第五章生物功能玻璃

1、第五章第五章 生物功能玻璃生物功能玻璃5.1 5.1 概述概述 生物功能玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。 生物功能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复，其前景可观。 用作生物体材料的条件1、无毒，对人体组织无刺激、无致癌性、不造成血栓、对人体无其它有害的副作用；2、与生物体组织具有亲和性，即相容性较好；3、与周围的骨骼及其它组织能够牢固地相结合（希望形成化学键合）；4、抗张、抗弯、抗压以及抗剪切等强度比自然骨骼大，在人体中各

2、种强度的疲劳（强度随时间降低的现象）较小；5、耐磨损性较强；6、硬度与弹性要与自然骨骼相同；7、易于加工成型；8、消毒方便。 可以说1、2、3都是生物学条件，4、5、6都是力学条件，而7、8是便于使用的条件。 含有CaO、P2O5两种成分的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2晶体，是构成生物体的自然骨骼的重要无机物质。即在骨骼中，直径为数10nm以下的羟基磷灰石微晶约占77，纤维蛋白骨胶原约占23。 5.2 生物玻璃的分类、组成及制备5.2.1 5.2.1 分类分类 第一类 可相容的生物玻璃，以Na2OCaOSiO2 P2O5系统的45S5为代表，其表面能够在生物体溶液作用下出现溶解或生产

3、离子交换，或与生物的骨骼、牙齿等相互结合，但它本身却不能全部出现替换。 第二类 相容性与活性结合良好的生物玻璃，主要是以以CaOP2O5系统为基础的玻璃和微晶玻璃。这种玻璃既无毒性也呈生物活性既无毒性也呈生物活性，其组分与生物体本身的组织如骨骼和牙齿的组成较为相近，材料将与人体组织成键联结，生物亲和性好，可以参与新陈代谢，是较为理想的生物材料。 第三类 可相容但无活性的生物玻璃，一般不与生物体组织完全结合，以MgOAl2O3 SiO2系堇青石微晶玻璃为代表。 5.2.2 生物玻璃的化学组成及制备 生物玻璃由钠、钙、硅、磷的氧化物组成，其制备工艺有两种：1、经高温熔制、成型再退火，成分范围为（w

4、t%）： SiO2 42.165.7 ； Na2O 1526.3 ；CaO 11.7626.9 ； CaF2 010.8 P2O5 1.73.0 ； B2O3 01.8 ；Al2O3 00.6（如生物玻璃45S5：SiO2 45 ；Na2O 24.5；CaO 24.5 ； P2O56； ） 2、用溶胶凝胶法，有利于制备形状较为复杂的产品。 成分范围为（wt%）： SiO2 5090 ； CaO 646 ； P2O5 4 5.3 生物玻璃的物理与化学性质 生物玻璃的孔隙率、比表面积、孔径大小和分布、机械强度和硬度以及化学吸附性、化学稳定性和表面离子交换性质是很重要的性质。 几种材料的性能对比 材

5、料性能天然牙齿天然骨一般瓷牙生物微晶玻璃硬度（Knoop）360360390390 460460360360370370耐压强度/MPa） 410410170170180180350350膨胀系数/11.411.410106 68 8111110106 64.14.110106 610.110.110106 6密度/g/cm32.92.93.03.01.71.72.42.42.72.7结晶程度 - 5050707050505.3.1 生物玻璃的气孔分布与强度1、影响强度的因素： 生物玻璃或微晶玻璃的气孔率对强度有显著的影响。当材料气孔率较高时强度较低，若材料烧结得很致密，气孔率低，则强度较高。

6、但强度大小并不是由气孔率决定的，影响强度的重要因素还有晶相性质、晶相尺寸、晶相和玻璃相的比例以及它们之间的分布结合情况。（若不采用烧结法，通常是没有气孔的。） 2、气孔对材料生物活性的影响 有关医学试验表明，当材料中存在100um的气孔，对新骨组织的形成是有利的。因此，按实际应用时的活性作比较，多孔玻璃比无孔玻璃要好些。但是，多孔材料的强度较差。从各方面权衡利弊，目前似乎一致认为，如果材料活性好，在较短时间内可与生物本身组织长合在一起，则原始强度稍差也没有关系，特别是植入受力影响小的部位，更是无碍。 有些材料即使强度很高，而生物活性不好，甚至是惰性的（如氧化铝瓷），则植入后只能让活组织包覆于其

7、上，虽说材料是生物相容的，实际上并不能互相合一，所以结合面上的强度不会有所提高，本质上反而不如初始强度低而活性好的材料能够在植入后期产生高的强度。 5.3.2 5.3.2 生物玻璃的化学稳定性和活性生物玻璃的化学稳定性和活性 生物玻璃的化学稳定性不仅是指材料本身在化学介质中耐受侵蚀的问题，同时也是同活性相关的。一般来讲，具有生物相容性的玻璃，它们的化学稳定性可能表现极好（如MgOAl2O3 TiO2SiO2系统微晶玻璃，几乎是惰性材料，无活性）；或者表现较差；或易于溶解吸收让组成物参与新陈代谢，但在生物活性上表现出一定的差别（45S5玻璃中的SiO2含量较低，不足以形成连续坚强的网架，玻璃中的

8、Na离子容易沥滤掉，同时，钙、磷组分便容易参与生物体内的代谢，并使新生骨基质存在依附的处所）。1、CaOP2O5系统玻璃 该系统玻璃的化学稳定性受玻璃组成中CaO/P2O5比影响很大，尤其是玻璃中如果发生了分相，化学稳定性的表现更为复杂。总的来说，CaOP2O5系统玻璃或微晶玻璃对生物体的相容性和活性是良好的。如果CaO/P2O5越高，则材料与天然骨组成越接近，材料的化学稳定性越差，也就越容易降解或转化；但是CaO/P2O5比太高，则形成玻璃有困难。 在某些情况下，CaO/P2O5比较低的玻璃会分相：在分出的富钙相中，CaO/P2O5比例明显增高，导致该相组成向天然骨组成靠拢，即使一旦析晶，其

9、晶相与生物体骨质也易互相配合，且又伴随着分出玻璃相化学稳定性的下降，该相的生物活性将有所提高。在分出的富磷相中，由于玻璃结构中PO4存在着一个双键氧，结构比较疏松，化学稳定性也不好，因此，这种富磷玻璃相或晶相，也可参与代谢而得到转化。 2、CaOMgOSiO2P2O5系统微晶玻璃 析出的晶相有磷灰石和硅灰石。虽然这两种晶体的化学稳定性比CaOP2O5系统分出的玻璃相好，与生物体骨骼的结合也不差，但降解取代作用有所减弱。 3、CaOCaF2Al2O3SiO2系统玻璃 主要作为玻璃离子体粘固粉在口腔医学上应用，与聚合酸（起调合作用）作用后较稳定。这类玻璃中SiO2含量较低，碱土金属离子和铝离子含量

10、较高，而且有大量的F离子或一定量的P2O5。玻璃结构中可能包含SiO4、SiO3F、PO4等四面体基团，在二价和三价阳离子的配入联结下，玻璃结构内部将存在许多孤立四面体或聚集程度较小的四面体结构基团。 在冷却时，玻璃粘度增大很快，质点无序排列，且该组成的玻璃具有很大的分相析晶能力，水淬玻璃出现组成局部不均匀，其中富钙相化学稳定性较差，易被酸性溶液所浸析，与聚合酸重新键合而粘固成一个整体。也就是说，玻璃离子体粘固粉与聚丙烯酸调合凝固后，生成一些复杂的无机和有机高分子共聚物，它们与表面受过侵蚀的玻璃颗粒以及新生的硅酸凝胶混合物，最终结成一个牢固的整体。 5.4 生物功能玻璃的应用1、人造骨 不锈钢

11、或钛铝合金的生物玻璃涂层和复合材料理想的人造骨既具有结构强度又要具有生物活性，可惜目前结构强度附合要求的人造骨材料都不具有生物活性，而包括生物玻璃在内的生物陶瓷材料，虽具有生物活性，但由于其脆性，本身并不能作人骨材料。 而在不锈钢、Co-Cr合金、Ti-Al合金上涂以生物玻璃涂层或将不锈钢、钛纤维与生物玻璃以4：6到6：4的体积比进行复合，使其在硬度、韧性以及弹性模量上与人骨匹配。此外，生物玻璃粉与某些特殊的溶剂混合配制成粘合剂，能使骨骼破裂损伤处合缝相联。 2、中耳骨 是生物玻璃最早的产品，移植在人耳中，能使某些耳聋患者恢复不同程度的听力，特别是辅以一些微电子装置（助听器），患者能恢复较理想

12、的听力。 3、新型牙齿修补材料 要求：高强度、耐磨、耐冲击；体积变化小；透明或半透明；色彩稳定、与口腔液体无反应；与人体组织相容，无毒、无过敏；易操作、价格低。 补牙玻璃粉组成： SiO2 28.5 ；Al2O331.1；CaO11.0； Na2O8.7；P2O59.5；F18.3。 人工牙齿 以Corning公司的Dicor为代表，其典型化学成分为(wt%)： SiO2 54 56 ；Al2O3 0 2； MgO1520；K2O1218；F49； ZrO215；CeO20.05.4、药物治疗载体 药物治疗载体是生物玻璃最有前景的应用之一。各种各样的药物储存在多孔的生物玻璃中，然后植入人体的有关关键部位，随着生物玻璃表面反应的进行，药物将释放，达到有的放矢的治病目的，此方法与传统的注射方法相比，有均匀、长时间治疗等优点，有最大效率的疗效。 近年来，利用玻璃治疗癌症方面有了新的突破。将玻璃送到癌肿器官附近，利用玻璃中的放射线或发热而杀死癌细胞，前者如Day等发明YAS玻璃，这是一种由钇铝硅酸盐制成的比重很轻的玻璃微球，通过中子激活使钇成为能发射射线的Y90同位素。若将这些微球送到肝癌