生物玻璃材料

1、第四节第四节 生物玻璃材料生物玻璃材料 4.1 4.1 定义定义 生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发 生物活性的含氧化硅化合物。生物活性的含氧化硅化合物。 玻璃生物管 一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀，一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀， 将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻 璃浇注成型（板、条、块等形状），然后璃浇注成型（板、条、块等形状），然后 在适当温度进行退火处理（消除应力），在适当温度进行退火处理（消除应力）， 即可得到玻璃。即可得到玻璃。 玻璃器皿 玻璃管玻璃珠 1970, 1970, 美美Florid

2、a Florida 大学大学L. Hench L. Hench 开发开发 45S545S5生物玻璃，成分：生物玻璃，成分：SiOSiO2 2：45%45%，NaNa2 2O O： 24.524.5，CaOCaO：24.524.5，P P2 2O O5 5：6 6. . 19821982，日本京都大学小久保研制，日本京都大学小久保研制A-WA-W微晶微晶 玻璃，成分：玻璃，成分：SiOSiO2 2：34.2%34.2%，CaOCaO：44.944.9， P P2 2O O5 5：16.316.3 , MgO, MgO：4.64.6，CaFCaF2 2：0.50.5. . 4.2 4.2 生物玻璃

3、的发展生物玻璃的发展 我国生物玻璃的研究已达二十多年, 现已成 为材料学、生物化学以及分子生物学的交 叉学科。 由于生物玻璃具有人体硬或软生 命组织有机联结的特点, 在骨科、牙科、中 耳等方面, 对人体的伤害部位可进行修护治 疗以至康健, 其前景可观。 骨修复牙修复 生物玻璃主要由si、N a 、Ca 以及P 的氧 化物组成。 被发现具有生物活性的玻璃已 有一系列组成, 并且对这些系列玻瑞已积累 了大量的模拟人体溶液实验数据.常用的模 拟人体溶液有两种: （1）是Tris 缓冲液; （2）是离子浓度与人体液体中含量相近的模 拟人体溶液。 理论研究发现, 当生物玻璃浸在类人体溶液 中时, 其表面

4、将发生五步系列反应以及在表 面建立起双电层和负的Z et a 电势, 从而诱 导含碳的经磷灰石在生物玻璃表面的沉积 和结晶, 而经磷灰石被公认在与硬或软体组 织连接中起关键作用;除溶液实验外, 生物玻 璃在动物移植实验中实际地发现了与硬或 软组织的有机联结, 基于这些研究成果, 已 有生物玻璃产品出现在市场上。 磷灰石 生物玻璃在世界广泛的应用, 给人类医疗健 康带来又一突破性进展, 将取决科学研究对 无机材料怎样与有机体相联结的进一步了 解, 以及更为广泛的积累动物和人体的实验 数据。 4.3 微晶玻璃 如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理， 则玻璃中可

5、析出大量微小晶体（一般小于则玻璃中可析出大量微小晶体（一般小于 1nm1nm），这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化），这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化 玻璃或玻璃陶瓷。玻璃或玻璃陶瓷。 微晶玻璃凹埚 微晶玻璃复合材料 微晶玻璃中通常含有微晶玻璃中通常含有50509090的微的微 小晶体成分，而非晶态小晶体成分，而非晶态( (玻璃态玻璃态) )含含5 5 5050，玻璃相把微小的晶粒连结，玻璃相把微小的晶粒连结 起来。起来。 4.3.1 微晶玻璃的特点 4.3.2 微晶玻璃的性质 微晶玻璃较普通玻璃的机械强度微晶玻璃较普通玻璃的机械强度( (抗压强度、抗压强度、 抗冲击强度、抗弯强度、硬度、耐磨抗冲击

6、强度、抗弯强度、硬度、耐磨) )有很有很 大提高。大提高。 全 球 生 物 玻 璃 生物玻璃材料与生物陶瓷一样，按其与生生物玻璃材料与生物陶瓷一样，按其与生 物体组织相互作用情况分为两类：物体组织相互作用情况分为两类： （1）非活性的近似惰性）非活性的近似惰性 （2）生物活性的）生物活性的 4.4 生玻璃的分类 4.4.1 惰性生物玻璃惰性生物玻璃 惰性生物玻璃在生物体中由于体液的用，惰性生物玻璃在生物体中由于体液的用， 只是表面组成出现少量的脱碱作用或因硅只是表面组成出现少量的脱碱作用或因硅 氧网络稍有溶解而产生变化，基体则未发氧网络稍有溶解而产生变化，基体则未发 生改变。生改变。 4.4.

7、2 活性玻璃活性玻璃 活性玻璃则由于体液作用，玻璃中碱性离活性玻璃则由于体液作用，玻璃中碱性离 子和硅氧网络在浸蚀过程中逐渐破坏，离子和硅氧网络在浸蚀过程中逐渐破坏，离 子溶解并进入体液中循环。子溶解并进入体液中循环。 总体上看，生物玻璃较降解性陶瓷降总体上看，生物玻璃较降解性陶瓷降 解速度慢，组织反应活性差一些，但活性解速度慢，组织反应活性差一些，但活性 高于惰性生物材料。高于惰性生物材料。 活性玻璃生物相容性好，植入体内后能在活性玻璃生物相容性好，植入体内后能在 界面上通过一系列离子交换和溶解界面上通过一系列离子交换和溶解沉淀沉淀 反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下反应，在其表面形成磷灰

8、石晶体，残留下 的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质 类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造 骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨 胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及 组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在 其表面生长，其生物活性主要与化学组成其表面生长，其生物活性主要与化学组成 相关。相关。 生物活性玻璃与骨组织间的反应 玻璃与骨组织形 成界面键合区界面键合区 生物玻璃大多是与磷酸盐有关的玻璃和生物玻璃大多是与磷酸盐

9、有关的玻璃和 混合材料，或是含磷的硅酸盐玻璃、高混合材料，或是含磷的硅酸盐玻璃、高 氟铝硅酸盐玻璃。它们一般含有氧磷双氟铝硅酸盐玻璃。它们一般含有氧磷双 键键(P(PO)O)、硅氟键、硅氟键(Si(SiF)F)或铝氟键或铝氟键 (Al(AlF)F)。 硅酸盐玻璃高氟铝硅酸盐玻璃 活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求 SiOSiO2 2的含量低于的含量低于60%60%，同时含有，同时含有NaNa2 2O O以及以及CaOCaO P P2 2O O5 5。 与生物陶瓷一样，生物玻璃具有一定与生物陶瓷一样，生物玻璃具有一定 大小的孔径，维持一定的孔率是保持生物大小

10、的孔径，维持一定的孔率是保持生物 活性的关键因素之一。活性的关键因素之一。 纯粹玻璃的成型有一个熔融过程，常纯粹玻璃的成型有一个熔融过程，常 用致孔剂难以有效形成多孔结构、特别是用致孔剂难以有效形成多孔结构、特别是 难以形成开口的孔隙；难以形成开口的孔隙； 可以仿照陶瓷的烧结过程，将一些微晶可以仿照陶瓷的烧结过程，将一些微晶 玻璃原粉，通过磨细后加致孔剂静压成型，玻璃原粉，通过磨细后加致孔剂静压成型， 然后在高温下烧结得到多孔结构体。然后在高温下烧结得到多孔结构体。 作为骨组织替代物或填充材料，一定的力作为骨组织替代物或填充材料，一定的力 学强度是必须的。学强度是必须的。 生物玻璃的抗压强度以

11、及其他主要物理性生物玻璃的抗压强度以及其他主要物理性 质质( (密度、热膨胀系数等密度、热膨胀系数等) )均与人体骨相近，均与人体骨相近， 但韧性较人体骨组织差，通过加入特殊组但韧性较人体骨组织差，通过加入特殊组 分可改善生物玻璃的韧性，甚至得到可切分可改善生物玻璃的韧性，甚至得到可切 削的生物玻璃。削的生物玻璃。 例如：组成为例如：组成为MgO(15.5MgO(15.5) )、AlAl2 2O O3 3(12.6(12.6) )和和 SiOSiO2 2(71.9(71.9) )的玻璃，当部分氧原子被的玻璃，当部分氧原子被F(11.2F(11.2) ) 原子取代后，再掺杂原子取代后，再掺杂5.

12、25.2氧化钠得到可切削玻璃；氧化钠得到可切削玻璃； 加入少量加入少量CaOCaO、P P2 2O O5 5不会影响其机械性质而形成生不会影响其机械性质而形成生 物活性玻璃。物活性玻璃。 4.5 4.5 生物玻璃在医学中的应用：生物玻璃在医学中的应用： 生物玻璃主要用于人工骨、人工牙或生物玻璃主要用于人工骨、人工牙或 骨缺损部位的填充等，少数作为人工关节、骨缺损部位的填充等，少数作为人工关节、 断指连接材料。也可作为钛合金牙种植体断指连接材料。也可作为钛合金牙种植体 的表面涂层。的表面涂层。治疗用生物玻璃。治疗用生物玻璃。 （1 1） 人工骨用生物玻璃，它具有良好的耐人工骨用生物玻璃，它具有良好的耐 酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能； （2 2）治疗用生物玻璃，可埋入肿瘤部位，通）治疗用生物玻璃，可埋入肿瘤部位，通 过在磁场下发热的特性或其内部的同位素过在磁场下发热的特性或其内部的同位素 放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物 相容性；相容性； （3）治疗用生物玻璃，可埋入肿瘤部位，）治疗用生物玻璃