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生物陶瓷材料現(xiàn)實狀況與發(fā)展成員：任鎮(zhèn)非吳秀遷劉一璟第1頁生物陶瓷材料概念簡述生物材料發(fā)展歷程生物陶瓷材料分類生物陶瓷特點及應用生物材料發(fā)展熱點生物陶瓷材料發(fā)展重點

目錄生物陶瓷材料現(xiàn)實狀況與發(fā)展第2頁生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定生物或生理功效一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關生物、醫(yī)用、生物化學等陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程陶瓷材料統(tǒng)稱為生物陶瓷。

生物陶瓷材料概述第3頁生物材料發(fā)展歷程

當今人類社會使用材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織代替物,并在應用中取得了寶貴經(jīng)驗、教訓?；仡櫄v史,可分為幾個階段。18世紀,主要采取天然材料作為骨修復材料,如柳枝、木、麻、象牙及貴金屬等?！斯す茄芯繂⒚呻A段第4頁生物材料發(fā)展歷程

當今人類社會使用材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織代替物,并在應用中取得了寶貴經(jīng)驗、教訓?；仡櫄v史,可分為幾個階段。

約19世紀前,因為冶金技術和陶瓷制備工藝發(fā)展,開始用純金、純銀、鉑等貴金屬?！匀话l(fā)展階段第5頁生物材料發(fā)展歷程

當今人類社會使用材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織代替物,并在應用中取得了寶貴經(jīng)驗、教訓。回顧歷史,可分為幾個階段。20世紀中葉以前,因為冶金進步,鈷鉻鋁合金年、純鈦和鈦合金年等被應用到人工骨領域,開始有目標地探索新材料,有機玻璃等高分子材料年也開始應用臨床,并在醫(yī)學種植技術與病例選擇方面積累了豐富經(jīng)驗。但基礎理論研究還很不深人?！剿麟A段第6頁生物材料發(fā)展歷程20世紀60年代初,在新技術革命浪潮推進下,材料科學快速發(fā)展。人們開始有目標、有計劃地探索、發(fā)覺和合成新材料,其中最有代表性生物陶瓷研究和應用取得了突飛猛進發(fā)展。生物陶瓷發(fā)展即使還不到年,也一樣經(jīng)歷了上述時期。起初以單晶氧化鋁陶瓷為先導,隨即是多晶氧化鋁、表面呈珊瑚狀氧化鋁等。其后是生物活性陶瓷,包含生物玻璃,經(jīng)基磷灰石和玻璃陶瓷類。

自20世紀70年代起,生物陶瓷顯露頭角,世界各國相繼開展了理論和應用研究,而且不停取得突破性進展。

——快速發(fā)展階段第7頁

生物材料學是一個嶄新領域，但生物材料本身卻有著古老歷史，只是它在當代才取得了快速發(fā)展。追溯生物材料歷史，不得不提到人工器官．人工器官研究實際上是個古老命題。生物材料發(fā)展歷程

自20世紀70年代起,生物陶瓷顯露頭角,世界各國相繼開展了理論和應用研究,而且不停取得突破性進展。

公元前約3500年古埃及人就利用棉花纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口。而這些棉花纖維、馬鬃則可稱為原始生物材料。墨西哥印第安人使用木片修補受傷顱骨。公元前2500年前中國、埃及墓葬中就發(fā)覺有假牙、假鼻、假耳。人類很早就用黃金來修復缺損牙齒。第8頁生物材料發(fā)展歷程文件記載，1588年人們就用黃金板修復顎骨。1775年，就有用金屬固定體內(nèi)骨折記載。第9頁生物材料發(fā)展歷程1800年有大量相關應用金屬板固定骨折報道。1808年初成功制成了用于鑲牙陶齒。1809年有些人用黃金制成種植牙齒。第10頁生物材料發(fā)展歷程1851年，報道使用硫化天然橡膠制成人工牙托和顎骨。1871年，羥基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman報道使用熟石膏作為骨替換材料。1926年，Bassett用X-射線衍射分析發(fā)覺骨和牙礦物質(zhì)與羥基磷灰石X射線譜相同。1928年，Leriche和Policard開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料。第11頁生物材料發(fā)展歷程1930年，Naray-Szabo和Mehmel獨立地應用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石結構。1937年，牙科醫(yī)學中開始應用聚甲基丙烯酸甲酯。

二戰(zhàn)期間，人們開始試驗用聚乙烯塑料制造血管替換材料。1958年，外科醫(yī)生嘗試用滌綸仿造動脈血管。1963年在生物陶瓷發(fā)展史上是主要一年，該年Smith匯報發(fā)展了一個陶瓷骨替換材料。因為技術方面限制，直到1971年才有羥基磷灰石被成功研制并擴大到臨床應用。第12頁1974年，Hench在設計玻璃成份時，曾有意識地尋求一個輕易降解玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒替換物時，發(fā)覺有些材料中組織能夠和生物體內(nèi)組分相互交換或者反應，最終形成與生物體本身相容性質(zhì)，組成新生骨骼和牙齒一部分。這研究結果，很快得到了各國學者高度重視。

早在1969年，Talbert就將不一樣孔隙率顆粒狀Al2O3陶瓷作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗股骨中進行試驗，發(fā)覺多晶氧化鋁陶瓷對包含生物環(huán)境在內(nèi)任何環(huán)境都展現(xiàn)惰性及其優(yōu)越耐磨損性和高抗壓強度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早取得臨床應用生物惰性陶瓷材料。生物材料發(fā)展歷程第13頁生物材料發(fā)展歷程中國20世紀70年代早期開始碩士物陶瓷，并用于臨床。1974年開展微晶玻璃用于人工關節(jié)研究。1977年氧化鋁陶瓷在臨床上取得應用。1979年高純氧化鋁單晶用于臨床，以后又有新型生物陶瓷材料不停出現(xiàn)，并應用于臨床。第14頁生物陶瓷材料分類依據(jù)種植材料與生物體組織反應程度，可將種植類陶瓷分為兩類：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料第15頁生物陶瓷材料分類生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩(wěn)定，生物相容性好，在生物體內(nèi)與組織幾乎不發(fā)生反應或反應很小。如：氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、等。這類陶瓷材料結構都比較穩(wěn)定，分子中鍵力較強，而且都含有較高機械強度、耐磨性以及化學穩(wěn)定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材組成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr氧化物應用最為廣泛。1、生物惰性陶瓷材料第16頁生物惰性陶瓷早在1969年，Al2O3

陶瓷就作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗股骨中進行試驗，發(fā)覺多晶氧化鋁陶瓷對包含生物環(huán)境在內(nèi)任何環(huán)境都展現(xiàn)惰性及其優(yōu)越耐磨損性和高抗壓強度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早取得臨床應用生物惰性陶瓷材料。當前氧化鋁陶瓷材料已經(jīng)應用于人造骨、人工關節(jié)及人造齒根制作方面?！趸X陶瓷材料第17頁氧化鋁陶瓷植入人體后，體內(nèi)軟組織在其表面生成極薄纖維組織包膜，在體內(nèi)可見纖維細胞增生，界面無化學反應，多用于全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接。單晶氧化鋁陶瓷機械性能更優(yōu)于多晶氧化鋁，適合用于負重大、耐磨要求高部位。不過因為Al2O3屬脆性材料，沖擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，可能引發(fā)骨組織應力，從而引發(fā)骨組織萎縮和關節(jié)松動，在使用過程中，常出現(xiàn)脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結合。

——氧化鋁陶瓷材料生物惰性陶瓷第18頁生物惰性陶瓷當前，國外相關學者經(jīng)過各種方法，使Al2O3

陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提升。如在陶瓷表面涂上骨親和性高陶瓷，尤其是能和骨發(fā)生化學結合磷灰石，已經(jīng)制造出愈加先進人工關節(jié)。經(jīng)過相變或微裂等增韌方法，也能夠提升材料韌性。近年，氧化鋯陶瓷因為其優(yōu)良力學性能，尤其是其遠高于氧化鋁瓷斷裂韌性，使其作為增強增韌第二相材料在人體硬組織修復體方面取得了較大研究進展。

——氧化鋁陶瓷材料第19頁生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷在體內(nèi)被纖維組織包裹或與骨組織之間形成纖維組織界面特征影響了該材料在骨缺損修復中應用，因為骨與材料之間存在纖維組織界面，妨礙了材料與骨結合，也影響材料骨傳導性，長久滯留體內(nèi)產(chǎn)生結構上缺點，使骨組織產(chǎn)生力學上微弱。生物惰性陶瓷缺點第20頁生物陶瓷材料分類生物活性陶瓷包含表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發(fā)生牢靠鍵合。生物吸收性陶瓷特點是：能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨生長。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾個。2、生物活性陶瓷材料

第21頁生物活性陶瓷材料羥基磷灰石（hydroxyapatite），簡稱HAP，化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬表面活性材料，因為生物體硬組織(牙齒、骨)主要成份是羥基磷灰石，所以有些人也把羥基磷灰石陶瓷稱之為人工骨。含有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一個臨床應用價值很高生物活性陶瓷材料，引發(fā)了廣泛關注。

——羥基磷灰石陶瓷材料第22頁HAP涂層鈦基牙種植體是一個安全、方便聽小骨缺損替換品，適合用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造成聽小骨缺損、畸形患者作聽小骨置換手術。

HAP生物陶瓷聽小骨置換假體第23頁生物活性陶瓷材料羥基磷灰石主要缺點在于本身力學性能較差、強度低、脆性大，這一缺點影響了它在醫(yī)學臨床廣泛應用，同時也促使人們研究HAp系列各種復合材料，以期取得力學性能優(yōu)良、生物活性好生物醫(yī)學復合材料。（1）羥基磷灰石與金屬相結合。（2）羥基磷灰石與惰性生物陶瓷材料相復合。（3）羥基磷灰石與有機物相復合?！u基磷灰石陶瓷材料第24頁生物活性陶瓷材料當前廣泛應用生物降解陶瓷為β-磷酸三鈣(簡稱β-TCP)，是磷酸鈣一個高溫相。與HAp相比，TCP最大優(yōu)點在于更易于在體內(nèi)溶解，植入機體后與骨直接融合而被骨組織吸收，是一個骨重建材料?？梢罁?jù)不一樣部位骨性質(zhì)不一樣及降解速率要求，制成含有一定形狀和大小中空結構構件，用于治療各種骨科疾病?！姿崛}陶瓷材料

第25頁生物活性陶瓷材料磷酸鈣陶瓷主要缺點是其脆性較高，難以加工成型或固定鉆孔。致密磷酸鈣陶瓷能夠經(jīng)過添加增強相提升它斷裂韌性，多孔磷酸鈣陶瓷即使可被新生骨長入而極大增強，不過在再建骨完全形成之前，為及早代行其功效，也必須對它進行增韌補強?！姿崛}陶瓷材料

第26頁生物陶瓷特點及利用生物陶瓷因為是高溫處理工藝所成無機非金屬材料，所以含有金屬、高分子材料無法比擬優(yōu)點：1）因為它是在高溫下燒結制成，其結構中包含鍵強很大離子鍵或共價鍵，所以含有：良好機械強度、硬度、壓縮強度高，極其穩(wěn)定。在體內(nèi)難于溶解，不易氧化、不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，便于加熱消毒、耐磨、有一定潤滑性能，不易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，和人體組織親和性好，所以能滿足種植學要求。第27頁生物陶瓷特點及利用彈性模量為20GPa，抗彎強度高達275-620MPa韌性好。

碳雙葉瓣人工心臟瓣膜第28頁生物陶瓷特點及利用2）陶瓷組成范圍比較寬，能夠依據(jù)實際應用要求設計組成，控制性能改變。比如可降解生物陶瓷在體內(nèi)不一樣部位使用中，希望能針對被置換骨生長特點取得含有不一樣降解速度陶瓷。不然，當降解速度超出骨生長速度時,就會產(chǎn)生“死區(qū)”，影響修復。假如向這類材料中添加適當百分比非降解性生物陶瓷，就能調(diào)整降解速度，滿足臨床要求。第29頁

脊柱側彎，后路矯正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二軍醫(yī)大學、長征醫(yī)院骨科第30頁生物陶瓷特點及利用3）陶瓷輕易成型，可依據(jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺釘、骨夾板、制成牙根、關節(jié)、長骨、顱骨等。采取特殊工藝還能夠得到尺寸精密人工骨制品。第31頁人造骨關節(jié)第32頁生物陶瓷特點及利用4）后加工方便。通常認為陶瓷極難加工，但隨陶瓷加工設備和技術進步，現(xiàn)在陶瓷切割、研磨、拋光等已是成熟工藝。近年來又發(fā)展了可用普通金屬加工機床進行車銑、刨、鉆等可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷結晶化之前高溫流動性，可制成精密鑄造玻璃陶瓷。5）易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真，利于整容、美容。

第33頁生物材料發(fā)展熱點近20年來,試圖仿制天然生物材料、利用生物學原理設計和制造仿生物材料,已成為生物材料研究領域極為活躍前沿研究方向。

生物活性陶瓷含有良好生物相容性和生物活性,能與活性骨形成化學結合,但它是脆性材料,限制了在一些條件下應用。近年來發(fā)展起來仿生法模仿了自然界生理磷灰石礦化機制,使磷灰石層在類似于人體環(huán)境條件水溶液中自然沉積出來。

1、仿生材料第34頁生物材料發(fā)展熱點納米技術在世紀年代得以快速發(fā)展,因為納米材料含有表面效應、小尺寸效應及量子效應等獨特性能,使納米材料展現(xiàn)出遼闊應用前景。近年來,納米技術在生物材料領域應用已經(jīng)受到關注。納米陶瓷在人工骨、人工關節(jié)、人工齒等硬組織替換材料制造及臨床應用領域有遼闊應用前景。英國成功地合成了模擬骨骼亞結構納米物質(zhì),該物質(zhì)有望取代當前骨科慣用合金材料,而且不易骨折,并能與正常骨組織連接緊密。2、納米技術應用第35頁生物材料發(fā)展熱點傳統(tǒng)氧化物陶瓷是一類主要生物醫(yī)用材料,不過因為工藝上原因,普通陶瓷極難防止材料脆性等問題。因為納米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中內(nèi)在氣孔和缺點尺寸大大降低,材料不易造成穿晶斷裂,有利于提升材料韌性和強度,而伴隨晶粒尺寸變小同時又使晶界數(shù)量大大增加,有利于晶粒間移動,這使納米陶瓷表現(xiàn)出獨特超塑性。2、納米技術應用第36頁生物材料發(fā)展重點生物醫(yī)用復合材料依據(jù)應用需要進行設計,由基體材料與增強材料或功效材料組成。慣用基體材料：有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鉆基合金等醫(yī)用金屬材料。增強材料有：碳纖維、不銹鋼或鉆基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體,另外還有氧化錯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。3、復合材料第37頁生物陶瓷材料發(fā)展重點1、提升現(xiàn)有生物陶瓷可靠性,提升其強度,降低楊氏模量,改進韌性,最有希望路徑是研制復合材料,如金屬一陶瓷復合,陶瓷