硅酸三钙(Ca3SiO5,C3S)是传统硅酸盐水泥的主要成分,近年来研究发现,硅酸三钙具有良好的生物活性,在模拟体液(SBF)中可以诱导产生羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,HA),植入骨缺损部位可以与天然骨形成良好键合,有效刺激新骨生成,促进骨缺损部位的痊愈。当前,硅酸三钙在骨水泥、生物陶瓷的研究开发中引起广泛地关注,表现出巨大的应用价值。稀土离子具有良好的生物相容性,适量的稀土离子植入人体后无毒副作用,且可以有效缩短新骨重建的周期,促进骨缺损的愈合。目前各种稀土离子在生物医学领域广泛应用于生物成像、荧光探针,对医生术前诊断、及术后观察起到重要作用,具有成本低、效率高、灵敏性好、无毒害等优点。临床应用中,如果可以实时掌握硅酸三钙在体内的降解情况,有利于医生制定术后康复方案。为此,本论文中,利用稀土掺杂硅酸三钙,系统研究了稀土离子掺杂硅酸三钙的组成结构、发光性能和生物活性,我们希望通过矿化过程中稀土离子发光性能的变化来监测硅酸三钙的降解过程,为最终临床应用提供实验依据。本论文共六个章节,第一章为绪论,第二章为实验过程所涉及的材料、设备及分析测试技术。第三章介绍了纯硅酸三钙合成的三种方法,通过XRD对合成结果进行表征,并使用磷酸盐溶液作为矿化液对硅酸三钙生物活性进行研究。第四章至第六章分别介绍了 Eu3+、Sm3+、Gd3+三种稀土离子掺杂硅酸三钙,研究三种稀土离子掺杂对硅酸三钙组成结构、发光性能及生物活性的影响。论文第三章,详细介绍了沉淀法、溶胶凝胶法及高温固相法三种硅酸三钙合成方法的实验步骤,通过XRD和SEM对实验结果进行表征。结果表明,沉淀法1400℃可以得到高纯硅酸三钙,颗粒尺寸为5-10 μm,溶胶凝胶法1450℃可以得到高纯硅酸三钙,颗粒尺寸为30-50 μm。首次以稻壳为硅源,通过高温固相法制备硅酸三钙,1500℃煅烧下,样品结晶度良好,无明显杂相。使用0.25 M的K2HPO4溶液作为矿化液对硅酸三钙生物活性进行表征,XRD分析结果表明硅酸三钙在磷酸盐溶液中具有良好的羟基磷灰石诱导能力,SEM观察显示,样品表面矿化羟基磷灰石为针状。论文第四章,通过沉淀法合成Eu3+离子掺杂硅酸三钙,使用XRD,Rietveld精修、FTIR对样品物相和晶体结构进行表征,结果表明Eu3+掺杂可以显著降低CaO含量,促进硅酸三钙的生成,Eu3+掺杂对硅酸三钙晶型无明显影响。以0.25 M的K2HPO4溶液作为矿化液研究Eu3+掺杂硅酸三钙生物活性及矿化过程中Eu3+发光性质的变化,结果表明,Eu3+掺杂硅酸三钙具有良好的生物活性,矿化过程中发性能质发生如下变化:第一,发光强度随矿化时间延长而降低;第二,(5D0→7F2)与(5D0→7F1)的强度比值增加,证明Eu3+周围配位环境的对称性在降低;第三,样品色坐标从矿化前的橙红色区域向紫色区域移动,与此同时,样品发光颜色也发生明显变化。因此,硅酸三钙的矿化过程可以通过Eu3+发光性能来监测。本研究希望可以提供一种简便的方法来实时监测硅酸三钙在体内和体外的矿化过程。论文第五章,通过沉淀法合成Sm3+掺杂硅酸三钙,使用XRD,Rietveld精修、FTIR、发射和激发光谱对样品物相、晶体结构和发光性能进行表征,结果表明Sm3+掺杂可以显著降低CaO含量,促进硅酸三钙的生成,Sm3+掺杂浓度从低到高可以分别稳定T1、T2、T3晶型硅酸三钙。Sm3+掺杂硅酸三钙浓度为0.25mol%时发光强度最高,随着出现浓度粹灭现象,样品在紫外灯(365 nm)照射下发橙红色光,衰减寿命随浓度升高而减小。Sm3+掺杂对硅酸三钙生物活性有一定抑制作用,导致矿化速率减慢。矿化过程中,Sm3+发光强度随矿化时间延长递减,因此可以利用Sm3+发光强度变化来监测Ca3SiOs矿化过程。论文第六章,通过沉淀法合成Gd3+掺杂硅酸三钙,使用XRD,Rietveld精修、FTIR、发射和激发光谱对样品物相、晶体结构、发光性能及生物活性进行表征,结果表明Gd3+掺杂可以显著降低CaO含量,促进硅酸三钙的生成,Gd3+掺杂浓度从低到高分别稳定T2、T3晶型硅酸三钙。Gd3+发射峰位于紫外区域,掺杂浓度为2mol%时发光强度最高,随后出现浓度猝灭,发光强度逐渐降低。衰减寿命随Gd3+掺杂浓度升高而减小。Gd3+掺杂对硅酸三钙生物活性有一定抑制作用,导致矿化速率减慢,Gd3+发光强度随矿化时间延长缓慢降低。