生物陶瓷及其复合材料

1、31.03.2021,1,新型陶瓷材料,Advanced Ceramics,31.03.2021,2,第九章 生物陶瓷及其复合材料,31.03.2021,3,参考书,钦征骑，新型陶瓷材料手册，江苏科学技术出版社，1996,郑昌琼，冉均国，新型无机材料，北京：科学出版社，2003,31.03.2021,4,9.1 生物陶瓷的概述及分类,按照材料类型，生物医用材料可分为：高分子材料；无机非金属材料；金属材料；复合材料；天然生物材料。,生物医用材料：是一类具有特定功能和特殊性能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、检查、治疗疾患等，且对人体组织、生理、生化不产生不良影响的材料。,生物陶瓷：作为无

2、机非金属材料在生物医学领域占有重要地位并已有广泛应用，其主要应用是人体硬组织的修复替换等内植入，如人工牙、人工骨、人工关节等。,31.03.2021,5,构成材料的物质，以离子键或共价键结合为主。 耐压强度高、硬度高、耐磨损等；化学稳定性好，在体内不易溶解、不易氧化、不易磨蚀；热稳定性好，易于灭菌消毒；与人体组织亲和性好，几乎看不到人体组织对其的排斥作用。 (2) 材料制品的组成范围较宽，可以灵活地设计组成和调制性能。如降解生物陶瓷，可根据在体内不同部位的应用调节降解速度，使之与骨生长速度匹配，满足临床要求。 (3) 成型方法多，可根据需要制成各种形状和尺寸，致密或多孔结构等。 (4) 易于着

3、色，如陶瓷牙冠与天然牙齿外观逼真，利于整容、美容手术。,31.03.2021,6,31.03.2021,7,人体器官和组织往往因疾患、受伤、老化或先天畸形等损伤或缺损而丧失原有或应有的功能，需修复、再造人体损伤器官和组织，有效地医治人类疾病、维持人类的健康和延长人类寿命。,生物相容性角度： 采用患者自身的同种组织作修复材料最为理想，但这增加了患者的痛苦和感染机会，且材料源受到很大的限制。 采用异体材料(如动物骨)，虽材料源不受限制，但有抗原性。 研制具有修复功能的人工替换材料，十分重要,9.2 生物功能性和生物相容性,31.03.2021,8,生物功能性,代替患病、缺损或衰老的硬组织,矫治先天

4、畸形,恢复硬组织的形态和功能,整容和美容,31.03.2021,9,生物陶瓷必须对生物体无毒、无害、无刺激、无过敏反应、无致畸和致癌等致突变作用，同时，它又不会被生化作用所破坏。,相容性,生物相容性,生物陶瓷植入生物体后，能和生物组织很好地结合，这种结合可以是组织长人不平整的植入体表面所形成的机械嵌连，也可以是植入体和生理环境间发生生化反应而形成的化学键结合。,力学相容性,生物陶瓷不仅应具有足够的强度，不发生灾难性脆性断裂、疲劳、蠕变及腐蚀断裂，而且其弹性形变应当和被替换的组织相匹配。植人体的力学相容性取决于它所承受的应力大小、组织间形成的界面性质以及材料本身的弹性模量。,与生物组织有优异的亲

5、和性,植入材料必须能以无菌状态生存下来，不会因环境条件如干热、湿热、气体、辐射等的作用而改变其功能，使接触的宿主组织受到感染。,抗血栓,物理化学稳定性,灭菌性,生物陶瓷作为植入材料和人体血液相接触，要求植入物不会对血液细胞造成破坏，不会形成血栓。,在体内长期稳定，不分解、不变质、不变性,31.03.2021,10,9.3 惰性生物医用陶瓷,氧化铝陶瓷,氧化锆陶瓷,碳材料,31.03.2021,11,生物活性:是指材料能在其表面引起正常的组织形成，并且在它建立的连续性界面能够承担植入部位所承担的正常负荷，此时这类植入材料能表现出最佳的生物相容性。,9.4 表面活性生物陶瓷,生物活性陶瓷材料,生物

6、相容性优异,与骨能形成骨性结合界面,结合强度高,稳定性好,植入骨内还具有诱导骨细胞生长,参与代谢,生物陶瓷,可完全与生物体骨和齿结合成一体,31.03.2021,12,生物活性玻璃材料于二十世纪七十年代研制出来。,1、 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物医用玻璃 成分是：45SiO2，24.5Na2O，24.5CaO，6P2O5，命名为45S5。 玻璃埋入骨的缺损部，一个月内玻璃与骨之间可形成牢固的生物化学结合。,9.4.1 生物活性玻璃和玻璃陶瓷,这类生物玻璃抗折强度较低，约为7080MPa，不能用于强度要求高的人工骨和关节植入，可以埋人拔牙后的齿槽孔内，防止齿槽孔萎缩，也可用于中耳

7、的锤骨等。,31.03.2021,13,2、Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷 45S5玻璃中K、Na的含量较高，因而其化学稳定性、长期耐久性及强度均不够理想。为了减少玻璃中的碱金属含量，增加人体需要的P、Ca含量，更适应植入物的生理学要求，并使玻璃中能析出磷灰石微晶，又研究出一系列新的生物活性玻璃陶瓷材料。,代表组成是： Na2O 4.8，K2O 0.4，MgO 2.9，CaO 34.0，SiO2 46.2，P2O5 11.7。 这种材料比高碱生物玻璃具有更好的稳定性，可与骨组织之间产生牢固的化学结合。,31.03.2021,14,3、MgO-CaO-SiO2-P

8、2O5系玻璃陶瓷 这类玻璃陶瓷不仅含有磷灰石结晶，而且还含有子CaSiO3晶体析出，而且不含Na、K成分。 代表成分：MgO 4.6、CaO44.9、SiO2 34.2、P2O5 16.3、外加CaF2 0.5，称为A-W微晶玻璃陶瓷。,这种材料一般是在白金坩埚中1450熔融，然后将熔体倒在不锈钢板上急冷。析晶处理按60/h，加热至1050，保温4h。有更好的机械性能，其抗折强度为178MPa，抗压强度为1040MPa，断裂韧性KIC为2.0MPam1/2。 可以切削加工成各种形状，便于应用，可用做承受很大弯曲应力的长管骨、椎骨等的置换材料。,31.03.2021,15,磷酸钙陶瓷: 具有不同

9、钙磷比的一类系列陶瓷材料，其中对磷灰石的研究最多。 自然骨和牙齿是由无机材料和有机材料巧妙地结合在一起的复合材料。 无机相：大部分是羟基磷灰石(HAp)结晶，还含有CO2-、Mg2+、Na+、Cl-、F-等微量元素。 有机相：大部分是纤维性蛋白骨胶原。 在骨质中，羟基磷灰石大约占6070，它是一种长度为2040nm，厚度为1.53nm的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。齿骨的结构也类似于自然骨，但齿骨中羟基磷灰石的含量可高达97。 磷酸钙生物医用材料研究与应用还包括磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙等。,9.4.2 磷酸钙生物陶瓷,31.03.2021,16,1、 羟基磷灰石材料 磷灰石：化学

10、式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO43-和Z-位置上不同的离子替换可形成一系列固溶体。,医用磷灰石类陶瓷: 最常见的是羟基磷灰石(HAp)，晶体结构在(001)面的平面投影 属于P63/m空间群的六方结构，晶胞尺寸: a=b=0.942nm，c=0.688nm，密度:3.13.2g/cm3。,31.03.2021,17,羟基磷灰石的人工制备主要有如下几种方法:,(1) 水溶液反应法,(2) 固相反应法,(3) 水热法,31.03.2021,18,HAp在结构、化学性质及组成上的差异：主要源于材料制备处理技术、时间、温度以及环境条件等的不同。,对化学计量配比的羟基磷灰石从室温加热，材

11、料将逐渐脱水。 在25200之间，可逆性地失去吸附水； 在200400之间，晶格结合水不可逆地失去并引起晶格收缩，这种结晶水一般仅存在于从水溶液系统制备出的磷灰石。 温度超过850以后，出现可逆的失重，形成了氧羟基磷灰石。 超过1050， HAp将分解成为-磷酸三钙(-TCP)和磷酸四钙。,温度高于1350， -TCP转化为 -TCP，冷却后 -TCP将被保持下来,31.03.2021,19,HAp材料在水相环境中的溶解行为：显著依赖于晶体的化学组成。 表面离子交换性质与如下因素有关： 不同相的形成和溶解速率； 材料粉体与液体体积之比； 水相pH值环境； 粉体比表面； 结晶完整性、晶体缺陷、杂

12、质及空位； 替代离子的作用。,31.03.2021,20,HAp具有吸收、聚集体液中钙离子的作用，参与体内钙代谢，其作用与骨组织作用相似。 HAp具有优良的生物相容性，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，即“骨引导”作用，但其不具有诱发成骨的能力，即不具有“骨诱导”作用。 HAp和骨组织之间的结合生长，是一个较为复杂的生化过程，人工合成的HAp由于合成工艺方法、热变化等过程不同，使材料的成分、结构、物化性能有所不同，这对骨组织结合生长会带来很大的影响。,由于HAp的脆性和生理环境中的疲劳破坏，不能用做承载力大的骨替代材料。而主要用于如口腔种植、颌面骨缺损修复、耳小骨替换、脊椎骨等机械强度要求不

13、高的替换部件。,31.03.2021,21,作为生物医用材料，金属材料的优点: 是高强度、高韧性、易于机械加工等，其缺点: 则是生物相容性较差，耐磨蚀性能不理想，在体液中金属离子易释放和迁移，对人体组织和器官产生不良影响。 生物陶瓷材料：恰好相反，其具有良好的耐蚀性，优异的生物相容性，但其最大的缺点：脆性，抗机械冲击性能差。 在金属基体或其他高承载能力的材料表面加涂各种生物陶瓷涂层或薄膜，可以兼顾各种材料的优点，扬长避短。 研究和应用的各种无机生物材料涂层。,9.5 涂层和复合材料,9.5.1 涂层材料,31.03.2021,22,无机生物材料涂层, 等离子喷涂技术 离子束溅射沉积技术 电泳沉积技术 烧结涂层技术,31.03.2021,23,生物医用复合材料是针对单一相材料性能上的局限性而设计制造的，由于其兼顾了各种材料间的性能，因而可以说生物医用复合材料比单一组分材料有更大的优越性。 自然骨材料也是一种复合材料，不过其各相成分在结晶形态、有序取向、空间分布有更精细的组织结构。 生物医用复合材料大致可归纳为三种不同类型的设计目标： 利用生物陶瓷第二相组分有利的组织反应； 利用生物陶瓷材料作为第二相获得满意的强度和刚度； 为组织修复再生合成非永久性支架材料。,9.5.2 复合材料,31.03.2021,24,生物医用复合材料的复合系统, 羟基磷灰石生物玻璃系统 用于改善与骨组织