第9章 生物醫(yī)學(xué)陶瓷-

特種陶瓷材料第9章生物陶瓷北方民族大學(xué)陸有軍11/24/20231材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷1、生物體用材料必須具備的條件及分類2、氧化物惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

3、生物活性陶瓷的分類及特性

應(yīng)掌握的內(nèi)容：★教學(xué)目的和要求

11/24/20232材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系1、生物醫(yī)學(xué)材料概況2、生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料3、碳質(zhì)材料

第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷應(yīng)了解的內(nèi)容：★教學(xué)目的和要求

11/24/20233材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言當人體某器官或組織因病變、損傷、老化或先天畸形等原因而喪失功能需修復(fù)再造時，可采用哪些途徑解決？11/24/20234材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系取患者自身的同種組織或器官來代替。如植皮、足趾與手指的移植等。用異體器官與組織來代換。途徑一途徑二用人工合成的生物醫(yī)學(xué)材料來修復(fù)或代替人體壞死組織或器官。途徑三第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/20235材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

生物醫(yī)學(xué)材料概念第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言生物材料能執(zhí)行、增進或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。

用于人體組織和器官的修復(fù)并代行其功能的天然或人造材料，亦稱生物材料。

11/24/20236材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系高分子材料

生物醫(yī)學(xué)材料類型金屬材料

優(yōu)點：生物相容性好、易加工成型、柔軟性好、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；缺點：硬度和機械性質(zhì)較差，受熱易變形、易老化，且可能致癌。材料有：聚氨酯、硅橡膠、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、聚酪、聚砜、聚丙烯酸胺、超高分子聚乙烯、聚碳酸酯等。優(yōu)點：易加工成型、機械強度高。缺點：生物相容性差，在體內(nèi)易被腐蝕，腐蝕后表面會釋放有害離子等。材料有不銹鋼、鈦和鈦合金、鉭鈮和鈷鉻合金、多孔性金屬、金屬涂層材料等。陶瓷材料

第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/20237材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系生物醫(yī)學(xué)陶瓷的發(fā)展簡介1808年，陶瓷用于鑲牙。1892年，第一例臨床應(yīng)用報告發(fā)表，使用熟石膏。20世紀60年代，發(fā)展較快。1963－1964年，多晶氧化鋁陶瓷分別用于骨矯形和牙種植。1969年，熱解碳涂層成功應(yīng)用于人工心瓣膜。1971年，羥基磷灰石陶瓷應(yīng)用成功。20世紀70年代，生物陶瓷復(fù)合材料發(fā)展。80－90年代發(fā)展迅速，在生物陶瓷中引入活體細胞與生長因子；賦予生物陶瓷藥理作用。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/20238材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系陶瓷牙齒生物陶瓷部件第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/20239材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系牙齒矯形用陶瓷托槽牙齒矯形用金屬托槽生物陶瓷部件第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202310材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系①具有良好的力學(xué)性能，壓縮強度和硬度都很高，性能很穩(wěn)定，耐磨、有一定的潤滑性能，不易疲勞，便于加熱和消毒；在體內(nèi)不易腐蝕變質(zhì)、不易氧化、難溶解、熱穩(wěn)定性好；和人體組織的親和性好，幾乎看不到與人體組織的排異作用。

生物陶瓷的優(yōu)點②陶瓷的組成范圍寬?？梢愿鶕?jù)實際應(yīng)用要求設(shè)計組成，控制性能；

③陶瓷容易成型?？筛鶕?jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸，如粒狀、管、柱狀、多孔狀及尺寸精確的人工骨制品；

④易于著色。如根據(jù)各人齒色不同可制出系列色調(diào)的陶瓷牙冠，選擇移植與周圍自生牙完全匹配的人工牙，利于美容；

⑤價廉，比合金要便宜得多。

第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202311材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系生物陶瓷牙齒比色板第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202312材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系材料特性金屬高分子材料陶瓷生物相容性不大好較好很好耐侵蝕性表面易變質(zhì)化學(xué)性能穩(wěn)定，耐侵蝕化學(xué)性能穩(wěn)定，耐侵蝕，不易氧化水解或降解耐熱性較好受熱易變形，易老化熱穩(wěn)定性好強度很高差高耐磨性不太好，磨損產(chǎn)物易污染周圍組織不耐磨耐磨性好，有一定的潤滑性能加工及成型性能非常好，可加工成任意形狀可加工性好，有一定韌性塑性變形不好，脆性大，無延展性各類生物醫(yī)學(xué)材料比較第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202313材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系生物體對生物材料的響應(yīng)*（1）生物學(xué)反應(yīng)第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言A:血液反應(yīng)B:免疫反應(yīng)C:組織反應(yīng)宿主反應(yīng)（2）生物體

對生物反應(yīng)

的變化

A：急性全身反應(yīng)過敏、毒性、溶血、發(fā)熱、神經(jīng)麻痹等B：慢性全身反應(yīng)

毒性、致畸、免疫、功能障礙等C：急性局部反應(yīng)炎癥、血栓、壞死、排異等D：慢性局部反應(yīng)致癌、鈣化、炎癥、潰瘍等材料反應(yīng)（1）金屬腐蝕（2）聚合物降解（3）磨損材料反應(yīng)的結(jié)果可導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞和性質(zhì)改變而喪失其功能。宿主——寄生物寄生之地11/24/202314材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系（1）金屬腐蝕

生物體內(nèi)的腐蝕性環(huán)境：（1）含鹽溶液是極好的電解質(zhì)，促進了電化學(xué)腐蝕和水解；（2）組織中存在具有催化或迅速破壞外來成分能力的多種分子和細胞。對生物金屬材料產(chǎn)生腐蝕。

對于生物材料而言多為局部腐蝕，具體包括應(yīng)力腐蝕開裂、點腐蝕、晶間腐蝕、腐蝕疲勞以及縫隙腐蝕等，導(dǎo)致生物材料整體破壞。雖然金屬材料在生物體內(nèi)保持惰性狀態(tài)，但仍然可能會有物質(zhì)溶入生物組織中，并對生物體組織產(chǎn)生毒性反應(yīng)，造成組織的損害。如不銹鋼中溶出的Cr＋6生物組織的毒性。生物體對生物材料的響應(yīng)*第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202315材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系（2）

聚合物降解聚合物在長期使用過程中，由于受到氧、熱、紫外線、機械、水蒸氣、酸堿及微生物等因素作用，逐漸失去彈性，出現(xiàn)裂紋，變硬、變脆或變軟、發(fā)粘、變色等，從而使它的物理機械性能越來越差的現(xiàn)象。

聚合物老化易形成的碎片、顆粒、小分子量單體物質(zhì)，因此使用它時必須謹慎，對耐久性器件，必須保持一定強度和其它機械性能，老化產(chǎn)物不能對周圍組織有毒害作用。例如，醫(yī)用縫合線降解時會產(chǎn)生酸性物質(zhì)，如果量少，很容易被人體中的化學(xué)物質(zhì)中和，如果老化產(chǎn)物較大，則會對周圍組織產(chǎn)生損害。生物體對生物材料的響應(yīng)*第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202316材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系（3）

磨損

人工關(guān)節(jié)常用材料為Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人體后，磨損造成在關(guān)節(jié)周圍組織形成黑褐色稠物，從而引起疼痛。鈦合金人工全髖關(guān)節(jié)平均壽命一般都低于10年。目前，大量的人工髖關(guān)節(jié)是由堅硬的金屬或陶瓷的股骨頭與超高分子聚乙烯的髖臼杯組合成，然而它的壽命也不超過25年。長期隨訪資料顯示，假體失敗的主要原因是超高分子聚乙烯磨損顆粒所造成的界面骨溶解，從而導(dǎo)致假體松動。這種磨損顆粒所導(dǎo)致的異物－巨細胞反應(yīng)，又稱顆粒病，是晚期失敗的最主要原因。生物體對生物材料的響應(yīng)*第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202317材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系活性涂層的鈦合計人工齒Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.生物材料第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202318材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系Ti-Ni記憶合金血管支架生物材料第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.1引言11/24/202319材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.2生物體用材料必須具備的條件及分類

生物體用材料必須具備的條件

9.2.1生物學(xué)條件①不顯示毒性和過敏反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；②生物組織的適應(yīng)性好，不引起局部和全身性反應(yīng)；③無致癌和抗原性；④不產(chǎn)生血液凝固或血溶，即要求所移植的材料不會遭受血液細胞的破壞，且不會形成血栓；⑤不產(chǎn)生代謝異常；⑥在生物體內(nèi)不產(chǎn)生裂化或分解；⑦不會被生物體排斥；⑧不產(chǎn)生吸附物和沉淀。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202320材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.2生物體用材料必須具備的條件及分類生物體用材料必須具備的條件第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷①一定的靜態(tài)強度（拉伸、壓縮、彎曲、剪切等）。②適當?shù)膹椥月屎陀捕?。③耐疲勞性能。④有一定的潤滑性能?.2.2力學(xué)條件11/24/202321材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系①功能材料特性，如物質(zhì)透過性能，有良好的孔隙度，體液及軟組織易長入；②易制造和加工成型，使用操作方便；③熱穩(wěn)定性好，高溫消毒時不變質(zhì)；④黏結(jié)性，人造骨與生物骨直接黏結(jié)。9.2.3其他條件9.2生物體用材料必須具備的條件及分類生物體用材料必須具備的條件第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷根據(jù)以上要求，尚無一種現(xiàn)有材料可以滿足全部要求(challenge)，相對而言，生物陶瓷具有相對的優(yōu)勢。11/24/202322材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.2.4生物醫(yī)學(xué)陶瓷的分類

惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.2生物體用材料必須具備的條件及分類第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷包括:氧化鋁陶瓷;微晶玻璃;各種碳制品.①

表面活性玻璃和表面活性生物陶瓷，包括羥基磷灰石和表面活性微晶玻璃；②生物復(fù)合材料，包括陶瓷在金屬上的涂層、表面活性微晶玻璃－有機玻璃、表面活性玻璃－金屬纖維、羥基磷灰石－自身骨、羥基磷灰石－聚乳酸等；③吸收性生物陶瓷，包括硫酸鈣、磷酸三鈉和鈣磷酸鹽陶瓷。11/24/202323材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳材生物玻璃陶瓷復(fù)合材料與涂層多孔質(zhì)陶瓷材料玻璃質(zhì)碳熱解碳石墨碳碳纖維生物玻璃生物玻璃陶瓷羥基磷灰石復(fù)合材料與涂層羥基磷灰石磷酸鈣系統(tǒng)吸收骨置換材料

生物體內(nèi)近似惰性材料

生物體內(nèi)可控表面活性材料生物陶瓷材料

生物體內(nèi)可吸收材料9.2.4生物醫(yī)學(xué)陶瓷的分類9.2生物體用材料必須具備的條件及分類第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物醫(yī)學(xué)陶瓷用途及性能P176表11/24/202324材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系指不能與骨組織或其他生物體組織結(jié)合的，但有良好化學(xué)穩(wěn)定性的生物陶瓷材料。惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷定義（1）氧化物陶瓷（2）非氧化物陶瓷（3）碳素材料9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷主要有11/24/202325材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

Al2O3陶瓷ZrO2陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202326材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系雙極人工股骨頭髖關(guān)節(jié)養(yǎng)殖水族生物陶瓷骨材料幾種氧化鋁陶瓷制品9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202327材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系ZrO2陶瓷關(guān)節(jié)9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷ZrO2陶瓷11/24/202328材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202329材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系現(xiàn)已有的標準有：1、ISO10993.1－1992至ISO10993.12－1992；2、美國ASTM（F748－82）標準；3、我國在美國和日本的基礎(chǔ)上，1997年由衛(wèi)生部頒布了我國自己的標準。9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物學(xué)評價標準生物材料的生物學(xué)評價一般按用途、接觸方式、接觸人體部位和接觸時間等劃分，但標準還未完全實現(xiàn)統(tǒng)一，且隨著新一般生物相容材料向智能生物材料（如組織工程材料）轉(zhuǎn)變，標準還在完善。目前各國在已基本統(tǒng)一的國際標準化組織提出的生物標準上，保留了各自的特點。11/24/202330材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系優(yōu)點：1）機械強度高，尤其是抗壓強度；2）硬度高，耐磨性好；3）優(yōu)良的物理化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕，能在體液環(huán)境中長期穩(wěn)定存在；4）優(yōu)良的生物相容性，在人體內(nèi)呈生物惰性，對人體幾乎無不良影響。9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷缺點：1）純氧化鋁燒結(jié)溫度1700～2000℃，且常需要熱壓、氣氛或真空條件，制備難度大；2）抗彎強度低，韌性差，易產(chǎn)生脆性斷裂。氧化鋁生物陶瓷的特性11/24/202331材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系燒結(jié)添加劑：1）能與氧化鋁形成固溶體；

2）能在晶界形成液相。9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷能與氧化鋁形成固溶體的物質(zhì)

一般為變價氧化物，如TiO2、Fe2O3等。由于其晶格常數(shù)與氧化鋁的相接近，因此通常能與氧化鋁形成固溶體。同時它們是變價氧化物，由于變價作用，使氧化鋁產(chǎn)生缺陷，活化晶格，促進燒結(jié)。能在晶界形成液相的物質(zhì):

一般有高嶺土、SiO2、CaO等，能在坯體中生成液相而促進氧化鋁的燒結(jié)。由于液相的出現(xiàn)，其對固相的表面濕潤力和表面張力使固相粒子靠近并填充氣孔。11/24/202332材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷

ZrO2生物陶瓷

部分穩(wěn)定ZrO2陶瓷比Al2O3的晶粒細（＜0.5μm），拉伸強度高，且彈性模量比Al2O3低。缺點是硬度較低（1250HV，Al2O3為2300HV），而且含有少量的釷不能去除，會有一定劑量的Y和α放射線，長期在體內(nèi)植人不好。目前ZrO2的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用遠不如Al2O3陶瓷。11/24/202333材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷臨床應(yīng)用的報道較少，主要是用作硬組織的替換材料。如SiC材料，硬度大，且具有高的強度，導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性好，是一種耐磨、耐腐蝕材料。Si3N4陶瓷具有較高的斷裂韌性和高的抗折強度。有報道認為Si3N4的生物相容性比不銹鋼差，也有人通過用Si3N4代替氧化鋯作關(guān)節(jié)置換假體，發(fā)現(xiàn)Si3N4陶瓷比ZrO2有更好的使用壽命。9.3.1氧化物情性生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202334材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.3.2碳質(zhì)材料

按碳原子排列方式的不同，碳材料存在存在多種結(jié)構(gòu)形態(tài)如金剛石、石墨和亂層結(jié)構(gòu)碳。其中亂層結(jié)構(gòu)碳含有空晶格位的不完整六角形平面晶格構(gòu)成的準晶結(jié)構(gòu)，其層間存在不完整的結(jié)合，從而產(chǎn)生了不同于石墨的新性質(zhì)，如層間滑動降低和耐磨性能提高。適用于作醫(yī)學(xué)材料。9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷11/24/202335材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系亂層結(jié)構(gòu)碳主要有三種類型①熱解碳和低溫各向同性（LTIC）碳；②真空－蒸氣沉積和超低溫各向同性（ULTIC）碳；③玻璃狀碳。LTIC—lowtemperatureisotropyCULTIC—ultralowtemperatureisotropyC亂層結(jié)構(gòu)碳適用于醫(yī)學(xué)材料主要有如下優(yōu)點：①極佳的血液相容性合組織相容性；②耐疲勞和耐磨；③高斷裂強度和相對低的彈性模量9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202336材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系①LTIC涂層有足夠的強度，十分耐磨，0.5mm厚度的Si-C涂層，可耐用幾十年；②具有優(yōu)異的生物相容性，不產(chǎn)生血凝和血栓。原因是含有Si-LTIC于血液之間可生成一種蛋白質(zhì)中間吸附層，此層不引起蛋白質(zhì)變化；③拋光后的Si-C涂層是致密不透性的，不會引起降解反應(yīng)；④無毒性，無刺激性，不致癌。動物實驗和臨床應(yīng)用證明：LTIC是目前制作人工機械瓣膜最理想的材料，它具有如下優(yōu)點：LTIC作熱解C-Si涂層9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202337材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系各向同性碳材制備：各向同性碳是由丙烷硅烷等有機化合物在1300～1500℃或采用特殊真空沉積技術(shù)，熱解得到的各向同性的石墨微粒，其質(zhì)地堅硬致密，強度為玻璃碳的兩倍。特點：良好的生物相容性，不會引起血栓作用、溶血作用及影響血液的分子構(gòu)成，還具有相當好的耐磨和耐疲勞性能，在生理環(huán)境中不會發(fā)生降解作用，并且彈性模量較低，與人體軟硬組織都可形成界面而不發(fā)生異體反應(yīng)；另一特性為它們均是導(dǎo)電體，在生物體中有其特殊作用。9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202338材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系玻璃碳是通過控制固體（指預(yù)先成形的高分子材料）如酚醛樹脂在1800～2000℃下碳化而得，為非晶態(tài)。加熱速率必須控制在低得足以使揮發(fā)物擴散到表面并逸出以避免氣泡產(chǎn)生。加工過程中體積收縮約為50%，由于擴散的需要，不可能生產(chǎn)出厚度超過7mm橫截面的產(chǎn)品。有相對較低的密度、較好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，但強度和韌性均不如熱解碳，用于不承受高機械應(yīng)力的部位。玻璃碳9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202339材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系碳質(zhì)材料的物理性能（1）碳質(zhì)材料的力學(xué)性能所有塊狀形式的碳質(zhì)材料，包括熱解碳強度很高。最強的各向同性碳具有高于約400MPa的斷裂應(yīng)力。碳膜和纖維，由于它們的結(jié)構(gòu)不同，分別具有750MPa和4000MPa的強度；彈性模量：20～30GPa。（2）碳質(zhì)材料的磨損性能人工心瓣膜預(yù)加載摩擦測試表明，碳質(zhì)材料的耐磨性明顯取決于它的結(jié)構(gòu)。低密度碳、玻璃碳和LTI熱解碳都具有低耐磨性，耐磨性隨著硬度和密度的增加而增加。9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202340材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

碳質(zhì)材料具有接近于自然骨的彈性模量。疲勞性能最優(yōu)，強度不隨循環(huán)載荷作用而下降。無序堆垛的碳材料耐磨性理想。生理環(huán)境中較穩(wěn)定，近于惰性，具有較好的生物相容性，不會引起凝血和溶血反應(yīng)，特別適合于在生理環(huán)境中使用。已大量用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)，如人工心臟瓣膜、人工血管。還可作為金屬和聚合物的涂層材料。9.3惰性生物醫(yī)學(xué)陶瓷生物第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.3.2碳質(zhì)材料11/24/202341材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系生物活性陶瓷指具有優(yōu)異的生物相容性，能與自身骨形成骨性結(jié)合界面，結(jié)合強度高，穩(wěn)定性好，植入骨內(nèi)還具有誘導(dǎo)骨細胞生長的效果，參與新陳代謝，甚至與生物體骨和齒結(jié)合一體的生物醫(yī)學(xué)陶瓷。生物活性陶瓷的定義

生物活性的概念指材料能在其表面引起正常的組織形成，并且它建立的連續(xù)性界面能夠承擔植入部位所承擔的正常負荷。此時這類植入材料能表現(xiàn)出最佳的生物相容性。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4生物活性陶瓷

11/24/202342材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系與原骨結(jié)合處無纖維狀組織形成，其表面和生理環(huán)境發(fā)生選擇性的化學(xué)反應(yīng)，所形成的界面能保護移植物，防止降解，本身的化學(xué)成分與動物骨和牙齒等硬組織相近，均含磷灰石，是一種仿生人造骨齒，依靠活性表面與天然組織結(jié)合。生物活性陶瓷的分類表面活性生物陶瓷作為臨時的“腳手架”或“空間填充物”，植入體內(nèi)的活性組織后，可以滲人而取代它們。（須具備的性能P178

）(生物玻璃;生物微晶玻璃;羥基磷灰石)第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

吸收性生物陶瓷(鈣磷酸鹽－磷酸三鈣、羥基磷灰石)11/24/202343材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系由以上兩類型材料種類可看出，活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷均以含鈣的磷酸鹽化合物為主要成分，其原因是：要制造活性生物陶瓷，最好是仿造人體組織。人體中有相當數(shù)量的“陶瓷原料”。在人體中，固態(tài)物質(zhì)的質(zhì)量約占40％，其中骨頭質(zhì)量為30％以上。在骨頭中約有50％的羥基磷灰石，即一個70kg體重，180cm高的成年人，體內(nèi)有10kg的“陶瓷”。仿制的陶瓷必須與其成分相近，或可以與生物組織發(fā)生反應(yīng)生成羥基磷灰石。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

11/24/202344材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.4.1生物玻璃和生物微晶玻璃

這類材料是在Na2O（K2O）－CaO－P2O5－SiO2系中選擇適當成分，在高溫熔制成玻璃，或再經(jīng)熱處理，使玻璃中析出磷灰石晶相，成為生物玻璃或生物微晶玻璃。在該體系中，選P2O5為6％（質(zhì)量分數(shù)）、Na2O（K2O）取Na2O時，此體系實際上是一個三元相系：Na2O－CaO－SiO2。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

11/24/202345材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.4.1生物玻璃和生物微晶玻璃A具有生物活性的玻璃成分區(qū)B高硅的生物活性最小的成分區(qū)CCa少時玻璃成為可溶性玻璃D低硅區(qū)，無生物活性＃

45S5玻璃▽生物微晶玻璃區(qū)第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

45S5－最早生物活性玻璃：Na2O-CaO-SiO2-P2O524.524.5456.011/24/202346材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系45S5生物活性玻璃應(yīng)用例曾試用于猴子牙周骨缺損的修復(fù)和狗肋骨擴增。目前，生物玻璃已經(jīng)臨床應(yīng)用于牙周骨缺損的填充，研究表明使用該可使骨缺損迅速充盈。在狗肋骨的實驗中，該材料時，骨修復(fù)的速度甚至比使用同量自體骨還要快。該材料的成骨性是由于其表面緩釋的可溶性硅激發(fā)的干細胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)化生長因子，轉(zhuǎn)化生長因子在活性玻璃表面的氫氧化三十五磷酸鈣膠結(jié)層內(nèi)可逆地吸附和還原。轉(zhuǎn)化生長因子激發(fā)干細胞的分化和生長，導(dǎo)致生物活性玻璃顆粒周圍的骨組織加速增殖。9.4.1生物玻璃和生物微晶玻璃第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

11/24/202347材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.4.2羥基磷灰石

磷灰石可以用化學(xué)式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO3-4和Z－位置上不同的離子替換可形成一系列固溶體。醫(yī)用的磷灰石陶瓷最常見的是羥基磷灰石（HAP-hydroxyapatite）第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

羥基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能與人骨緊密結(jié)合。主要用于不承載的小型種植體（如耳骨），用金屬支撐加強的牙科種植體、牙槽脊增高、牙周袋填補、頷面骨缺損修復(fù).11/24/202348材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系羥基磷灰石陶瓷應(yīng)用例—人工聽小骨假體表面具有微孔，可使患者聽力平均提高20~30dB，適用于慢性化膿性中耳炎患者作聽小骨置換和鼓臘修復(fù)手術(shù)。自1989年以來已臨床應(yīng)用800多例，通過省級鑒定。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

9.4.2羥基磷灰石11/24/202349材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系干法是將含有Ca的化合物和磷的化合物的粉末按一定的化學(xué)當量配比，在高溫下反應(yīng)合成。干法濕法合成是先將含鈣和磷的化合物在水溶液中100℃以下進行化學(xué)反應(yīng)合成，洗滌過濾后，在高溫下燒結(jié)得到生物陶瓷材料。

濕法羥基磷灰石的合成

第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

9.4.2羥基磷灰石11/24/202350材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系干法合成工藝簡單，反應(yīng)速度快，但不易得到高純產(chǎn)物；尤其是固相反應(yīng)較難控制產(chǎn)物組成、粒度。干法的特點濕法為兩步法，工藝步驟多、費時，但雜質(zhì)易去除，可得高純產(chǎn)物，控制容易。濕法合成的關(guān)鍵是控制反應(yīng)時的PH，不同的PH得到不同的產(chǎn)物（圖9.6）。只有在較高的PH之下才可以得到羥基磷灰石。濕法的特點第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

9.4.2羥基磷灰石11/24/202351材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系羥基磷灰石（HAP）生物活性陶瓷的生物學(xué)性能及其與骨結(jié)合（1）具有良好的生物相容性，植入體內(nèi)不僅安全無毒，還能傳導(dǎo)骨生長，即新骨可以從HAP植入體與原骨結(jié)合處沿著植入體表面或內(nèi)部貫通性孔隙攀附生長。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

9.4.2羥基磷灰石（2）羥基磷灰石陶瓷植入體內(nèi)后能與組織在界面上化學(xué)鍵性結(jié)合。（3）羥基磷灰石陶瓷植入肌肉或韌帶等軟組織后，被一薄層結(jié)締組織緊密包繞，無炎性細胞和微毛細管存在。11/24/202352材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系（1）由于良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性：人工骨和口腔材料。如：顎骨、鼻軟骨的支撐。（2）HAP用于牙膏添加劑，能吸附葡萄聚糖，有利于防止牙齦炎，同時還能吸附蛋白質(zhì)、氨基酸和體液，經(jīng)過十幾年的臨床研究，HAP能有效防治牙齦炎和牙槽炎。（3）用于藥物輸送、體內(nèi)廢物排除、人工器官電源輸入（晚期癌癥患者減痛）、生物傳感器檢測生物信號（血壓、血液動力學(xué)、血糖水平、深度體溫）。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

9.4.2羥基磷灰石羥基磷灰石（HAP）生物活性陶瓷還可用于11/24/202353材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系9.4.3磷酸三鈣

化學(xué)組成Ca3(PO4)2，熔點為1670℃，溶于酸，不溶于水和乙醇。磷酸三鈣有兩種變體：高溫態(tài)α－Ca3(PO4)2與低溫態(tài)的β－Ca3(PO4)2，兩者的轉(zhuǎn)變溫度在1100～1350℃之間。以磷酸鈣粉末為原料，成型后在1150℃左右燒成。也可用溶液中反應(yīng)沉淀法制得高純單相β-Ca3(PO4)2，成型后高溫燒結(jié)成塊體。燒結(jié)體的抗壓強度可達689MPa，拉伸強度154MPa。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

11/24/202354材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系該材料具有生物吸收性，最終能被原骨吸收溶于原骨組織中與原骨長成一體（磷酸三鈣最終變?yōu)榕c羥基磷灰石晶型相同）。一般認為，生物陶瓷的這種生物吸收或稱生物降解性主要來源于以下三種途徑：①生物化學(xué)溶解作用，它與材料的溶解產(chǎn)物和周圍環(huán)境的局部有關(guān)；②由于晶界的優(yōu)先侵蝕而引起的物理分解作用；③生理作用，如引起pH局部下降的吞食作用。9.4.3磷酸三鈣第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.4活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷

11/24/202355材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系可以說，任何一種單一材料都不可能達到生物醫(yī)學(xué)要求的盡善盡美的性能，因而在臨床應(yīng)用上有很大的局限性?；钚陨镝t(yī)學(xué)陶瓷金屬高分子材料主要優(yōu)點優(yōu)異的機體相容性和生物活性主要缺點強度和韌性較低強度和韌性好生物惰性材料柔軟，易成型復(fù)雜形狀，有些還有非凡的生物醫(yī)學(xué)性能強度、彈性模量低，易老化第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷11/24/202356材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系金屬與陶瓷的復(fù)合形式主要有兩種：①在高強度耐腐蝕的金屬（如鈦合金、Co－Cr合金、鉭、鈮、不銹鋼等）表面涂覆活性生物醫(yī)學(xué)陶瓷層；②用金屬纖維埋于活性生物陶瓷機體中，以增強、增韌生物醫(yī)學(xué)陶瓷。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.1金屬與陶瓷的復(fù)合金屬與HAP、磷酸三鈣(TCP)和生物玻璃(BG)復(fù)合的活性生物陶瓷中最有效果的是部分穩(wěn)定的二氧化鋯因含鈣的ZrO2

陶瓷具有較好的生物相容性，又有高的強度和好的韌性。故加入ZrO2與HAP、TCP和BG復(fù)合可明顯提高活性生物陶瓷的強度和韌性。11/24/202357材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系(1)生物活性陶瓷/生物活性陶瓷復(fù)合材料(2)生物活性陶瓷/生物惰性陶瓷復(fù)合材料

1）羥基磷灰石HAP/ZrO2復(fù)合材料，可獲生物相容性好，強度和韌性高。

2）磷酸三鈣TCP/ZrO2復(fù)合材料，提高力學(xué)性能。

3）羥基磷灰石HAP/納米SiC復(fù)合材料第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.2生物活性陶瓷復(fù)合11/24/202358材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

將彼此交聯(lián)的直徑為50μm、100μm或200μm不銹鋼或鈦的纖維浸漬于生物玻璃（45S5）熔體中，然后冷卻、退火而得到的一種高強度和高韌性的復(fù)合材料。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.3纖維增強生物玻璃復(fù)合材料動態(tài)疲勞試驗研究表明：這種材料在生理環(huán)境中受到和人體致密骨抗彎強度相當?shù)膽?yīng)力作用，其壽命可超過50年，是預(yù)測壽命最長的生物陶瓷材料。11/24/202359材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系

1）生物活性陶瓷/天然高分子復(fù)合

膠原是機體生命的最根本基質(zhì)，具有以脯氨酸等中性氨基酸和含有堿性或酸性側(cè)鏈的氨基酸蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和特性。選用與自然骨有機質(zhì)更接近的膠原與HAP復(fù)合，這樣植入材料就能和受骨的骨膠原末端的氨基和羥基相結(jié)合，形成具有生物活性的化學(xué)結(jié)合面，從而發(fā)揮其正常的生理作用。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.2醫(yī)用高分子生物陶瓷復(fù)合材料11/24/202360材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系2）羥基磷灰石/聚乳酸（PLA）復(fù)合復(fù)合內(nèi)固定材料中HAP有如下功能：①改善材料的骨結(jié)合能力；②中和PLA降解過程中產(chǎn)生的小分子酸性物質(zhì)，減少甚至避免植入人體周圍組炎癥的發(fā)生；③對高分子基體起增強作用；④為骨愈合或修復(fù)過程提供優(yōu)質(zhì)鈣、磷來源；⑤HAP不透X射線，簡化了手術(shù)控制和術(shù)后診斷難度。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.2醫(yī)用高分子生物陶瓷復(fù)合材料11/24/202361材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系3）HAP/有機骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）復(fù)合將生物活性陶瓷HAP粉末（經(jīng)75μm過篩）、甲基丙烯酸甲酯單體（MMA）液劑、MMA粉劑，按一定比例混合，進行充分攪拌，形成含HAP的PMMA的復(fù)合預(yù)聚體，然后用偶聯(lián)劑處理玻璃纖維并與HAP/PMMA進行復(fù)合，制得抗拉強度、彈性模量、抗疲勞和蠕變性能大大提高的復(fù)合材料。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.2醫(yī)用高分子生物陶瓷復(fù)合材料11/24/202362材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系4）生物玻璃/生物高分子復(fù)合材料

A（磷灰石）-W（硅灰石）生物玻璃陶瓷能夠在玻璃中析出氧氟磷灰石和針狀硅灰石晶相的微晶玻璃，具有良好的生物親和性和強度，植入動物體后，可與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵合。研究表明：復(fù)合材料的密度隨著生物玻璃的摻量增加而得到提高。第9章生物醫(yī)學(xué)陶瓷9.5生物醫(yī)學(xué)復(fù)合陶瓷9.5.2醫(yī)用高分子生物陶瓷復(fù)合材料11/24/202363材料科學(xué)與工程學(xué)院材料系研究1