生物活性材料

第四章生物活性材料,第一节生物活性材料的一般概念第二节生物活性玻璃第三节碳酸钙生物活性材料,主讲人：XXX时间：2015年11月4日,第一节生物活性材料的一般概念,生物活性材料（bioactivitymaterials)：指的是一类能够在材料界面上引起特殊生物反应的材料，这种反应导致组织和材料之间形成化学键合。生物活性材料的概念最初是由Hench于1969年在对生物玻璃与骨组织键合的研究中首次发现并提出的。,生物活性材料在人体内的活性在于其表面重新形成了一层新的磷灰石层，通过这层磷灰石层与骨组织形成牢固的结合，新的磷灰石层形成速度以羟基磷灰石A-W生物微晶玻璃生物玻璃的速度增大。,传统的生物活性材料主要包括：羟基磷灰石（HA）、-磷酸三钙（-TCP）、A-W生物微晶玻璃等。这类材料的生物活性和生物相容性均较好，能与人体骨骼和组织发生有效键合，但其力学性能较差，只能用于耳小骨、牙齿、骨隙等非负重部位的填充和修复，而不能用于长骨或负重部位骨的替换，并且利用喷涂技术得到的生物活性陶瓷涂层在制备过程中会发生部分熔化和分解，在植入生物体后容易溶解剥落，不利于发挥生物活性性能。,在生物活性材料迅猛发展的同时，生物惰性材料也得到了广泛的应用。生物惰性材料主要是指能在生物体内长期稳定存在，且不与生物组织发生物化反应的一类材料，如医用金属、烧结氧化铝、氧化锆等生物材料被埋入骨缺损部位后，就被纤维性膜所包围，而与周围的骨组织隔离。,在于惰性材料仅仅是以机械锁合的方式进行骨的替换与修复，而不能与活体组织有效键合。,缺点,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。这类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢进行转换的钙（Ca）、磷（P）等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基（-OH）等基团。,羟基磷灰石,生物活性玻璃,第二节生物活性玻璃,生物活性玻璃是一类能对机体组织进行修复、替代与再生、具有能使组织和材料之间形成键合作用的材料。生物活性玻璃（bioactiveglass，BAG）在1969年由Hench发现，由SiO2，Na2O，CaO和P2O5等基本成分组成的硅酸盐玻璃。生物活性玻璃的降解产物能够促进生长因子的生成、促进细胞的繁衍、增强成骨细胞的基因表达和骨组织的生长。是迄今为止唯一既能够与骨组织成键结合，同时又能与软组织相连接的人工生物材料。,概念,生物活性玻璃,生物活性玻璃的组成主要为:SiO2、Na2O、CaO、P2O5等，其表面发生反应的能力与主要成分的组成比密切相关。当生物玻璃植入人体内时，局部的pH值可增加到10，先在生物玻璃表面上形成富硅层，然后在其表面形成钙磷层。钙磷来源于体液中的Ca、P及生物玻璃本身溶出的Ca、P，这个Ca-P层属于一种活性羟基磷灰石层，在化学组成和结构上，它与骨的矿物成分相近。这两个反应层在植入初期形成，然后由来源于宿主的成骨细胞和胶原纤维与生物玻璃表面接触并融入富硅层，最终形成骨组织。,一、生物活性玻璃的特性1.生物活性玻璃的结构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点：生物相容性好。材料植入体内，无排异、炎症及组织坏死等反应。与骨结合强度大。界面结合能力为12.3MPa，大于羟基磷灰石（9.6MPa）钴铬钼合金（1.5MPa）等参考物。成骨较快。动物实验表明，植入体内1周材料表面出现骨细胞，1个月骨矿物代谢进入高峰期，而参照物锆磷灰石为1.5-2个月，钛合金未见活跃期，这对种植体提高早期固位成活率有利。可按使用目的选择不同孔隙度。多孔性材料孔径为100500m,孔隙率50%以上，组织液和骨细胞容易长大，促进修复过程。,1、可加工生物活性微晶玻璃生物活性玻璃陶瓷与羟基磷灰石陶瓷相比，主要的特点是，具有多元组成，可在较大范围内调整其组成、结构和相成分，赋予其新的性能，如生物活性，可切削性、可降解性、自凝固能力、化学稳定性以及可调控的力学性能等。生物玻璃经微晶化处理可提高母体玻璃强度几倍至几十倍。生物微晶玻璃含适量玻璃相，成型加工性能好、容易制成多种形态的医用器件、制造工艺成熟、产品性能稳定、易于批量生产，可以铸造、压型烧结、涂层复合、优于普通磷酸钙陶瓷。,生物活性微晶玻璃,为了得到良好的加工性，可以通过受控晶化在某些玻璃基体中析出适当大小的云母晶体。,2、钙磷基生物活化微晶玻璃,（1）钙磷基微晶玻璃的制备生物材料必须具有生物相容性，对生物组织没有任何刺激性及毒副作用。钙磷微晶玻璃是以CaO-P2O5和CaO-P2O5-SiO2体系为基础，再加入Al2O3、MgO、Na2O、TiO2等添加物，这些添加物主要作用是促进体系微晶成核和降低材料熔融温度。,制备钙磷微晶玻璃的试验方法,熔融法,溶胶-凝胶法,多孔微晶玻璃的制备方法,一是利用玻璃分相原理，经热处理在玻璃中获得可溶晶相，再用酸侵蚀掉可溶相，形成多孔材料。二是先合成玻璃粉末然后加入诸如CaCO3、PMMA、淀粉等作发泡剂，烧结发泡成为多孔材料。,（2）钙磷微晶玻璃的组成目前生物玻璃主要被用作骨的替代材料，根据天然骨的成分，在选择生物玻璃组分时，钙和磷是主要成分，同时为了形成微晶玻璃，一般还需要加入其它的组分，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决于钙和磷组分在材料中的结合状态，以及其它组分的作用。,生物活性玻璃的应用,1、骨修复和替代,自体骨：移植物在同一体内，由一处移向另一处。,同种异体骨：是同种类一个个体给另一个个体的移植，移植物具有不同的遗传特征，同受体组织将要发生免疫反应。,人工骨材料：它是一类可对机体组织进行修复、替代与再生，具有特殊功能作用的材料，该类材料在临床的应用，为患者恢复正常的生理功能提供了可能。,骨修复替代材料来源,中国每年就有超过10万个骨外科移植手术。目前，中国约95%的人工关节均系国外进口，手术费用高昂。目前常用于骨缺损修复的是多种人工骨复合材料。,骨修复替代材料修复骨缺损的选择与应用,2、癌症治疗的应用将磁性生物活性玻璃陶瓷植入病变部位，在外加交变磁场下，材料可以在该部位生热，杀死肿瘤细胞而不伤害到正常组织，并且通过类骨磷灰石层与组织形成化学键合，促进组织修复，被认为是肿瘤热疗的有效热种子，特别适用于已产生骨质破坏的肿瘤。Lee等研究了无细胞毒性的Fe2O3-CaO-SiO2磁性生物活性玻璃陶瓷在体外对肿瘤细胞的杀伤作用。,3、与骨形成蛋白复合作用生物活性玻璃和骨形成蛋白联合治疗牙周骨缺损中研究生物活性玻璃和骨形成蛋白复合物治疗牙周骨缺损的疗效。4、生物活性玻璃作人工角膜周边材料的应用,5、牙周病和牙周病缺损治疗,如何使局部的骨丧失重新再生,是牙周病治疗的难题之一。目前的治疗方法包括自体骨移植,异体骨移植,异源体移植,引导组织再生(GTR)或GTR与脱矿冻干骨(deminerizedfreez-driedboneallograft)结合使用等。,美国学者Fether等在猴模型上手术形成牙周骨质缺损,分别用同样大小的生物玻璃(45S5倍骼生)、羟基磷灰石及磷酸三钙颗粒进行移植修复,并设立一个无移植物的对照组,结果发现生物玻璃组取得最优组织学修复效果,牙周骨新生程度及牙骨质再生均为最佳,6、牙槽嵴的保持和重建根分叉处骨缺损治疗,Ancleregg等对15例中度或重度牙周炎患者的30处下磨牙根分叉病变进行治疗,随机分为实验组、对照组。实验组行根向复位瓣术加生物玻璃(45S5倍骼生)植入,对照组仅用根向复位瓣术,并以探诊出血情况及探诊牙周袋深度作为评价标准。结果显示实验组效果明显优于对照组。故认为生物玻璃是治疗II型根分叉病变的有效材料。,拔牙后残留牙槽嵴的不断吸收一直是困扰口腔医师与患者的难题,这给义齿修复带来很大的困难。1987年Stanly等报道,将242个生物玻璃锥(45S5倍骼生)植入29名病人新鲜牙槽窝内(107个于上颌牙槽窝,135个于下颌牙槽经过5年观察,生物玻璃锥的保存率达到了85.7%,因此认为生物玻璃锥植入新鲜牙槽窝用于保持牙槽嵴的方法值得推荐。,7、盖髓和作为护牙剂成分有学者在动物实验中对生物玻璃的盖髓作用进行了研究:覆有生物玻璃(45S5倍骼生)的所有标本都有一层修复性牙本质形成。生物玻璃盖髓是值得探索的临床应用方向。,第三节磷酸钙生物活性材料,一、磷酸钙化合物生物活性磷酸钙陶瓷，主要指磷灰石，包括羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）以及双相磷酸钙陶瓷灯。目前应用最多的是HA。磷酸钙骨水泥具有自固化特性，可作为一种任意塑型的新型人工材料用于骨缺损填充。二、磷酸钙的结构和特点1、磷酸钙的结构以羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）为代表的磷酸钙（Ca-P）陶瓷，作为生物活性材料广泛应用于骨修复。,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为理想的人工医学材料已得到广泛研究和临床应用,越来越显示出惰性生物材料所不能比拟的优势。就生物活性材料来说以下几个方面值得研究:1、生物活性陶瓷同传统陶瓷一样需要高温结烧成型,这样有些材料的活性不免会受到影响，使得活性大大降低,因此在制备工艺上可寻求低温合成路线,如溶胶凝胶法、液相反应等技术。2、生物活性玻璃及生物活性陶瓷像普通玻璃与陶瓷一样存在力学弱点,即脆性大,因而限制了其应用范围。通过某些途径使材料增强,