第五章醫(yī)用陶瓷材料

1、u5.1 概述概述u5.2 5.2 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u5.3 5.3 磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷u5.4 5.4 生物活性玻璃與生物微晶玻璃生物活性玻璃與生物微晶玻璃u5.5 5.5 其它生物陶瓷其它生物陶瓷u5.6 5.6 陶瓷材料的增韌強(qiáng)化陶瓷材料的增韌強(qiáng)化u5.7 5.7 陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料第五章 生物醫(yī)用陶瓷材料5.1概述1）陶瓷（無機(jī)非金屬材料）的基本概念及分類 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?zé)Y(jié)制成的、由金屬和非金屬元素的無機(jī)化合物構(gòu)成的多晶或非晶固體材料。陶瓷可分為 普通陶瓷（傳統(tǒng)陶瓷）和特種陶瓷（近代陶瓷）。傳統(tǒng)的

2、陶瓷都是以由硅、鋁、氧三種主要元素形成的天然硅酸鹽礦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(xì)陶瓷”(Fine Ceramics) 普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，產(chǎn)量大。成本低，產(chǎn)量大。 除日用陶瓷、瓷器外，除日用陶瓷、瓷器外，大量用于電器、化工、大量用于電器、化工、建筑、紡織等工業(yè)部門。建筑、紡織等工業(yè)部門。 景德鎮(zhèn)瓷器景德鎮(zhèn)瓷器絕緣子絕緣子 特種陶瓷特種陶瓷原料是人工提煉的，即純度較高原料是人工提煉的，即純度較高的的金屬氧化物金屬氧化物、碳化物碳化物、氮化物氮化物等化合物。等化合物。這類陶瓷具

3、有一些獨(dú)特的性能這類陶瓷具有一些獨(dú)特的性能,可滿足工程可滿足工程結(jié)構(gòu)的特殊需要結(jié)構(gòu)的特殊需要.屬于這類陶瓷的有壓電陶屬于這類陶瓷的有壓電陶瓷、高溫陶瓷、高強(qiáng)度陶瓷、生物醫(yī)用陶瓷、高溫陶瓷、高強(qiáng)度陶瓷、生物醫(yī)用陶瓷、半導(dǎo)體陶瓷、環(huán)保陶瓷，等瓷、半導(dǎo)體陶瓷、環(huán)保陶瓷，等等. 氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷 氧化鋁陶瓷以氧化鋁陶瓷以Al2O3為主要成分為主要成分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又稱高的陶瓷，又稱高鋁陶瓷。鋁陶瓷。Al2O3化工、耐磨陶化工、耐磨陶瓷配件瓷配件Al2O3密封、氣動(dòng)密封、氣動(dòng)陶瓷配件陶瓷配件氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷ZrO22）生物陶瓷的基本概念及分類生物陶瓷的基本概念及分類 生物陶

4、瓷生物陶瓷是是通過植入人體或是與人體組織直接接觸，使機(jī)體通過植入人體或是與人體組織直接接觸，使機(jī)體功能得以恢復(fù)或增強(qiáng)可使用的陶瓷。功能得以恢復(fù)或增強(qiáng)可使用的陶瓷。圖圖4-1是幾種常見的生是幾種常見的生物陶瓷制品。物陶瓷制品。人工髖關(guān)節(jié)人工髖關(guān)節(jié)羥磷灰石生物陶瓷人工骨羥磷灰石生物陶瓷人工骨全瓷牙全瓷牙幾種常見的生物陶瓷制品幾種常見的生物陶瓷制品生物陶瓷的分類 根據(jù)種植材料與生物體組織的反應(yīng)程度反應(yīng)程度，可將生物陶瓷分為三類:生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷、生物活生物活性陶瓷性陶瓷和和生物可降解生物可降解（吸收）（吸收）陶瓷陶瓷。 1）生物惰性陶瓷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，在生物

5、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(duì)機(jī)體無刺激的陶瓷。無組成元素溶出，對(duì)機(jī)體無刺激的陶瓷。如如氧化鋁氧化鋁陶瓷陶瓷，氧化鋯氧化鋯陶瓷陶瓷、碳素材料（碳素材料（C），），氮化硅（氮化硅（Si3N4）等）等2）生物活性陶瓷）生物活性陶瓷 材料的生物活性材料的生物活性：即生物材料在體液環(huán)境下通過化：即生物材料在體液環(huán)境下通過化學(xué)鍵和周圍活體組織緊密結(jié)合的能力。學(xué)鍵和周圍活體組織緊密結(jié)合的能力。 生物活性陶瓷：生物活性陶瓷：在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)生物化學(xué)反應(yīng)與骨組織形成化學(xué)鍵合。與骨組織形成化學(xué)鍵合。羥基磷灰石羥基磷灰石 CaCa1010

6、(PO(PO4 4) )6 6(OH)(OH)2 2生物活性玻璃生物活性玻璃 NaNa2 2O-CaO-PO-CaO-P2 2O O5 5-SiO-SiO2 2生物活性玻璃陶瓷生物活性玻璃陶瓷3）生物可降解陶瓷（生物吸收陶瓷）生物可降解陶瓷（生物吸收陶瓷）(Biodegradable) 這類材料在生物體內(nèi)能誘導(dǎo)骨質(zhì)生長，并這類材料在生物體內(nèi)能誘導(dǎo)骨質(zhì)生長，并逐步降解、吸收，被新生骨取代，從而達(dá)逐步降解、吸收，被新生骨取代，從而達(dá)到修復(fù)或替換病損組織的目的到修復(fù)或替換病損組織的目的 。磷酸三鈣磷酸三鈣 Ca3(PO4)2，TCP三種生物陶瓷材料與骨結(jié)合的形式三種生物陶瓷材料與骨結(jié)合的形式：生物惰

7、性陶瓷：植入人體后成纖維細(xì)胞在其表面增生物惰性陶瓷：植入人體后成纖維細(xì)胞在其表面增殖，最終形成纖維組織包囊，形成纖維接觸界面。殖，最終形成纖維組織包囊，形成纖維接觸界面。生物活性陶瓷（生物反應(yīng)性陶瓷）：與成骨細(xì)胞較生物活性陶瓷（生物反應(yīng)性陶瓷）：與成骨細(xì)胞較成纖維細(xì)胞更易在其表面增殖，從而和新生骨直接成纖維細(xì)胞更易在其表面增殖，從而和新生骨直接結(jié)合，形成骨性結(jié)合，而不會(huì)在界面處產(chǎn)生纖維組結(jié)合，形成骨性結(jié)合，而不會(huì)在界面處產(chǎn)生纖維組織包囊?？棸?。生物吸收陶瓷：存在新骨形成并伴隨陶瓷材料降解生物吸收陶瓷：存在新骨形成并伴隨陶瓷材料降解。5.2 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

8、由共價(jià)鍵或離子鍵結(jié)合，含有金屬與陶瓷材料是由共價(jià)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。非金屬元素的復(fù)雜化合物和固溶體。陶瓷材料的陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)比金屬材料復(fù)雜且表面能小。因此其強(qiáng)晶體結(jié)構(gòu)比金屬材料復(fù)雜且表面能小。因此其強(qiáng)度度（抗壓強(qiáng)度）（抗壓強(qiáng)度）、硬度、彈性模量、耐磨性、耐、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(diǎn)是蝕性和耐熱性要優(yōu)于金屬。但陶瓷的最大缺點(diǎn)是韌性差，脆性極大，抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力很低，韌性差，脆性極大，抵抗內(nèi)部裂紋擴(kuò)展能力很低，所以容易發(fā)生脆性斷裂。所以容易發(fā)生脆性斷裂。5.2.1 陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu) 一般來說，陶瓷是一種多晶

9、材料，它是由晶粒和一般來說，陶瓷是一種多晶材料，它是由晶粒和晶界所組成的燒結(jié)體，晶界所組成的燒結(jié)體，顯微組織由晶體相，玻璃相顯微組織由晶體相，玻璃相和氣相組成和氣相組成。由于各相的相對(duì)量變化很大，分布也。由于各相的相對(duì)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。狀及分布狀況都不相同，直接影響陶瓷材料的性能。陶瓷的組成陶瓷的組成1.1.結(jié)晶相：主要組成相（如結(jié)晶相：主要組成相（如Al2O3Al2O3），），由離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合而成，決定陶由離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合而成，決定陶瓷的性能：高熔點(diǎn)、高

10、耐熱性、高化瓷的性能：高熔點(diǎn)、高耐熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣性、高脆性。學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣性、高脆性。2 2 玻璃相：非晶態(tài)固體（如石英玻璃），玻璃相：非晶態(tài)固體（如石英玻璃），將晶相粘結(jié)在一起，降低燒結(jié)溫度，抑將晶相粘結(jié)在一起，降低燒結(jié)溫度，抑制晶相晶粒長大和填充氣孔。制晶相晶粒長大和填充氣孔。 氣相：氣孔（氣相：氣孔（5 51010）。）。 對(duì)性能的不利影響：增加脆性、降低強(qiáng)度、電擊穿強(qiáng)度降對(duì)性能的不利影響：增加脆性、降低強(qiáng)度、電擊穿強(qiáng)度降低，絕緣性能降低。低，絕緣性能降低。 對(duì)性能的有利影響：提高吸振性，使陶瓷對(duì)性能的有利影響：提高吸振性，使陶瓷密度減小密度減小 陶瓷的結(jié)構(gòu)類型可以用陶瓷的

11、結(jié)構(gòu)類型可以用AmXn表示（表表示（表4-2）。）。A代表金屬元代表金屬元素；素；X代表非金屬元素；代表非金屬元素；m和和n代表整數(shù)。最簡單的陶瓷化合代表整數(shù)。最簡單的陶瓷化合物物為為AX型陶瓷晶體。型陶瓷晶體。 AX化合物化合物有三種形式，主要取決于原子的半徑比率。如果有三種形式，主要取決于原子的半徑比率。如果RA/RX0.732則為一則為一簡單的立方體結(jié)構(gòu)簡單的立方體結(jié)構(gòu)，如，如CsCl結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，A原原子（或離子）位于子（或離子）位于8個(gè)個(gè)X原子的中心。如果離子的半徑比率原子的中心。如果離子的半徑比率完全不同，則呈現(xiàn)完全不同，則呈現(xiàn)出面心立方體出面心立方體結(jié)構(gòu)，如結(jié)構(gòu)，如NaCl、KCl

12、、LiF、MgO、CaO、MnO等化合物，這類結(jié)構(gòu)以陰離子為面心立等化合物，這類結(jié)構(gòu)以陰離子為面心立方點(diǎn)陣，陽離子位于其晶胞和棱邊的中心；也可以方點(diǎn)陣，陽離子位于其晶胞和棱邊的中心；也可以非立方結(jié)非立方結(jié)構(gòu)構(gòu)的形式存在，如的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其結(jié)構(gòu)原子排列比等，其結(jié)構(gòu)原子排列比較復(fù)雜，較復(fù)雜，形成硬而脆的陶瓷形成硬而脆的陶瓷材料。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

13、4-2 AmXn結(jié)構(gòu) 當(dāng)陶瓷化合物的金屬離子和非金屬離子不同時(shí)，構(gòu)成當(dāng)陶瓷化合物的金屬離子和非金屬離子不同時(shí)，構(gòu)成螢石型螢石型結(jié)構(gòu)或剛玉型結(jié)構(gòu)或剛玉型結(jié)構(gòu)。螢石結(jié)構(gòu)的氧化物有結(jié)構(gòu)。螢石結(jié)構(gòu)的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2等（圖等（圖4-2）。剛玉（剛玉（Al2O3）型結(jié)構(gòu)的氧化物有）型結(jié)構(gòu)的氧化物有Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、Ca2O3等（圖等（圖4-3）。）。圖圖4-2 螢石的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)螢石的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖圖4-3 剛玉的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)剛玉的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)陶瓷材料的工藝特點(diǎn)陶瓷材料的工藝特點(diǎn) 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通過粉體成型和高溫?zé)Y(jié)來成形的，

14、因此陶瓷是燒結(jié)體。溫?zé)Y(jié)來成形的，因此陶瓷是燒結(jié)體。 燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在燒結(jié)體也是晶粒的聚集體，有晶粒和晶界，所存在的問題是其存在一定的氣孔率。的問題是其存在一定的氣孔率。 Al2O3粉末的燒結(jié)組織粉末的燒結(jié)組織ZrO2陶瓷中的氣孔陶瓷中的氣孔5.2.2陶瓷材料的力學(xué)性能彈性彈性 （1）彈性模量大彈性模量大 E值大，值大，是金屬材料的是金屬材料的2 2倍以上。倍以上。 共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有較高的抗晶格畸變、共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)有較高的抗晶格畸變、阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力。 晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少，位錯(cuò)晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滑移系很少，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)困難。運(yùn)動(dòng)困難。 （2 2）彈性模量

15、呈方向性：壓縮模）彈性模量呈方向性：壓縮模量高于拉伸彈性模量。量高于拉伸彈性模量。 結(jié)構(gòu)不均勻性：缺陷。結(jié)構(gòu)不均勻性：缺陷。 （3 3）氣孔率）氣孔率，彈性模量，彈性模量強(qiáng)度強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度高得多，比抗拉強(qiáng)度高得多，1010倍左右。倍左右。但抗拉但抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度卻很低強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度卻很低（由于陶瓷內(nèi)部有大量空（由于陶瓷內(nèi)部有大量空洞，拉伸時(shí)應(yīng)力集中大，為脆性材料）。洞，拉伸時(shí)應(yīng)力集中大，為脆性材料）。l 硬度高硬度高、耐蝕性高耐蝕性高耐磨性高耐磨性高：其耐磨性遠(yuǎn)高于金屬，而且在高溫、腐蝕環(huán)境下其耐磨性遠(yuǎn)高于金屬，而且在高溫、腐蝕環(huán)境下更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)

16、越性。 最重要的耐磨陶瓷材料是最重要的耐磨陶瓷材料是氧化鋁、氧化鋯和氮氧化鋁、氧化鋯和氮化硅陶瓷等。化硅陶瓷等。塑性塑性：室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。室溫下，絕大多數(shù)陶瓷材料塑性變形極小。 熱性能熱性能 陶瓷材料一般具有高熔點(diǎn)陶瓷材料一般具有高熔點(diǎn)（大多在（大多在2000C以上），極好以上），極好的化學(xué)穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗氧化等特點(diǎn)。的化學(xué)穩(wěn)定性和很強(qiáng)的抗氧化等特點(diǎn)。陶瓷材料的線膨脹系數(shù)一般都很小，約為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陶瓷占有很

17、大的比重 ，主要是因?yàn)榱姿徕}生物陶瓷具有，主要是因?yàn)榱姿徕}生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，對(duì)人體無毒、無害、無致良好的生物相容性和生物活性，對(duì)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。固的骨性結(jié)合。5.3 磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷5.3.1 概述 磷酸鈣生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三鈣，作為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生物材料使用的磷灰石一般是Ca與與P原子比為原子比為1.67的的羥基磷灰石羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapati

18、te，簡稱，簡稱HA)，磷酸三鈣是，磷酸三鈣是Ca與與P原子比為原子比為 1.5的的-磷酸三鈣磷酸三鈣-Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，簡稱，簡稱-TCP)。 磷酸鈣陶瓷粉末的制備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：有濕法和固態(tài)反應(yīng)法。濕法包括：水熱反應(yīng)法、水溶液沉淀水熱反應(yīng)法、水溶液沉淀法以及溶膠凝膠法法以及溶膠凝膠法等等等等。各種制備工藝的研究目標(biāo)是得到成各種制備工藝的研究目標(biāo)是得到成分均勻、粒度微細(xì)的磷酸鈣粉末。分均勻、粒度微細(xì)的磷酸鈣粉

19、末。 磷酸鈣陶瓷的燒結(jié)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)。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，然后在磷酸鈣陶瓷粉末先要壓制成需要的形狀，然后在10001500進(jìn)行燒結(jié)。以進(jìn)行燒結(jié)。以Ca與與P原子比為原子比為1.67的磷灰石粉末為原料，可得到的磷灰石粉末為原料，可得到HA陶瓷；以陶瓷；以Ca與與P原原子比為子比為1.5的磷灰石粉末為原料，可得到的磷灰石粉末為原料，可得到-TCP陶瓷。陶瓷。 磷酸鈣生物陶瓷的力學(xué)性能與應(yīng)用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)性能見表致密磷酸鈣陶瓷的力學(xué)性能見表5-1。從力學(xué)相容

20、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)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(qiáng)度和彈性模量。與被替換的器官有相近的強(qiáng)度和彈性模量。脆性脆性是是制約磷酸鈣生物陶瓷臨床應(yīng)用的主要因素之一制約磷酸鈣生物陶瓷臨床應(yīng)用的主要因素之一。改改善磷酸鈣鹽陶瓷的脆性，使其能應(yīng)用到大塊骨缺損善磷酸鈣鹽陶瓷的脆性，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。解決的問題。性能性能燒結(jié)羥基磷燒結(jié)羥基磷灰石灰石燒結(jié)燒結(jié)-磷酸磷酸三鈣三鈣皮質(zhì)骨皮質(zhì)骨 成分成分Ca10(OH)2(PO4)4（99.2%）

21、-Ca3(PO4)2(99.7%)物相物相磷灰石磷灰石磷鈣礦磷鈣礦密度密度（g/cm3）3.163.071.62.1維氏硬度維氏硬度（HV）600壓縮強(qiáng)度壓縮強(qiáng)度（MPa）5001000460680100230彎曲強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度（MPa）11520014015450150楊氏模量楊氏模量（GPa）801102290730斷裂韌性斷裂韌性1.0212表表5-1 磷酸鈣生物陶瓷的力學(xué)性能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(shì)磷酸鈣生物陶瓷材料的發(fā)展趨勢(shì)1）增韌補(bǔ)強(qiáng)增韌補(bǔ)強(qiáng)。磷酸鈣陶瓷可以通過添加增強(qiáng)相提高磷酸鈣陶瓷可以通過添加增強(qiáng)相提高它的斷裂韌性，它的斷裂韌性，磷酸鈣陶瓷基復(fù)合材料

22、磷酸鈣陶瓷基復(fù)合材料，已經(jīng)成為，已經(jīng)成為磷酸鈣生物陶瓷的發(fā)展方向之一。磷酸鈣生物陶瓷的發(fā)展方向之一。 2） 基于仿生原理，制備類似于自然組織的組成、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)的理想生物陶瓷結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的理想生物陶瓷，是生物陶瓷的，是生物陶瓷的另另一個(gè)一個(gè)發(fā)展方向。組成和結(jié)構(gòu)類似于骨骼連續(xù)變化的發(fā)展方向。組成和結(jié)構(gòu)類似于骨骼連續(xù)變化的多孔多孔磷酸鈣陶瓷磷酸鈣陶瓷的研究是正在進(jìn)行的課題。的研究是正在進(jìn)行的課題。5.3.2 羥基磷灰石羥基磷灰石 羥基磷灰石羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是人體和動(dòng)物骨是人體和動(dòng)物骨骼、牙齒的主要無機(jī)成分，在骨質(zhì)中，羥基磷灰石大約

23、骼、牙齒的主要無機(jī)成分，在骨質(zhì)中，羥基磷灰石大約占占60，它是一種長度為，它是一種長度為200400mm，厚度，厚度1530mm的針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維的針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維。 HA由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植入人由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植入人體后能在短時(shí)間內(nèi)與人體的軟硬組織形成緊密結(jié)合而成體后能在短時(shí)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。但為廣泛應(yīng)用的植骨代用品。但HA生物陶瓷脆性高、抗生物陶瓷脆性高、抗折強(qiáng)度低折強(qiáng)度低,目前僅能應(yīng)用于非承載的小型種植體目前僅能應(yīng)用于非承載的小型種植體 , 如如人人工齒根、耳骨

24、、充填骨缺損工齒根、耳骨、充填骨缺損等等,而而不能在受載場合下應(yīng)不能在受載場合下應(yīng)用用。圖4-4 骨質(zhì)中HA的掃描電子顯微鏡照片羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)羥基磷灰石的晶體結(jié)構(gòu)羥基磷灰石理論組成為羥基磷灰石理論組成為Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P為為1.67。HA晶體為晶體為六方晶系六方晶系，單位晶胞含有，單位晶胞含有10個(gè)個(gè)Ca2+、6個(gè)個(gè)PO43和和2個(gè)個(gè)OH-。沉淀法沉淀法 通過把一定濃度的鈣鹽和磷鹽混合攪拌，控制在通過把一定濃度的鈣鹽和磷鹽混合攪拌，控制在一定的一定的pH值和溫度條件下，使溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)值和溫度條件下，使溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成生成HA沉淀，沉淀物在沉淀，沉淀物在4

25、00600甚至更高的溫度甚至更高的溫度下煅燒，可獲得符合一定比例的下煅燒，可獲得符合一定比例的HA晶體粉末。晶體粉末。10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O羥基磷灰石粉末的制備羥基磷灰石粉末的制備水熱法水熱法 水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器中水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器中(高壓釜高壓釜)，采用，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境中，使得原來在高溫高壓環(huán)境中，使得原來難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的方法。難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的方法。這種方法通這種方法通常以磷酸氫鈣等為原料

26、，在水溶液體系，溫度為常以磷酸氫鈣等為原料，在水溶液體系，溫度為200400的高壓釜中制備的高壓釜中制備HA,使原來難溶或不溶的使原來難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重新結(jié)晶。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(shí)間較短，省略了煅這種方法條件較易控制，反應(yīng)時(shí)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；合成燒和研磨步驟，粉末純度高，晶體缺陷密度低；合成溫度相對(duì)較低，反應(yīng)條件適中，設(shè)備較簡單，耗電低。溫度相對(duì)較低，反應(yīng)條件適中，設(shè)備較簡單，耗電低。 水熱法制備羥基磷灰石的反應(yīng)式水熱法制備羥基磷灰石的反應(yīng)式6CaHPO4 + 4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2 + 4CO2

27、 + 2H2O35Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials高壓釜高壓釜 羥基磷灰石涂層羥基磷灰石涂層的制備的制備由于由于HA的力學(xué)性能較差，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性指標(biāo)的力學(xué)性能較差，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性指標(biāo)均低于人體致密骨，限制了它們單獨(dú)在人體負(fù)重部均低于人體致密骨，限制了它們單獨(dú)在人體負(fù)重部位的使用。采用有效方法在生物惰性材料表面涂覆位的使用。采用有效方法在生物惰性材料表面涂覆生物活性生物活性HA涂層涂層，既可使材料骨界面達(dá)到生理結(jié)既可使材料骨界面達(dá)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)性能合又可有效地利用生物惰性材料優(yōu)良的力學(xué)性能。（a）涂覆HA

28、涂層的股骨柄；（b）近部涂覆HA涂層的骨柄 HA涂層的制備方法涂層的制備方法有有等離子噴涂法等離子噴涂法、溶膠、溶膠-凝膠法、仿生溶凝膠法、仿生溶液生長法、激光熔覆法、電化學(xué)法、水熱法、涂覆液生長法、激光熔覆法、電化學(xué)法、水熱法、涂覆-燒結(jié)法等。燒結(jié)法等。 等離子噴涂法等離子噴涂法 等離子噴涂法是采用燃燒能或電能等離子噴涂法是采用燃燒能或電能將噴鍍材料將噴鍍材料 ( 粉末或顆粒粉末或顆粒 ) 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并高速噴射到底材上而堆積成涂層的方法。上而堆積成涂層的方法。 等離子焰等離子焰熱量高度集中可以獲很高的溫度足以熔

29、化任何一種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(qiáng)度較大；對(duì)基體熱影響小可以對(duì)上形成的涂層與基體間結(jié)合強(qiáng)度較大；對(duì)基體熱影響小可以對(duì)已加工成形的工件進(jìn)行表面噴涂；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且成本適中。已加工成形的工件進(jìn)行表面噴涂；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且成本適中。仿生溶液生長法仿生溶液生長法 該法該法模仿模仿了了自然界生理磷灰石的礦化機(jī)制自然界生理磷灰石的礦化機(jī)制，先配先配制 一 種 與 人 體 體 液 組 成 幾 乎 相 同 的 溶 液制 一 種 與 人 體 體 液 組 成

30、幾 乎 相 同 的 溶 液 S B F（simulated body fluid）,然后將金屬基板置于此溶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液中以模仿生物環(huán)境，在金屬基板表面上生長出HA涂層。涂層。 仿生溶液生長法與傳統(tǒng)的涂層方法相比有以下幾仿生溶液生長法與傳統(tǒng)的涂層方法相比有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：低溫下個(gè)優(yōu)點(diǎn)：低溫下(低于低于100)操作操作,可避免高溫噴涂可避免高溫噴涂引起的相變和脆裂引起的相變和脆裂,且低溫條件為共沉積蛋白質(zhì)等生物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大分子提供了可能性；由于是在類似于人體環(huán)境條件的水溶液中自然沉積由于是在類似于人體環(huán)境條件

31、的水溶液中自然沉積出來的出來的,因此成分更接近于人體骨無機(jī)質(zhì)因此成分更接近于人體骨無機(jī)質(zhì),可望具有可望具有高的生物相容性和骨結(jié)合能力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)備投資少所需設(shè)備投資少,工藝簡單工藝簡單,易于操作。易于操作。因此因此,該技術(shù)在制備金屬該技術(shù)在制備金屬-生物活性物質(zhì)涂層材料方面生物活性物質(zhì)涂層材料方面有著廣闊的應(yīng)用前景。有著廣闊的應(yīng)用前景。 羥基磷灰石的性能羥基磷灰石的性能物理化學(xué)性能物理化學(xué)性能 羥基磷灰石羥基磷灰石的的理論密度為理論密度為3.156 g/cm2，折射率，折射率為為1.

32、641.65，莫氏硬度為，莫氏硬度為5，微溶于水，呈弱堿性，微溶于水，呈弱堿性(pH=79)，易溶于酸而難溶于堿。，易溶于酸而難溶于堿。HA是強(qiáng)離子交是強(qiáng)離子交換劑，分子中的換劑，分子中的Ca2+容易被容易被Cd2+、Hg2+ 等有害金屬等有害金屬離子和離子和Sr2+、Ba2+、Pd2+ 等重金屬離子交換，還等重金屬離子交換，還可可與含有羧基的氨基酸、蛋白質(zhì)及有機(jī)酸等發(fā)生交換與含有羧基的氨基酸、蛋白質(zhì)及有機(jī)酸等發(fā)生交換反應(yīng)。反應(yīng)。機(jī)械性能機(jī)械性能 HA致密體的機(jī)械強(qiáng)度與制作工藝有很大關(guān)系。要致密體的機(jī)械強(qiáng)度與制作工藝有很大關(guān)系。要獲得高強(qiáng)度的燒結(jié)體，必須對(duì)原料合成、粉體成型獲得高強(qiáng)度的燒結(jié)體，

33、必須對(duì)原料合成、粉體成型和燒成制度等工藝條件進(jìn)行最佳選擇。表和燒成制度等工藝條件進(jìn)行最佳選擇。表4-5為為HA致密體和人體硬組織的部分機(jī)械強(qiáng)度數(shù)值。致密體和人體硬組織的部分機(jī)械強(qiáng)度數(shù)值。HA材材料具有普通陶瓷材料的共同弱點(diǎn)：料具有普通陶瓷材料的共同弱點(diǎn)：脆性大，耐沖擊脆性大，耐沖擊強(qiáng)度低。強(qiáng)度低。因此作為人工骨置換材料在承受較大張應(yīng)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(shí)需要慎重。力的部位應(yīng)用時(shí)需要慎重?？箟簭?qiáng)度抗壓強(qiáng)度撓曲強(qiáng)度撓曲強(qiáng)度扭曲強(qiáng)度扭曲強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度彈性模量彈性模量（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）HA致密體致密體308509611135076117

34、4400088000致密人骨致密人骨8916416018050688911415800人牙釉質(zhì)人牙釉質(zhì)38410.382400人牙本質(zhì)人牙本質(zhì)29551.718200表表4-5 羥基磷灰石和人體硬組織機(jī)械性能對(duì)照羥基磷灰石和人體硬組織機(jī)械性能對(duì)照生物學(xué)性能生物學(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(jī)成陶瓷由于分子結(jié)構(gòu)和鈣磷比與正常骨的無機(jī)成分非常近似，其分非常近似，其生物相容性十分優(yōu)良生物相容性十分優(yōu)良，對(duì)生物體組，對(duì)生物體組織織無刺激性和毒性無刺激性和毒性。大量的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，。大量的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，HA在與成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)時(shí)。在與成骨細(xì)胞共同培養(yǎng)時(shí)。HA表面有成骨細(xì)胞表

35、面有成骨細(xì)胞聚集；植入骨缺損時(shí)，骨組織與聚集；植入骨缺損時(shí)，骨組織與HA之間之間無纖維組無纖維組織界面?？椊缑妗Ｖ踩塍w內(nèi)后表面也有磷灰石樣結(jié)構(gòu)形成植入體內(nèi)后表面也有磷灰石樣結(jié)構(gòu)形成，骨組織與植入材料之間無纖維組織間隔，骨組織與植入材料之間無纖維組織間隔，與骨的結(jié)與骨的結(jié)合性好。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(qiáng)種植體和骨組織之間的結(jié)合。對(duì)于生物惰性），有利于加強(qiáng)種植體和骨組織之間的結(jié)合。對(duì)于生物惰性材料材料，要形成新骨長人多孔體的孔徑應(yīng)要形成新骨長人多孔體的孔徑應(yīng)不小于不小于100m；而對(duì)于而對(duì)于HA多孔體

36、，多孔體，50m孔徑的氣孔內(nèi)，就可有新骨生成。平均孔徑孔徑的氣孔內(nèi)，就可有新骨生成。平均孔徑90m的多孔體則顯示最佳的骨形成姿態(tài)。的多孔體則顯示最佳的骨形成姿態(tài)。HA對(duì)軟組織也同樣對(duì)軟組織也同樣具有良好的相容性具有良好的相容性。圖圖4-8 人體骨組織的人體骨組織的SEM照片照片（a）致密骨的拋光橫截面；（）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）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。材料最早的應(yīng)用主要在口腔科和骨科方面。HA人工牙人工牙根根曾風(fēng)靡一時(shí)，其曾風(fēng)靡一時(shí)，其與骨組織和粘膜組織的

37、結(jié)合狀態(tài)比氧化鋁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，牙根來得好，但由于其耐沖擊強(qiáng)度較低，所以在結(jié)構(gòu)上不能但由于其耐沖擊強(qiáng)度較低，所以在結(jié)構(gòu)上不能制成較細(xì)或較復(fù)雜的形狀，使臨床適應(yīng)范圍要比氧化鋁牙根制成較細(xì)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(bǔ)小。為了彌補(bǔ)HA強(qiáng)度不足之欠缺，目前常用的強(qiáng)度不足之欠缺，目前常用的人工牙根人工牙根多多采用采用金屬與金屬與HA復(fù)合的工藝制造。復(fù)合的工藝制造。內(nèi)芯為純鈦金屬內(nèi)芯為純鈦金屬，埋入骨，埋入骨組織部分的鈦表面通過組織部分的鈦表面通過等離子方法噴涂一層等離子方法噴涂一層HA，這樣既大，這樣既大大提高了人工牙根的機(jī)械性能，又保持了與骨

38、組織形成緊密大提高了人工牙根的機(jī)械性能，又保持了與骨組織形成緊密結(jié)合的良好生物學(xué)性能。結(jié)合的良好生物學(xué)性能。 HA多孔體多孔體常用于骨置換和常用于骨置換和骨缺損修復(fù)骨缺損修復(fù)，如下頜骨，如下頜骨重建，牙槽嵴增高、顱頜骨缺損充填等。重建，牙槽嵴增高、顱頜骨缺損充填等。HA材料具材料具有有骨傳導(dǎo)骨傳導(dǎo)能力這一點(diǎn)已為各國學(xué)者所承認(rèn)。多孔體結(jié)能力這一點(diǎn)已為各國學(xué)者所承認(rèn)。多孔體結(jié)構(gòu)與致密體相比表面積大幅度增大，這對(duì)于加速早期構(gòu)與致密體相比表面積大幅度增大，這對(duì)于加速早期骨生長，促進(jìn)植入材料與周圍骨一體化是十分有利的。骨生長，促進(jìn)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另外在眼

39、科，目前已開始大量采用HA多孔體來制作多孔體來制作義眼座。義眼座。5.3.3 磷酸三鈣磷酸三鈣 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，包括括-磷酸三鈣、磷酸三鈣、-磷酸三鈣磷酸三鈣(-TCP)、磷酸氧四鈣等。其中磷酸氧四鈣等。其中-TCP具有良好的生物降解性、生物相容性和生物無毒性，具有良好的生物降解性、生物相容性和生物無毒性，當(dāng)其植入人體后，降解下來的當(dāng)其植入人體后，降解下來的Ca、P能進(jìn)入活體循環(huán)系統(tǒng)形能進(jìn)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)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)者研究

40、的重點(diǎn)之一。者研究的重點(diǎn)之一。 -TCP陶瓷的制備工藝陶瓷的制備工藝 -TCP陶瓷的制備一般分三個(gè)步驟：陶瓷的制備一般分三個(gè)步驟：粉末制備、成型和燒粉末制備、成型和燒結(jié)結(jié)。粉末制備方法同羥基磷灰石相似，分為濕法和干法。粉末制備方法同羥基磷灰石相似，分為濕法和干法。 -TCP陶瓷的生物相容性陶瓷的生物相容性 -TCP陶瓷具有良好的細(xì)胞相容性，動(dòng)物或人體細(xì)胞可以陶瓷具有良好的細(xì)胞相容性，動(dòng)物或人體細(xì)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(jī)成分相同，故植入體內(nèi)無明顯異物反應(yīng)，局部無明顯炎無機(jī)成分相同，故植入體內(nèi)無明顯異物反應(yīng)，

41、局部無明顯炎癥反應(yīng)。癥反應(yīng)。 -TCP陶瓷在骨科中的應(yīng)用陶瓷在骨科中的應(yīng)用 作為作為一種與生物具有良好親和性的生物陶瓷材料，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；安全、無毒、無副作用，作為植入材料可引導(dǎo)新骨的生長；其作為其作為人工齒根、人工骨、生物骨水泥人工齒根、人工骨、生物骨水泥等已得到廣泛應(yīng)用。等已得到廣泛應(yīng)用。目前，其目前，其應(yīng)用主要集中在應(yīng)用主要集中在-TCP陶瓷人工骨、陶瓷人工骨、-TCP復(fù)合人復(fù)合人工骨、工骨、-TCP藥物載體等三個(gè)方面藥物載體等三個(gè)方面。 HA/TCPHA/TCP骨植入物多孔塊狀物體的外觀骨植入物多

42、孔塊狀物體的外觀 孔徑： 1mm， 300-500m HA/TCPHA/TCP支架的形貌支架的形貌支架的表面形貌泡沫的表面形貌5.4 生物活性玻璃與生物微晶玻璃 長久以來，玻璃一直被認(rèn)為是一種惰性材料，在醫(yī)學(xué)方面長久以來，玻璃一直被認(rèn)為是一種惰性材料，在醫(yī)學(xué)方面主要用做實(shí)驗(yàn)室器皿、試管和醫(yī)用安瓿等容器。事實(shí)上玻主要用做實(shí)驗(yàn)室器皿、試管和醫(yī)用安瓿等容器。事實(shí)上玻璃不僅能參與血凝反應(yīng)璃不僅能參與血凝反應(yīng) ,而且能加速凝血而且能加速凝血,這說明玻璃表面這說明玻璃表面不是惰性的不是惰性的,而是活性的。而是活性的。 1971年，佛羅里達(dá)大學(xué)的年，佛羅里達(dá)大學(xué)的Lary Hench教授偶然發(fā)現(xiàn)將教授偶然發(fā)

43、現(xiàn)將Na2O-CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)的玻璃材料植入生物體內(nèi)，作系統(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)，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。構(gòu)成新生骨骼或牙齒的一部分。Hench教授將教授將這種能與人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。自此之后，不斷有新型的生物活性玻璃被開發(fā)研制出

44、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

45、化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和相組成5.4.1生物活性玻璃的結(jié)構(gòu)和特性 生物活性玻璃一般為生物活性玻璃一般為CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)，部分含有系統(tǒng)，部分含有MgO、K2O、Na2O、A12O3、B2O3、TiO2等，玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧等，玻璃網(wǎng)絡(luò)中非橋氧所連接的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質(zhì)存在時(shí)，易溶解所連接的堿金屬和堿土金屬離子在水相介質(zhì)存在時(shí)，易溶解釋放一價(jià)或二價(jià)金屬離子，使生物玻璃表面具有溶解性，即釋放一價(jià)或二價(jià)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?yàn)椴ＡЬ哂猩锘钚缘幕驹?。相?duì)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

46、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(jìn)原始細(xì)胞增殖和分裂的顯著特征。 組成的可設(shè)計(jì)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(jī)械性能等，以滿足不同的臨床需求。5.4.2 生物玻璃的活性 生物玻璃的表面反應(yīng)機(jī)理 生物玻璃植入體內(nèi)后，表面溶解并形成與類骨磷灰石層形成與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(gè)發(fā)生在植入體表上的依賴時(shí)間的動(dòng)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

47、餾水中；而隨后的反應(yīng)則是細(xì)胞與玻璃的協(xié)同作用。（1）玻璃中Na+和K+離子等與溶液中H+以及H3O+迅速交換：Si-O-Na+H+OH-Si-OH+ Na+ OH- （2）)Si-O-Si鍵被溶解打斷，在界面處形成許多Si-OH； +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(tuán)巨噬細(xì)胞作用干細(xì)胞吸附干細(xì)胞分化生成基體11基體結(jié)晶化生物玻璃與細(xì)胞的協(xié)同作用 生物玻璃植入后與骨的融合依靠骨原細(xì)胞的粘附和增殖以及細(xì)胞間質(zhì)的形成與礦化，而體內(nèi)的生物分子和細(xì)胞影響著玻璃的表面反應(yīng)。不少研

48、究發(fā)現(xiàn)，在體外實(shí)驗(yàn)中加入血清會(huì)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(huì)減緩HCA層的形成并影響礦化。5.4.3 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(diǎn)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(shí)具有相當(dāng)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）與組成成分之間的關(guān)系。其中P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為6%不變

49、。A區(qū)域組分對(duì)應(yīng)的玻璃能與骨進(jìn)行良好的結(jié)合；B區(qū)域組分對(duì)應(yīng)的玻璃是生物惰性材料，在植入體和組織的界面上會(huì)產(chǎn)生纖維狀的包膜；C區(qū)域中的玻璃會(huì)在1030天內(nèi)被人體組織吸收；D區(qū)域中的玻璃沒有實(shí)用價(jià)值。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 4.65，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

50、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(yàn)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-P2O5系玻璃與骨結(jié)合的特點(diǎn),又可避免較多的 Na+和Ca2+長時(shí)期溶出后形成強(qiáng)度低的SiO2凝膠層。組成中Na2O含量低

51、,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(jī)械強(qiáng)度,又具有生物活性。將其植入動(dòng)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。 多孔生物玻璃或微晶玻璃 多孔材料的高孔隙率和較大的孔徑導(dǎo)致材料表面積增大，進(jìn)而提高了材料與人體體液或組織的作用范圍，增強(qiáng)了材料與組織的界面結(jié)合強(qiáng)度，這種結(jié)合被稱之為生物固定，相對(duì)于密實(shí)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(duì)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

52、隙率的A/W-GC顆粒對(duì)骨傳導(dǎo)性的影響表明，骨組織日在孔徑較大(5500m)的顆粒孔腺內(nèi)形成，而在孔徑較小(150m)的孔隙內(nèi)剛無骨組織形成。5.4.4 展望 雖然生物活性玻璃有眾多優(yōu)點(diǎn)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(jī)理目前不是很清楚，不論生物玻璃在人體內(nèi)植入時(shí)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(dòng)，影響周邊細(xì)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(xì)胞反應(yīng)而加速組織

53、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(qiáng)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(píng)價(jià)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(jì)性，以實(shí)際應(yīng)用需求指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)。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)控降解速度并激活成骨細(xì)胞基因，達(dá)到加速組織再生的目的。5.5 其他生物陶瓷5.5.1 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(lán)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

54、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(gè)氧化鋁關(guān)節(jié)頭和30萬個(gè)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(dá)到ISO 64749和ASTMF 60310的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。表4-7列出了醫(yī)用氧化鋁陶瓷的主要性能。化學(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(qiáng)度/Mpa500抗壓強(qiáng)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）/Mp

55、a2000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(dá)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(dòng)物體內(nèi)后軟組織對(duì)氧化鋁陶瓷的反應(yīng)主要是纖維組纖維組織包膜的形成，在體內(nèi)可見成纖維細(xì)胞增生?？棸さ男纬桑隗w內(nèi)可

56、見成纖維細(xì)胞增生。氧化鋁陶瓷在動(dòng)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(fù)重區(qū)與骨組織接觸， 但非負(fù)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?yàn)楣桥c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)性能可大致歸納為以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1) 氧化鋁在體液中完全穩(wěn)定，在生物體內(nèi)不會(huì)發(fā)生溶解和變性。(2) 氧化鋁對(duì)周圍機(jī)體組織呈惰性反應(yīng)。對(duì)骨組織生長無抑制作用，生物相容性比金屬和有機(jī)高分子材料好。(3) 孔徑大于l00

57、m的多孔體植入骨組織后。可看到新骨很快長人氣孔中。5.5.2 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(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，而且其韌性也是陶瓷材料中最高的(與鐵及硬質(zhì)合金相當(dāng))。 高純氧化鋯為白色粉末，密度為5.49g/cm，熔點(diǎn)高達(dá)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

58、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1300160C范圍。 性能 部分穩(wěn)定氧化鋯在常溫下的機(jī)械強(qiáng)度是所有陶瓷材料中最高的，其斷裂韌性和撓曲強(qiáng)度約是氧化鋁陶瓷的2倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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?qiáng)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

59、生物活性陶瓷種植體的強(qiáng)度。 氧化鋯材料由于其優(yōu)異的機(jī)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(qiáng)度非常高，其抗彎強(qiáng)度超過900MPa。其次它的極限負(fù)載能力強(qiáng)，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(qiáng)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

60、亞穩(wěn)定相的存在及相變?cè)鲰g效應(yīng)的充分發(fā)揮。5.6 陶瓷材料的增韌強(qiáng)化 陶瓷材料具有強(qiáng)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(diǎn)，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(diǎn)，作結(jié)構(gòu)材料使用時(shí)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。5.6.1 增韌機(jī)制 微裂紋增韌 微裂紋增韌是較早被提出的在多種材料當(dāng)中都存在的一種增韌機(jī)理。它主要利用某些機(jī)制使得主裂紋進(jìn)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(kuò)展的能量。微裂紋增韌在增韌的同時(shí)會(huì)伴隨著強(qiáng)度