生物醫(yī)用陶瓷材料學習教案

1、會計學1生物生物(shngw)醫(yī)用陶瓷材料醫(yī)用陶瓷材料第一頁，共106頁。第1頁/共106頁第二頁，共106頁。人工(rngng)髖關節(jié)羥磷灰石生物陶瓷人工(rngng)骨全瓷牙圖4-1 幾種常見的生物陶瓷制品第2頁/共106頁第三頁，共106頁。分類主要特點示例生物惰性陶瓷在生物體內(nèi)化學性質(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)境反應形成阻止材料進一步溶解的界面，與人體組織具有良好的化學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、

2、硫酸鈣陶瓷、可降解生物玻璃等表4-1 陶瓷植入材料(cilio)的分類第3頁/共106頁第四頁，共106頁。第4頁/共106頁第五頁，共106頁。第5頁/共106頁第六頁，共106頁。第6頁/共106頁第七頁，共106頁?；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)(jigu)第7頁/共106頁第八頁，共106頁。圖4-2 螢石(yn sh)的點陣結(jié)構(gòu)圖4-3 剛玉(gngy)的

3、點陣結(jié)構(gòu)第8頁/共106頁第九頁，共106頁。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，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。第9頁/共106頁第十頁，共106頁。第10頁/共106頁第十一頁，共106頁。rCc2第11頁/共106頁第十二頁，共106頁。材料10級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(fn j)第12頁/共106頁第十三頁，共106頁。第13頁/共106頁

4、第十四頁，共106頁。第14頁/共106頁第十五頁，共106頁。第15頁/共106頁第十六頁，共106頁。第16頁/共106頁第十七頁，共106頁。第17頁/共106頁第十八頁，共106頁。第18頁/共106頁第十九頁，共106頁。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.

5、0212表4-4 磷酸鈣生物陶瓷的力學性能第19頁/共106頁第二十頁，共106頁。第20頁/共106頁第二十一頁，共106頁。HA生物陶瓷脆性高、抗折強度低,目前(mqin)僅能應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用。第21頁/共106頁第二十二頁，共106頁。圖4-4 骨質(zhì)中HA的掃描(somio)電子顯微鏡照片第22頁/共106頁第二十三頁，共106頁。圖4-5 HA的晶體結(jié)構(gòu)第23頁/共106頁第二十四頁，共106頁。第24頁/共106頁第二十五頁，共106頁。第25頁/共106頁第二十六頁，共106頁。第26頁/共106頁第二十七頁，共1

6、06頁。第27頁/共106頁第二十八頁，共106頁。第28頁/共106頁第二十九頁，共106頁。第29頁/共106頁第三十頁，共106頁。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(mn yn)高溫合成法制備HA的工藝流程圖第30頁/共106頁第三十一頁，共106頁。圖4-7 （a）涂覆HA涂層(t cn)的股骨柄；（b）近部涂覆HA涂層(t cn)的骨柄第31頁/共106頁第三十二頁，共106頁。第32頁/共106頁第三十三頁，共106頁。第33頁/共106頁第三十四頁，共106頁。第34頁/共106頁第三十五頁，共106頁。第35頁/共10

7、6頁第三十六頁，共106頁。第36頁/共106頁第三十七頁，共106頁。第37頁/共106頁第三十八頁，共106頁?？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 羥基磷灰石和人體(rnt)硬組織機械性能對照第38頁/共106頁第三十九頁，共106頁。第39頁/共106頁第四十頁，共106頁。圖4-8 人體骨組織的SEM照片（a）致密骨的拋光橫截面；（b）致

8、密骨縱截面中能看到相互連通(lintng)的孔道第40頁/共106頁第四十一頁，共106頁。第41頁/共106頁第四十二頁，共106頁。第42頁/共106頁第四十三頁，共106頁。第43頁/共106頁第四十四頁，共106頁。第44頁/共106頁第四十五頁，共106頁。第45頁/共106頁第四十六頁，共106頁。第46頁/共106頁第四十七頁，共106頁。第47頁/共106頁第四十八頁，共106頁。第48頁/共106頁第四十九頁，共106頁。第49頁/共106頁第五十頁，共106頁。圖4-9 多孔-TCP材料植入大白兔股骨(gg)缺損區(qū)組織學觀測結(jié)果(a) 植入4周（b）植入8周(c) 植入12

9、周（d）植入24周第50頁/共106頁第五十一頁，共106頁。第51頁/共106頁第五十二頁，共106頁。第52頁/共106頁第五十三頁，共106頁。第53頁/共106頁第五十四頁，共106頁。生物材料SiO2P2O5CaOCaF2MgONa2OK2OAl2O3相組成（%）45S545.06.024.524.5玻璃Ceravital4050105030352.55.05100.53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Ilm

10、aplant-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成分（質(zhì)量分數(shù)(fnsh)）和相組成第54頁/共106頁第五十五頁，共106頁。 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。第55頁/共106頁第五十六頁，共106頁。第56頁/共106頁第五十七頁，共106頁。第57頁/共106頁第五十八頁，共106頁。物活性玻璃與骨結(jié)合過程大致包含11步反應，如下所示。其中前5步反應并不需要人體組織的參與，可以(ky)發(fā)生在模擬

11、體液、三羥甲基氨基甲烷緩沖液甚至是蒸餾水中；而隨后的反應則是細胞與玻璃的協(xié)同作用。第58頁/共106頁第五十九頁，共106頁。第59頁/共106頁第六十頁，共106頁。第60頁/共106頁第六十一頁，共106頁。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(xingdng)高的反應活性。第61頁/共106頁第六十二頁，共106頁。圖4-10 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃(b l)的成分與生物活性的關系（）45S5Bioglass、（）Ceravital、（）55S4.3 Bioglass 第62頁/共106頁第六十三頁，共106頁。第63頁/共106頁第六十四頁，共

12、106頁。第64頁/共106頁第六十五頁，共106頁。第65頁/共106頁第六十六頁，共106頁。第66頁/共106頁第六十七頁，共106頁。第67頁/共106頁第六十八頁，共106頁。第68頁/共106頁第六十九頁，共106頁。pH(fshng)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。第69頁/共106頁第七十頁，共106頁。第70頁/共106頁第七十一頁，共106頁。醫(yī)學領域以來，已經(jīng)有超過2億個氧化鋁關節(jié)頭和30萬個氧化鋁髖臼內(nèi)襯用于髖關節(jié)置換手術（THR）。第71頁/共106頁第七十二頁，共106頁?；瘜W組成99.9% Al2O3（含有少量MgO雜質(zhì)）密度/(g

13、cm-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熱導率/(WmK-1)30硬度（HV）/Mpa2000表4-7 醫(yī)用氧化鋁陶瓷的主要(zhyo)性能第72頁/共106頁第七十三頁，共106頁。第73頁/共106頁第七十四頁，共106頁。第74頁/共106頁第七十五頁，共106頁。第75頁/共106頁第七十六頁，共106頁。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，到更高的溫度就轉(zhuǎn)變成較致密的四方

14、晶系的高溫形態(tài)。第76頁/共106頁第七十七頁，共106頁。第77頁/共106頁第七十八頁，共106頁。第78頁/共106頁第七十九頁，共106頁。第79頁/共106頁第八十頁，共106頁。第80頁/共106頁第八十一頁，共106頁。待解決的問題之一。第81頁/共106頁第八十二頁，共106頁。裂紋表面，從而吸收裂紋擴展(kuzhn)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。第82頁/共106頁第八十三頁，共106頁。第

15、83頁/共106頁第八十四頁，共106頁。第84頁/共106頁第八十五頁，共106頁。第85頁/共106頁第八十六頁，共106頁。第86頁/共106頁第八十七頁，共106頁。第87頁/共106頁第八十八頁，共106頁。第88頁/共106頁第八十九頁，共106頁。機理不但(bdn)可單獨產(chǎn)生增韌效應，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；而裂紋偏轉(zhuǎn)則可由微裂紋的吸引誘導發(fā)生。第89頁/共106頁第九十頁，共106頁。第90頁/共106頁第九十一頁，共106頁。第91頁/共106頁第九十二頁，共106頁。骨明顯，甚至可以在某些生物體的軟組織中

16、也可誘導成骨，具有良好(lingho)的生物相容性、骨誘導性和骨傳導性。圖4-10 HA/TCP雙相陶瓷(toc)的SEM照片第92頁/共106頁第九十三頁，共106頁。第93頁/共106頁第九十四頁，共106頁。第94頁/共106頁第九十五頁，共106頁。第95頁/共106頁第九十六頁，共106頁。料的可塑性改善陶瓷材料的韌性。第96頁/共106頁第九十七頁，共106頁。第97頁/共106頁第九十八頁，共106頁。圖4-11 培養(yǎng)11天后成骨細胞緊緊(jn jn)附著于HA顆粒上第98頁/共106頁第九十九頁，共106頁。第99頁/共106頁第一百頁，共106頁。第100頁/共106頁第一百零一頁，共106頁。想的生物材料，天然生物材料經(jīng)過億萬年的演變