无机非金属生物材料讲解

无机非金属生物材料讲解第1页/共71页第三章无机非金属生物材料

水泥、玻璃、陶瓷

材料无机非金属材料金属材料高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维3.1概述第2页/共71页

无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥三大类。陶瓷主要是以黏土为原料烧制而成的一种多晶多相(气体、液体、晶体和非晶体)的聚集体；水泥为一种细磨材料，加入适量水后成为塑性浆体，能在空气中硬化，或在水中硬化，并能把其他增强材料牢固地胶结在一起的水硬性材料；玻璃为熔融物冷却硬化而得到的非晶态固体。这些材料有史以来一直得到广泛应用，其中一部分因为特殊性能而用作生物材料。第3页/共71页无机非金属材料的基本属性：

●化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键；

●硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；

●熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；

●一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；

●耐化学腐蚀性好；

●耐磨损。

第4页/共71页4.1.1无机非金属生物材料的发展无机非金属生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修建时期，当时用陶土进行骨缺损的填充，1808年开始将陶瓷作为镶牙材料，1892年使用石膏填充骨缺损，1963年Smith报道一种陶瓷材料，用环氧树脂浸透含48％孔隙的多孔铝酸盐树料，它与骨组织的物理性能相匹配。无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十年来的事，特别是发现羟基磷灰石陶瓷后，得到了飞速发展，该类材料具有生物相容性好，甚至有些还有生物活性，抗压强度高等优点。第5页/共71页金属、高分子和无机非金属生物材料的比较：第6页/共71页3.1.2无机非金属生物材料基本条件与要求良好的生物相容性化学稳定性降解产物无毒杂质元素及溶出物含量低As，Cd、Hg、Pb等重金属有效性抗压、耐磨、热膨胀成型加工性能脆性加工困难不同模具耐消毒灭菌性高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌第7页/共71页

无机非金属材料品种非常多，考虑材料生物相容性、机械性能、加工性能、成本等因素，只有一小部分材料可用作生物材料，如陶瓷类中有氧化铝、氧化铁、低温各向同性碳、羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙等，玻璃类主要有MgO-CaO-SiO2-P2O5、Na2O-CaO-SiO2-P2O5、CaO-Al2O3-P2O5系玻璃，水泥类主要有硫酸钙、磷酸钙等。在医学上主要用于骨组织的修复、替换，如承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。第8页/共71页3.1.3无机非金属生物材料分类按成分性质分：生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石生物玻璃，如45S5玻璃生物玻璃陶瓷医用骨水泥，-TCP复合无机材料,HA+-TCP，碳纤维增强无机骨水泥按来源分：天然钙化物钙化的贝壳、珍珠合成无机材料如-TCP人工骨（复合无机材料）衍生材料冻干骨片第9页/共71页按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类：生物惰性材料氧化铝热解碳氧化锆氧化硅生物活性无机材料羟基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷生物可降解无机材料可溶性铝酸钙陶瓷、β-TCP陶瓷生物医用无机纳米材料纳米氧化铁羟基磷灰石超微粉第10页/共71页3.2生物陶瓷两个基本概念：生物惰性主要指材料在植入人体后，长时间不发生物理、化学结构变化，同时不引起与之接触的组织的显著变化。生物惰性材料主要有氧化物陶瓷，如三氧化二铝、氧化锆；非氧化物陶瓷，加氮化硅；碳化物，如低温(或超低温)各向同性碳等。生物活性相对于生物惰性，生物活性材料广义上讲是指在生理环境的长期作用下，有新生组织长成或替代原有材料，而原有材料发生了一定物理、化学变比、甚至降解消失。而狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形成的能力。

第11页/共71页4.2.1氧化铝陶瓷1932年开始临床应用1963年氧化铝陶瓷人工骨1964年牙科移植物1970年氧化铝瓷球、窝和不锈钢杆制成的全髋关节人工假体1981年氧化铝陶瓷全膝关节假体开始应用1980’s初，单晶氧化铝陶瓷骨螺钉在外科矫形手术中应用第12页/共71页一、氧化铝陶瓷的组成、制备工艺氧化铝陶瓷：Al2O3含量在45％以上，主晶相为-Al2O3

，此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。陶瓷的一般制备工艺：原料加工（粉碎），然后加粘结剂形成配料，混合后静压成坯料，通过预烧-烧结形成陶瓷。第13页/共71页核心过程－－烧结烧结：在高温作用下，粉状物料自发填充颗粒间隙的过程，随着温度和时间的延长，过程中发生：固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界逐渐消失，通过物质传递，物料的体积收缩、密度增加，最后成为坚实的整体。第14页/共71页颗粒在烧结过程中的外形变化：第15页/共71页氧化铝的烧结过程：包括颗粒接触、部分粘连、完全粘连和烧结完成几个步骤。氧化铝烧结过程中粉体微观结构变化第16页/共71页陶瓷烧结的微观动力学原始驱动力：（1）颗粒表面能对于半径为r的1mol球形颗粒粉体，颗粒数：颗粒的表面积：表面能：（2）化学反应能（3）外加压力做功（4）体系外供给能量第17页/共71页烧结温度对材料性能的影响（1）对密度和空隙率的影响第18页/共71页（2）对机械性能的影响第19页/共71页Al2O3生物陶瓷制备工艺氧化铝生物陶瓷的制备工艺：与普通陶瓷制作工艺类似，即粉体融合预压成型(预打磨)烧结打磨成品。烧结温度一般为1700℃以上。高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下：氧化铝的纯度越高，材料的力学性能如抗压、抗折强度也越高氧化铝生物陶瓷的纯度在99.7％以上。第20页/共71页新型生物陶瓷材料-单晶生物陶瓷氧化铝单晶（宝石）：机械强度、硬度和耐腐蚀性优于多晶氧化铝陶瓷，其生物相容性、稳定性和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。不能通过烧结制得，具体方法如下：提拉法导模法气相化学沉积法焰融法：晶体生长速率快，工艺简单，成本低第21页/共71页二、氧化铝陶瓷的结构与性能氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性，在生理环境下相当稳定，抗腐蚀，无溶出物，具低膨胀性能。氧化铝生物陶瓷密度大于3.9g／cm3，室温抗压强度约为4000MPa、抗弯强度大于400MPa、杨氏模量为380GPa、抗冲击强度4000J／m2，耐磨性和耐腐蚀性符合ISO规范实验要求。氧化铝生物陶瓷人工关节比金属-聚乙烯构成的人工关节的耐磨性能好得多，前者的磨损速率是后者的l／10，略高于人关节的磨损率。陶瓷的空隙率、孔径大小对材料的力学性能有很大的影响，随着空隙率的增大，材料的密度降低，强度下降。为了保持氧化铝陶瓷的强度，通过在表面进行多孔化处理。第22页/共71页三、氧化铝陶瓷的应用氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固定材料；某些骨替代物(人工听小骨)；眼科手术中的角质假休、固定用螺钉等。单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、硬度、耐酸碱性等性能指标占优，且不易折断，因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固定的螺钉、关节柄、牙根。第23页/共71页各种氧化铝生物陶瓷植入物：第24页/共71页全氧化铝陶瓷人工髋关节第25页/共71页3.2.2氧化物陶瓷除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有：氧化锆、氧化镁、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷（如组成为氧化锆50－60％，氧化铝10－20％、氧化钾7－10％的陶瓷）。氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的增韧相。部分氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更好的韧性，可替代氧化铝。混合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数，可用作人工牙齿。其它氧化物陶瓷一般作为改性剂（玻璃组分）或涂层材料，单独作为生物材料少见。第26页/共71页二氧化锆全瓷冠：是用整体瓷块由计算机辅助，由铣床半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进，基地冠的厚度从原来的1毫米减低为0.8毫米，需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况。

氧化锆美容前

氧化锆美容后

二氧化锆预约费用为2800每颗。

第27页/共71页3.2.3非氧化物陶瓷报道很少，主要用作硬组织的替换材料。SiC材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是耐磨、耐腐蚀材料。Si3N4材料：可代替氧化锆作关节置换假体，比氧化锆有更好的使用寿命。第28页/共71页3.3碳质材料碳质材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料。自然界中的碳：金刚石、石墨和无定形层状结构（最多，点阵无序排列，各向同性）。碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性能（强度、弹性模量和耐磨性），可通过不同工艺改变其结构进行调整，使其在医学上得到广泛使用。第29页/共71页医用碳质材料（外科植入物）类型：热解碳：1000－2400C热解碳氢化合物沉积在石墨基体上(在医学上只用1500C以下沉积的低温各向同性碳，厚度可达1mm)。玻璃碳：酚醛树脂、糠醇树脂等加热失去挥发成分而留下玻璃状的残留物。比热解碳机械性能差，用于不承受高机械应力部位。第30页/共71页蒸汽沉积碳：在真空过程中通过氩挥发，用电弧或高能电子束等手段加热碳氢化合物，使其分解，升华或溅射，沉积在金属、陶瓷或高分子材料的表面上，沉积层约1m。另一种在低压和低温下，用催化剂使含碳浓度高的气相沉积，沉积碳具有各向同性、不透气、弹性好等特性，常用于聚合物、纤维织物和多孔金属植人体的涂层。碳纤维：丙稀腈为原料，隔氧，1000～1500C培烧，张力牵引，链状分子脱掉大部分氢、氮等小分子，留下碳原子按同一方向整齐排列。碳纤维是黑色细丝，单丝直径7～9m

，抗拉强度可达3040MPa，耐腐蚀、耐磨损，并有自身润滑能力。但仍属于脆性材料，抗弯强度较低。第31页/共71页碳质材料应用：主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。第32页/共71页3.4羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石（HA）是人体骨组织的主要无机成分，占90％，碳酸钙等其它成分占10％。羟基磷灰石具有很好的生物相容性第33页/共71页3.4.1羟基磷灰石的原粉的合成和制品成型一、原粉的合成化学共沉淀法典型的方法：酸碱中和反应、钙盐和磷酸盐的反应。此法易制得大量微晶状态或非晶态的HA粉末。第34页/共71页湿法制备HA装置图：第35页/共71页Ca/P随pH值的变化情况第36页/共71页第37页/共71页（2）固相反应法（干法）此法与普通陶瓷得制备方法基本相同，原料粉磨细混合，在1000－1300C下高温合成结晶性HA。此法合成的HA纯度高，结晶性好。第38页/共71页（3）水热合成法以CaCl2或Ca(NO3)2与NH4H2PO4为原料，以钛网为阴极、石墨为阳极，控制一定的pH和沉积时间，得到CaHPO4.2H2O.随后经120～200C水蒸汽处理，即得HA.此法适合制备完整的HA单晶第39页/共71页二、羟基磷灰石制品的成型HA粉末合成后，还必须通过成型－烧结工艺提高其强度，同时根据需要调节孔度和形状。一般工艺过程为：原料粉碎（球磨/干燥）粘结剂（如需可加致孔剂）等静压/热压成型修边烧结成品修饰产品粘结剂：水；聚乙烯醇水溶液；石蜡、蜂蜡致孔剂：双氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、PTFE球；也可将HA浆料注入多孔泡沫塑料，然后烧结制成多孔材料第40页/共71页三、羟基磷灰石的结构与性能羟基磷灰石的化学结构式为：Ca10(PO4)6(OH)2,Ca/P比为1.67,密度3.16g/cm3,呈弱碱性(pH=7～9).多晶的羟基磷灰石具有很高的弹性模量（40～117GPa),人牙釉质为74GPa。合成过程中，微量元素的加入：

La的加入，改善降解特性，HA表面均匀降解；

F的加入，改善HA的韧性，形成可切削陶瓷。但作为骨组织替代物，F含量过高会影响骨组织的再生和一定抗压强度的维持。第41页/共71页四、羟基磷灰石的应用可应用于骨缺损的填充修补（或替换），例如：鼻梁骨、颌骨替换；软骨、承力骨缺损（骨结核、骨瘤病灶的切除）的填充；承力骨（胫骨）的替换；义眼球、人工听骨等；或者作为活性物质喷涂在其它材料表面。一般地，多孔HA或粉末：强度低，适合做填充或药物载体；多孔、质轻，适合做义眼球；致密HA或空隙较少：承力骨的修复和替代第42页/共71页3.5磷酸钙陶瓷磷酸钙有-磷酸钙和-磷酸钙两种化学结构，与羟基磷灰石有一定结构相似性。以-磷酸钙最为常用，有较快的降解速度，可做骨填充物。-磷酸钙有自固化性质，可做骨水泥。第43页/共71页3.5.1磷酸钙陶瓷制备与羟基磷灰石制备工艺相似，以Ca(NO3)2与(NH4)2HPO4为原料，首先合成Ca10(PO4)6(OH)2,然后在较高温度下依次脱除氢原子和氧原子得到磷酸钙。在1400C以上，-磷酸钙转化为-磷酸钙第44页/共71页3.5.2磷酸钙的结构与性能-磷酸钙的独特性质－水硬性：-磷酸钙的生理盐水溶液中加入适当添加剂，37C时凝胶化时间16分钟，室温放置5天后抗压强度为30MPa，固化10天后，生成羟基磷灰石。-磷酸钙：半晶或无定形的，力学强度不及HA，但降解速度比HA快的多，多孔-磷酸钙几个月（9个月）内可完全降解。第45页/共71页3.5.3磷酸钙的应用良好的生物相容性。由于强度较低，一般作填充物用，用于不承载较大负荷的部位，或作生物涂层用；自固化的磷酸钙可作骨水泥用于齿科材料或颌面整形、人工关节部件固定。第46页/共71页3.6珊瑚

珊瑚(指石珊瑚而非软珊瑚)为海洋内腔肠动物珊瑚虫分泌的外骨骼沉积而成，其壳体主要成分为碳酸钙，含量高达95％．由于其良好的生物相容性、机械性能好，以及有合适的降解性能，在人骨修复方面得到了应用。第47页/共71页

3.6.1珊瑚的制备、结构与性能珊瑚分天然珊瑚、人工合成珊瑚以及改性产物等。一、天然珊瑚天然珊瑚为一种多孔性结构体，是在海水中长期沉积(钙离于和含磷离子)作用形成的。其主要成分碳酸钙为无定形结构，孔率介于30％一60％，孔径在100m到几百微米之间．它由于含有其他元素及有机物，与纯碳酸钙的性能有所不同。另外，在孔隙率很大(60％)的情况下能保持一定的强度。作为人工骨材料其抗压强度(约18.6MPa)不足，弹性模量（49.7GPa）与人骨相比偏高。珊瑚的处理主要是去除有机质，可采用超声法和化学法，并在高压灭菌器消毒即可使用。第48页/共71页二、人工珊瑚人工珊瑚主要通过化学或模仿生物沉积方法得到多孔碳酸钙．但无论从强度还是多孔性方面都无法与天然珊瑚相比。三、改性珊瑚将天然珊瑚的碳酸钙中的碳酸根换成磷酸根，则得到珊瑚羟基磷灰石，基本工艺为珊瑚在高温、高压下与磷酸二氢铵长时间反应，得到珊瑚羟基磷灰石。该材料除保持珊瑚的孔结构外，还提高了珊瑚的硬度(一般莫氏硬度为5，而珊瑚一般为3-4)．而基磷灰石是骨组织的主要无机成分，与组织的相容性更好。第49页/共71页珊瑚中的CaCO3在体内可离解成Ca2+、HCO3-，其中HCO3-参与体液的HCO3-/CO2缓冲体系，而Ca2+则可参与植入体表面的钙、磷离子交换，促进新骨的形成。珊瑚的降解主要是破骨细胞的吞噬作用及碳酸酐酶(CA)对珊瑚的吸收。珊瑚不改变机体正常的免疫状况，具有良好的生物相容性和骨亲和性；同时其孔结构有利于骨组织的长入和替代，有一定的骨传导作用。第50页/共71页3.6.2珊瑚在医学中的应用

珊瑚可用于口腔颌面部整形，鼻畸形患者，鼻小柱内植入珊瑚，以提起鼻尖。珊瑚粉末与抗菌素膏混合后植入牙周以修复骨缺损。用于颅脑手术，如颅骨创伤后畸形患者，珊瑚植入之后恢复形态。珊瑚还用于颅骨盖髓术、颧弓骨折、人工全髋关节缺损、人工股骨头、人工骨义眼台等。第51页/共71页3.7生物玻璃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。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），即可得到玻璃。如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体（一般小于1nm），这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷。第52页/共71页微晶玻璃中通常含有50％～90％的微小晶体成分，而非晶态(玻璃态)含5％～50％，玻璃相把微小的晶粒连结起来。微晶玻璃较普通玻璃的机械强度(抗压强度、抗冲击强度、抗弯强度、硬度、耐磨)有很大提高。第53页/共71页1970,美Florida大学L.Hench开发45S5生物玻璃，成分：SiO2：45%，Na2O：24.5％，CaO：24.5％，P2O5：6％.1982，日本京都大学小久保研制A-W微晶玻璃，成分：SiO2：34.2%，CaO：44.9％，P2O5：16.3％,MgO：4.6％，CaF2：0.5％.第54页/共71页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：非活性的近似惰性的和生物活性的。惰性生物玻璃在生物体中由于体液的作用，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，基体则未发生改变。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解速度慢，组织反应活性差一些，但活性高于惰性生物材料。第55页/共71页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—沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下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相关。第56页/共71页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第57页/共71页生物玻璃大多是与磷酸盐有关的玻璃和混合材料，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键(P＝O)、硅氟键(Si—F)或铝氟键(Al—F)。活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同时含有Na2O以及CaO／P2O5。

第58页/共71页与生物陶瓷一样，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活性的关键因素之一。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。第59页/共71页作为骨组织替代物或填充材料，一定的力学强度是必须的。生物玻璃的抗压强度以及其他主要物理性质(密度、热膨胀系数等)均与人体骨相近，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，甚至得到可切削的生物玻璃。

第60页/共71页例如：组成为MgO(15.5％)、Al2O3(12.6％)和SiO2(71.9％)的玻璃，当部分氧原子被F(11.2％)原子取代后，再掺杂5.2％氧化钠得到可切削玻璃；加入少量CaO、P2O5不会影响其机械性质而形成生物活性玻璃。第61页/共71页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的表面涂层。治疗用生物玻璃，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；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放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；人工齿冠用生物玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。第62页/共71页3.8骨水泥水泥实际上一类无机或有机及其混合物粉末材料，在常温下当它与水或水溶液拌和后所形成的浆体，经过一系列化学、物理作用后，能够逐渐硬化并形成具有一定强度的人造石。水泥与玻璃和陶瓷相比具有易塑形自硬化作为骨水泥，除了易塑形和凝固后一定的强度，同时还必须具有生物相容性。第63页/共71页3.8.1硫酸钙骨水泥硫酸钙(俗称石膏)，早在1894年就用做人工骨材料，主要特性是降解速度快(在很大程度上是硫酸钙微溶于水)，自硬性强度高，在短时间内达到较高强度．因此在医学上主要用于骨外固定材料、