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。5.2課題主要研究方法和手段（1）磷酸鈣骨水泥的制備。以分析純硝酸鈣、磷酸氫二鈉、氫氧化鈉等為原料，用液相法制備出無定形磷酸鈣（ACP），將其過濾、干燥、一定溫度下煅燒、研磨、過篩得到部分結(jié)晶磷酸鈣（PCCP），將所得部分結(jié)晶磷酸鈣和分析純二水磷酸氫鈣（DCPD）以質(zhì)量比1：1混合均勻，加入一定量固化液，得到所需磷酸鈣骨水泥。（2）稀土改性磷酸鈣骨水泥的制備。本研究擬采用兩種路線制備稀土改性磷酸鈣骨水泥，釔離子的加入量為0.05-0.35mol/L，其一先將氧化釔（Y2O3）溶于硝酸中得到硝酸釔，將一定量硝酸釔加入到液相法制

34、備無定形磷酸鈣（ACP）的過程中，而后過濾、干燥、煅燒、研磨、過篩得到化學(xué)法稀土摻雜部分結(jié)晶磷酸鈣（Y-PCCP）。將稀土摻雜的部分結(jié)晶磷酸鈣與二水磷酸氫鈣以1：1質(zhì)量比混合均勻，加入一定量固化液，得到第一種稀土改性磷酸鈣骨水泥；其二將一定量氧化釔與前期制備的部分結(jié)晶磷酸鈣混合均勻，干法球磨，而后過篩得到機(jī)械力法稀土摻雜部分結(jié)晶磷酸鈣，而后將其與二水磷酸氫鈣以1：1質(zhì)量比混合均勻，加入一定量固化液，得到第二種稀土改性磷酸鈣骨水泥。 （3）將兩種方法制備的稀土改性磷酸鈣骨水泥制成6mm×12mm的圓柱形樣品,置于恒溫恒濕箱中固化，每隔一段時(shí)間取出一定樣品置于液氮中終止其水化過程，將取出

35、樣品處理后進(jìn)行X射線衍射和掃描電鏡測試，深入研究其水化過程和機(jī)理。將制備的稀土改性磷酸鈣骨水泥與固化液以一定比例混合成漿體，用維卡儀測試其凝結(jié)時(shí)間；用流變儀測試其流變學(xué)性能，包括漿體的粘度、屈服應(yīng)力和觸變性；用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以恒定速率垂直作用于醫(yī)用注射器上測試漿體的可注射性。將稀土釔改性磷酸鈣骨水泥制成6mm×12mm的圓柱形樣品，置于恒溫恒濕箱中固化，將水化好的樣品干燥后用萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、醫(yī)用X光機(jī)、pH計(jì)、X射線衍射儀、紅外光譜、掃描電鏡、能譜儀等進(jìn)行力學(xué)性能、顯影性能、pH值、水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)測試，綜合分析測試結(jié)果，研究釔離子的作用機(jī)理，確定摻雜的釔離子是吸附在水化產(chǎn)物晶體表

36、面還是發(fā)生離子取代進(jìn)入到晶體內(nèi)部以及釔的最佳加入量。（4）對(duì)不摻雜釔磷酸鈣骨水泥和稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的體外生物學(xué)性能進(jìn)行比較和分析，深入研究和探討釔離子的作用機(jī)理。將制備的稀土改性磷酸鈣骨水泥材料通過體外實(shí)驗(yàn)來研究樣品的釔離子釋放性能及體外降解性能，以不摻雜釔的磷酸鈣骨水泥樣品作為對(duì)比樣。將水化好的樣品干燥后置于去離子水中，去離子水與樣品的比例為10ml/g，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測試釔離子的釋放性能，每天測試一次，共測試15天。將所制備的樣品充分干燥后放入到裝有磷酸鹽緩沖溶液（PBS溶液）的聚苯乙烯瓶中，PBS溶液與樣品的比例為50 ml/g，PBS溶液每7天更換一次，

37、再將裝有樣品的聚苯乙烯瓶放入恒溫恒濕箱中，溫度為37ºC。分別在1天、3天、7天、14天、28天、42天取出樣品，對(duì)其進(jìn)行孔隙率、失重率和抗壓強(qiáng)度的測試，并用掃描電鏡進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。對(duì)材料在體外降解較長時(shí)期內(nèi)的強(qiáng)度發(fā)展、降解性能進(jìn)行分析，為材料的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。5.3 課題主要研究方法和手段（圖示）（1）磷酸鈣骨水泥制備 (2)稀土改性磷酸鈣骨水泥制備（3）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥性能及機(jī)理研究5.4課題試驗(yàn)預(yù)期成果（1）稀土釔改性磷酸鈣骨水泥的制備工藝的確定。（2）稀土釔的摻雜可以提高磷酸鈣骨水泥的顯影性能和生物學(xué)性能，為磷酸鈣骨水泥的發(fā)展提供新的思路和方法，拓展稀土

38、在生物材料中的應(yīng)用。（3）所制備的稀土釔摻雜磷酸鈣骨水泥具有良好的生物學(xué)性能和物理化學(xué)性能，其綜合性能基本滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。（4）論文及專利：在中文核心期刊和國外學(xué)術(shù)期刊及國際會(huì)議上發(fā)表論文7篇以上，其中三大索引收錄論文1-2篇。6.完成本項(xiàng)研究任務(wù)的條件分析（可行性分析） （1）我們的前期實(shí)驗(yàn)表明利用液相法和機(jī)械力法制備稀土釔改性磷酸鈣骨水泥是可行的，所制備的磷酸鈣骨水泥能正常固化，固化產(chǎn)物主要為弱結(jié)晶羥基磷灰石。 （2）從前期研究和文獻(xiàn)查閱的情況來看，利用離子摻雜來改變磷酸鈣骨水泥的性能是可行的，目前研究較多的是鍶離子、鎂離子、鋅離子、氟離子等，釔離子主要用于摻雜羥基磷灰石，本研究所制備

39、的磷酸鈣骨水泥的水化產(chǎn)物正是羥基磷灰石，因此從離子摻雜的角度上利用釔離子摻雜改性磷酸鈣骨水泥是可行的。 （3）磷酸鈣骨水泥作為一種硬組織修復(fù)生物材料，其摻雜離子的選擇首要考慮的就是生物相容性，從以往釔摻雜羥基磷灰石的研究來看，少量釔離子的摻雜有助于材料生物相容性及成骨活性的提高，因此從生物醫(yī)學(xué)角度上利用稀土釔摻雜改性磷酸鈣骨水泥是可行的。（4）本研究組依托于離子性稀土資源開發(fā)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，本實(shí)驗(yàn)所需材料及試劑均可獲得，本實(shí)驗(yàn)擁有所需的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及從事相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的經(jīng)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)主要成員擁有較好的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。（5）實(shí)驗(yàn)設(shè)備和研究小組主要依托于江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、學(xué)校測試中心和離子性稀土資源開發(fā)及應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，可充分利用實(shí)驗(yàn)室良好的實(shí)驗(yàn)研究條件。學(xué)院實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有激光粒度分析儀、X-射線衍射儀（帶計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)檢索系統(tǒng)譜庫）、1000倍光學(xué)顯微鏡、精密pH計(jì)、行星球磨機(jī)、綜合熱分析儀、冷