無機生物材料學第四章

第四章醫(yī)用無機材料1.1無機非金屬材料的基本屬性：

●化學健主要是離于鍵、共價健以及混合鍵；

●硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；

●熔點高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學穩(wěn)定性；

●一般自由電子數(shù)目少、導熱性和導電性較?。?/p>

●耐化學腐蝕性好；

●耐磨損。

第一節(jié)概述1.2無機非金屬生物材料的發(fā)展無機非金屬生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修建時期，當時用陶土進行骨缺損的填充，1808年開始將陶瓷作為鑲牙材料，1892年使用石膏填充骨缺損，1963年Smith報道一種陶瓷材料，用環(huán)氧樹脂浸透含48％孔隙的多孔鋁酸鹽樹料，它與骨組織的物理性能相匹配。無機生物材料在生物醫(yī)學上廣泛研究應用還是近三十年來的事，特別是發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石陶瓷后，得到了飛速發(fā)展，該類材料具有生物相容性好，甚至有些還有生物活性，抗壓強度高等優(yōu)點。良好的生物相容性化學穩(wěn)定性降解產(chǎn)物無毒雜質(zhì)元素及溶出物含量低

As，Cd、Hg、Pb等重金屬有效性抗壓、耐磨、熱膨脹成型加工性能脆性加工困難不同模具耐消毒滅菌性高壓蒸汽消毒、輻射滅菌和環(huán)氧乙烷滅菌1.3生物醫(yī)用無機材料的基本條件

無機非金屬材料品種非常多，考慮材料生物相容性、機械性能、加工性能、成本等因素，只有一小部分材料可用作生物材料，如陶瓷類中有氧化鋁、氧化鐵、低溫各向同性碳、羥基磷灰石、磷酸鈣、碳酸鈣等，玻璃類主要有MgO-CaO-SiO2-P2O5、Na2O-CaO-SiO2-P2O5、CaO-Al2O3-P2O5系玻璃，水泥類主要有硫酸鈣、磷酸鈣等。在醫(yī)學上主要用于骨組織的修復、替換，如承力骨、牙齒等替換，以及硬組織固定材料。1.4生物醫(yī)用無機材料分類按照無機材料的成分和性質(zhì)分類

1.生物陶瓷材料

2.生物玻璃材料3.生物醫(yī)用無機骨水泥

4.生物復合無機材料第二節(jié)生物陶瓷2.1生物陶瓷的發(fā)展概況及結(jié)構(gòu)特點

生物陶瓷材料是指與人體工程有關(guān)的可用于人體組織修復的一類陶瓷材料具有以下特點：①在人體內(nèi)理化性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性；②材料的性能可通過成分設(shè)計進行控制；③容易成形，可按需要制成各種形狀和尺寸；④容易著色，是較理想的口腔材料。經(jīng)過近20年的研究和發(fā)展，醫(yī)用生物陶瓷材料經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：生物隋性材料、生物活性及可吸收材料可再生組織的生物活性材料。結(jié)構(gòu)圖1陶瓷顯微結(jié)構(gòu)示意圖由許多不規(guī)則晶粒所組成，中間有晶界隔開圖2、PTC-BaTiO3半導體陶瓷雞蛋殼就是活的生物陶瓷。黑色或灰色為無機晶粒(長約1.0μm，寬0.3μm)，屬方解石晶體(CaCO3)，有時為磷酸鈣，它們構(gòu)成骨架，在晶粒之間為晶界，是有機生命物質(zhì)。圖3雞蛋殼中的晶粒及晶界2.2生物陶瓷材料的分類按其生物性能,生物陶瓷可分為3類如表1所示：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有較高的強度、耐磨性及化學穩(wěn)定性?？膳c生物體組織形成化學鍵結(jié)合

可被逐步降解和吸收,并隨之為新生組織替代

三典型的生物陶瓷材料（一）惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷是一類暴露于生物環(huán)境中，與組織幾乎不發(fā)生化學變化的材料，所引起的組織反應主要表現(xiàn)為材料周圍會形成厚度不同的包裹性纖維膜。主要用于人體骨骼、關(guān)節(jié)及齒根的修復和替換，以及心臟瓣膜等

3.1.1氧化鋁陶瓷生物醫(yī)用氧化鋁陶瓷由高純Al2O3組成，主要晶相為剛玉（α-Al2O3

）的陶瓷材料，有穩(wěn)定的剛玉型結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，氧原子形成六方最緊密堆積，六個氧離子（離子半徑為0.132nm）圍成一個八面體，半徑較小的鋁離子（離子半徑為0.057nm）則處于八面體中心的空隙，單位晶胞是面心的菱面體。藍寶石（氧化鉻）藍寶石（氧化鐵和氧化鈦）B醫(yī)用氧化鋁陶瓷的幾個重要性能及要求基本性能重要性原因高的抗腐蝕性保證生物惰性優(yōu)異的剛性及良好的表面拋光性能保證高耐磨性高楊氏模量和高抗壓強度保證堅硬不變形高的機械強度保證良好的疲勞性能，以及安全性和可靠性高純度保證長期穩(wěn)定性一、氧化鋁陶瓷的組成、制備工藝氧化鋁陶瓷：Al2O3含量在45％以上，主晶相為-Al2O3

，此外還有莫萊石晶相和硅酸鹽玻璃相。陶瓷的一般制備工藝：原料加工（粉碎），然后加粘結(jié)劑形成配料，混合后靜壓成坯料，通過預燒-燒結(jié)形成陶瓷。核心過程－－燒結(jié)燒結(jié)：在高溫作用下，粉狀物料自發(fā)填充顆粒間隙的過程，隨著溫度和時間的延長，過程中發(fā)生：固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙（氣孔）和晶界逐漸消失，通過物質(zhì)傳遞，物料的體積收縮、密度增加，最后成為堅實的整體。顆粒在燒結(jié)過程中的外形變化：a.顆粒間接觸：b.接觸面進一步擴大：c.顆粒的晶形改變、空隙減小：d.顆粒燒結(jié)完成氧化鋁的燒結(jié)過程：包括顆粒接觸、部分粘連、完全粘連和燒結(jié)完成幾個步驟。氧化鋁燒結(jié)過程中粉體微觀結(jié)構(gòu)變化Al2O3生物陶瓷制備工藝氧化鋁生物陶瓷的制備工藝：與普通陶瓷制作工藝類似，即粉體融合預壓成型(預打磨)燒結(jié)打磨成品。燒結(jié)溫度一般為1700℃以上。高純氧化鋁人工骨的生產(chǎn)工藝過程如下：氧化鋁的純度越高，材料的力學性能如抗壓、抗折強度也越高氧化鋁生物陶瓷的純度在99.7％以上。新型生物陶瓷材料-單晶生物陶瓷氧化鋁單晶（寶石）：機械強度、硬度和耐腐蝕性優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷，其生物相容性、穩(wěn)定性和耐磨性也好于多晶氧化鋁陶瓷。不能通過燒結(jié)制得，具體方法如下：提拉法導模法氣相化學沉積法焰融法：晶體生長速率快，工藝簡單，成本低3.1.2氧化鋁陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性，在生理環(huán)境下相當穩(wěn)定，抗腐蝕，無溶出物，具低膨脹性能。氧化鋁生物陶瓷密度大于3.9g／cm3，室溫抗壓強度約為4000MPa、抗彎強度大于400MPa、楊氏模量為380GPa、抗沖擊強度4000J／m2，耐磨性和耐腐蝕性符合ISO規(guī)范實驗要求。氧化鋁生物陶瓷人工關(guān)節(jié)比金屬-聚乙烯構(gòu)成的人工關(guān)節(jié)的耐磨性能好得多，前者的磨損速率是后者的l／10，略高于人關(guān)節(jié)的磨損率。致密的氧化鋁生物陶瓷與機體之間會形成一種形態(tài)性結(jié)合，即依靠組織長入材料表面的凹凸不平而實現(xiàn)機械鎖合。多孔的氧化鋁陶瓷，新生組織可長入空隙內(nèi)，會提高生物陶瓷與機體組織之間的結(jié)合強度。用于關(guān)節(jié)修復、牙根種植、制作骨折夾板與內(nèi)固定器件，最適用于人工關(guān)節(jié)頭和臼等承受摩擦力作用的部位。

優(yōu)點：生物相容性良好，在人體內(nèi)穩(wěn)定性高，機械強度較大。缺點：①與骨不發(fā)生化學結(jié)合，長時間后與骨的固定會發(fā)生松弛；②機械強度不高；③楊氏模量過高(380GPa)；④摩擦系數(shù)、磨耗速度較大。致密氧化鋁措施：采用多孔氧化鋁把氧化鋁陶瓷制成多孔質(zhì)形態(tài)，使骨組織長入其孔隙而使植入體固定，保證植入物與骨頭的良好結(jié)合。改善：將金屬與氧化鋁復合在金屬表面形成多孔性氧化鋁薄層缺點：降低陶瓷的機械強度，多孔氧化鋁陶瓷的強度隨空隙率的增加而急劇降低。只能用于不負重或負重輕的部位。3.1.3氧化鋁陶瓷的應用氧化鋁陶瓷強度高，目前主要用于外科矯形手術(shù)的承重假體，如人工髖關(guān)節(jié)、人工膝關(guān)節(jié)、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及能負重的骨桿和椎體人工骨，修補移植海綿骨的充填材料、髓內(nèi)固定材料；某些骨替代物(人工聽小骨)；眼科手術(shù)中的角質(zhì)假休、固定用螺釘?shù)?。單晶氧化鋁與多晶氧化鋁陶瓷相比，機械強度、硬度、耐酸堿性等性能指標占優(yōu)，且不易折斷，因此在需要制品強度高的場合，如用做損傷骨固定的螺釘、關(guān)節(jié)柄、牙根。各種氧化鋁生物陶瓷植入物：全氧化鋁陶瓷人工髖關(guān)節(jié)3.1.4氧化物陶瓷除氧化鋁，惰性氧化物生物陶瓷還有：氧化鋯、氧化鎂、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷（如組成為氧化鋯50－60％，氧化鋁10－20％、氧化鉀7－10％的陶瓷）。氧化鋯強度高，切割韌性好，常作為復合材料的增韌相。部分氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯比氧化鋁有更好的韌性，可替代氧化鋁。混合氧化物陶瓷組成可調(diào)，色澤、熱膨脹系數(shù)，可用作人工牙齒。其它氧化物陶瓷一般作為改性劑（玻璃組分）或涂層材料，單獨作為生物材料少見。3.1.5非氧化物陶瓷報道很少，主要用作硬組織的替換材料。SiC材料：硬度高、強度大，導熱導電性好，是耐磨、耐腐蝕材料。Si3N4材料：可代替氧化鋯作關(guān)節(jié)置換假體，比氧化鋯有更好的使用壽命。3.2生物活性陶瓷—HAP生物活性陶瓷在生物體內(nèi)與周圍組織甚至軟骨組織形成較強的化學鍵，用于骨組織修復。羥基磷灰石(hydroxyapatite簡稱HAP)分子式是Ca10(PO4)6(OH)2,體積質(zhì)量為3.16g/cm3,性脆,折射率為1.64—1.65,微溶于水,水溶液呈弱堿性(pH7—9),易溶于酸,難溶于堿,HAP是強離子交換劑HAP是人體內(nèi)骨和齒的重要組成部分,如人骨成分中HA的質(zhì)量分數(shù)約65%,人的牙齒釉質(zhì)中HA的質(zhì)量分數(shù)則在95%以上,具有優(yōu)秀的生物相容性。HAP生物陶瓷脆性大，在生理環(huán)境中抗疲勞性能差，不用于人體承力部位的修復。HAP陶瓷與骨鍵合的機制：HAP陶瓷植入骨內(nèi)后由成骨細胞在其表面直接分化形成骨基質(zhì)，產(chǎn)生一個寬為3-5μm的無定形電子密度帶，膠原纖維束長入此區(qū)域和細胞之間，骨鹽結(jié)晶在這個無定形帶中發(fā)生。隨著礦化的進行，無定形帶縮小至0.05-0.2μm，HAP植入體和骨的鍵合就是通過這個很窄的鍵合帶實現(xiàn)的。HAP與骨形成鍵合的表現(xiàn)為：在光學顯微鏡下，新骨和HAP植入體在界面上直接接觸，其間無纖維組織存在；HAP植入體-骨界面的結(jié)合強度等于甚至超過植入體或骨自身的結(jié)合強度3.2.1羥基磷灰石的原粉的合成和制品成型一、原粉的合成(1)化學共沉淀法典型的方法：酸堿中和反應、鈣鹽和磷酸鹽的反應。此法易制得大量微晶狀態(tài)或非晶態(tài)的HA粉末。10Ca(OH)2+6H3PO4→Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O10CaCl2+6Na2HPO4+2H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+12NaCl+8HCl10Ca(OH)2+6(NH4)2HPO4+2H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+12NH4NO3+8HNO3濕法制備HA裝置圖：Ca/P隨pH值的變化情況（2）固相反應法（干法）此法與普通陶瓷得制備方法基本相同，原料粉磨細混合，在1000－1300C下高溫合成結(jié)晶性HA。此法合成的HA純度高，結(jié)晶性好。6CaHPO4·2H2O+4CaCO3

Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+14H2O

＞900℃（3）水熱合成法以CaCl2或Ca(NO3)2與NH4H2PO4為原料，以鈦網(wǎng)為陰極、石墨為陽極，控制一定的pH和沉積時間，得到CaHPO4.2H2O.隨后經(jīng)120~200C水蒸汽處理，即得HA.此法適合制備完整的HA單晶3.2.2羥基磷灰石制品的成型HA粉末合成后，還必須通過成型－燒結(jié)工藝提高其強度，同時根據(jù)需要調(diào)節(jié)孔度和形狀。一般工藝過程為：原料粉碎（球磨/干燥）粘結(jié)劑（如需可加致孔劑）等靜壓/熱壓成型修邊燒結(jié)成品修飾產(chǎn)品粘結(jié)劑：水；聚乙烯醇水溶液；石蠟、蜂蠟致孔劑：雙氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、PTFE球；也可將HA漿料注入多孔泡沫塑料，然后燒結(jié)制成多孔材料多孔HAP陶瓷

人體的骨組織就是一種多孔的組織，以適應一定范圍內(nèi)應力的變化，多孔羥基磷灰石的設(shè)計就是出于模擬人體骨組織結(jié)構(gòu)的想法。多孔生物陶瓷種植體而言,決定骨長入方式和數(shù)量的因素有：孔徑、孔率及孔的內(nèi)部連通性孔隙的大小應當滿足骨單位和骨細胞生長所需的空間,孔尺寸大于200μm,是骨傳導的基本要求;200～400μm最有利于新骨生長。當孔隙率超過30%后,孔隙可以相互連通,新骨組織可以從人工骨表面長入內(nèi)部貫通性孔隙，孔隙率越高，越有利于新骨的長入，為滿足臨床應用對力學性能的要求,一般種植體孔隙率在45%～55%之間3.2.3羥基磷灰石的應用可應用于骨缺損的填充修補（或替換），例如：鼻梁骨、頜骨替換；軟骨、承力骨缺損（骨結(jié)核、骨瘤病灶的切除）的填充；承力骨（脛骨）的替換；義眼球、人工聽骨等；或者作為活性物質(zhì)噴涂在其它材料表面。一般地，多孔HA或粉末：強度低，適合做填充或藥物載體；多孔、質(zhì)輕，適合做義眼球；致密HA或空隙較少：承力骨的修復和替代HAP涂層鈦基牙種植體是一種安全、方便的聽小骨缺損替代品，適用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造成聽小骨缺損、畸形的患者作聽小骨置換手術(shù)。HAP生物陶瓷聽小骨置換假體3.3可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷在生物體內(nèi)，被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，最終使缺損的部位完全被新生的骨組織取代。主要以β-磷酸三鈣（β-TCP）及硫酸鈣生物陶瓷為代表。β-磷酸三鈣（β-TCP）

磷酸三鈣（英文：Tricalciumphosphate，簡稱TCP）又稱磷酸鈣。化學式Ca3(PO4)2。白色晶體或無定形粉末。存在多種晶型轉(zhuǎn)變，主要分為低溫β相（β-TCP）和高溫α相（α-TCP），相轉(zhuǎn)變溫度為1120℃-1170℃，熔點1670℃；溶于酸，不溶于水和乙醇。在人的骨骼中普遍存在，是一種良好的骨修復材料。在生理環(huán)境下致密的β-TCP可保持穩(wěn)定，而多孔型β-TCP則發(fā)生生物降解和吸收，并被新骨逐步取代。

β-TCP具有較好的生物相容性，植入體內(nèi)后血液中鈣磷比保持正常，無明顯毒性反應和副作用。β-磷酸三鈣（β-TCP）

3.3.1磷酸鈣陶瓷制備與羥基磷灰石制備工藝相似，以Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4為原料，首先合成Ca10(PO4)6(OH)2,然后在較高溫度下依次脫除氫原子和氧原子得到磷酸鈣。在1400C以上，-磷酸鈣轉(zhuǎn)化為-磷酸鈣Ca(PO4)6(OH)2Ca(PO4)6O·Ca(PO4)6O·Ca3(PO4)2+CaP2O7+CaP2O91100-1350℃控制β-TCP的微觀結(jié)構(gòu)及組成可制備出不同降解速率的材料，如：隨表面積增大，材料結(jié)晶度降低，晶體結(jié)晶完整性下降，晶粒減小，以及被CO32-,F-,Mg2+等離子取代而使降解加快等?？晌丈锾沾傻慕到夂臀粘苌鲜鲆蛩赜绊懲膺€受宿主的個體差異、植入部位等影響。要實現(xiàn)可吸收生物陶瓷的降解吸收與新骨替換同步進行是相當困難的，常出現(xiàn)溶解速度與新骨生長速度不匹配，導致局部塌陷。可吸收生物陶瓷植入體內(nèi)后的降解過程：材料先被體液溶解和組織吸收，解體成小顆粒，然后這些小顆粒不斷被吞噬細胞所吞噬。具體機制：①生物化學溶解

是一種體液介導過程。溶解速率決定于多種因素，包括周圍體液成分和PH、材料的比表面積、材料的相組成和結(jié)構(gòu)、材料的結(jié)晶度和雜質(zhì)的種類及含量以及材料的溶度積等。②物理解體

是體液浸入陶瓷，導致由于燒結(jié)不完全而殘留的微孔，使連接晶粒的“細頸”溶解，從而解體為微粒的過程。③生物因素

主要是細胞介導過程，如吞噬或遷移被解體的陶瓷微粒。3.3.2磷酸鈣的應用良好的生物相容性。由于強度較低，一般作填充物用，用于不承載較大負荷的部位，或作生物涂層用；自固化的磷酸鈣可作骨水泥用于齒科材料或頜面整形、人工關(guān)節(jié)部件固定。3.4雙相生物陶瓷材料羥基磷灰石陶瓷材料有著優(yōu)良的生物相容性，能較快地引導骨再生，不通過中間介質(zhì)直接與骨鍵合，然而由于燒結(jié)后的羥基磷灰石晶體結(jié)晶度提高，所以在體內(nèi)很難降解。

β-TCP比HAP有著更好的溶解性和降解性，但研究表明，β-TCP降解速度太快，不能形成良好的骨鍵合，且過快的降解速度不利于體內(nèi)生物組織在材料上的附著，不利于誘導成骨?；旌喜煌壤腍AP和β-TCP可得到雙相生物陶瓷材料，通過調(diào)節(jié)單相HAP和β-TCP陶瓷的比例，有望實現(xiàn)材料在體內(nèi)的降解速度與骨組織生長速度的匹配問題3.5珊瑚

珊瑚(指石珊瑚而非軟珊瑚)為海洋內(nèi)腔腸動物珊瑚蟲分泌的外骨骼沉積而成，其殼體主要成分為碳酸鈣，含量高達95％．

由于其良好的生物相容性、機械性能好，以及有合適的降解性能，在人骨修復方面得到了應用。

3.5.1珊瑚的制備、結(jié)構(gòu)與性能珊瑚分天然珊瑚、人工合成珊瑚以及改性產(chǎn)物等。一、天然珊瑚天然珊瑚為一種多孔性結(jié)構(gòu)體，是在海水中長期沉積(鈣離于和含磷離子)作用形成的。其主要成分碳酸鈣為無定形結(jié)構(gòu)，孔率介于30％一60％，孔徑在100m到幾百微米之間．它由于含有其他元素及有機物，與純碳酸鈣的性能有所不同。另外，在孔隙率很大(60％)的情況下能保持一定的強度。作為人工骨材料其抗壓強度(約18.6MPa)不足，彈性模量（49.7GPa）與人骨相比偏高。珊瑚的處理主要是去除有機質(zhì)，可采用超聲法和化學法，并在高壓滅菌器消毒即可使用。二、人工珊瑚人工珊瑚主要通過化學或模仿生物沉積方法得到多孔碳酸鈣．但無論從強度還是多孔性方面都無法與天然珊瑚相比。三、改性珊瑚將天然珊瑚的碳酸鈣中的碳酸根換成磷酸根，則得到珊瑚羥基磷灰石，基本工藝為珊瑚在高溫、高壓下與磷酸二氫銨長時間反應，得到珊瑚羥基磷灰石。該材料除保持珊瑚的孔結(jié)構(gòu)外，還提高了珊瑚的硬度(一般莫氏硬度為5，而珊瑚一般為3-4)．而羥基磷灰石是骨組織的主要無機成分，與組織的相容性更好。珊瑚中的CaCO3在體內(nèi)可離解成Ca2+、HCO3-，其中HCO3-參與體液的HCO3-/CO2緩沖體系，而Ca2+則可參與植入體表面的鈣、磷離子交換，促進新骨的形成。珊瑚的降解主要是破骨細胞的吞噬作用及碳酸酐酶(CA)對珊瑚的吸收。珊瑚不改變機體正常的免疫狀況，具有良好的生物相容性和骨親和性；同時其孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織的長入和替代，有一定的骨傳導作用。3.5.2珊瑚在醫(yī)學中的應用

珊瑚可用于口腔頜面部整形，鼻畸形患者，鼻小柱內(nèi)植入珊瑚，以提起鼻尖。珊瑚粉末與抗菌素膏混合后植入牙周以修復骨缺損。用于顱腦手術(shù)，如顱骨創(chuàng)傷后畸形患者，珊瑚植入之后恢復形態(tài)。珊瑚還用于顱骨蓋髓術(shù)、顴弓骨折、人工全髖關(guān)節(jié)缺損、人工股骨頭、人工骨義眼臺等。3.6生物陶瓷材料的發(fā)展方向1.大孔可吸收生物陶瓷2.生物活性復合陶瓷3.金屬表面梯度活性陶瓷涂層4.骨組織工程第三節(jié)生物玻璃玻璃：一種透明的半固體，半液體物質(zhì)，在熔融時形成連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，冷卻過程中粘度逐漸增大并硬化而不結(jié)晶的硅酸鹽類非金屬材料。普通玻璃化學氧化物的組成(Na2O·CaO·6SiO2),主要成份是二氧化硅。廣泛應用于建筑物，用來隔風透光，屬于混合物。另有混入了某些金屬的氧化物或者鹽類而顯現(xiàn)出顏色的有色玻璃，和通過特殊方法制得的鋼化玻璃等。玻璃陶瓷玻璃陶瓷（微晶玻璃）是指原始玻璃在成核劑作用下,經(jīng)過特殊的晶化熱處理,物相結(jié)構(gòu)從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫嗯c玻璃相均勻分布的微晶聚集體.晶化后,材料性能中最重要的變化是機械強度的提高,這主要是依賴于玻璃陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的改變而實現(xiàn)的。與普通玻璃的主要區(qū)別是具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)而與陶瓷的主要區(qū)別是它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)要比陶瓷細得多。玻璃相與結(jié)晶相共存。一生物活性玻璃定義包含兩個方面含義：①從材料學觀點看，這是具有有限溶解度的材料，在生理環(huán)境下能產(chǎn)生表面溶解或降解，通過與組織間物質(zhì)交換產(chǎn)生骨礦物成分——磷灰石富集，達到骨間的化學結(jié)合②從生物學角度而言，植入體能與骨直接結(jié)合，即在界面沒有纖維組織膜或者此膜很薄，形成所謂骨性結(jié)合界面，被視為生物活性材料的主要標志。什么是玻璃的“生物活性”？二結(jié)構(gòu)生物活性玻璃一般含有CaO、P2O5，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)形成體：硅氧四面體或磷氧四面體，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體：堿金屬及堿土金屬氧化物，網(wǎng)絡(luò)形成體之間通過橋氧連接，非橋氧則連接網(wǎng)絡(luò)形成體和網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體原子生物玻璃結(jié)構(gòu)特點：隨著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、鏈狀甚至島狀，玻璃溶解性增強，生物活性也增強；磷氧四面體中的不飽和鍵處于亞穩(wěn)態(tài)，易吸收環(huán)境水轉(zhuǎn)化為是導致磷酸鹽玻璃粘度小、化學穩(wěn)定性差、熱膨脹系數(shù)大的主要原因向磷酸鹽玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+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。堿金屬和堿土金屬在水、酸等介質(zhì)存在時易被溶出，釋放一價或二價金屬離子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，這是玻璃具有生物活性的基本原因。橋氧和非橋氧的比例決定了玻璃的生物活性，非橋氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。生物玻璃與骨鍵合機制：

植入后生物玻璃表面溶解，并生成與組織緊密結(jié)合的碳酸羥基磷灰石（HCA）界面表面溶解出Si離子能為HCA形成提供合適成核位置，而體液中的HPO42-和溶解產(chǎn)生的Ca2+則沉積生成富Ca、P無定形層，并最終轉(zhuǎn)化為結(jié)晶HCA。成骨細胞較纖維細胞更易在HCA層表面增殖，從而和新骨直接結(jié)合而不會在界面處產(chǎn)生纖維組織包囊。生物活性玻璃的表面反應與周圍環(huán)境的酸堿度有關(guān)：研究顯示只有在PH=8時玻璃表面才會發(fā)生適當?shù)幕瘜W改變，形成硅膠層和富鈣磷層；PH增大，鈣磷的迅速沉積，活性玻璃有選擇的溶出受到限制PH降低，活性玻璃會迅速分解，表面難以形成鈣磷沉積?；钚陨锊Ａ沾砂l(fā)展概況1.45S5生物玻璃—Bioglass成分：SiO245%、Na2O24.5%、CaO24.5%、P2O56%組成上三個特點：SiO2質(zhì)量分數(shù)小于60%，高Na2O和CaO成分、高鈣磷比堿金屬含量高在體內(nèi)溶解出堿金屬，有可能擾亂人體生理環(huán)境玻璃的生物學活性與其成分含量有關(guān)2.A微晶玻璃

將原料混合熔化制成玻璃后再經(jīng)熱處理析出一部分磷灰石晶體而形成微晶玻璃成分：Na2O4.8%、K2O0.4%、MgO2.9%、

CaO34%、P2O511.7%、SiO246.2%

特點：堿金屬含量降低，機械強度提高研究表明玻璃微晶化處理后雖然能夠提高玻璃的機械性能，但生物活性玻璃凈化后活性降低甚至會變成惰性材料。3.A-W微晶玻璃在玻璃相中析出磷灰石（A）和β-硅灰石（W）兩種晶相成分：MgO4.6%、CaO44.9%、P2O516.3%、

SiO234.2%、CaF20.5%制備：將溶質(zhì)玻璃粉碎，經(jīng)加壓成型后燒結(jié)，使玻璃微晶化特點：機械強度高、加工性能好微晶玻璃高的機械性能歸因于：粗糙的斷裂表面和β-硅灰石的析出，能促使裂紋轉(zhuǎn)向分支，有效抑制了裂紋擴展析出的針狀硅灰石晶體由于是無規(guī)則排列，所以機械加工性能良好Hench教授的生物活性玻璃與骨結(jié)合的12步：1.玻璃中的Na+和K+等與溶液中的H+離子以及H3O+離子迅速交換2.SiO2以Si(OH)4的形式溶于溶液中，導致Si—O—Si鍵被溶解打開，Si—OH在界面處形成3.Si—OH的縮聚聚合反應在玻璃表面形成富多孔硅溶膠的膠體層4.玻璃中的Ca2+和體液中的PO43-在富SiO2上聚集形成富Ca、P層5.隨著OH-、CO32-和HPO42-從體液中引入，富Ca、P無定形相層轉(zhuǎn)變成碳酸羥基磷灰石（HCA）晶體。6.HCA層內(nèi)生物部分的吸附7.小噬細胞反應8.成骨細胞的源細胞附著9.成骨細胞分化增殖10.基質(zhì)產(chǎn)生11.基質(zhì)晶化和骨生長12.成骨第四節(jié)骨水泥骨水泥作為人工合成替代材料中的重要組成部分，在硬組織缺損修復和固定移植體過程中起著不可低估的作用發(fā)展歷程：第一代PMMA骨水泥優(yōu)點：易成型和粘結(jié)性能好缺點：材料化學成份與人體骨成份完全不同，生物相容性差；單體放熱劇烈；細胞毒性；引起過敏PMMA骨水泥

骨水泥是一種用于填充骨與植入物間隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料。PMMA化學名稱是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate

),也稱丙烯酸骨水泥。自從1958年Charney首次應用骨水泥固定股骨假體成功施行全髖關(guān)節(jié)置換以來，骨水泥己廣泛應用于骨科臨床，骨水泥固定可保證術(shù)后假體的即時穩(wěn)定，在骨組織-骨水泥-假體界面上無任何微動，允許術(shù)后早期負重，療效肯定。

理想的骨水泥作為醫(yī)用材料必需滿足下列要求①漿體易于成型,可填充不規(guī)則的骨腔②在環(huán)境中能自行凝固,硬化時間合理③有優(yōu)良的生物活性和骨再生的潛能④良好的機械性能和耐久性能⑤無毒和無免疫性。第二代磷酸鈣骨水泥

20世紀80年代中期，E.brown和chow發(fā)現(xiàn)由幾種磷酸鈣鹽組成的混合物能在人體環(huán)境和溫度下自行固化，水化硬化過程基本不放熱，其水化成分最終轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石。由此可構(gòu)成類似于硅酸鹽水泥樣的磷酸鈣水泥，用與人體骨的修復，故稱磷酸鈣骨水泥磷酸鈣骨水泥（calciumphosphatecement.CPC

）一組成和水化機制

1.化學成分CPC由固相和液相兩部分組成固相至少包含除了HAP以外的兩種磷酸鈣鹽，其中至少有一種偏酸性一種偏堿性這些磷酸鈣鹽包括：磷酸四鈣（Ca4(PO4)2O，TECP），

α磷酸三鈣或β磷酸三鈣（Ca3(PO4)2，TCP），無水磷酸氫鈣（CaHPO4，DCPA），二水磷酸氫鈣，磷酸二氫鈣，磷酸八鈣等液相即固化液多為低濃度的磷酸或磷酸鹽溶液，或是蒸餾水、生理鹽水或手術(shù)部位血液等功能型的CPC會在純CPC組成上添加藥物、活性因子、抗水劑和促凝劑等以滿足臨床不同要求2.CPC的水化機制自行固化是骨水泥區(qū)別于其他生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的主要特征之一。之所以能夠固化并最終轉(zhuǎn)化成HAP，其原理是基于不同磷酸鈣鹽在水中溶解度的差異當PH值在4.2-11范圍內(nèi)時，HAP在水中的溶解度最小，在熱力學角度上是最穩(wěn)定的，其他磷酸鈣鹽在水中會趨向于向HAP轉(zhuǎn)化：

……

CPC粉末與固化液接觸，磷酸鈣鹽先溶解，在顆粒間結(jié)晶出細針狀的HAP，隨著水化反應進行，HAP細小晶體不斷長大，晶體越大接觸點越多，固化體越堅硬，強度與HAP生成率成正比水化產(chǎn)物不但在顆粒間生長也在顆粒表面生長形成包裹層，內(nèi)部原料的水化取決于水通過水化產(chǎn)物層向內(nèi)部的滲透以及內(nèi)外離子的擴散。由于單組分磷酸鈣鹽水化時副產(chǎn)物酸或堿的產(chǎn)生，使水化反應環(huán)境偏離中性而導致水化反應終止，因而單一磷酸鈣鹽礦化能力相當有限。CPC是幾種磷酸鈣鹽的混合物，可以保持反應始終維持在中性環(huán)境。水化產(chǎn)生的H+，OH-透過包裹層后水化繼續(xù)進行，此時水化反應由原來的顆粒表面控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U散控制，避免PH偏移太大而損傷組織，并保持對HAP穩(wěn)定的過飽和度，提高礦化能力。具體過程概括在水化反應初始階段，HAP的生成受原料表面反應控制，為零級反應，在顆粒間和顆粒表面生成的HAP加強了顆粒間的連接。HAP含量越大，接觸點越多，抗壓強度隨HAP生成率的增大呈幾乎線性增大。當HAP在顆粒表面形成一層水化產(chǎn)物包裹膜后，CPC水化反應有顆粒表面反應控制轉(zhuǎn)化為透過水化產(chǎn)物層的擴散控制。水化過程中的問題

無水磷酸氫鈣和HAP密度的差異，被水化產(chǎn)物包裹的DCPA轉(zhuǎn)化為HAP時由于體積收縮產(chǎn)生內(nèi)應力，對抗壓強度不利，甚至使包裹的殼破裂，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷導致抗壓強度不再升高，甚至小幅降低。二CPC的材料學性能與其他骨植入材料相比具有以下特點：任意塑行；自行固化；生物相容；逐步降解。凝結(jié)時間強度自行固化和任意塑形微觀結(jié)構(gòu)抗水性CPC材料的性能凝結(jié)時間指可塑漿體變成不再可塑時的時間。通常用標準稠度和凝結(jié)時間測定儀進行測定。數(shù)值大小在一定程度上取決于材料組分、固相顆粒大小和形態(tài)、固液比及環(huán)境溫度等是衡量手術(shù)操作可行性的重要指標，時間過長或過短都不利于手術(shù)操作強度力學強度是評價骨修復材料的一個重要指標，抗壓強度是衡量CPC在體內(nèi)硬化后抗負載能力的指標，其大小直接影響CPC材料的應用CPC固化4h后可基本達到最大抗壓強度，一般為30-50MPa。目前文獻報道最高值為70MPa，其臨床適應證為修復非負重或低負重部位的骨缺損。自行固化和任意塑形CPC粉末與固化液調(diào)和后，材料呈牙膏狀，此糊狀物能夠自行固化，凝結(jié)時間為3-15min。在這段時間內(nèi)材料的可塑性好，可根據(jù)缺損部位任意塑型，材料植入體內(nèi)后能與周圍骨直接黏結(jié)，沒有縫隙且固化過程不放熱，不會對周圍組織造成灼傷利用其固化過程溫和的特性可將其作為藥物緩釋載體及生物活性物質(zhì)載體微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)是影響其力學性能的重要因素，孔徑大小和孔隙率測定能反應其內(nèi)部微孔情況。固化體微孔結(jié)構(gòu)對強度影響明顯：微孔孔徑越大，孔隙率越高，CPC強度則越小。較小的孔徑較低的孔隙率能獲得較高的強度，但不利于新骨的長入。通過調(diào)整固相組分、液相濃度以及固液比可獲得不同微孔結(jié)構(gòu)和強度的固化體?？顾钥顾灾窩PC在血液、生理鹽水的靜水壓力下抗?jié)B防水的能力，對于大量出血的外科手術(shù)，這一性能尤為重要?？顾圆缓脛t材料在植入后凝結(jié)前遇滲液則稀散不成形，影響固化增強CPC抗水性的添加劑必須符合6個條件：①應防止調(diào)和物在水中潰散；②不影響調(diào)和物轉(zhuǎn)化成HAP；③不降低CPC固化體強度；④不影響調(diào)和物的可操作性；⑤具有至少與磷灰石相似的良好生物相容性；⑥應在較短時間內(nèi)吸收。

海藻酸鈉是目前公認的優(yōu)良抗水劑。作用機制是它與Ca2+所形成的不溶于水的海藻酸鈣凝膠能較好地阻止CPC調(diào)和物被水侵蝕而潰散。三CPC的生物學性能1.成骨效應——骨引導活性，新骨以爬行替代的方式生長，植入體與骨組織形成骨性連接。將CPC植入貓的皮下和肌肉內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)新骨形成，植入物被逐漸吸收，而植入顱骨骨膜下則成骨明顯，植入物逐漸被新骨替代，證實CPC不具有誘導成骨活性，而是通過骨傳導作用成骨。2.降解性能