生物医用材料 第五次课课件

1第三章生物医用无机材料1808年，陶齿用于镶牙；1892年，Dreesman发表了用熟石膏作为骨的缺损填充材料，但存在易消耗，以致不能起作用；1963年，Smith发展了陶瓷骨替代材料，多孔铝酸盐材料；1969年，Hench教授研制了生物玻璃，开创了生物活性材料；1970年以后，Smith开创，Driskell深入研究，可吸收陶瓷β-Ca3(PO4)2；近年来，纳米生物医用无机材料得到快速的发展。一、生物医用无机材料的发展概况1第三章生物医用无机材料1808年，陶齿用于镶牙；一、生2生物医用无机材料（一）良好的生物相容性（二）杂质元素及溶出物含量低：As，Cd，Hg，Pb及重金属（三）有效性（四）成型加工性能（五）良好的耐消毒灭菌性：高压蒸汽消毒，环氧乙烷灭菌，辐射灭菌二、基本要求与条件2生物医用无机材料（一）良好的生物相容性二、基本要求与条件3三、生物医用无机材料分类按成分和性质生物陶瓷材料：氧化铝，羟基磷灰石陶瓷生物玻璃材料：45S5玻璃生物玻璃陶瓷：DICOR玻璃陶瓷骨水泥：磷酸钙骨水泥复合无机材料：碳纤维增强无机骨水泥3三、生物医用无机材料分类按成分和性质生物陶瓷材料：氧化铝，4三、生物医用无机材料分类天然生物矿物：钙化的贝壳与珍珠合成生物医用材料：TCP-人工骨生物衍生材料：经处理的天然生物矿物按来源按临床用途肌肉-骨骼系统：热解碳纤维软组织：跟腱的碳纤维骨科，牙科：磷酸钙陶瓷，生物玻璃心脏，血管：血管用碳质材料药物控释载体：磁性微珠临床诊断及生物传感器：陶瓷温度传感器材料4三、生物医用无机材料分类天然生物矿物：钙化的贝壳与珍珠按来5三、生物医用无机材料分类按生物环境中发生的生物化学反应水平生物惰性：氧化铝，氧化锆陶瓷。。。生物活性：羟基磷灰石陶瓷，45S5生物可降解性：可溶性铝酸钙陶瓷无机纳米材料：纳米Fe2O3随着生物医用材料以及其它学科的发展，寻找更合理的分类，也是研究的一项重要课题。5三、生物医用无机材料分类按生物环境中发生的生物化学反应水平63.1骨水泥甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥（CPC）磷酸镁水泥（MPC）Polymethylmethacrylate(PMMA)Calciumphosphatecement(CPC)Magnesiumphosphatecement(MPC)骨水泥----作为人工合成替代材料中的重要成分，是一种新型骨修复材料，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。Problelms:5-10年松动率高达24-30%，与人体骨形成非骨性结合；生物相容性差；单体的毒性；过敏致肿瘤等最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨黏合剂加入PMMA提高其生物相容性。63.1骨水泥甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥（C73.1骨水泥骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：1，浆体易成型，可填充不规则的骨腔；2，在环境中能自行凝固，硬化时间要合理；3，有优良的生物活性和骨诱导潜能；4，良好的机械性能和耐久性能；5，无毒和具有免疫性。73.1骨水泥骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：83.1骨水泥磷酸钙骨水泥：20世纪80年代中期，Brown及Chow发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行硬化，水化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）。由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用于人体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥。由于其具有在人体自行固化的特性，因此又称自固化磷酸钙人工骨。目前，骨水泥成为材料界与医学界研究的热点之一。特点：自行硬化、塑形容易、与人体相容的特性等。83.1骨水泥磷酸钙骨水泥：20世纪80年代中期，Bro93.1骨水泥磷酸镁骨水泥（MPC）：是一类反应型胶黏剂，具有同CPC材料相似的特性，其快凝、高早强的特性恰好能弥补CPC材料在这方面的不足。特点：水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，且水化过程中的放热速率可由镁化合物的水化活性来调节。目前，对于MPC的国内外研究都集中在非生物材料领域，作为生物材料，国内未见报道，而国外也仅有零星报道。93.1骨水泥磷酸镁骨水泥（MPC）：是一类反应型胶黏剂10氧化物/非氧化物陶瓷碳质材料3.2生物惰性医用无机材料主要是指化学性能稳定，生物相容性好的无机材料。惰性生物玻璃陶瓷10氧化物/非氧化物陶瓷碳质材料3.2生物惰性医用无机材113.2.1氧化物/非氧化物陶瓷

生物惰性陶瓷材料—Al,Mg,Ti,Zr等的氧化物；硼化物，氮化物，碳化物，硅化物陶瓷等。3.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷：主晶相为刚玉的（α-Al2O3）陶瓷材料，六方晶系。机械强度高，耐高温，耐化学侵蚀，生物相容性好等特点。Al2O3含量决定了其机械性能。含量越高，抗压强度，抗弯强度和弹性模量均明显增强。113.2.1氧化物/非氧化物陶瓷生物惰性陶瓷材料—123.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷作为生物医用材料的发展历程：70年代初期：美国，法国，德国，瑞士，荷兰；70年代末：中国，武汉工业大学李世普，人工关节；多晶到单晶的发展：性能单晶体多晶体外观抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）抗弯强度（MPa）弹性模量（MPa）硬度（HV）冲击强度（MPa.cm）影响机械强度的原因加工性无色透明5000650130040021007.6晶格缺陷表面伤痕裂纹直线状，棒状白色（黄白色）500025050038018005.4纯度，密度，晶粒大小可加工成任意形状123.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷作为生物医用材料的发13氧化锆陶瓷：萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等。力学性能方面更优于氧化铝陶瓷，如高抗弯强度及断裂韧性。生物相容性方面存争议，研究报道较少。非氧化物陶瓷：临床报道少，主要用作硬组织的替换材料。SiC:硬度大，具有高的强度，导热性，导电性好，是一种耐磨，耐腐蚀材料。Si3N4具有较高的断裂韧性和高的抗折强度。3.2生物惰性医用无机材料13氧化锆陶瓷：萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等14金刚石结构石墨结构无定形层状结构：最多，医学领域主要是此结构的碳，点阵是无序排列，各向同性的。3.2生物惰性医用无机材料3.2.2碳质材料结构类型化学稳定好，无毒性，无排异反应，与人体亲和性好，虽不能与人体组织形成化学键和，但人体组织会慢慢长入碳质材料的孔隙中，具有诱发组织生长的作用。14金刚石结构3.2生物惰性医用无机材料3.2.2碳质材料15热解碳：低温各向同性碳玻璃碳：使聚合物放出挥发成分蒸汽沉积碳：沉积在金属，陶瓷或高分子表面碳纤维：有机纤维为原料3.2生物惰性医用无机材料碳质材料的类型：碳质材料的生物相容性：在软组织和骨骼中仅有轻微的组织反应。15热解碳：低温各向同性碳3.2生物惰性医用无机材料碳质材料161，LTI碳涂层有足够的强度，十分耐磨；2，优异的血液相容性，不产生血凝和血栓；3，抛光后的Si-C涂层，是致密不透性的，不会引起降解；4，无毒，无刺激性，不致癌。3.2生物惰性医用无机材料碳质材料的临床应用：瓣膜材料碳质材料存在不足之处：易发生血栓，栓塞，需长期服用抗凝剂。161，LTI碳涂层有足够的强度，十分耐磨；3.2生物惰性医17玻璃陶瓷：微晶玻璃，在玻璃基质中加入晶核形成剂，并通过一定的热处理，使玻璃基质中有晶体生成，即形成玻璃与晶体共存的状态。以较高的机械强度和硬度，良好的化学稳定性著称。临床应用：口腔医学领域，Dicor玻璃陶瓷3.2生物惰性医用无机材料3.2.3惰性生物玻璃陶瓷17玻璃陶瓷：微晶玻璃，在玻璃基质中加入晶核形成剂，并通过一18羟基磷灰石（HAP）：Ca10（PO4）6(OH)2，是人体和动物骨骼的主要无机成分。国内研究概况：结构：六方晶系，微溶于水；制备和物理化学性质：湿法，干法，水热法，醇盐法和溶解法；生物学性质：良好的生物相容性临床应用：人工骨和人工口腔材料3.3生物活性医用无机材料18羟基磷灰石（HAP）：Ca10（PO4）6(OH)2，是19可降解生物材料必须满足如下要求：1，在生物体新陈代谢过程中逐渐降解；2，被替代的过程与新骨长出的时间要同步；3，材料被替代过程不妨碍新骨长出的过程。3.4生物可降解医用无机材料19可降解生物材料必须满足如下要求：3.4生物可降解医用无机20磷酸三钙（β-TCP）：Ca3（PO4）2，是组织工程中很好的支架材料。合成：固相反应法；沉淀法；改进的湿法粉碎法；多孔TCP陶瓷材料：TCP颗粒，粘结剂，气孔；生物学和可降解性质：良好的生物相容性，植入40周以后，大部分降解消失；临床应用：骨移植材料，用于修复因创伤，肿瘤或骨病等原因所致的骨缺损。3.4生物可降解医用无机材料20磷酸三钙（β-TCP）：Ca3（PO4）2，是组织工程中3.5生物医用无机材料的发展方向一，主要研究方向如何使材料具有人体组织的多相结构，能与机体相互结合又相互作用的活性物质结构，而且无论是整体与局部、宏观与微观、功能与结构方面，这种材料都能与人体组织细胞、力学性质、生物电系统的反应相吻合，并能参加到生命过程中的分子、原子运动变化的规律之中，不断交换能量和物质，再通过这些物质的成分、结构和数量相互结合，使能量在人体代谢中由非平衡状态达到相对稳定，使无机生物材料的研究得到创新和突破。3.5生物医用无机材料的发展方向一，主要研究方向二、发展趋势：两个方面并重：1，材料和植入体自身的改进和发展；2，科学的质量控制和管理体系的建立和完善。3.5生物医用无机材料的发展方向二、发展趋势：3.5生物医用无机材料的发展方向三、发展战略方向和前沿课题：1，基础研究（1）植入体与骨和软组织的生物化学变化研究；（2）生物陶瓷及其复合材料的生物力学适应性研究；（3）可降解生物陶瓷材料的降解机理研究；（4）生物活性陶瓷材料的生物活化机理研究3.5生物医用无机材料的发展方向三、发展战略方向和前沿课题：3.5生物医用无机材料的发展方2，材料研究（1）大力研究与人体生物相容性高的特异性材料；（2）研究与人体组织力学相容性好，又具有促进组织生长的材料；（3）研究与人体电相容性好的带电性材料；（4）研究含人体生理活性物质和含人体有效的微成份的材料；（5）研究能在人体内具有生物半降解性的材料；（6）研究具有人体组织有机和无机成分结构的复合材料。3.5生物医用无机材料的发展方向2，材料研究3.5生物医用无机材料的发展方向3，应用研究（1）建立和完善材料的综合评价技术；（2）计算机模拟指导生物材料设计；（3）临床技术规范化的考察。3.5生物医用无机材料的发展方向3，应用研究3.5生物医用无机材料的发展方向26第三章生物医用无机材料1808年，陶齿用于镶牙；1892年，Dreesman发表了用熟石膏作为骨的缺损填充材料，但存在易消耗，以致不能起作用；1963年，Smith发展了陶瓷骨替代材料，多孔铝酸盐材料；1969年，Hench教授研制了生物玻璃，开创了生物活性材料；1970年以后，Smith开创，Driskell深入研究，可吸收陶瓷β-Ca3(PO4)2；近年来，纳米生物医用无机材料得到快速的发展。一、生物医用无机材料的发展概况1第三章生物医用无机材料1808年，陶齿用于镶牙；一、生27生物医用无机材料（一）良好的生物相容性（二）杂质元素及溶出物含量低：As，Cd，Hg，Pb及重金属（三）有效性（四）成型加工性能（五）良好的耐消毒灭菌性：高压蒸汽消毒，环氧乙烷灭菌，辐射灭菌二、基本要求与条件2生物医用无机材料（一）良好的生物相容性二、基本要求与条件28三、生物医用无机材料分类按成分和性质生物陶瓷材料：氧化铝，羟基磷灰石陶瓷生物玻璃材料：45S5玻璃生物玻璃陶瓷：DICOR玻璃陶瓷骨水泥：磷酸钙骨水泥复合无机材料：碳纤维增强无机骨水泥3三、生物医用无机材料分类按成分和性质生物陶瓷材料：氧化铝，29三、生物医用无机材料分类天然生物矿物：钙化的贝壳与珍珠合成生物医用材料：TCP-人工骨生物衍生材料：经处理的天然生物矿物按来源按临床用途肌肉-骨骼系统：热解碳纤维软组织：跟腱的碳纤维骨科，牙科：磷酸钙陶瓷，生物玻璃心脏，血管：血管用碳质材料药物控释载体：磁性微珠临床诊断及生物传感器：陶瓷温度传感器材料4三、生物医用无机材料分类天然生物矿物：钙化的贝壳与珍珠按来30三、生物医用无机材料分类按生物环境中发生的生物化学反应水平生物惰性：氧化铝，氧化锆陶瓷。。。生物活性：羟基磷灰石陶瓷，45S5生物可降解性：可溶性铝酸钙陶瓷无机纳米材料：纳米Fe2O3随着生物医用材料以及其它学科的发展，寻找更合理的分类，也是研究的一项重要课题。5三、生物医用无机材料分类按生物环境中发生的生物化学反应水平313.1骨水泥甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥（CPC）磷酸镁水泥（MPC）Polymethylmethacrylate(PMMA)Calciumphosphatecement(CPC)Magnesiumphosphatecement(MPC)骨水泥----作为人工合成替代材料中的重要成分，是一种新型骨修复材料，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。Problelms:5-10年松动率高达24-30%，与人体骨形成非骨性结合；生物相容性差；单体的毒性；过敏致肿瘤等最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨黏合剂加入PMMA提高其生物相容性。63.1骨水泥甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥（C323.1骨水泥骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：1，浆体易成型，可填充不规则的骨腔；2，在环境中能自行凝固，硬化时间要合理；3，有优良的生物活性和骨诱导潜能；4，良好的机械性能和耐久性能；5，无毒和具有免疫性。73.1骨水泥骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：333.1骨水泥磷酸钙骨水泥：20世纪80年代中期，Brown及Chow发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行硬化，水化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷灰石（hydroxyapatite，HAP）。由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用于人体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥。由于其具有在人体自行固化的特性，因此又称自固化磷酸钙人工骨。目前，骨水泥成为材料界与医学界研究的热点之一。特点：自行硬化、塑形容易、与人体相容的特性等。83.1骨水泥磷酸钙骨水泥：20世纪80年代中期，Bro343.1骨水泥磷酸镁骨水泥（MPC）：是一类反应型胶黏剂，具有同CPC材料相似的特性，其快凝、高早强的特性恰好能弥补CPC材料在这方面的不足。特点：水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，且水化过程中的放热速率可由镁化合物的水化活性来调节。目前，对于MPC的国内外研究都集中在非生物材料领域，作为生物材料，国内未见报道，而国外也仅有零星报道。93.1骨水泥磷酸镁骨水泥（MPC）：是一类反应型胶黏剂35氧化物/非氧化物陶瓷碳质材料3.2生物惰性医用无机材料主要是指化学性能稳定，生物相容性好的无机材料。惰性生物玻璃陶瓷10氧化物/非氧化物陶瓷碳质材料3.2生物惰性医用无机材363.2.1氧化物/非氧化物陶瓷

生物惰性陶瓷材料—Al,Mg,Ti,Zr等的氧化物；硼化物，氮化物，碳化物，硅化物陶瓷等。3.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷：主晶相为刚玉的（α-Al2O3）陶瓷材料，六方晶系。机械强度高，耐高温，耐化学侵蚀，生物相容性好等特点。Al2O3含量决定了其机械性能。含量越高，抗压强度，抗弯强度和弹性模量均明显增强。113.2.1氧化物/非氧化物陶瓷生物惰性陶瓷材料—373.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷作为生物医用材料的发展历程：70年代初期：美国，法国，德国，瑞士，荷兰；70年代末：中国，武汉工业大学李世普，人工关节；多晶到单晶的发展：性能单晶体多晶体外观抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）抗弯强度（MPa）弹性模量（MPa）硬度（HV）冲击强度（MPa.cm）影响机械强度的原因加工性无色透明5000650130040021007.6晶格缺陷表面伤痕裂纹直线状，棒状白色（黄白色）500025050038018005.4纯度，密度，晶粒大小可加工成任意形状123.2生物惰性医用无机材料氧化铝陶瓷作为生物医用材料的发38氧化锆陶瓷：萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等。力学性能方面更优于氧化铝陶瓷，如高抗弯强度及断裂韧性。生物相容性方面存争议，研究报道较少。非氧化物陶瓷：临床报道少，主要用作硬组织的替换材料。SiC:硬度大，具有高的强度，导热性，导电性好，是一种耐磨，耐腐蚀材料。Si3N4具有较高的断裂韧性和高的抗折强度。3.2生物惰性医用无机材料13氧化锆陶瓷：萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等39金刚石结构石墨结构无定形层状结构：最多，医学领域主要是此结构的碳，点阵是无序排列，各向同性的。3.2生物惰性医用无机材料3.2.2碳质材料结构类型化学稳定好，无毒性，无排异反应，与人体亲和性好，虽不能与人体组织形成化学键和，但人体组织会慢慢长入碳质材料的孔隙中，具有诱发组织生长的作用。14金刚石结构3.2生物惰性医用无机材料3.2.2碳质材料40热解碳：低温各向同性碳玻璃碳：使聚合物放出挥发成分蒸汽沉积碳：沉积在金属，陶瓷或高分子表面碳纤维：有机纤维为原料3.2生物惰性医用无机材料碳质材料的类型：碳质材料的生物相容性：在软组织和骨骼中仅有轻微的组织反应。15热解碳：低温各向同性碳3.2生物惰性医用无机材料碳质材料411，LTI碳涂层有足够的强度，十分耐磨；2，优异的血液相容性，不产生血凝和血栓；3，抛光后的Si-C涂层，是致密不透性的，不会引起降解；4，无毒，无刺激性，不致癌。3.2生物惰性医用无机材料碳质材料的临床应用：瓣膜材料碳质材料存在不足之处：易发生血栓，栓塞，需长期服用抗凝剂。161，LTI碳涂层有足够的强度，十分耐磨；3.2生物惰性医42玻璃陶瓷：微晶玻璃，在玻璃基质中加入晶核形成剂，并通过一定的热处理，使玻璃基质中有晶体生成，即形成玻璃与晶体共存的状态。以较高的机械强度和硬度，良好的化学稳定性著称。临床应用：口腔医学领域，Dicor玻璃陶瓷3.2生物惰性医用无机材料3.2.3惰性生物玻璃陶瓷17玻璃陶瓷：微晶玻璃，在玻璃基质中加入晶核形成剂，并通过一43羟基磷灰石（HAP）：Ca10（PO4）6(OH)2，是人体和动物骨骼的主要无机成分。国内研究概况：结构：六方晶系，微溶于水；制备和物理化学性质：湿法，干法，水热法，醇盐法和溶解法；生物学性质：良好的生物相容性临床应用：人工骨和人工口腔材料3.3生物活性医用无机材料18羟基磷灰石（HAP）：Ca10（PO4）6(OH)2，是44可降解生物材料必须满足如下要求：1，在生物体新陈代谢过程中逐渐降解；2，被替代的过程与新骨长出的时间要同步；3，材料被替代过程不妨碍新骨长出的过程。3.4生物可降解医用无机材料19可降解生物材料必须满足如下要求：3.4生物可降解医用无机45磷酸三钙（β-TCP）：Ca3（PO4）2，是组织工程中很好的支架材料。合成：固相反应法；沉淀法；改进的湿法粉