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定向多孔HABT复合生物陶瓷的制备、调控及性能研究
一、引言
生物陶瓷是一种新型的生物医学材料，具有高强度、高生物相容性、低摩擦系数等优点。多孔结构是生物陶瓷材料的重要特征之一，具有良好的生物相容性和组织生长性能，因此被广泛应用于人体骨折修复、植入物等领域。近年来，定向多孔生物陶瓷材料的研究备受瞩目，定向多孔结构能够提高材料的力学强度、改善组织生长方向和调控体内微环境，能够更好地促进组织再生和修复。本文将围绕定向多孔HABT（Hydroxyapatite/Alumina/BioactiveGlass-TiO2）复合生物陶瓷的制备、调控及其性能进行研究。
二、定向多孔HABT复合生物陶瓷的制备
1.材料选择及处理
本实验选用HABT复合生物陶瓷作为研究对象，主要成分为羟基磷灰石（HA）、氧化铝（Al2O3）、生物活性玻璃（BG）和氧化钛（TiO2），其中HA是生物陶瓷材料的主要成分，具有良好的生物相容性和骨组织再生性能；而Al2O3和TiO2是陶瓷材料的常用增韧剂，可以提高材料的力学性能；BG可以促进骨组织再生和生物矿化反应。
首先对HA进行粉末制备，采用湿化学方法，以Ca(NO3)2·4H2O和（NH4）2HPO4为原料，在PH为10的条件下进行反应，通过干燥和煅烧制得HA粉体；Al2O3、BG和TiO2的粉末分别采用溶胶-凝胶法进行制备。将这四种粉末按一定比例混合，并经过球磨混合和筛选，得到HABT复合生物陶瓷的初始粉末。
2.材料成型
为了制备定向多孔HABT复合生物陶瓷，需要采用模板法。模板材料选用聚乙烯醇（PVA）纤维，PVA纤维具有良好的可溶性和生物相容性，是制备多孔型材料的常见模板材料。
将初始粉末与PVA纤维混合，并加入适量的去离子水制成泥浆状，涂覆在PVA纤维上，然后进行干燥和固化。在固化过程中，PVA纤维表面由于挥发成分而形成气穴，即模板孔道。采用这种方法可以控制模板孔道的大小和密度，并得到具有良好形状的陶瓷样品。
3.样品烧结
将模板样品放入炉中进行烧结，以将其转化为陶瓷材料。烧结条件如下：首先进行100℃的预热处理，去除模板中的PVA成分，然后在空气中进行焙烧，升温速率为5℃/min，保温3小时，最终冷却至常温。这样可以得到定向多孔HABT复合生物陶瓷。
三、定向多孔HABT复合生物陶瓷的调控
1.孔径和孔密度调控
通过调整PVA纤维的直径和密度可以控制定向多孔HABT复合生物陶瓷的孔径和孔密度。PVA纤维的孔径取决于其直径，而孔密度则可以通过纤维间距来控制。增大PVA纤维的直径或减小其间距，可以增加样品的孔径和孔密度，反之则减小样品的孔径和孔密度。在制备过程中，可以通过调整PVA纤维量和水的含量来达到理想的孔径和孔密度。
2.孔道定向性调控
通过调整PVA纤维的方向和分布可以实现定向多孔HABT复合生物陶瓷的孔道定向性调控。当PVA纤维形成的模板发生扭曲或交错时，可以产生定向孔道，进而实现孔道定向性的调控。
3.化学成分调控
通过调整生物陶瓷的化学成分可以影响其力学、生物活性和生物相容性等性能。本研究选择HA、Al2O3、BG和TiO2等材料进行混合制备，通过改变其比例和组成对复合陶瓷的性能进行调控。在制备过程中，加入适量的钙离子、磷酸盐离子和蛋白质等物质，可以进一步提高材料的生物活性和生物相容性。
四、定向多孔HABT复合生物陶瓷的性能研究
1.力学性能
通过万能材料测试机对定向多孔HABT复合生物陶瓷的力学性能进行测定。结果表明，随着样品孔径和孔密度的减小，材料的抗压强度和断裂韧性逐渐增加。在相同的孔径和孔密度下，当HA的比例增加时，材料的力学性能也会增强。此外，在添加钙离子等化学成分后，材料的力学性能也会有所提高。
2.生物相容性
通过离体培养和体内植入实验评估定向多孔HABT复合生物陶瓷的生物相容性。实验结果表明，HABT复合生物陶瓷具有良好的生物相容性，能够促进细胞增殖和骨组织生长。植入实验结果显示，样品能够良好地与组织相容，并能够促进骨组织再生。
3.生物活性
通过体外实验和动物模型实验评估定向多孔HABT复合生物陶瓷的生物活性。实验结果表明，HABT复合生物陶瓷能够促进体外骨细胞的分化和矿化反应，并能够提高动物模型中骨组织生长的速度和质量。
五、结论
本研究成功制备了定向多孔HABT复合生物陶瓷，并通过调控孔径和孔密度、孔道定向性和化学成分等参数，实现了对材料性能的调控。实验结果表明，定向多孔HABT复合生物陶瓷具有良好的力学性能、生物相容性和生物活性，并且具有良好的前景应用于骨组织再生与修复等领域。