复合材料教学课件

1MedicalApplicationofComposites医用复合材料2

引言生物材料领域涉及材料科学及许多其他学科的各个分支，金属和金属合金已应用于整形外科、牙科和其他的承载用材料，陶瓷材料用做那些既具有化学惰性又具高生物活性材料。高分子材料用于软组织替代和制作许多其他非结构材料。3临床应用的材料通常要求具有复杂的多功能性，复合材料技术的应用使生物材料研究者发展了一种广泛应用的新的特制材料：“生物复合材料”。最近，Medline搜索了有关医用复合材料的论文19817篇,其中有关齿科用复合材料的论文9055篇,有关整形外科用复合材料155篇,有关纤维的论文多达14172篇(其中碳纤维489篇,玻璃纤维333篇)。作者希望对大多数医用复合材料的历史、技术、发展方向的预测方面做出充分的叙述，为一些新的或有经验的研究者对生物材料的理解提供帮助。56胶原种类繁多，已发现的就超过14种，所有的变种都源于非弹性原胶原分子。原胶原分子由三条肽链组成,每一条肽链含1/3的甘氨酸,1/3的脯氨酸和羟基脯氨酸,1/3的其他氨基酸。不同类型的胶原由一系列具有a-链的氨基酸变异形成的。三条肽链间由于存在范德华力和部分共价键而形成稳定的右旋螺旋结构:螺旋长300na，直径1.5na，螺杆的螺距0.27na.

7原胶原分子交错排列，重叠部分有26.5na，分子末端间空隙有37.5na，原胶原分子大多数属于维纤维。在微纤维的水平方向形成一个直径为50na胶原纤维，然后盘绕形成胶原束，分子间交联使胶原具有高抗拉强度。弹性蛋白主要由甘氨酸，丙氨酸，丝氨酸和少量其他氨基酸残基组成。氨基酸序列重复性比胶原差，因此纤维长度仅5-7微米。9

2、硬组织使结构稳定存在的两个最重要的结构形式是多孔骨的和皮质骨，多孔骨是海绵状结构，与各相异性材料的结构相似，而皮质骨是各相同性的，沿负载轴具增强结构，且有高度有序的血液供应系统。所以硬组织都具有下面四个基本成分，每一组分所占分数随骨的类型和条件变化，典型的皮质骨的质量相对百分比如下：有机相---------胶原纤维占16%矿物-------------羟基磷灰石60%基质----------------------------2%水-------------------------------23%10从微观结构来分可分为以下两种骨。

1.织态骨织态骨形成非常快，没有明确的结构，在胎儿骨骼中发现的，断裂修复部分更早成熟。

2.层状骨它由具有中央供血系统的同轴环状物组成，每个环状物骨单位含4—20个环，每个环4—7um厚，且有不同的纤维取向。在每层中不同纤维取向的排列使环状物表面出现连续明暗层。环的中央有一哈弗斯管道供血，外层由基质组成的胶泥层。比骨头的其他成分很少矿化，且不含胶原纤维，使得胶原层非常脆弱。1113二、生物活性陶瓷复合材料2.1生物活性陶瓷复合材料的分类1、A类：有生骨作用2、B类：诱导骨成长2.2生物活性陶瓷/高分子复合材料2.3复合材料模量模型2.4可再吸收基体2.5生物活性陶瓷/金属基复合材料2.6生物活性陶瓷/陶瓷基复合材料2.7设计标准142.4可再吸收基体很多临床需要增大骨表面而不是作为一种类似物替代骨头，骨头的增大要求骨头成长进入和置换材料（这种材料随组织的再生而逐渐降解吸收）。羟基磷灰石因其生物活性而通常用作具有可再吸收基体的增强剂，因此，陶瓷成骨表面活性性能能刺激骨头成长。具有胶原的羟基磷灰石的复合材料已有大量研究。这种材料通常具有高刚性，但是比天然骨头的强度低，为完善这种材料而产生两种更进一步改进了的胶原/HA复合材料体系：①添加透明质酸于复合材料中，②纳米级羟基磷灰石微粒的使用。15透明质酸属葡糖胺聚糖一族，对组织的完善和修复是一个重要因素。据论文报道，含HAwt.90％，胶原9.2wt.％透明质酸0.2wt.％的复合材料可使其弯曲强度从3.58kpa增加到5.37kpa，但作为承担用材料，强度还远远不够。早期讨论过，纳米级羟基磷灰石微粒的使用是复制天然骨头细致结构的一个尝试，HA微粒是替代磷灰石的碳酸盐，具有低的结晶度和纳米级尺寸。将材料植入长骨的骨髓洞内发现若植入物可再吸收，该材料能刺激骨头成长。但是，移植三个月后，合成的机械性能仅能达到天然骨头的最低极限值。172、密封剂传统密封剂并不含填补用树脂，但为了增加他们的耐磨性，加工者添加了更多的填充剂，以致增加了粘性却降低了密封剂流入牙齿的缺陷部分的能力。3、可流动树脂复合材料这种齿科用复合材料含有很低粘性的微小填充物或混合树脂，比密封剂具有更低的填充水平导致更低强度和耐磨性。4、包装用树脂基复合材料从业者经常发现缺陷与树脂间不能很好接触，在填充物和缺陷间的小臼齿残留物会引发感染，甚至使牙齿腐烂。通过包装树脂进入缺陷就能解决这个问题。185、表面密封微细填补用复合材料这种材料是可流动树脂与高耐磨性微细填补用复合材料的联合。临床学怀疑这种材料是否有一个长期临床意义，它的填充用SiO2的含量为50％。6、混合树脂基复合材料这种树脂填充高含量的玻璃粉和SiO2具有最佳的机械性能和适当的美观，因此，在当代牙科实践中应用最为普遍。目前，牙科树脂复合材料的研究很多，填充材料有石英、钡玻璃、胶体SiO2。他们的微粒尺寸在0.04—15um之间，填料的浓度浮动具体是多少，主要根据所需粘度而定，一般在33％--78％之间，这导致材料具有170—260MPa的抗拉强度和10—16GPa的杨氏模量。19

四、可再吸收高分子材料在临床上已广泛应用的聚酯基高分子有PGA（聚乙醇酸）、PLA（聚乳酸）和他们的共聚物。PLA降解产生无毒的乳酸，通过生化代谢生产二氧化碳和水排出体外。这些聚合物的优点是它能产生随时变化的机械性能：随PGA数量的增加吸收缓慢。随意取向的短碳纤维的添加完善了纯聚合物的机械性能，但他的强度还不够做承载方面的应用。具有0℃和±45℃取向的长碳纤维增强时，它的最初性能是适当的，但与PLA的键合不好，易发生脱层，导致强度的迅速降低。

21五、铸制材料为破肢使用的石膏粉和棉絮已成为当代医学上的基本铸制材料，这两种材料本身性能差，但它们一起使用时有很强的抗碾强度：175---250N（6层厚，一星期后制造成型）。然而，这种材料也有许多缺点：慢的凝结时间，辐射不能透过，铸造前24小时有最大的强度，不防水，模型大且重，放热凝固反应所产生的热量是一个关注热点。石膏由CaSO4晶体与水反应制得：22诊所使用树脂---石膏树脂材料试图克服石膏体系的缺点，该树脂体系是防水的，辐射半透明的，快速凝结，很快达最大强度，模型轻些。但它粘附于皮肤和衣服，有差的贴身性，可能对皮肤有刺激。热和刺激性问题可通过铸件与皮肤间加些填料来克服，但铸造时仍存在困难。铸制材料的两种已得到改进的性能测试方法：①是铸件材料手感的评价：依据材料的粘附性，弯曲角度以及本身向后缩拢的情况给每一种材料评分。②是一个粉碎性试验（样本5---10层厚）。这两种技术都没有实践。23六、细胞接种装置这类材料已用于骨头的替代和增长，生物活性基体被用来做由间叶细胞组成的干细胞，它来源于骨髓。为了展示骨髓或软骨的表型特征，与多孔渗水性基体形成机械性能强的表面。在成人体内这种干细胞的数目很小，且随年龄增大而减少。但可以通过增强复合材料并入缺陷位置的培养技术扩大数目。几步如下：①溶解和沉淀多孔渗水的生物活性陶瓷，在孔的表面形成生物学上活性的含羟基碳酸盐的磷灰石层。②接种骨细胞进入多孔渗水的基体中，导致在HCA层上附着一些由间叶细胞组成的原始细胞粒子。

25七、结论复合材料在现代医学中扮演重要角色，但这种技术既费时又相当昂贵，许多外科医生要求材料科学家快速解决这一问题，这可能导致不成熟的试验（这个试验没有做一系列机械性能和毒性鉴定）。一个值得关注的材料是proplast，来源于聚四氟乙烯和热解碳，在临床已成功地应用于软组织增加，在承载方面应用比较失败，比如，用做临时下颚骨关节。当材料移植入下巴位置时具有非常差的生物兼容性，所以移植物是疏松的，没有骨头能成长进入该材料内。而且形成大量含有巨细胞、巨噬