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人工骨成分羟基磷灰石烧结体的弯曲强度提高至1.7倍

                         

图为以扫描型电子显微镜观察羟基磷灰石复合材料烧结体表面的情形。该复合材料是在羟基磷灰石中混合约30%体积的磷酸三钙而形成的。磷酸三钙由蚀刻液溶出,因此磷酸三钙此前所处的位置形成了空洞,图中以黑色表示。

   
      东京工业大学研究院理工学研究科安田公一副教授的研究小组,成功地将骨骼的主要成分——羟基磷灰石烧结体的弯曲强度提高至约1.7倍。是在羟基磷灰石中混合约30%体积的磷酸三钙(β-TCP)形成复合材料而实现的。制作该复合材料的烧结体,利用在羟基磷灰石粒子组织中混合磷酸三钙粒子而生成的分散强化结构,将弯曲强度提高到了170MPa。此前的羟基磷灰石在烧结体出色的情况下,弯曲强度为100MPa左右。

 

      羟基磷灰石的一般制法是混合磷酸二氢氨〔(NH4)HPO4〕及氢氧化钙〔Ca(OH)〕,使其发生反应,从而生成羟基磷灰石〔Ca10(PO4)6(OH)2〕、氨气(NH3)及水(H2O)。将生成的羟基磷灰石的微细粒子放在滤纸上过滤,使其干燥,从而获得磷灰石微粒子。这种情况下,有时会发生副反应,生成副反应物磷酸三钙并混合。此次,制作了30%体积的分散磷酸三钙的羟基磷灰石复合材料的压粉体,在1150℃的大气中烧结1小时,制成了羟基磷灰石与磷酸三钙的复合陶瓷烧结体。

 

      利用扫描型电子显微镜(SEM)观察时会发现,“弯曲强度最高显示170MPa的组织是由两种成分微粒子微细混合形成的”(安田副教授)(参照图)。在提高强度的同时,杨氏模量、维氏硬度及破坏韧性值KIC等物性值也得到了大幅改善。此前人们认为提高羟基磷灰石烧结体的强度,只需提高羟基磷灰石的纯度即可,而此次证明通过形成复合材料可提高强度,因此有望进一步提高实现人工骨的可能性。

 

      该复合材料陶瓷的烧结体弯曲强度较高估计是由于烧结体的平均粒径缩小到了0.8μm,使分散强化结构发挥了作用。另外,通过观察1100℃下压缩加工时的应力及变化曲线,安田表示“因压缩加工时发生微细粒超塑性现象而推测其具有出色的加工性能”。成型加工性能出色是制作羟基磷灰石制人工骨时的巨大优势所在。人工骨的形状因人而异,需要定制,因此要采用易成型的加工技术。

 

优化羟基磷灰石与磷酸三钙的复合陶瓷烧结体的关键是要细致地优化磷酸三钙的混合比例。

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