生物活性材料

1、第四章 生物活性材料第一節(jié) 生物活性材料的一般概念第二節(jié) 生物活性玻璃第三節(jié) 碳酸鈣生物活性材料主講人：X X X時(shí)間：2015年11月4日第一節(jié)第一節(jié) 生物活性材料的一般概念生物活性材料的一般概念生物活性材料（bioactivity materials)：指的是一類(lèi)能夠在材料界面上引起特殊生物反應(yīng)的材料，這種反應(yīng)導(dǎo)致組織和材料之間形成化學(xué)鍵合。生物活性材料的概念最初是由Hench于1969年在對(duì)生物玻璃與骨組織鍵合的研究中首次發(fā)現(xiàn)并提出的。生物活性材料在人體內(nèi)的活性在于其表面重新形成了一層新的磷灰石層，通過(guò)這層磷灰石層與骨組織形成牢固的結(jié)合，新的磷灰石層形成速度以羥基磷灰石A-W生物微晶玻璃

2、生物玻璃的速度增大。傳統(tǒng)的生物活性材料主要包括：羥基磷灰石（HA）、-磷酸三鈣（-TCP）、A-W生物微晶玻璃等。這類(lèi)材料的生物活性和生物相容性均較好，能與人體骨骼和組織發(fā)生有效鍵合，但其力學(xué)性能較差，只能用于耳小骨、牙齒、骨隙等非負(fù)重部位的填充和修復(fù)，而不能用于長(zhǎng)骨或負(fù)重部位骨的替換，并且利用噴涂技術(shù)得到的生物活性陶瓷涂層在制備過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分熔化和分解，在植入生物體后容易溶解剝落，不利于發(fā)揮生物活性性能。在生物活性材料迅猛發(fā)展的同時(shí)，生物惰性材料也得到了廣泛的應(yīng)用。生物惰性材料主要是指能在生物體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，且不與生物組織發(fā)生物化反應(yīng)的一類(lèi)材料，如醫(yī)用金屬、燒結(jié)氧化鋁、氧化鋯等生物材料被

3、埋入骨缺損部位后，就被纖維性膜所包圍，而與周?chē)墓墙M織隔離。在于惰性材料僅僅是以機(jī)械鎖合的方式進(jìn)行骨的替換與修復(fù)，而不能與活體組織有效鍵合。缺點(diǎn)生物活性陶瓷生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物降解陶瓷。這類(lèi)材料的組成中含有能夠通過(guò)人體正常的新陳代謝進(jìn)行轉(zhuǎn)換的鈣（Ca）、磷（P）等元素，或含有能與人體組織發(fā)生鍵合的羥基（-OH）等基團(tuán)。生物活性陶瓷材料硅酸三鈣及其復(fù)合材料羥基磷灰石生物活性玻璃第二節(jié) 生物活性玻璃生物活性玻璃是一類(lèi)能對(duì)機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生、具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料。生物活性玻璃（bioactiveglass，BAG）在1969年由Hench發(fā)現(xiàn)，由SiO

4、2，Na2O，CaO和P2O5等基本成分組成的硅酸鹽玻璃。生物活性玻璃的降解產(chǎn)物能夠促進(jìn)生長(zhǎng)因子的生成、促進(jìn)細(xì)胞的繁衍、增強(qiáng)成骨細(xì)胞的基因表達(dá)和骨組織的生長(zhǎng)。是迄今為止唯一既能夠與骨組織成鍵結(jié)合，同時(shí)又能與軟組織相連接的人工生物材料。概念生物活性玻璃生物活性玻璃的組成主要為:SiO2、Na2O、CaO、P2O5等，其表面發(fā)生反應(yīng)的能力與主要成分的組成比密切相關(guān)。當(dāng)生物玻璃植入人體內(nèi)時(shí)，局部的pH值可增加到10，先在生物玻璃表面上形成富硅層，然后在其表面形成鈣磷層。鈣磷來(lái)源于體液中的Ca、P及生物玻璃本身溶出的Ca、P，這個(gè)Ca-P層屬于一種活性羥基磷灰石層，在化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)上，它與骨的礦物成分

5、相近。這兩個(gè)反應(yīng)層在植入初期形成，然后由來(lái)源于宿主的成骨細(xì)胞和膠原纖維與生物玻璃表面接觸并融入富硅層，最終形成骨組織。一、生物活性玻璃的特性1.生物活性玻璃的結(jié)構(gòu)生物活性玻璃主要是指含CaO和P2O5的玻璃，而在磷氧化合物中（如P2O3、P2O4、 P2O5 ），只有P2O5才能形成玻璃。生物活性玻璃一般具有以下特點(diǎn)： 生物相容性好。材料植入體內(nèi)，無(wú)排異、炎癥及組織壞死等反應(yīng)。 與骨結(jié)合強(qiáng)度大。界面結(jié)合能力為12.3MPa，大于羥基磷灰石（9.6MPa）鈷鉻鉬合金（1.5MPa）等參考物。 成骨較快。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，植入體內(nèi)1周材料表面出現(xiàn)骨細(xì)胞，1個(gè)月骨礦物代謝進(jìn)入高峰期，而參照物鋯磷灰石為1

6、.5-2個(gè)月，鈦合金未見(jiàn)活躍期，這對(duì)種植體提高早期固位成活率有利。 可按使用目的選擇不同孔隙度。多孔性材料孔徑為100500m,孔隙率50%以上，組織液和骨細(xì)胞容易長(zhǎng)大，促進(jìn)修復(fù)過(guò)程。1、可加工生物活性微晶玻璃生物活性玻璃陶瓷與羥基磷灰石陶瓷相比，主要的特點(diǎn)是，具有多元組成，可在較大范圍內(nèi)調(diào)整其組成、結(jié)構(gòu)和相成分，賦予其新的性能，如生物活性，可切削性、可降解性、自凝固能力、化學(xué)穩(wěn)定性以及可調(diào)控的力學(xué)性能等。生物玻璃經(jīng)微晶化處理可提高母體玻璃強(qiáng)度幾倍至幾十倍。生物微晶玻璃含適量玻璃相，成型加工性能好、容易制成多種形態(tài)的 醫(yī)用器件、制造工藝成熟、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)，可以鑄造、壓型燒結(jié)、涂層

7、復(fù)合、優(yōu)于普通磷酸鈣陶瓷。生物活性微晶玻璃為了得到良好的加工性，可以通過(guò)受控晶化在某些玻璃基體中析出適當(dāng)大小的云母晶體。2、鈣磷基生物活化微晶玻璃（1）鈣磷基微晶玻璃的制備生物材料必須具有生物相容性，對(duì)生物組織沒(méi)有任何刺激性及毒副作用。鈣磷微晶玻璃是以CaO-P2O5和CaO-P2O5-SiO2體系為基礎(chǔ)，再加入Al2O3 、MgO、Na2O、TiO2 等添加物，這些添加物主要作用是促進(jìn)體系微晶成核和降低材料熔融溫度。制備鈣磷微晶玻璃的試驗(yàn)方法熔融法溶膠-凝膠法多孔微晶玻璃的制備方法一是利用玻璃分相原理，經(jīng)熱處理在玻璃中獲得可溶晶相，再用酸侵蝕掉可溶相，形成多孔材料。二是先合成玻璃粉末然后加入

8、諸如CaCO3 、PMMA、淀粉等作發(fā)泡劑，燒結(jié)發(fā)泡成為多孔材料。（2）鈣磷微晶玻璃的組成 目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根據(jù)天然骨的成分，在選擇生物玻璃組分時(shí)，鈣和磷是主要成分，同時(shí)為了形成微晶玻璃，一般還需要加入其它的組分，如Si、Al、Na、K、Zr、Mg 、Ti等。生物微晶玻璃的生物活性和相容性也主要取決于鈣和磷組分在材料中的結(jié)合狀態(tài)，以及其它組分的作用。生物活性玻璃的應(yīng)用1、骨修復(fù)和替代自體骨：自體骨：移植物在同一體內(nèi)，由一處移向另一處。同種異體骨：同種異體骨：是同種類(lèi)一個(gè)個(gè)體給另一個(gè)個(gè)體的移植，移植物具有不同的遺傳特征，同受體組織將要發(fā)生免疫反應(yīng)。人工骨材料：人工骨材料：它是

9、一類(lèi)可對(duì)機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生，具有特殊功能作用的材料，該類(lèi)材料在臨床的應(yīng)用，為患者恢復(fù)正常的生理功能提供了可能。骨修復(fù)替代材料來(lái)源中國(guó)每年就有超過(guò)10萬(wàn)個(gè)骨外科移植手術(shù)。目前，中國(guó)約95%的人工關(guān)節(jié)均系國(guó)外進(jìn)口，手術(shù)費(fèi)用高昂。目前常用于骨缺損修復(fù)的是多種人工骨復(fù)合材料。骨修復(fù)替代材料修復(fù)骨缺損的選擇與應(yīng)用2、癌癥治療的應(yīng)用將磁性生物活性玻璃陶瓷植入病變部位，在外加交變磁場(chǎng)下，材料可以在該部位生熱，殺死腫瘤細(xì)胞而不傷害到正常組織，并且通過(guò)類(lèi)骨磷灰石層與組織形成化學(xué)鍵合，促進(jìn)組織修復(fù)，被認(rèn)為是腫瘤熱療的有效熱種子，特別適用于已產(chǎn)生骨質(zhì)破壞的腫瘤。Lee等研究了無(wú)細(xì)胞毒性的Fe2O3-CaO

10、-SiO2磁性生物活性玻璃陶瓷在體外對(duì)腫瘤細(xì)胞的殺傷作用。3、與骨形成蛋白復(fù)合作用生物活性玻璃和骨形成蛋白聯(lián)合治療牙周骨缺損中研究生物活性玻璃和骨形成蛋白復(fù)合物治療牙周骨缺損的療效。4、生物活性玻璃作人工角膜周邊材料的應(yīng)用5、牙周病和牙周病缺損治療如何使局部的骨喪失重新再生, 是牙周病治療的難題之一。目前的治療方法包括自體骨移植, 異體骨移植, 異源體移植, 引導(dǎo)組織再生(GTR)或GTR 與脫礦凍干骨(deminerized freez -dried bone allog raft)結(jié)合使用等。美國(guó)學(xué)者Fether 等在猴模型上手術(shù)形成牙周骨質(zhì)缺損, 分別用同樣大小的生物玻璃(45S5倍骼生

11、)、羥基磷灰石及磷酸三鈣顆粒進(jìn)行移植修復(fù), 并設(shè)立一個(gè)無(wú)移植物的對(duì)照組, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物玻璃組取得最優(yōu)組織學(xué)修復(fù)效果, 牙周骨新生程度及牙骨質(zhì)再生均為最佳6、牙槽嵴的保持和重建根分叉處骨缺損治療Ancleregg 等 對(duì)15 例中度或重度牙周炎患者的30 處下磨牙根分叉病變進(jìn)行治療, 隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)組行根向復(fù)位瓣術(shù)加生物玻璃(45S5 倍骼生)植入, 對(duì)照組僅用根向復(fù)位瓣術(shù), 并以探診出血情況及探診牙周袋深度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組效果明顯優(yōu)于對(duì)照組。故認(rèn)為生物玻璃是治療I I 型根分叉病變的有效材料。拔牙后殘留牙槽嵴的不斷吸收一直是困擾口腔醫(yī)師與患者的難題, 這給義齒修復(fù)帶來(lái)

12、很大的困難。1987 年Stanly等報(bào)道, 將242 個(gè)生物玻璃錐(45S5 倍骼生)植入29 名病人新鮮牙槽窩內(nèi)(107 個(gè)于上頜牙槽窩, 135 個(gè)于下頜牙槽經(jīng)過(guò)5 年觀察, 生物玻璃錐的保存率達(dá)到了85 .7 %, 因此認(rèn)為生物玻璃錐植入新鮮牙槽窩用于保持牙槽嵴的方法值得推薦。7、蓋髓和作為護(hù)牙劑成分有學(xué)者在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中對(duì)生物玻璃的蓋髓作用進(jìn)行了研究:覆有生物玻璃(45S5 倍骼生)的所有標(biāo)本都有一層修復(fù)性牙本質(zhì)形成。生物玻璃蓋髓是值得探索的臨床應(yīng)用方向。第三節(jié)第三節(jié) 磷酸鈣生物活性材料磷酸鈣生物活性材料一、磷酸鈣化合物生物活性磷酸鈣陶瓷，主要指磷灰石，包括羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（

13、TCP）以及雙相磷酸鈣陶瓷燈。目前應(yīng)用最多的是HA。磷酸鈣骨水泥具有自固化特性，可作為一種任意塑型的新型人工材料用于骨缺損填充。二、磷酸鈣的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)1、磷酸鈣的結(jié)構(gòu)以羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）為代表的磷酸鈣（Ca-P）陶瓷，作為生物活性材料廣泛應(yīng)用于骨修復(fù)。生物活性陶瓷材料的展望生物活性陶瓷材料的展望生物活性玻璃及生物活性陶瓷作為理想的人工醫(yī)學(xué)材料已得生物活性玻璃及生物活性陶瓷作為理想的人工醫(yī)學(xué)材料已得到廣泛研究和臨床應(yīng)用到廣泛研究和臨床應(yīng)用, ,越來(lái)越顯示出惰性生物材料所不能越來(lái)越顯示出惰性生物材料所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。就生物活性材料來(lái)說(shuō)以下幾個(gè)方面值得研究比擬的優(yōu)勢(shì)。就生物活性材

14、料來(lái)說(shuō)以下幾個(gè)方面值得研究 : :1 1、生物活性陶瓷同傳統(tǒng)陶瓷一樣需要高溫結(jié)燒成型、生物活性陶瓷同傳統(tǒng)陶瓷一樣需要高溫結(jié)燒成型, ,這樣有這樣有些材料的活性不免會(huì)受到影響，使得活性大大降低些材料的活性不免會(huì)受到影響，使得活性大大降低, ,因此在因此在制備工藝上可尋求低溫合成路線制備工藝上可尋求低溫合成路線, ,如溶膠如溶膠凝膠法、液相反凝膠法、液相反應(yīng)等技術(shù)。應(yīng)等技術(shù)。2 2、生物活性玻璃及生物活性陶瓷像普通玻璃與陶瓷一樣存、生物活性玻璃及生物活性陶瓷像普通玻璃與陶瓷一樣存在力學(xué)弱點(diǎn)在力學(xué)弱點(diǎn), ,即脆性大即脆性大, ,因而限制了其應(yīng)用范圍。通過(guò)某些途因而限制了其應(yīng)用范圍。通過(guò)某些途徑使材料增強(qiáng)徑使材料增強(qiáng), ,增韌是今后一個(gè)重要的研究方向。增韌是今后一個(gè)重要的研究方向。3 3、生物活性玻璃及生物活性陶瓷使用環(huán)境的特殊性、生物活性玻璃及生物活性陶瓷使用環(huán)境的特殊性, ,可植入可植入人體，決