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氧化铝陶瓷和羟基磷灰石(Hydroxyapatite，简称HA或HAP)陶瓷是研究和应用最广泛的两种生物陶瓷材料。这两种材料都具有各自的优缺点，但作为生物材料它们的性能具有互补性，采用一定的技术将二者复合在一起可以制备出高强度的生物活性陶瓷材料。由于烧结特性和热膨胀系数等性能的差异，将二者直接复合或在氧化铝陶瓷表面制备HA薄膜所获得的结果并不理想。如能借鉴梯度功能材料的设计思想，在α-Al2O3陶瓷基体表面制备组成呈梯度变化的HA—玻璃涂层，便可以有效地降低涂层和基体间的热应力，得到结合牢固的HA—玻璃—α-Al2O3梯度复合生物陶瓷材料。这种材料兼顾了HA陶瓷和α-Al2O3陶瓷的优点，具有很大的研究和应用价值。因此本文对HA—玻璃—α-Al2O3复合生物材料及梯度复合生物活性材料的制备、结构、性能与应用进行了基础研究。具体工作和所获的成果如下：
1.用湿法在水—无水乙醇体系下合成了粒度30～50nm的羟基磷灰石(HA)粉。研究了凝胶洗涤和干燥方式等因素对粉体粒度等特性的影响，确定了合成纳米羟基磷灰石粉体的最佳工艺条件。对纳米HA和煅烧粗化的HA粉体的烧结特性进行了研究和对比。用常压烧结法分别制备了CaO-P2O5-SiO2玻璃、R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃、α-Al2O3和R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃—α-Al2O3增韧HA生物陶瓷材料。通过测试坯体烧结收缩率、抗弯强度和断裂韧性(KIC)等性能研究了坯体组成对陶瓷材料的烧结特性和机械强度的影响；利用DTA、XRD、IR等手段分析了材料在烧结过程中所发生的物相变化，并用SEM观察了不同条件下制备的陶瓷材料的显微结构。上述工作为进一步设计和制备HA—玻璃—α-Al2O3梯度复合生物材料提供理论基础和实验依据。
结果表明：CaO-P2O5-SiO2玻璃能促进HA的烧结，并具有一定的增强作用；R2O-B2O3-Al2O3-SiO2系统玻璃可以显著降低HA烧结温度，但会促进HA的分解；适量α-Al2O3在HA陶瓷中具有增强作用，但过多的α-Al2O3会阻碍HA的烧结使烧结温度提高，烧结温度提高会导致HA分解转变成TCP。
同时使用超细α-Al2O3和R2O-B2O3-Al2O3-SiO2玻璃复合增韧HA陶瓷可以取得较好效果。在复合陶瓷材料中玻璃起到降低烧结温度，促进烧结的作用：超细α-Al2O3起到增韧补强的作用，同时也能在一定程度上阻碍烧结过程中玻璃与HA的相互作用，防止HA分解。当α-Al2O3含量为10％(wt)，玻璃含量为20％(wt)时，在1200℃下烧结1h可以获得平均抗折强度为105.82Mpa，平均KIC值为0.84MPa.ml/2的复合HA生物陶瓷。
2.以低温燃烧法合成的α-Al2O3超细粉体为主要原料、CaO-MgO-Al2O3-SiO2玻璃为熔剂，采用常压烧结法制备了α-Al2O3陶瓷基体。在α-Al2O3陶瓷表面制备了HA-玻璃—α-Al2O3梯度复合生物涂层。其中玻璃分别采用了CaO-P2O5-SiO2玻璃和R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃。研究了梯度涂层组成和结构对涂层与α-Al2O3陶瓷基体结合牢度和整体梯度材料抗折强度的影响；利用SEM观察了涂层断面和表面的显微结构，并用EDS分析了涂层断面的化学组成变化。
对HA—玻璃—α-Al2O3梯度生物涂层的研究结果表明R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃比CaO-P2O5-SiO2玻璃更适合于制备梯度复合材料。当采用R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃为梯度涂层玻璃组成，并在涂层中添加适量的超细α-Al2O3时，可以显著提高涂层的抗剥离强度。在适当的工艺条件下制备出了涂层与基体结合牢固，平均抗剥离强度达48.22MPa的α-Al2O3陶瓷基HA—玻璃—α-Al2O3梯度复合生物材料。
3.对HA、HA—玻璃和HA—硅灰石(wollastonite，简记作W)—玻璃复合陶瓷的微波烧结进行了系统研究，确定了制备致密HA及其复合生物陶瓷材料的最佳微波烧结工艺条件。采用微波烧结制备高强度的ZrO2-Al2O3陶瓷基体，并用微波烧结工艺在ZrO2-Al2O3陶瓷基体表面制备了HA—硅灰石—玻璃梯度生物活性涂层。研究了烧结温度对涂层结构、相变和涂层与基体的结合牢度的影响，确定了最佳涂层烧结温度。
微波烧结利于HA陶瓷坯体的致密化，可以实现低温快速烧结，并提高陶瓷的机械强度；微波烧结HA-玻璃复相陶瓷的效果不如纯HA，快速升温和烧结导致结构中多孔，强度较纯HA的低。微波烧结对HA的分解有促进作用，而且随着烧结温度升高和时间延长HA分解程度增大。微波烧结工艺可以用于制备梯度涂层材料，微波烧结所制备的HA-W—玻璃梯度涂层结构和性能与常规烧结法制备的梯度涂层相近。但利用微波可以实现快速烧结，缩短烧结周期，降低能耗。
4.对HA—玻璃—α-Al2O3复合生物材料的生物医学性能进行了评价。在进行了一系列安全性评价试验基础上，采用物理模拟实验及小白鼠肌肉埋植实验研究了所研制的复合生物材料的降解特性；采用模拟体液(SBF)浸泡实验，用XRD、EDS和SEM等手段对HA—W—玻璃梯度涂层的生物活性进行了研究。
生物医学性能评价结果表明：HA-R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃—α-Al2O3复合生物陶瓷材料对生物体无急性或亚急性毒性反应；溶血试验和热源反应试验结果表明，材料在生物体内不会引起溶血反应和热源反应；肌肉埋植试验结果表明，材料对肌肉无刺激性，发现有多核巨细胞吞噬现象，说明所研究的复合生物材料具有一定的生物降解现象。物理降解试验和肌肉埋植失重分析结果表明复合材料的组成对其降解特性有很大影响。HA—玻璃复合材料有一定的降解特性和良好的表面活性，而在复合生物材料中添加氧化铝有则利于提高耐久性。因此本文研制的HA-R2O-Al2O3-B2O3-SiO2玻璃—α-Al2O3梯度活性生物涂层具有表面活性高，内层耐久性好的优点，有利于临床应用。
模拟体液浸泡实验表明，1150℃常规烧结和微波烧结的HA—W—玻璃梯度涂层都具有良好的表面生物活性，浸泡一段时间后表面形成了HA沉积层。而在1200℃下微波烧结HA—W—玻璃梯度涂层表面生物活性下降。