第4章生物醫(yī)用陶瓷材料

1、第四章 生物醫(yī)用陶瓷材料u陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系u磷酸鈣陶瓷u生物活性玻璃與生物微晶玻璃u其它生物陶瓷u陶瓷材料的增韌強化u陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料概述 陶瓷是指用天然或人工合成的粉狀化合物經(jīng)過成型和高溫燒結(jié)制成的、由金屬和非金屬元素的無機化合物構(gòu)成的多晶固體材料。陶瓷可分為傳統(tǒng)陶瓷(普通陶瓷)和近代陶瓷(特種陶瓷)。傳統(tǒng)的陶瓷都是以由構(gòu)成地殼的硅、鋁、氧三種主要元素形成的天然硅酸鹽天然硅酸鹽礦物為主要原料(如粘土、長石、硅石)制成的材料。而把近代陶瓷稱為“新型陶瓷”(New Ceramics)或“精細陶瓷”(Fine Ceramics) 廣義的生物陶瓷可以分為與人體相關(guān)的陶瓷(植入類陶瓷)和與生

2、化學(xué)相關(guān)的陶瓷(生物工程類陶瓷)二大類。所謂的與人體相關(guān)的陶瓷就是指通過植入人體或是與人體組織直接接觸，使機體功能得以恢復(fù)或增強可使用的陶瓷。一般狹義地稱生物陶瓷就是指這類陶瓷。圖4-1是幾種常見的生物陶瓷制品。人工髖關(guān)節(jié)羥磷灰石生物陶瓷人工骨全瓷牙圖4-1 幾種常見的生物陶瓷制品 陶瓷植入材料根據(jù)其與生物體組織的反應(yīng)程度一般可以分為三類：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。如下表所示。分類主要特點示例生物惰性陶瓷在生物體內(nèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物相容性好，無組成元素溶出，對機體無刺激氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳素材料等生物活性陶瓷表面可與生理環(huán)境反應(yīng)形成阻止材料進一步溶解的界面，與人體組織具

3、有良好的化學(xué)親和性生物活性玻璃、玻璃陶瓷、羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥等生物可降解陶瓷暫時性的骨替代材料，最終通過體液溶解或被代謝系統(tǒng)排出體外磷酸鈣陶瓷、硫酸鈣陶瓷、可降解生物玻璃等表4-1 陶瓷植入材料的分類4.1 陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系陶瓷結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系 陶瓷材料是由共價鍵或離子鍵結(jié)合，含有金屬與非金屬元素的復(fù)雜化合物和固溶體。陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)比金屬材料復(fù)雜且表面能小。因此其強度、硬度、彈性模量、耐磨性、耐蝕性和耐熱性要優(yōu)于金屬。但陶瓷的最大缺點是韌性差，脆性極大，抵抗內(nèi)部裂紋擴展能力很低，所以容易發(fā)生脆性斷裂。4.1.1 陶瓷的結(jié)構(gòu) 一般來說，陶瓷是一種多晶材料，它是由晶粒和晶界所組成的燒

4、結(jié)體，顯微組織由晶體相，玻璃相和氣相組成。由于各相的相對量變化很大，分布也不均勻，所以使各相的組成，結(jié)構(gòu)，數(shù)量，幾何形狀及分布狀況都不相同，直接影響陶瓷材料的性能。 陶瓷的結(jié)構(gòu)類型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金屬元素；X代表非金屬元素；m和n代表整數(shù)。最簡單的陶瓷化合物為AX型陶瓷晶體。 AX化合物有三種形式，主要取決于原子的半徑比率。如果RA/RX0.732則為一簡單的立方體結(jié)構(gòu)，如CsCl結(jié)構(gòu)，A原子（或離子）位于8個X原子的中心。如果離子的半徑比率完全不同，則呈現(xiàn)出面心立方體結(jié)構(gòu)，如NaCl、KCl、LiF、MgO、CaO、MnO等化合物，這類結(jié)構(gòu)以陰離子為面心立方點陣，陽離子

5、位于其晶胞和棱邊的中心；也可以非立方結(jié)構(gòu)的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其結(jié)構(gòu)原子排列比較復(fù)雜，形成硬而脆的陶瓷材料?；衔顰(或X)晶格配位數(shù)位置填滿最小值RA/RX其他化合物CsClBCC8全部0.732CslNaClFCC6全部0.414MgO、MnSZnSFCC41/20.225CdS、ZnOAl2O3HCP62/30.414Cr2O3、Fe2O3表4-2 AmXn結(jié)構(gòu) 當陶瓷化合物的金屬離子和非金屬離子不同時，構(gòu)成螢石型結(jié)構(gòu)或剛玉型結(jié)構(gòu)。螢石結(jié)構(gòu)的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2等（圖4-2）。剛玉（Al2O3）型結(jié)構(gòu)的氧化物有Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、Ca2O

6、3等（圖4-3）。圖4-2 螢石的點陣結(jié)構(gòu)圖4-3 剛玉的點陣結(jié)構(gòu)4.1.2 陶瓷的物理性能 陶瓷材料的機械性能 陶瓷材料的彈性變形 陶瓷材料的拉伸模量一般比金屬的大得多，常相差數(shù)倍。這主要是由于陶瓷材料由離子鍵和共價鍵組成有關(guān)。陶瓷材料的彈性模量還與構(gòu)成陶瓷材料的種類、分布比例、氣孔率和加工工藝等因素密切相關(guān)，尤其是陶瓷的工藝過程對陶瓷材料的彈性模量有著很重要的影響。 陶瓷材料的塑性變形與蠕變大多數(shù)陶瓷材料在室溫下幾乎不能產(chǎn)生塑性變形，這是陶瓷材料力學(xué)行為最大的特點。高溫下，陶瓷材料受恒定應(yīng)力長時間作用時會發(fā)生緩慢的塑性變形，這樣的變形稱為蠕變。影響蠕變的因素很多，主要包括溫度、應(yīng)力、時間以

7、及晶粒尺寸、氣孔率、相分布、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷等等。 陶瓷材料的強度和斷裂 陶瓷的結(jié)合鍵和晶體結(jié)構(gòu)決定了陶瓷材料具有很高的抗壓強度，但抗拉強度和剪切強度卻很低。若設(shè)裂紋的長度為C，應(yīng)力集中系數(shù)可根據(jù)Griffith公式得到：式中，為垂直作用于此裂紋的平均應(yīng)力；r為裂紋尖端處的曲率半徑；C為裂紋長度。由于裂紋尖端處的曲率半徑很小。所以應(yīng)力集中系數(shù)（c/ ）為100或1000，這就是為什么脆性材料的實際斷裂強度遠低于他們的理論斷裂強度。rCc2陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度一般很高，常采用莫氏硬度（Mohs）來表示，以反映材料硬度的相對大小，通常按硬度大小順序分為十級或十五級（表4-3）。材料10級

8、15級材料10級15級材料10級15級滑石11正長石66熔融氧化鋯11石膏22SiO2玻璃7剛玉912方解石33石英78碳化硅13螢石44黃玉89碳化硼14磷灰石55石榴石10金剛石1015表4-3 莫氏硬度分級 熱性能 陶瓷材料一般具有高熔點（大多在2000C以上），極好的化學(xué)穩(wěn)定性和很強的抗氧化等特點。 陶瓷材料的熱容量隨著溫度的升高而增加，且在溫度低于德拜溫度時與T3成正比關(guān)系，溫度高于德拜溫度時趨于常數(shù)25Jmol-1K-1。 陶瓷材料的線膨脹系數(shù)一般都很小，約為10-510-6/K。 在目前研究和使用的硬組織替換生物材料中，磷酸鈣生物陶瓷占有很大的比重 ，主要是因為磷酸鈣生物陶瓷具有

9、良好的生物相容性和生物活性，對人體無毒、無害、無致癌作用，并可以和自然骨通過體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)成為牢固的骨性結(jié)合。4.2 磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷4.2.1 概述 磷酸鈣生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三鈣，作為生物材料使用的磷灰石一般是Ca與P原子比為1.67的羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapatite，簡稱HA)，磷酸三鈣是Ca與P原子比為 1.5的-磷酸三鈣-Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，簡稱-TCP)。 磷酸鈣陶瓷粉末的制備制備塊狀磷酸鈣陶瓷的第一步是磷酸鈣陶瓷粉末的制備，主要有濕法和固態(tài)反應(yīng)法。濕法包括：水熱反應(yīng)法、水溶液沉淀法以

10、及溶膠凝膠法。此外還有有機體前驅(qū)熱分解法、微乳劑介質(zhì)合成法等。各種制備工藝的研究目標是得到成分均勻、粒度微細的磷酸鈣粉末。 磷酸鈣陶瓷的燒結(jié) 制備致密磷酸鈣陶瓷的主要方法是粉末燒結(jié)技術(shù)。磷酸鈣陶瓷粉末先要壓制成需要的形狀，然后在10001500進行燒結(jié)。以Ca與P原子比為1.67的磷灰石粉末為原料，可得到HA陶瓷；以Ca與P原子比為1.5的磷灰石粉末為原料，可得到-TCP陶瓷。 磷酸鈣生物陶瓷的力學(xué)性能與應(yīng)用 致密磷酸鈣陶瓷的力學(xué)性能見表4-4。從力學(xué)相容的角度來看，作為硬組織替換用的磷酸鈣鹽至少應(yīng)與被替換的器官有相近的強度和彈性模量。脆性是制約磷酸鈣生物陶瓷臨床應(yīng)用的主要因素之一。改善磷酸鈣

11、鹽陶瓷的脆性，使其能應(yīng)用到大塊骨缺損的修復(fù)及承力部位，成為這一領(lǐng)域中材料研究急需解決的問題。性能燒結(jié)羥基磷灰石燒結(jié)-磷酸三鈣皮質(zhì)骨 成分Ca10(OH)2(PO4)4（99.2%）-Ca3(PO4)2(99.7%)物相磷灰石磷鈣礦密度（g/cm3）3.163.071.62.1維氏硬度（HV）600壓縮強度（MPa）5001000460680100230彎曲強度（MPa）11520014015450150楊氏模量（GPa）801102290730斷裂韌性1.0212表4-4 磷酸鈣生物陶瓷的力學(xué)性能 磷酸鈣生物陶瓷材料的發(fā)展趨勢 磷酸鈣陶瓷可以通過添加增強相提高它的斷裂韌性，多孔磷酸鈣陶瓷雖然可

12、被新生骨長入而極大增強，但是在再建骨完全形成之前，為及早代行其功能，也必須對它進行增韌補強。磷酸鈣陶瓷基復(fù)合材料，已經(jīng)成為磷酸鈣生物陶瓷的發(fā)展方向之一。 基于仿生原理，制備類似于自然組織的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理想生物陶瓷，是生物陶瓷的另一個發(fā)展方向。組成和結(jié)構(gòu)類似于骨骼連續(xù)變化的多孔磷酸鈣陶瓷的研究是正在進行的課題。4.2.2 羥基磷灰石 羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是人體和動物骨骼、牙齒的主要無機成分，在骨質(zhì)中，羥基磷灰石大約占60，它是一種長度為200400nm，厚度1530nm的針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維（圖4-4），由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植

13、入人體后能在短時間內(nèi)與人體的軟硬組織形成緊密結(jié)合而成為廣泛應(yīng)用的植骨代用品。但HA生物陶瓷脆性高、抗折強度低,目前僅能應(yīng)用于非承載的小型種植體 , 如人工齒根、耳骨、充填骨缺損等,而不能在受載場合下應(yīng)用。圖4-4 骨質(zhì)中HA的掃描電子顯微鏡照片 羥基磷灰石的組成及晶體結(jié)構(gòu) 羥基磷灰石理論組成為Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P為1.67。HA晶體為六方晶系，其結(jié)構(gòu)為六角柱體，與c軸垂直的面是一個六邊形，a、b軸夾角120，晶胞參數(shù)a0=0.9430.938nm，c0=0.6880.686nm，單位晶胞含有10個Ca2+、6個PO43和2個OH-（圖4-5）。圖4-5 HA的晶體結(jié)構(gòu) 羥基

14、磷灰石粉末的制備 制備HA粉末的方法大致可分為濕法和干法。濕法包括沉淀法、水熱合成法、溶膠-凝膠法、超聲波合成法及乳液劑法等；干法為固態(tài)反應(yīng)法等。沉淀法 通過把一定濃度的鈣鹽和磷鹽混合攪拌，控制在一定的pH值和溫度條件下，使溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成HA沉淀，沉淀物在400600甚至更高的溫度下煅燒，可獲得符合一定比例的HA晶體粉末。 該法反應(yīng)溫度不高，合成粉料純度高，顆粒較細，工藝簡單，合成粉料的成本相對較低。但是必須嚴格控制工藝條件，否則極易生成Ca/P值較低的缺鈣磷灰石，因此應(yīng)注意合理控制混合溶液的pH值及反應(yīng)產(chǎn)生沉淀的時間，采用分散設(shè)備使溶液混合均勻，保證反應(yīng)完全進行以及反復(fù)過濾，使固液相

15、完全分離，提高粉料的純度。 溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法是將醇鹽溶解于有機溶劑中，通過加入蒸餾水使醇鹽水解、聚合，形成溶膠，溶膠形成后，隨著水的加入轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，凝膠在真空狀態(tài)下低溫干燥，得到疏松的干凝膠，再將干凝膠做高溫煅燒處理，即可得到納米粉體。該法同傳統(tǒng)的固相合成法及固相燒結(jié)法相比，溶膠-凝膠法的合成及燒結(jié)溫度較低，可以在分子水平上混合鈣磷的前驅(qū)體，使溶膠具有高度的化學(xué)均勻性。由于其原料價格高、有機溶劑毒性大、對環(huán)境造成污染，以及容易快速團聚等因素制約了這種方法的應(yīng)用。 水熱法 水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器中(高壓釜)，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境中，使得原來難溶或不溶的物質(zhì)溶解并

16、重結(jié)晶的方法。這種方法通常以磷酸氫鈣等為原料，在水溶液體系，溫度為200400的高壓釜中制備HA,使原來難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重新結(jié)晶。 這種方法條件較易控制，反應(yīng)時間較短，省略了煅燒和研磨步驟，粉末純度高，晶體缺陷密度低；合成溫度相對較低，反應(yīng)條件適中，設(shè)備較簡單，耗電低。超聲波合成法 超聲波能在水介質(zhì)中引起氣穴現(xiàn)象，使微泡在水中形成、生長和破裂。這能激活化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)活性，從而有效地加速液體和固體反應(yīng)物之間非均相化學(xué)反應(yīng)的速度。超聲波法合成的HA粉末顆粒細小，粒徑分布范圍窄。固態(tài)合成法 把固態(tài)磷酸鈣及其他化合物均勻混合在一起，在有水蒸氣存在的條件下，反應(yīng)溫度高于1000，可以得到結(jié)晶較好的

17、HA。這種方法合成的HA純度高，結(jié)晶性好，晶格常數(shù)不隨溫度變化，但是由于其要求較高的溫度和熱處理時間，粉末的可燒結(jié)性差，使得應(yīng)用受到了一定的限制。 自蔓延高溫合成法 自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)是以溶膠 - 凝膠法為基礎(chǔ) , 利用硝酸鹽與羧酸反應(yīng) , 在低溫下實現(xiàn)原位氧化 , 自發(fā)燃燒快速合成產(chǎn)物的初級粉末 。此法實驗操作簡單易行、實驗周期短、 節(jié)省時間和能源。更重要的是 , 反應(yīng)物在合成過程中處于高度均勻分散狀態(tài) , 反應(yīng)時原子只需經(jīng)過短擴散或重排即可進入晶格位點 , 加之反應(yīng)速度快 , 前驅(qū)體的分解和化合物的形成溫度又很低 , 使得產(chǎn)物粒徑小 , 分布比較均勻 , 因而特別適于納米材料的合

18、成SHS技術(shù)可以制備出納米羥基磷灰石。四水硝酸鈣磷酸氫二銨檸檬酸混合80下蒸發(fā)200下燃燒750下煅燒HA粉末圖4-6 一種自蔓延高溫合成法制備HA的工藝流程圖 羥基磷灰石涂層的制備 由于HA的力學(xué)性能較差，抗彎強度和斷裂韌性指標均低于人體致密骨，限制了它們單獨在人體負重部位的使用。采用有效方法在生物惰性材料表面涂覆生物活性HA涂層(圖4-7)既可使材料骨界面達到生理結(jié)合又可有效地利用生物惰性材料優(yōu)良的力學(xué)性能。圖4-7 （a）涂覆HA涂層的股骨柄；（b）近部涂覆HA涂層的骨柄 HA涂層的制備方法有等離子噴涂法、溶膠-凝膠法、仿生溶液生長法、激光熔覆法、電化學(xué)法、水熱法、涂覆-燒結(jié)法等。等離子

19、噴涂法 等離子噴涂法是采用燃燒能或電能將噴鍍材料 ( 粉末或顆粒 ) 熔化或霧化造成熔融態(tài)或半熔融態(tài)的粒子流并高速噴射到底材上而堆積成涂層的方法。 等離子焰熱量高度集中可以獲很高的溫度足以熔化任何一種難熔材料；等離子流速較高使噴涂粒子以較大速度撞擊到基體上形成的涂層與基體間結(jié)合強度較大；對基體熱影響小可以對已加工成形的工件進行表面噴涂；易于實現(xiàn)自動化且成本適中。 溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法是將涂層配料制成溶膠,使之均勻覆蓋于基底的表面,由于溶劑迅速揮發(fā),配料發(fā)生縮聚反應(yīng)而膠化,再經(jīng)干燥和熱處理,即可獲得涂層。 與傳統(tǒng)的無機材料制備法相比,溶膠-凝膠法有如下優(yōu)點：制備溫度低,從而避免了高溫分解體

20、系中組分的分布是均勻的,可以達到納米級甚至分子級水平材料制備過程易于控制,產(chǎn)物純度高。 溶膠-凝膠法的缺點是凝膠在燒結(jié)過程中有較大的收縮 ,涂層易開裂。由于其生產(chǎn)周期長,成本高,適用于實驗室小批量生產(chǎn)。仿生溶液生長法 該法模仿了自然界生理磷灰石的礦化機制，先配制一種與人體體液組成幾乎相同的溶液SBF（simulated body fluid）,然后將金屬基板置于此溶液中以模仿生物環(huán)境，在金屬基板表面上生長出HA涂層。 仿生溶液生長法與傳統(tǒng)的涂層方法相比有以下幾個優(yōu)點：低溫下(低于100)操作,可避免高溫噴涂引起的相變和脆裂,且低溫條件為共沉積蛋白質(zhì)等生物大分子提供了可能性; 由于是在類似于人體

21、環(huán)境條件的水溶液中自然沉積出來的,因此成分更接近于人體骨無機質(zhì),可望具有高的生物相容性和骨結(jié)合能力;可在形狀復(fù)雜和表面多孔的基底上制備均勻的涂層;所需設(shè)備投資少,工藝簡單,易于操作。因此,該技術(shù)在制備金屬-生物活性物質(zhì)涂層材料方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 羥基磷灰石的性能 物理化學(xué)性能 羥基磷灰石的理論密度為3.156 g/cm2，折射率為1.641.65，莫氏硬度為5，微溶于水，呈弱堿性(pH=79)，易溶于酸而難溶于堿。HA是強離子交換劑，分子中的Ca2+容易被Cd2+、Hg2+ 等有害金屬離子和Sr2+、Ba2+、Pd2+ 等重金屬離子交換，還可與含有羧基的氨基酸、蛋白質(zhì)及有機酸等發(fā)生交換反

22、應(yīng)。 機械性能 HA致密體的機械強度與制作工藝有很大關(guān)系。要獲得高強度的燒結(jié)體，必須對原料合成、粉體成型和燒成制度等工藝條件進行最佳選擇。表4-5為HA致密體和人體硬組織的部分機械強度數(shù)值。HA材料具有普通陶瓷材料的共同弱點：脆性大，耐沖擊強度低。因此作為人工骨置換材料在承受較大張應(yīng)力的部位應(yīng)用時需要慎重?？箟簭姸葥锨鷱姸扰で鷱姸瓤估瓘姸葟椥阅Ａ浚∕Pa）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）HA致密體3085096111350761174400088000致密人骨8916416018050688911415800人牙釉質(zhì)38410.382400人牙本質(zhì)29551.718200表4-5 羥基

23、磷灰石和人體硬組織機械性能對照 生物學(xué)性能 HA陶瓷由于分子結(jié)構(gòu)和鈣磷比與正常骨的無機成分非常近似，其生物相容性十分優(yōu)良，對生物體組織無刺激性和毒性。大量的體外和體內(nèi)實驗表明，HA在與成骨細胞共同培養(yǎng)時。HA表面有成骨細胞聚集；植入骨缺損時，骨組織與HA之間無纖維組織界面。植入體內(nèi)后表面也有磷灰石樣結(jié)構(gòu)形成、因為骨組織與植入材料之間無纖維組織間隔，與骨的結(jié)合性好。 HA種植體可以模仿人體骨組織中的網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)（圖4-8），有利于加強種植體和骨組織之間的結(jié)合。對于生物惰性材料，要形成新骨長人多孔體的孔徑應(yīng)不小于100m；而對于HA多孔體，50m孔徑的氣孔內(nèi)，就可有新骨生成。平均孔徑90m的多孔體

24、則顯示最佳的骨形成姿態(tài)。HA對軟組織也同樣具有良好的相容性。圖4-8 人體骨組織的SEM照片（a）致密骨的拋光橫截面；（b）致密骨縱截面中能看到相互連通的孔道 HA材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 HA材料最早的應(yīng)用主要在口腔科和骨科方面。HA人工牙根曾風靡一時，其與骨組織和粘膜組織的結(jié)合狀態(tài)比氧化鋁牙根來得好，但由于其耐沖擊強度較低，所以在結(jié)構(gòu)上不能制成較細或較復(fù)雜的形狀，使臨床適應(yīng)范圍要比氧化鋁牙根小。為了彌補HA強度不足之欠缺，目前常用的人工牙根多采用金屬與HA復(fù)合的工藝制造。內(nèi)芯為純鈦金屬，埋入骨組織部分的鈦表面通過等離子方法噴涂一層HA，這樣既大大提高了人工牙根的機械性能，又保持了與骨組織形成緊

25、密結(jié)合的良好生物學(xué)性能。 HA多孔體常用于骨置換和骨缺損修復(fù)，如下頜骨重建，牙槽嵴增高、顱頜骨缺損充填等。HA材料具有骨傳導(dǎo)能力這一點已為各國學(xué)者所承認。多孔體結(jié)構(gòu)與致密體相比表面積大幅度增大，這對于加速早期骨生長，促進植入材料與周圍骨一體化是十分有利的。另外在眼科，目前已開始大量采用HA多孔體來制作義眼座。4.2.3 磷酸三鈣 目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷是一系列磷酸鈣基陶瓷，包括-磷酸三鈣、-磷酸三鈣(-TCP)、磷酸氧四鈣等。其中-TCP具有良好的生物降解性、生物相容性和生物無毒性，當其植入人體后，降解下來的Ca、P能進入活體循環(huán)系統(tǒng)形成新生骨，因此它作為理想的骨替代材料己成為世界各國學(xué)者

26、研究的重點之一。 -TCP陶瓷的制備工藝 -TCP陶瓷的制備一般分三個步驟：粉末制備、成型和燒結(jié)。 粉末的制備1. 濕法工藝 包括可溶性鈣鹽和磷酸鹽反應(yīng)工藝、酸堿中和反應(yīng)工藝。濕法工藝的生產(chǎn)裝置簡單而且容易操作 ,制備的前驅(qū)體粉末顆粒細小均勻、純度高,但要求反應(yīng)物的濃度不應(yīng)太大 ,滴加速度也不能太快 ,生成的沉淀即使長時間的陳化( 24h) ,固液分離仍然困難 ,不適用于大規(guī)模的生產(chǎn)。2.干法工藝 該法是在溫度高于900C條件下，非水固相反應(yīng)制備-TCP粉末。原料為CaHP042H2O和CaCO3或Ca(OH)2，按下列反應(yīng)式進行：2CaHPO42H2O+CaCO3Ca3(PO4)2+5H2O

27、+CO23. 水熱法工藝 此法是在水熱條件下，控制一定溫度和壓力，以CaHPO4或CaHPO42H2O為原料合成得到晶格完整、晶粒直徑更大的-TCP粉末。水熱法對設(shè)備的耐腐蝕性要求較高， 廢液需要處理，反應(yīng)條件對產(chǎn)物的生成和性質(zhì)有較大的影響。4.醇化合物法 醇化合物法是采用較穩(wěn)定的鈣乙二醇化合物和具有一定活性 ,由 P2O5 與 n-丁醇反應(yīng)生成的PO(OH)x(OR)3產(chǎn)物為先驅(qū)體。引入醋酸可以有效控制先驅(qū)體間反應(yīng),避免兩先驅(qū)體直接混合時產(chǎn)生沉淀。當醋酸與鈣的摩爾比為 4 ,兩先驅(qū)體以n(Ca) :n(P) =1.5混合,可獲得穩(wěn)定混合溶液 ,將混合溶液溶劑蒸發(fā)后得到的干膠狀粉末在1000煅

28、燒 ,可獲得純-TCP。 -TCP的成型和燒結(jié)1. 發(fā)泡法 發(fā)泡法是將一定顆粒大小的-TCP粉末和粘結(jié)劑按一定比例加蒸餾水球磨，倒出后蒸去一部分水，得到含一定水份的料漿；然后將松香放入飽和的NaOH溶液中煮沸，冷卻得到發(fā)泡劑。將料漿與發(fā)泡劑均勻混合，倒入石膏模成型、脫模、干燥、燒結(jié)。 采用發(fā)泡法容易制成一定形狀、組成、密度的多孔陶瓷,但該方法的缺點是制備工藝復(fù)雜,容易產(chǎn)生小孔徑閉口氣孔,而且整個制備工藝過程不能精確的量化控制,許多情況需要靠經(jīng)驗來調(diào)節(jié)導(dǎo)致成品率不高。2.加致孔劑法 目前使用的致孔劑有雙氧水和一定粒徑、形狀的聚合物，如硬脂酸，這些聚合物在高溫下可完全分解。加致孔劑法制備過程是將-

29、TCP篩分成一定粒徑的粉末，加粘結(jié)劑和致孔劑并混勻，倒入石膏模型成型、脫模、干燥、燒結(jié)，即可制備出多孔-TCP陶瓷。 加致孔劑法方便簡單,可以制得形狀復(fù)雜、氣孔各異的多孔材料,并且多孔-TCP生物陶瓷的孔徑、孔隙率人為可控,但是氣孔率不是很高,氣孔的分布不均勻。 -TCP陶瓷的生物相容性 -TCP陶瓷具有良好的細胞相容性，動物或人體細胞可以在材料上正常生長、分化及繁殖。由于其組織成分與骨組織無機成分相同，故植入體內(nèi)無明顯異物反應(yīng)，局部無明顯炎癥反應(yīng)。 將-TCP陶瓷制成5mm8mm的圓柱體植到大白兔股骨缺損區(qū),材料植入4周，可見材料孔隙間有大量纖維組織增生，材料顆粒間連接中斷；8周可見材料孔隙

30、間纖維組織高度增生，材料開始降解；12周可見新生骨小梁形成，材料部分降解； 24周，可見殘存材料被纖維及骨組織包裹，材料大部分降解，骨缺損處康復(fù)（如圖9所示）。圖4-9 多孔-TCP材料植入大白兔股骨缺損區(qū)組織學(xué)觀測結(jié)果(a) 植入4周（b）植入8周(c) 植入12周（d）植入24周 -TCP陶瓷的降解機理 -TCP的降解過程與材料的溶解和生物體內(nèi)細胞的新陳代謝過程相聯(lián)系，一般通過下述機制進行。1)物理解體。它是體液通過燒結(jié)不完全而殘留的微孔浸入陶瓷，使連接晶粒的“細頸”溶解，從而解體為微粒的過程。2)材料的天然溶解。它形成新的表面相，是一種液體介導(dǎo)過程。具體反應(yīng)式如下：4Ca3(PO4)2+

31、2H2OCa10(PO4)6(OH)2+Ca2+2HPO42-3)新陳代謝。它主要是細胞介導(dǎo)過程，如吞噬細胞的作用導(dǎo)致材料降解。 -TCP陶瓷在骨科中的應(yīng)用 作為一種與生物具有良好親和性的生物陶瓷材料， -TCP 安全、無毒、無副作用，作為植入材料可引導(dǎo)新骨的生長；其作為人工齒根、人工骨、生物骨水泥等已得到廣泛應(yīng)用。目前，其應(yīng)用主要集中在-TCP陶瓷人工骨、-TCP復(fù)合人工骨、-TCP藥物載體等三個方面。4.3 生物活性玻璃與生物微晶玻璃 長久以來，玻璃一直被認為是一種惰性材料，在醫(yī)學(xué)方面主要用做實驗室器皿、試管和醫(yī)用安瓿等容器。事實上玻璃不僅能參與血凝反應(yīng) ,而且能加速凝血,這說明玻璃表面不

32、是惰性的,而是活性的。 1971年，佛羅里達大學(xué)的Lary Hench教授偶然發(fā)現(xiàn)將Na2O-CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)的玻璃材料植入生物體內(nèi)，作為骨骼或牙齒的替代物，材料中的組分可以同生物體內(nèi)的組分相互交換或反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的物質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼或牙齒的一部分。Hench教授將這種能與人體骨或軟組織形成生理結(jié)合的生物陶瓷稱為生物活性玻璃。自此之后，不斷有新型的生物活性玻璃被開發(fā)研制出來。 目前商品化的生物活性玻璃已經(jīng)在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用（表4-6）。生物材料SiO2P2O5CaOCaF2MgONa2OK2OAl2O3相組成（%）45S545.06.024.524.5玻璃C

33、eravital4050105030352.55.05100.53磷灰石+玻璃相Cerabone34.016.244.74.6磷灰石+玻璃相Bioverit195242493051535351233磷灰石+玻璃相A-W34.016.244.70.54.6磷灰石+硅灰石+玻璃相Ilmaplant-Li44.311.231.95.02.84.60.2磷灰石+硅灰石+玻璃相表4-6 生物活性玻璃及玻璃陶瓷的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）和相組成4.3.1生物活性玻璃的結(jié)構(gòu)和特性 生物活性玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)，部分含有MgO、K2O、Na2O、A12O3、B2O3、TiO2等，玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋

34、氧所連接的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質(zhì)存在時，易溶解釋放一價或二價金屬離子，使生物玻璃表面具有溶解性，即為玻璃具有生物活性的基本原因，所以非橋氧所占比例越大，玻璃的生物活性越高，其結(jié)構(gòu)特點如下：橋氧：玻璃網(wǎng)絡(luò)中作為兩個成網(wǎng)多面體所共有頂角的氧離子，即起“橋梁”作用的氧離子。反之，僅與一個成網(wǎng)離子相鍵連，而不被兩個成網(wǎng)多面體所共的氧離子則為非橋氧。它表示硅氧網(wǎng)絡(luò)的斷裂程度。 基本結(jié)構(gòu)單元磷氧四面體中有3個氧原子與相鄰四面體共用，另一氧原子以雙鍵與磷原子相連，該不飽和鍵處于亞穩(wěn)態(tài)，易吸收環(huán)境水轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，表面浸潤性好。 隨堿金屬和堿土金屬氧化物含量增加，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸由三維變?yōu)槎S、鏈狀甚

35、至島狀，玻璃的溶解性增強，生物活性也增強。向磷酸鹽玻璃中引入Al3+、B3+、Ga2+等三價元素，可打開雙鍵，形成不含非橋氧的連續(xù)結(jié)構(gòu)群，使電價平衡，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，生物活性降低。 相對于其他生物材料，生物活性玻璃和微晶玻璃具有以下特征：生物活性高。生物玻璃植人人體后骨增殖速度大于或等于自體骨，其主要原因在于生物玻璃具有促進原始細胞增殖和分裂的顯著特征。 組成的可設(shè)計性和性能的可調(diào)節(jié)性。與單組分材料相比，生物玻璃可通過改變其成分或微晶玻璃中晶相的種類和含量來調(diào)節(jié)生物活性、降解性和機械性能等，以滿足不同的臨床需求。4.3.2 生物玻璃的活性 生物玻璃的表面反應(yīng)機理 生物玻璃植入體內(nèi)后，表面溶解并形成與

36、類骨磷灰石層是其與骨形成結(jié)合的根本原因，這一過程本質(zhì)上是一個發(fā)生在植入體表上的依賴時間的動力學(xué)過程。生物活性玻璃與骨結(jié)合過程大致包含11步反應(yīng)，如下所示。其中前5步反應(yīng)并不需要人體組織的參與，可以發(fā)生在模擬體液、三羥甲基氨基甲烷緩沖液甚至是蒸餾水中；而隨后的反應(yīng)則是細胞與玻璃的協(xié)同作用。+Si-OH在界面處形成縮聚反應(yīng) Si-OH+Si-OHSi-O-Si形成無定形相Ca2+PO43-+CO32-碳酸羥基磷灰石（HCA）晶體HCA層表面吸附生物基團巨噬細胞作用干細胞吸附干細胞分化生成基體11基體結(jié)晶化生物玻璃與細胞的協(xié)同作用 生物玻璃植入后與骨的融合依靠骨原細胞的粘附和增殖以及細胞間質(zhì)的形成與

37、礦化，而體內(nèi)的生物分子和細胞影響著玻璃的表面反應(yīng)。不少研究發(fā)現(xiàn)，在體外實驗中加入血清會減緩結(jié)晶磷灰石層的生成速度；許多生物分子，包括氨基酸、糖類和體內(nèi)物質(zhì)(如焦磷酸鹽)都會減緩HCA層的形成并影響礦化。4.3.3常見的生物活性玻璃Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃(Bioglass) Bioglass是第一種能在生物體內(nèi)與自然骨牢固結(jié)合的玻璃 ,該玻璃在組成上的特點有:高鈣磷比,SiO2的摩爾含量少于60% ,Na2O和CaO含量較高,所以該類生物玻璃接觸水相介質(zhì)如模擬體液時具有相當高的反應(yīng)活性。 圖4-10表示的是Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃的生物活性（用IB表示）與組

38、成成分之間的關(guān)系。其中P2O5的質(zhì)量分數(shù)固定為6%不變。A區(qū)域組分對應(yīng)的玻璃能與骨進行良好的結(jié)合；B區(qū)域組分對應(yīng)的玻璃是生物惰性材料，在植入體和組織的界面上會產(chǎn)生纖維狀的包膜；C區(qū)域中的玻璃會在1030天內(nèi)被人體組織吸收；D區(qū)域中的玻璃沒有實用價值。位于A區(qū)域中間的E區(qū)域中的玻璃能和軟組織中的膠原成分產(chǎn)生牢固的結(jié)合。圖4-10 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃的成分與生物活性的關(guān)系（）45S5Bioglass、（）Ceravital、（）55S4.3 Bioglass MgO-CaO-SiO2-P2O5系微晶玻璃（A-W微晶玻璃） 該微晶玻璃的代表組成為(質(zhì)量%) : MgO 4.6

39、5，CaO 44.9，SiO2 34.2，P2O5 16.3，CaF2 0.5。熔成玻璃后將其粉碎 ,然后成形壓制成所需的形狀后 ,在燒結(jié)過程中形成氧-氟磷灰石Ca10 (PO4)6(O,F9)以及-硅灰石結(jié)晶，成為氣孔率為0.7%的致密微晶玻璃(A-W微晶玻璃)。將A-W微晶玻璃繼續(xù)升溫后，-硅灰石晶體量增加 ,而氧-氟磷灰石的一部分與玻璃相反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)?3CaOP2O5晶體(A-W-CP微晶玻璃)。應(yīng)用試驗表明,A-W微晶玻璃可用于制造人工脊椎骨、肋骨等。 Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2系微晶玻璃(Ceravital) Ceravital微晶玻璃既具有Na2O-CaO-SiO2-

40、P2O5系玻璃與骨結(jié)合的特點,又可避免較多的 Na+和Ca2+長時期溶出后形成強度低的SiO2凝膠層。組成中Na2O含量低,但經(jīng)過熱處理后玻璃中含較多的磷灰石晶體,這既使玻璃提高了機械強度,又具有生物活性。將其植入動物體后,與骨缺損部位形成牢固的化學(xué)結(jié)合。Ceravital可用于不承受或少承受彎曲應(yīng)力的牙根、顎骨等部位。 可加工生物微晶玻璃 云母基玻璃陶瓷具有優(yōu)良的可切削性 ,在常溫狀態(tài)下用普通切削刀具(如高速鋼、硬質(zhì)合金及砂輪等) ,通過傳統(tǒng)的機械加工方法(車、銑、鉆等)可加工出具有一定形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量的玻璃陶瓷制品。具有這種優(yōu)異的可切削性的原因在于云母相結(jié)構(gòu)中(001)面結(jié)合力十分

41、薄弱 ,成為良好的解理面,在外力作用下,晶體中裂紋很容易通過(001)面擴展 ,而云母晶體相互交錯 ,形成的裂紋沿薄弱面從一個晶片擴展到另一個晶片 ,抑制了裂紋的自由擴展 ,裂紋發(fā)生了偏轉(zhuǎn)和分叉 ,使其可以切削而不致破碎。云母玻璃陶瓷材料在骨科和牙科修復(fù)方面具有良好的應(yīng)用前景。 可溶解磷酸鹽玻璃 可溶解磷酸鹽玻璃基于P2O5-Na2O-CaO體系，其網(wǎng)絡(luò)形成體為PO4，不同于上述以SiO4為網(wǎng)絡(luò)形成體的玻璃。其溶解度可通過CaO和Na2O的相對含量來調(diào)節(jié)，Na2O含量增加則溶解度提高且PH值升高。其溶解產(chǎn)物沉積生成透鈣磷石并最終轉(zhuǎn)化為磷灰石。 多孔生物玻璃或微晶玻璃 多孔材料的高孔隙率和較大的

42、孔徑導(dǎo)致材料表面積增大，進而提高了材料與人體體液或組織的作用范圍，增強了材料與組織的界面結(jié)合強度，這種結(jié)合被稱之為生物固定，相對于密實植入體的形態(tài)固定能夠承受更大和更復(fù)雜的應(yīng)力，但是為了維持組織的正常生長，對長入多孔生物材料中的聯(lián)接組織需提供充分的血液。而血管組織不長入孔徑小于100m的孔隙中。所以植人材料的孔徑必須大于l00150m。比較不同孔隙率的A/W-GC顆粒對骨傳導(dǎo)性的影響表明，骨組織日在孔徑較大(5500m)的顆?？紫賰?nèi)形成，而在孔徑較小(150m)的孔隙內(nèi)剛無骨組織形成。 磁性生物玻璃陶瓷 近些年來，將磁性元素引入到生物玻璃陶瓷中制備磁性生物玻璃陶瓷，獲得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似于人體組織

43、的生物材料，使其既具有磁性又具有生物活性，并可以通過改變組成對其功能進行調(diào)節(jié)和控制，以適應(yīng)不同的要求，已成為生物材料開發(fā)和研究中最為活躍的領(lǐng)域之一。這種材料植入體內(nèi)后，表面與體液發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，形成類骨磷灰石層，并借此與組織形成化學(xué)鍵合，促進組織修復(fù)；而在交變磁場作用下，磁體內(nèi)分子狀態(tài)會不斷變化，通過反復(fù)磁化中所產(chǎn)生的能量損失即磁滯損耗使溫度上升進行腫瘤熱療，同時還可以發(fā)揮其他方面的功能。4.3.4 展望 雖然生物活性玻璃有眾多優(yōu)點及應(yīng)用，但是其在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用卻不及磷酸鈣陶瓷，一方面是生物玻璃中多數(shù)含有硅的成分，硅在體內(nèi)不能降解并且其代謝機理目前不是很清楚，不論生物玻璃在人體內(nèi)植入時

44、間的長短，其最終不可能轉(zhuǎn)化為與人體骨組織類似的物質(zhì)；另一方面可溶解的磷酸鹽玻璃體系一般含鈉，溶解使得局部離子濃度和pH值發(fā)生較大變動，影響周邊細胞和組織的功能，并有可能影響體內(nèi)的離子平衡。 下一代生物活性材料要求能在分子水平上刺激特定的細胞反應(yīng)而加速組織再生，要求生物材料能為人體所吸收，其降解的速度應(yīng)與組織生成的速度一致，并且在骨重建過程中始終能保持足夠的強度。因此生物玻璃的研究應(yīng)同組織工程和基因工程結(jié)合起來，模糊材料制備和生物學(xué)評價間的界限，充分利用生物玻璃和微晶玻璃的組分與性能可設(shè)計性，以實際應(yīng)用需求指導(dǎo)材料的設(shè)計。未來生物玻璃制備的重要手段是利用溶膠-凝膠法制備大表面積的玻璃，調(diào)控降解速

45、度并激活成骨細胞基因，達到加速組織再生的目的。4.4 其他生物陶瓷4.4.1 氧化鋁生物陶瓷 氧化鋁（Al2O3）也稱剛玉，具有多種結(jié)晶形態(tài)，紅寶石和藍寶石分別就是自然界中含有一定量Cr和Fe元素的剛玉。作為陶瓷家族中的典型代表，氧化鋁具有良好的電、熱絕緣性能和高溫下的化學(xué)穩(wěn)定性。自1969年首次將氧化鋁陶瓷用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來，已經(jīng)有超過2億個氧化鋁關(guān)節(jié)頭和30萬個氧化鋁髖臼內(nèi)襯用于髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)（THR）。 目前的醫(yī)用氧化鋁陶瓷為主要含-Al2O3的單相材料。而且氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性能和物理性能都要達到ISO 64749和ASTMF 60310的相應(yīng)標準。表4-7列出了醫(yī)用氧化鋁陶瓷的主要

46、性能?；瘜W(xué)組成99.9% Al2O3（含有少量MgO雜質(zhì)）密度/(gcm-3)3.97孔隙率0.1%抗彎強度/Mpa500抗壓強度/Mpa4100楊氏模量/Gpa380泊松比0.23熱膨脹系數(shù)/K-1810-6熱導(dǎo)率/(WmK-1)30硬度（HV）/Mpa2000表4-7 醫(yī)用氧化鋁陶瓷的主要性能 制備方法 由天然礦物鋁凡土(Al2O3nH2O)經(jīng)化學(xué)方法分離、精制、煅燒和粉碎等多道工序處理后，可制得粒徑0.31m，純度達99.3以上的氧化鋁粉末。 粉末中加入粘結(jié)劑或發(fā)泡劑經(jīng)成型后在17001800C溫度下燒成，可制得多晶氧化鋁致密體或多孔體。如果用純凈的氧化鋁通過焰熔法經(jīng)特殊的熔爐可制備出無

47、色透明，純潔無暇的氧化鋁單晶。這種氧化鋁單晶具有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能，因此人們也往往把氧化鋁單晶稱為人造寶石。 生物學(xué)性能 植入動物體內(nèi)后軟組織對氧化鋁陶瓷的反應(yīng)主要是纖維組織包膜的形成，在體內(nèi)可見成纖維細胞增生。氧化鋁陶瓷在動物骨組織中不是骨結(jié)合材料而是骨接觸材料，植入骨組織后，在負重區(qū)與骨組織接觸， 但非負重區(qū)有纖維組織形成。 氧化鋁陶瓷在體內(nèi)被纖維組織包裹或與骨組織之間形成纖維組織界面的特性影響了該材料在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用，因為骨與材料之間存在纖維組織界面，阻礙了材料與骨的結(jié)合，也影響材料的骨傳導(dǎo)性，長期滯留體內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的缺陷，使骨組織產(chǎn)生力學(xué)上的薄弱。氧化鋁的生物學(xué)性能可

48、大致歸納為以下幾個特點：(1) 氧化鋁在體液中完全穩(wěn)定，在生物體內(nèi)不會發(fā)生溶解和變性。(2) 氧化鋁對周圍機體組織呈惰性反應(yīng)。對骨組織生長無抑制作用，生物相容性比金屬和有機高分子材料好。(3) 孔徑大于l00m的多孔體植入骨組織后。可看到新骨很快長人氣孔中。4.4.2 氧化鋯生物陶瓷 氧化鋯陶瓷是指以ZrO2為主要成分的陶瓷材料，它不但具有普通陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、高強度等優(yōu)點，而且其韌性也是陶瓷材料中最高的(與硬質(zhì)合金相當)。 高純氧化鋯為白色粉末，密度為5.49g/cm，熔點高達2715C。單純氧化鋯具有兩種晶體結(jié)構(gòu)，低溫型和高溫型。低溫型屬單斜晶系，在1000C以下穩(wěn)定，到更高

49、的溫度就轉(zhuǎn)變成較致密的四方晶系的高溫形態(tài)。 制備方法 燒結(jié)體用的氧化鋯粉末通常是以氯化鋯為原料，經(jīng)化學(xué)沉淀法或加水分解法制取粉末粒徑大小和結(jié)晶程度與溶液的初始濃度、PH值、溫度等因素有關(guān)。如果在溶液中預(yù)先加入含有穩(wěn)定劑元素的化合物，控制工藝條件，那么就可以直接合成出已穩(wěn)定化的氧化鋯粉末。氧化鋯的燒成溫度一般在13001600C范圍。 性能 部分穩(wěn)定氧化鋯在常溫下的機械強度是所有陶瓷材料中最高的，其斷裂韌性和撓曲強度約是氧化鋁陶瓷的2倍，遠遠高于其他結(jié)構(gòu)陶瓷因而有人把部分穩(wěn)定氧化鋯稱之為“陶瓷鋼”(Ceramic steel)。 氧化鋯是一種生物惰性陶瓷，具有良好耐腐蝕性，其生物相容性以及與骨組

50、織的結(jié)合狀況大體與氧化鋁相似。 應(yīng)用氧化鋯陶瓷的應(yīng)用范圍也大體與氧化鋁相似，曾用作人工牙根、人工關(guān)節(jié)和骨折固定用螺釘?shù)?。也有人利用氧化鋯具有高強度，高韌性的特性采取氧化鋯與生物活性陶瓷復(fù)合燒結(jié)的方法來提高生物活性陶瓷種植體的強度。氧化鋯材料由于其優(yōu)異的機械性能因此已成為口腔修復(fù)領(lǐng)域重要的應(yīng)用材料之一。首先它強度非常高，其抗彎強度超過900MPa。其次它的極限負載能力強，在三單位冠橋上的承受力大約為2000牛頓。第三是它高的抗斷裂能力。該材料可被用于制備側(cè)牙區(qū)的修復(fù)體，它的抗斷裂韌性(K )值超過7。 此外氧化鋯也是作為強化增韌陶瓷材料的有效添加劑其中氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷是目前較成熟的氧化鋯彌散

51、陶瓷。采用普通陶瓷代替成本較高的氧化鋯陶瓷作為基質(zhì)，用部分穩(wěn)定的氧化鋯納米顆粒彌撒分布于氧化鋁基質(zhì)中，可有效抑制基質(zhì)晶粒的長大 另方面由于基質(zhì)相的氧化鋁的熱膨脹性能與氧化鋯比較匹配，也有利于四方ZrO2亞穩(wěn)定相的存在及相變增韌效應(yīng)的充分發(fā)揮。4.5 陶瓷材料的增韌強化 陶瓷材料具有強度高、硬度大、耐高溫、抗氧化、高溫下抗磨損好、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)良等優(yōu)點，這些優(yōu)異的性能是一般常用金屬材料、高分子材料等所不具備的。因此越來越受到人們的重視。但由于陶瓷材料本身脆性的弱點，作結(jié)構(gòu)材料使用時缺乏足夠的可靠性。因而改善陶瓷材料的脆性已成為陶瓷材料領(lǐng)域亟待解決的問題之一。4.5.1 增韌機制 微裂紋增韌 微裂

52、紋增韌是較早被提出的在多種材料當中都存在的一種增韌機理。它主要利用某些機制使得主裂紋進人微裂紋作用區(qū)后，分裂成為一系列小裂紋，產(chǎn)生新的裂紋表面，從而吸收裂紋擴展的能量。微裂紋增韌在增韌的同時會伴隨著強度的降低，因此關(guān)鍵是控制微裂紋的尺寸使之不能超過材料允許的臨界裂紋尺寸(Critical cracksize)，否則就會成為宏觀裂紋(Macrocrack)而嚴重損害材料的強度。 裂紋偏轉(zhuǎn)增韌 裂紋偏轉(zhuǎn)增韌是考慮裂紋的非平面斷裂效應(yīng)的一種增韌機理。當裂紋尖端遇到諸如作為增強相的纖維或顆粒等高彈性模量物質(zhì)(又稱偏轉(zhuǎn)劑)時，其擴展就會偏離原來的前進方向，而沿兩相界面或在基質(zhì)內(nèi)擴展。這種方向偏轉(zhuǎn)意味著裂

53、紋的前行路徑更長，裂紋尖端的應(yīng)力強度則減小，這種非平面斷裂比平面斷裂有更大的斷裂表面，因而吸收更多能量起到增韌目的。 裂紋橋聯(lián)增韌 與前述的裂紋偏轉(zhuǎn)機制不同，裂紋橋聯(lián)是一種裂紋尖端尾部(Crack wake)效應(yīng)。它是發(fā)生在裂紋尖端后方由某種顯微結(jié)構(gòu)單元(橋聯(lián)劑，Bridging element)聯(lián)接裂紋的2個表面并提供1個使2個裂紋面相互靠近的應(yīng)力，即閉合應(yīng)力，這樣導(dǎo)致應(yīng)力強度因子隨裂紋擴展而增加。當裂紋擴展過程中遇上橋聯(lián)劑時，橋聯(lián)劑有可能發(fā)生穿晶破壞，也有可能出現(xiàn)互鎖現(xiàn)象(Interlocking)即裂紋繞過橋聯(lián)劑沿晶界發(fā)展(裂紋偏轉(zhuǎn))并形成磨擦橋。 裂紋釘扎增韌當裂紋尖端前行通過增強相纖

54、維，雖然裂紋的擴展可能被中止，但是裂紋尖部卻已扎入纖維或顆粒當中，即所謂裂紋釘扎效應(yīng)，而纖維或顆粒之間裂紋鋒部的拱出增大了斷裂能進而增韌。顯然此機制要求非常強的第二相以及牢固的兩相間界面，這樣纖維或顆粒才可能發(fā)揮屏障作用，而且第二相顆?；蚶w維間間距應(yīng)小于裂紋尺寸才可能獲得釘扎效應(yīng)。 拔出效應(yīng) 拔出效應(yīng)是指晶須在外界負載作用下從基質(zhì)中拔出，因界面摩擦消耗外界負載的能量而達到增韌目的。實際當中增強相與基體相間界面有機械結(jié)合或化學(xué)結(jié)合，而界面摩擦力大小與化學(xué)結(jié)合力密切相關(guān)。通過改變增強相的表面性狀，進而改變界面的特性，以增強纖維拔出的韌化效應(yīng)的途徑是可行的。增加纖維的長度則是加強其韌化效應(yīng)的另一方法

55、。 相變增韌 相變增韌機制是一種相對而言較新的增韌模型，并且是限于那些一定條件下某相可發(fā)生相變的復(fù)合材料，而這種相變往往是馬氏體相變(Martenslit transformation)。該相變有如下特征：無熱相變(Athermal ) ;熱滯現(xiàn)象(Thermal hysteresis )即相變發(fā)生在一定溫度范圍內(nèi);相變伴隨35%體積效應(yīng)和相當?shù)募羟袘?yīng)變;相變無擴散反應(yīng)發(fā)生;具有顆粒尺寸效應(yīng);添加穩(wěn)定性可以抑制相變;相變受力學(xué)約束狀態(tài)影響。而當材而當材料承載時由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生相變，由于相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)和形料承載時由應(yīng)力誘發(fā)產(chǎn)生相變，由于相變產(chǎn)生的體積效應(yīng)和形狀效應(yīng)而吸收大量的能量，從而表現(xiàn)出異

56、常高的韌性。狀效應(yīng)而吸收大量的能量，從而表現(xiàn)出異常高的韌性。 斷裂能增韌 當非相變第二相顆粒的熱膨脹系數(shù)、彈性模量與基體相十分接近時，裂紋的擴展將感覺不到第二相顆粒的存在，復(fù)相陶瓷的斷裂表面能具有加和性。在這種情況下，不存在裂紋偏轉(zhuǎn)等前述的增韌機制，增韌值完全取決于第二相顆粒和基體的彈性模量之差和斷裂表面能之差以及第二相顆粒的體積含量。由此不難看出，要實現(xiàn)增韌，第二相顆粒必須有較高的彈性模量和斷裂表面能。4.5.2展望 由上述介紹可知，學(xué)者們提出了眾多增韌模型，除應(yīng)力誘導(dǎo)相變增韌會隨溫度升高而降低外，其余增韌機制均可作為高溫增韌機制。應(yīng)當指出的還有在一種陶瓷基復(fù)合材料當中，往往會同時存在不止一

57、種韌化機理，而某些機理不但可單獨產(chǎn)生增韌效應(yīng)，亦可與其它機理相互作用以共同貢獻于增韌目的。比如微裂紋模型、裂紋橋聯(lián)模型可以引發(fā)纖維拔出效應(yīng)；而裂紋偏轉(zhuǎn)則可由微裂紋的吸引誘導(dǎo)發(fā)生。4.6 陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料4.6.1 概述 復(fù)合材料是一種多相材料，一般由連續(xù)相的基體和被基體包容的增強相復(fù)合而成。復(fù)合材料不僅保持了原組分的優(yōu)點，還能使得原組分在性能上取長補短，產(chǎn)生“協(xié)同效應(yīng)”，獲得原本不具備的特性。 盡管陶瓷植入材料在生物相容性等方面較傳統(tǒng)的金屬材料和高分子材料有較大的優(yōu)勢，但其本身也存在著脆性大、缺乏骨誘導(dǎo)性等缺點。因此，單一組分的陶瓷植入材料已經(jīng)難以完全滿足臨床應(yīng)用的需要了。陶瓷基醫(yī)用生物

58、復(fù)合材料能夠在陶瓷植入材料的基礎(chǔ)上獲得新的性能，它的出現(xiàn)為生物醫(yī)用材料的發(fā)展開辟了新的道路，陶瓷基醫(yī)用生物復(fù)合材料已成為陶瓷植入材料研究中最為活躍的領(lǐng)域。4.6.2 生物陶瓷與陶瓷復(fù)合材料 HA-TCP復(fù)合材料羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）都具有良好的生物相容性，臨床上廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)。具有恰當比例的HA/TCP雙相陶瓷在體內(nèi)早期成骨明顯，甚至可以在某些生物體的軟組織中也可誘導(dǎo)成骨，具有良好的生物相容性、骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性。圖4-10 HA/TCP雙相陶瓷的SEM照片 HA/TCP雙相陶瓷的制備包括制粉、熱處理和燒結(jié)等幾個步驟。在氨性介質(zhì)中,硝酸鈣與磷酸氫二氨按可按下式反應(yīng)：10Ca(

59、NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3H2OCa10(OH)2(PO4)6+20NH4NO33Ca(NO3)2+2(NH4)2HPO4+2NH3H2OCa3(PO4)2+6NH4NO3 在相應(yīng)的pH條件下，當Ca/P原子比為1.667時，在一定的條件下,硝酸鈣與磷酸氫二氨按反應(yīng)生成HA；當鈣磷原子比為1.5時,硝酸鈣與磷酸氫二氨反應(yīng)生成TCP，當鈣磷原子比在1.51.667之間時，隨反應(yīng)條件不同 ,可以生成雙相或三相磷灰石沉淀。HA-生物活性玻璃復(fù)合材料 HA具有良好的組織相容性和骨引導(dǎo)性,而生物活性玻璃具有骨形成作用及較快的降解速率 ,可以加速新骨的形成。而且生物玻璃中的Na+、K+等離子交換和Si的滲出,會減弱HA的穩(wěn)定性,促進Ca2+的溶解 ,故多孔HA-BG具有比多孔HA更快的溶解速率。將這二者復(fù)合,可以得到既具有良好的生物相容性及降解性,又有一定