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新型陶瓷材料主讲：杨儒北京化工大学材料学院AdvancedCeramics10/10/1第九章

生物陶瓷及其复合材料10/10/2参考书钦征骑，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，10/10/39.1生物陶瓷概述及分类按照材料类型，生物医用材料可分为：①高分子材料；②无机非金属材料；③金属材料；④复合材料；⑤天然生物材料。生物医用材料：是一类含有特定功效和特殊性能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊疗、检验、治疗疾患等，且对人体组织、生理、生化不产生不良影响材料。生物陶瓷：作为无机非金属材料在生物医学领域占有主要地位并已经有广泛应用，其主要应用是人体硬组织修复替换等内植入，如人工牙、人工骨、人工关节等。10/10/4组成材料物质，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排斥作用。(2)

材料制品组成范围较宽，能够灵活地设计组成和调制性能。如降解生物陶瓷，可依据在体内不一样部位应用调整降解速度，使之与骨生长速度匹配，满足临床要求。(3)

成型方法多，可依据需要制成各种形状和尺寸，致密或多孔结构等。(4)

易于着色，如陶瓷牙冠与天然牙齿外观逼真，利于整容、美容手术。10/10/510/10/6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功效，需修复、再造人体损伤器官和组织，有效地医治人类疾病、维持人类健康和延长人类寿命。生物相容性角度：采取患者本身同种组织作修复材料最为理想，但这增加了患者痛苦和感染机会，且材料源受到很大限制。采取异体材料(如动物骨)，虽材料源不受限制，但有抗原性。研制含有修复功效人工替换材料，十分主要9.2生物功效性和生物相容性10/10/7生物功效性代替患病、缺损或衰老硬组织矫治先天畸形恢复硬组织形态和功效整容和美容10/10/8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，这种结合能够是组织长人不平整植入体表面所形成机械嵌连，也能够是植入体和生理环境间发生生化反应而形成化学键结合。力学相容性生物陶瓷不但应含有足够强度，不发生灾难性脆性断裂、疲劳、蠕变及腐蚀断裂，而且其弹性形变应该和被替换组织相匹配。植人体力学相容性取决于它所承受应力大小、组织间形成界面性质以及材料本身弹性模量。与生物组织有优异亲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、辐射等作用而改变其功效，使接触宿主组织受到感染。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。在体内长久稳定，不分解、不变质、不变性10/10/99.3惰性生物医用陶瓷氧化铝陶瓷氧化锆陶瓷碳材料10/10/10生物活性:是指材料能在其表面引发正常组织形成，而且在它建立连续性界面能够负担植入部位所负担正常负荷，此时这类植入材料能表现出最正确生物相容性。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含有诱导骨细胞生长参加代谢生物陶瓷可完全与生物体骨和齿结合成一体10/10/11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系生物医用玻璃成份是：45％SiO2，24.5％Na2O，24.5％CaO，6％P2O5，命名为45S5。玻璃埋入骨缺损部，一个月内玻璃与骨之间可形成牢靠生物化学结合。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70~80MPa，不能用于强度要求高人工骨和关节植入，能够埋人拔牙后齿槽孔内，预防齿槽孔萎缩，也可用于中耳锤骨等。10/10/122、Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷45S5玻璃中K、Na含量较高，因而其化学稳定性、长久耐久性及强度均不够理想。为了降低玻璃中碱金属含量，增加人体需要P、Ca含量，更适应植入物生理学要求，并使玻璃中能析出磷灰石微晶，又研究出一系列新生物活性玻璃陶瓷材料。代表组成是：Na2O4.8％，K2O0.4％，MgO2.9％，CaO34.0％，SiO246.2％，P2O511.7％。这种材料比高碱生物玻璃含有更加好稳定性，可与骨组织之间产生牢靠化学结合。10/10/133、MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷这类玻璃陶瓷不但含有磷灰石结晶，而且还含有子CaSiO3晶体析出，而且不含Na、K成份。代表成份：MgO4.6％、CaO44.9％、SiO234.2％、P2O516.3％、外加CaF20.5％，称为A-W微晶玻璃陶瓷。这种材料普通是在白金坩埚中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。有更加好机械性能，其抗折强度为178MPa，抗压强度为1040MPa，断裂韧性KIC为2.0MPa·m1/2。能够切削加工成各种形状，便于应用，可用做承受很大弯曲应力长管骨、椎骨等置换材料。10/10/14磷酸钙陶瓷:

含有不一样钙磷比一类系列陶瓷材料，其中对磷灰石研究最多。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60％~70％，它是一个长度为20~40nm，厚度为1.5~3nm针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。齿骨结构也类似于自然骨，但齿骨中羟基磷灰石含量可高达97％。磷酸钙生物医用材料研究与应用还包含磷酸三钙、磷酸四钙、磷酸八钙等。9.4.2磷酸钙生物陶瓷10/10/151、羟基磷灰石材料磷灰石：化学式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO43-和Z-位置上不一样离子替换可形成一系列固溶体。医用磷灰石类陶瓷:最常见是羟基磷灰石(HAp)，晶体结构在(001)面平面投影属于P63/m空间群六方结构，晶胞尺寸:

a=b=0.942nm，c=0.688nm，密度:3.1~3.2g/cm3。10/10/16羟基磷灰石人工制备主要有以下几个方法:

(1)水溶液反应法(2)固相反应法(3)水热法10/10/17HAp在结构、化学性质及组成上差异：主要源于材料制备处理技术、时间、温度以及环境条件等不一样。对化学计量配比羟基磷灰石从室温加热，材料将逐步脱水。在25~200℃之间，可逆性地失去吸附水；在200~400℃之间，晶格结合水不可逆地失去并引发晶格收缩，这种结晶水普通仅存在于从水溶液系统制备出磷灰石。温度超出850℃以后，出现可逆失重，形成了氧羟基磷灰石。超出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10/10/18HAp材料在水相环境中溶解行为：显著依赖于晶体化学组成。表面离子交换性质与以下原因相关：①不一样相形成和溶解速率；②材料粉体与液体体积之比；③水相pH值环境；④粉体比表面；⑤结晶完整性、晶体缺点、杂质及空位；⑥替换离子作用。10/10/19HAp含有吸收、聚集体液中钙离子作用，参加体内钙代谢，其作用与骨组织作用相同。HAp含有优良生物相容性，起到了适合新生骨沉积生理支架作用，即“骨引导”作用，但其不含有诱发成骨能力，即不含有“骨诱导”作用。HAp和骨组织之间结合生长，是一个较为复杂生化过程，人工合成HAp因为合成工艺方法、热改变等过程不一样，使材料成份、结构、物化性能有所不一样，这对骨组织结合生长会带来很大影响。因为HAp脆性和生理环境中疲劳破坏，不能用做承载力大骨替换材料。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高替换部件。10/10/20作为生物医用材料，金属材料优点: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，其含有良好耐蚀性，优异生物相容性，但其最大缺点：脆性，抗机械冲击性能差。在金属基体或其它高承载能力材料表面加涂各种生物陶瓷涂层或薄膜，能够兼顾各种材料优点，扬长避短。研究和应用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10/10/21无机生物材料涂层涂层种类应用范围氧化物陶瓷涂层齿根材、关节骨柄、人工骨、骨头非氧化物陶瓷涂层关节摩擦部位、股骨头生物玻璃陶瓷齿根材、关节骨柄、人工骨、骨头碳质涂层心脏瓣膜、股骨头、血管修补剂羟基磷灰石涂层齿根材、关节骨柄、人工骨

①等离子喷涂技术②离子束溅射沉积技术③电泳沉积技术④烧结涂层技术

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生物医用复合材料是针对单一相材料性能上不足而设计制造，因为其兼顾了各种材料间性能，因而能够说生物医用复合材料比单一组分材料有更大优越性。自然骨材料也是一个复合材料，不过其各相成份在结晶形态、有序取向、空间分布有更精细组织结构。生物医用复合材料大致可归纳为三种不一样类型设计目标：①

利用生物陶瓷第二相组分有利组织反应；②利用生物陶瓷材料作为第二相取得满意强度和刚度；③为组织修复再生合成非永久性支架材料。9.5.2复合材料10/10/23生物医用复合材料复合系统①羟基磷灰石—生物玻璃系统用于改进与骨组织间结合强度；②羟基磷灰石—高强惰性生物陶瓷系统用于