生物陶瓷材料

生物陶瓷材料 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 材 料 科 学 课 程 设 计 生物陶瓷材料的研究 Study on Bio-ceramic Materials 学院名称: 专业班级: 姓名、学号: 指导教师: 二,一二年一月 目录 摘要 ......................................................................................................................... 4 1. 生物陶瓷材料的特性及介绍 ............................................................................. 4 1.1 生物陶瓷材料的概念 ................................................................................ 4 1.1.1 生物材料 ......................................................................................... 4 1.1.2 生物陶瓷 ......................................................................................... 4 1.2 生物陶瓷的发展历程 ................................................................................ 5 1.3 生物陶瓷的分类 ........................................................................................ 6 1.3.1 生物陶瓷根据其用途分类 .............................................................. 6 1.3.2 生物陶瓷根据其与生物组织的作用机理分类 ................................ 7 1.4 生物陶瓷具备的性能 ................................................................................ 8 1.4.1与生物组织有良好的相容性............................................................ 9 1.4.2有适当的生物力学和生物学性能 .................................................... 9 1.4.3具有良好的加工性和临床操作性 .................................................... 9 1.4.4具有耐消毒灭菌性能 ....................................................................... 9 1.5 生物陶瓷材料的优点 ................................................................................ 9 2. 生物惰性陶瓷 ................................................................................................. 10 2.1 单晶、多晶和多孔氧化铝 .................................................................. 10 2.1.1单晶、多晶和多孔氧化铝 ........................................................... 10 2.1.2 氧化铝单晶的生产工艺 .............................................................. 11 2.2 氧化锆陶瓷 .......................................................................................... 11 2.3 碳素类陶瓷 .......................................................................................... 12 3. 生物活性陶瓷 ................................................................................................. 12 3.1 生物玻璃陶瓷 ...................................................................................... 13 3.1.1 生物玻璃陶瓷 .............................................................................. 13 3.1.2 玻璃陶瓷的生产工艺过程 .......................................................... 13 3.2 羟基磷灰石陶瓷 .................................................................................. 13 3.2.1 羟基磷灰石陶瓷 .......................................................................... 13 2 3.2.2 羟基磷灰石陶瓷的制造工艺 ..................................................... 14 3.3 磷酸三钙 .............................................................................................. 14 4. 生物陶瓷材料的应用实例 ............................................................................. 15 4.1 生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展 ............................................... 15 4.2带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 ........................................................ 16 4.3 具有力学性能促进组织生长的功能材料 ............................................... 16 4.4 具有生物体组织结构的复合材料 ........................................................... 17 4.5 医用碳素材料 .......................................................................................... 17 4.6 陶瓷膜的生物污染控制及其抑菌改性 ................................................... 17 4.7 医用复合生物陶瓷材料的研究 ............................................................... 18 5.生物陶瓷的发展前景及所存在的问题 .............................................................. 18 5.1 生物陶瓷的发展前景 .............................................................................. 18 5.1.1 人工陶瓷关节 ................................................................................ 18 5.1.2骨骼填充陶瓷材料 ......................................................................... 18 5.1.3临床可以成形的人工骨 ................................................................. 19 5.1.4用作放射疗法治疗癌症的陶瓷 ...................................................... 19 5.1.5热疗治癌的陶瓷 ............................................................................. 19 5.2 生物陶瓷材料的发展热点 .................................................................... 19 5.3 生物陶瓷需要解决的问题 .................................................................... 20 参考文献 ............................................................................................................... 21 3 生物陶瓷材料的研究 摘要: 生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的 生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。本文从生物陶瓷的发新型材料， 展过程、生物陶瓷的优良性能、生物陶瓷的分类、应用举例和目前存在的问题等多方面，简单的介绍生物陶瓷材料。 关键词: 生物陶瓷 性能 分类 应用 前景展望 1. 生物陶瓷材料的特性及介绍 1.1 生物陶瓷材料的概念 1.1.1 生物材料 生物材料学是生命科学与材料科学的交叉学科，在医学和工程学中得到广泛应用。研究的主要目的是在分析天然生物材料的组装，生物功能及形成机理的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能材料. 按照研究对象和使用目的的不同，生物材料可分为: (1) 天然生物材料: 生物生命过程中形成的材料，如麻，棉，蚕丝和贝壳等 (2) 生物医用材料: 植入活体内能起某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料 (3)仿生和组织工程材料: 模仿生物功能的人工合成的材料 1.1.2 生物陶瓷 在各种生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷。陶瓷作为人体材料应用早在古代就已开始，陶瓷不生绣、不燃烧，而且抗腐蚀性和强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。象目前经常在外科手术中使用的维塔利姆的钴铬钼合金材料，虽然长期植入体内很少产生特异变化，但并不能认为它是完全稳定的，有时也会引起身体异物反映和合金腐蚀现象，尤其是酵母系的酶很容易使人体产生预料不到的剧烈变化。而陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且可以制成具有优良生物活性的材料。所谓生物惰性材料，就是在人体内基本不会发生变化的材料，也不会同人体组织发生相互作用。所谓生物活性材料，就是在人体内会发生分解、吸收、反应、析出等变化的材料。这种材料能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起。 生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。植入陶瓷植入生物体内，用以恢复和 4 增强生物体机能。由于植入陶瓷直接与生物体接触，故要求其与生物体的亲和性好，不产生有毒的侵蚀、分解产物;不使生物细胞发生变异、坏死，以及引起炎症和生长肉芽等;在体内长期使用功能好，对生物体无致癌作用，本身不发生变质;易于灭菌。常用的植入陶瓷有氧化铝陶瓷和单晶氧化铝、磷酸钙系陶瓷、微晶玻璃、氧化锆烧结体等，它们在临床上用作人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管穿皮接头等。生物工艺学陶瓷用于分离细菌和病毒，用作固定化酶载体，以及作为生物化学反应的催化剂，使用时不直接与生物体接触。常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。前者不易被细菌侵入，环境溶液中溶媒的种类、pH值和温度不易引起孔径变化，材质坚硬、强度高，多用作固定化酶载体。后者耐碱性能好，价格低，主要用作固定化酶载体，使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。此外，控制多孔陶瓷的孔径，可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。 1.2 生物陶瓷的发展历程 对于生物陶瓷的应用，人们是经过了长期的摸索与研究。在18 世纪前， 人们就开始用柳枝、木、麻、象牙等天然材料作为骨修复材料，而生物陶瓷材料作为生物医学材料则是始于18世纪初，1788年法国人Nicholas成功地完成了瓷全口及瓷牙修复，并在1792年获得专利。1808 年初成功制成了用于镶牙的陶齿，而后在1871年，羟基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料。1926 年，Bassett 用X- 射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。1928 年，Leriche 和 Policard 开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料(1930年，Naray-Szabo 和Mehmel 独立地应用 X-ray 衍射分析确定了氟磷灰石的结构。1963 年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，该年 Smith 报告发展了一种陶瓷骨替代材料。由于技术方面的限制，直到1971年才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用的报道。 1974年，Hench 在设计玻璃成分时，曾有意识地寻求一种容易降解的玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨骼和牙齿的一部分。这种将无机材料与生物医学相联系的开创性研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。 中国 20 世纪 70 年代初期开始研究生物陶瓷，并用于临床。1974 年开展微晶玻璃用于人工关节的研究;1977 年氧化铝陶瓷在临床上获得应用;1979 年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不断出现，并应用于临床。中国上海硅酸盐研究所、华南理工大学、北京市口腔医学研究所等单位对生物陶瓷都进行了深入的研究。 5 目前，生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大，可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测，以及膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。 生物陶瓷不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 现出良好的亲和性。生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材料，可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。 1.3 生物陶瓷的分类 1.3.1 生物陶瓷根据其用途分类 广义的生物陶瓷可以分为以下两大类: (1)植入陶瓷 :又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。 目前已经实用的品种有: ?氧化铝陶瓷和单晶氧化铝:氧化铝陶瓷由氧化铝粉料烧结制成，单晶氧 化铝可用引上法或火焰熔融法制取。氧化铝陶瓷表面为亲水性，与生物体 组织有良好的生物亲合性。目前，在临床实用中除做人造骨、人造关节外， 还可制接骨用螺钉。 ?磷酸钙系陶瓷:又称磷灰石质陶瓷，如羟基磷灰石【Ca(PO)?(OH)】10462 与其他陶瓷相比，磷酸钙陶瓷更类似于人骨和天然牙的性质和结构。在生 2+物体内，羟基磷灰石的溶解是无害的，并且依靠从体液中补充Ca和PO 婯离子等形成新骨，可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应，实 现牢固结合。因此，各国都在积极研制，对其在生物体方面的应用寄予很 大希望。 羟基磷灰石可用氯化钙和磷酸通过水溶液湿法反应、水蒸气中高 温固相反应或者高温高压水蒸气下反应等方法合成。目前，已制成气孔率 分别为50,和90,的多孔体，气孔率在 0.1,以下的致密烧结体以及供固 化用的粉料。用于人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管 和人造气管等。 ?其他陶瓷:生物稳定的碳具有很好的生物体亲和性，在较低温度炭化的 碳水化合物制成的热解炭作为人造心脏瓣膜已有数十万实用病例。另外， CaO-PO-SiO-NaO系玻璃，以及微晶玻璃等也正在研制作为人造骨2522 及人造牙。为了改进陶瓷的脆性，ZrO烧结体及复合材料也正在研制作为2 人造骨等。 (2)生物工艺学陶瓷:在生物工艺学和生物化学领域中，主要应用的有多孔玻 璃和多孔陶瓷。 ?多孔玻璃:利用玻璃分相现象制作的玻璃，采用适宜组成。例如:含 6 NaO 8,、BO24,、SiO68,的玻璃，在1500?熔制，然后在500,223 2 650?下热处理，NaO-BO相与 SiO相分离，经酸中浸析使NaO-B223222 O相溶出，即形成具有连通细孔的SiO玻璃。根据热处理的温度和时间32 可改变细孔孔径。这种多孔SiO玻璃作为固定化酶的载体有许多优点:每2 2克玻璃的细孔表面积可高达500m;细孔孔径可达2500Å，并且孔径集中; 多孔玻璃不易被细菌侵入;溶液中溶媒的种类、pH和温度不易引起细孔 径的变化;材质坚硬、强度好。 ?多孔陶瓷载体:多孔陶瓷有AlO、TiO、SiO、ZrO和TiO-AlO的，23222223 它们的耐碱性能都很好，价格也比多孔玻璃低。主要用作固定化酶的载体， 使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。例如在食品工业中，分解蔗糖以 制取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的转化酶，就适于以多孔陶瓷为载体。控制 多孔陶瓷的细孔径，可以应用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离 和提纯。利用细孔还可以处理生活用水。 表1 植入陶瓷的品种和用途 1.3.2 生物陶瓷根据其与生物组织的作用机理分类 目前，世界上能植入体内的生物陶瓷，根据与生物组织的作用机理，大致可分为三类 : (1)生物惰性陶瓷:包括多晶氧化铝陶瓷、单晶氧化铝陶瓷、高密度羟基磷灰石陶瓷、碳素陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。它们植入生物体组织内不与生物体组织形成化学结合，而是在固定于生物体内时，在植入体上钻孔或在其表面制成螺纹或沟状进行连接，它们与生物体组织的结合为一种物理结合，其界面关系的研究还不十分深透，但这类材料具有较长期的稳定性。 (2)生物活性陶瓷:包括生物玻璃、低密度羟基磷灰石类陶瓷(锆—羟基磷灰石陶瓷、氟一羟基磷灰石陶瓷、钙—羟基磷灰石陶瓷)、磷酸钙玻璃陶瓷等。由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟 7 基磷灰石陶瓷称之为人工骨。用这类材料制成的生物陶瓷，因为含有通过正常新陈代谢途径而进行置换的磷、钙、水、二氧化碳等元素和化合物，植入生物体内能逐渐被生物体所吸收。但其缺点是在被吸收过程中它的强度严重下降，故在设计时要认真考虑机械因素，使机体组织和再吸收陶瓷结构在愈合进程中不致断裂。 (3) 生物吸收性陶瓷。如磷酸三钙、可溶性钙铝系低结晶度羟基磷灰石等。 表2 生物陶瓷种类和材料组成 除上述三类生物陶瓷材料外，近来还发展了一种金属—陶瓷多孔复合种植材料。这是为了克服陶瓷材料的脆性，以钛金属作核增强，并模拟骨的成分结构，在钛金属的表面复合陶瓷。据报导，这种金属—陶瓷多孔复合种植材料，与TC钛合金相比，结合强度明显提高。经动物植入实验结果，随植入的时间4 推移，X线片所见骨密度不断增加，种植体与周围骨组织间隙消失，呈现骨的正常影象。SEM观察，种植体与组织界线消失，新生的纤维组织和骨组织从多孔陶瓷表层伸入到内部形成交叉生长状态，而且伴随有钙盐沉积，形成正常的骨性结合。临床种植实验结果，种植后种植体一直非常稳固，种植体周围组织无红肿炎症反应。修复一个月后线片可见种植体周围骨结构基本处于稳定状态，并恢复到正常骨的水平。获得了良好的种植效应。医学家们认为，金属—陶瓷多孔复合种植材料是很有前途的一种复合种植材料。 1.4 生物陶瓷具备的性能 8 1.4.1与生物组织有良好的相容性 这是指将生物陶瓷材料代替硬组织(牙齿、骨)植入人体内后，与机体组织(软组织、硬组织以及血液、组织液)接触时，具有良好的亲和性能。在体内正常代谢作用下，不致产生变质或变性。在机体正常发育和增生吸收过程中，材料能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。材料与机体软组织都具有良好的结合性。此外，还要求材料对周围组织无毒性、无刺激性、无致敏性、无免疫排斥性以及无致癌性。 1.4.2有适当的生物力学和生物学性能 材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。以口腔和领面种植学为例，要求植入的生物陶瓷应具有承受口腔内的静力和动力作用的足够强度，能发挥正常的咀嚼功能。特别是口腔硬组织的弹性模量必须相近似，以避免在功能作用下产生应力集中而造成对口腔硬组织的损伤和破坏，或造成新生骨的再吸收。 1.4.3具有良好的加工性和临床操作性 生物陶瓷植入的目的，是通过人工材料替代和恢复各种原因造成的天然牙和骨缺损缺失的生理外形，重建已丧失的生理功能。因此为修复这类复杂的牙、骨缺损，就要求种植的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床治疗过程中，操作简便，易于掌握。 1.4.4具有耐消毒灭菌性能 生物陶瓷材料是长期植入体内的材料，植入前须进行严格的消毒灭菌处理 材料均因此无论是高压煮沸、液体浸泡、气体(环氧乙烷)或γ射线消毒后，不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。 1.5 生物陶瓷材料的优点 生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料， 因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点: (1)由于它是在高温下烧结制成，其结构中包括键强很大的离子键或共价键，所以具有良好的机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳定;在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能，不易产生疲劳现象，而且和人体组织的亲和性好，几乎看不到与人体组织的排斥作用，因此能满足种植学要求。 9 (2)陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。例如可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中，希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则，当降解速度超过骨生长速度时，就会产生“死区”，影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷，就能调整降解速度，满足临床要求。 (3)陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸，如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。 (4)后加工方便。通常认为陶瓷很难加工，但随陶瓷加工设备和技术的进步，现在陶瓷的切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。 (5)易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。 2. 生物惰性陶瓷 生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度，耐磨性以及化学稳定性，它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等，又分为以下几种: 2.1 单晶、多晶和多孔氧化铝 2.1.1单晶、多晶和多孔氧化铝 单晶氧化铝轴方向具有相当高的抗弯强度，耐磨性能好， 耐热性好， 可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈， 也不会溶解出有害离子，与金属螺栓不同，勿需取出体外。60年代后期，广泛用作硬组织修复。多晶化学性能十分稳定，几乎不与组织液发生任何化学反应，硬度高，机械强度高。总之氧化铝陶瓷具有良好的组织亲和性， 这是因为其表面具有亲水性，即氧化铝结晶表面氧原子能捕获水分子而产生极化现象，结果在其表面覆盖一层羟基，它能吸附水分子，在表面形成亲水层， 使表面呈强极性，易被组织液浸润。在极性层外间构成水——金属离子——蛋白质的“三明治”式结构，形成周期的氧化铝生物相容性。 氧化铝陶瓷和单晶氧化铝。氧化铝陶瓷由氧化铝粉料烧结制成，单晶氧化铝可用引上法或火焰熔融法制取。氧化铝陶瓷表面为亲水性，与生物体组织有良好的生物亲合性。目前，在临床实用中除做人造骨、人造关节外，还可制接骨用螺钉。 10 2.1.2 氧化铝单晶的生产工艺 氧化铝单晶的生产工艺有提拉法、导模法、气相化学沉积生长法、焰熔法等。 a、提拉法 即是把原料装入坩埚内，将坩埚置于单晶炉内，加热使原料完全熔化，把装在籽晶杆上的籽晶浸渍到熔体中与液面接触，精密地控制和调整温度，缓缓地向上提拉籽晶杆，并以一定的速度旋转，使结晶过程在固液界面上连续地进行，直到晶体生长达到预定长度为、止。提拉籽晶杆的速度1.0-4mm/min 坩埚的转速为10r/min，籽晶杆的转速为25r/min b、导模法 简称EFG法。在拟定生长的单晶物质熔体中，放顶面下所拟生长的晶体截面形状相同的空心模子即导模，模子用材料应能使熔体充分润湿，而又不发生反应。由于毛细管的现象，熔体上升，到模子的顶端面形成一层薄的熔体面。将晶种浸渍到基中，便可提拉出截面与模子顶端截面形状相同的晶体。 c、气相化学沉积生长法 将金属的氢氧化物、卤化物或金属有机物蒸发成气相，或用适当的气体做载体，输送到使其凝聚的较低温度带内，通过化学反应，在一定的衬底上沉积形成薄膜晶体。 d、焰熔法 将原料装在料斗内，下降通过倒装的氢氧焰喷嘴，将其熔化后沉积在保温炉内的耐火材料托柱上，形成一层熔化层，边下降托柱边进行结晶。用这种方法晶体生长速度快、工艺较简单，不需要昂贵的铱金坩埚和容器，因此较经济。 e、单晶氧化铝临床应用。 它用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度，不易折断。它还可以作为损伤骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺钉，比用金属材料制成的人工骨螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根，由于氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲合性能，结合力强，因此有利于牙龈粘膜与异齿材料的附着。 2.2 氧化锆陶瓷 部分稳定的氧化锆和氧化铝一样， 生物相容性良好， 在人体内稳定性高， 且比氧化铝断裂韧性、耐磨性更高， 有利减少植入物尺寸和实现低摩擦、磨损，用以制造牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨、瓣膜等。中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家还研制成功了等离子喷涂氧化锆人工骨与关节陶瓷涂层材料，并获得了国家发明奖。 11 表3 氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷的物理特性 部分生物惰性陶瓷的性能见下表:(国际 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化组织(ISO)对于医用氧化铝植入制品的要求也一起列入) ISO标准 物理特性 氧化铝陶瓷 氧化锆陶瓷 紧质骨 松质骨 6474 质量分数/% 氧化铝>99.8 氧化铝>99.5 氧化锆>97 密度/(g?cm-3) >3.93 >3.90 6.05 1.6-2.1 平均粒径/mm-3 3-6 <7 0.2-0.4 表面粗糙度Ra/mm-3 0.02 0.008 硬度/HV 2300 >2000 1300 压缩强度/MPa 4500 2000 100-230 2-12 抗弯强度/MPa 595 >400 1000 50-150 杨氏模量/GPa 400 150 7-30 0.05-0.5 断裂人性5-6 15 2-12 K/(MPa?m1/2) 2.3 碳素类陶瓷 包括碳素、玻璃碳、碳纤维及热解石墨等，其成分是碳元素，玻璃碳的强度差，在1300,1500?加热分解碳氢化合物得到的热解石墨微粒， 质地致密坚硬;碳纤维强度大，挠性好。在20世纪60年代人们发现它们具有血液相容性、抗血栓性好，且其弹性模量近似天然骨，对组织力学刺激小，与人体组织亲和性好、耐侵蚀、轻、耐疲劳、润滑与人体组织无反应、不溶解、能牢固的粘附在其它材料的表面。已用作人工心瓣膜、血管、尿管、支气管、胆管、韧带、腱、牙根、关节等。生物稳定的碳具有很好的生物体亲和性， 在较低温度炭化的碳水化合物制成的热解炭作为人造心脏瓣膜已有数十万实用病例。 3. 生物活性陶瓷 生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系)，羟基磷灰和陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。 12 3.1 生物玻璃陶瓷 3.1.1 生物玻璃陶瓷 这种材料的主要成分是CaO?NaO?SiO?PO ，比普通窗玻璃含2225 有较多钙和磷，与骨自然牢固地发生化学结合。医学家们将这种材料植入人体，只有一个月表面就形成SiO胶凝层，进而与骨骼形成化学键。目前此2 种材料已用于修复耳小骨，对恢复听力具有良好效果。但由于强度低，只能用于人体受力不大的部位。 3.1.2 玻璃陶瓷的生产工艺过程 配料熔融?成型?加工?晶化热处理 玻璃陶瓷的生产工艺流程:配料制备? ?再加工 。 玻璃陶瓷生产过程的关键在晶化热处理阶段:第一阶段为成核阶段，第二阶段为晶核生长阶段，这两个阶段有密切的联系，在A阶段必须充分成核，在B阶段控制晶核的成长。玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决定。第一个因素为晶核形成速度;第二个因素为晶体生长速度;第三个因素为玻璃的粘度。这三个因素都与温度有关。玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小，也不宜过大，有利于对析晶过程进行控制。为了促进成核，一般要加入成核剂。一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子，但价格较贵，另一种是普通的成核剂，有TiO、ZrO、22PO、VO、CrO、MoO、氟化物、硫化物等。 2525233 3.2 羟基磷灰石陶瓷 3.2.1 羟基磷灰石陶瓷 其组成与天然磷灰石矿物相近，是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，结构亦非常接近， 呈片状微晶状态。人体最坚固的硬组织是牙釉质，它约含98%无机质，主要为HAP，余为磷酸钙，与生命起源十分密切。 其制备一般可从分解动物的骨组织和人工合成获得，后者又分湿法和固相反应。但固相反应和灼烧哺乳动物骨骼在高温中一部分羟基会丢失，且难以消除杂相，故少用。反应共沉淀是将钙质原料和磷酸盐或磷酸，分别配制成合适浓度的液体，按Ca /P 原子比 1. 67、pH> 7，控制适当温度进行反应合成，沉淀物经脱水干燥、高温煅烧得浅绿色合成晶体的团聚体， 纯度达99. 5%以上，其化学组成主要为CaO、PO。单一的HAP 的成形和烧结性能25 2+较差，易变形和开裂。加入ZrO、YO、ZnO和含镁盐的CPM复合试剂23 等，可使具有良好生物相容性和足够机械强度，且无毒。连续热等静压烧结是制备理论密度的高致密HAP的有效方法。这种材料主要用作生物硬组织的修复和替换材料，如口腔种植、牙槽脊增高、牙周袋填补、额面骨缺损修 13 复、耳小骨替换等。由于机械强度不够高，只限用于以上不承受大载荷部位。 3.2.2 羟基磷灰石陶瓷的制造工艺 a、固相反应法 这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方将原料磨细混合，在 高温下进行合成，合成温度1000-1300?，反应式如下: 6CaHPO?2HO+4CaCO Ca(PO)6(OH)+4CO+4HO 423104222 b、水热反应法 将CaHPO与CaCO按6:4摩尔比进行配料，然后进行24h湿法球磨。 43 将球磨好的浆料倒入容器中，加入足够的蒸馏水，在80-100?恒温情况下 进行搅拌，反应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物，其反应 式如下: 6CaHPO+4CaCO?Ca(PO)6(OH)+4CO+2HO 43104222 c、沉淀反应法 此法用Ca(NO)与(NH)HPO进行反应，得到白色的羟基磷其反应如下: 32424 10Ca(NO)+6(NH)2HPO+8NH?HO+HO=Ca(PO)6(OH)+20NHNO+7HO 32443221042432 此外，还有其它方法可制成羟基磷灰石。 3.3 磷酸三钙 磷酸钙品类繁多，但生物学感兴趣的有六种，作为人工骨生物磷酸钙陶瓷研究较多的是β磷酸三钙和羟基磷酸钙。磷酸三钙的化学组成与羟基磷灰石类似，只是钙磷比较羟基磷灰石低，约为1. 5，在体内能降解，其产物可随体内新陈代谢而被吸收或排出体外。缺点是机械强度偏低，经不起力的冲击。 目前，磷酸三钙主要制成多孔陶瓷作为骨骼填充剂，或作颅骨置换等。但在随后的研究中发现，磷酸三钙被植入后，溶解产物是“粒子”而不是“离子”，那些未被肌体吸收的粒子在基体体内聚集可能会引起淋巴结增生，对人体不利。 与其他陶瓷相比，磷酸钙陶瓷更类似于人骨和天然牙的性质和结构在生物体内，羟基磷灰石的溶解是无害的， 并且依靠从体液中补充Ca 和PO离4 子等形成新骨，可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应， 实现牢固结合。因此，各国都在积极研制，对其在生物体方面的应用寄予很大希望。 羟基磷灰石可用氯化钙和磷酸通过水溶液湿法反应、水蒸气中高温固相反应或者高温高压水蒸气下反应等方法合成。目前，已制成气孔率分别为50%和90%的多孔体，气孔率在 0. 1%以下的致密烧结体以及供固化用的粉料。用于人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管和人造气管等。 14 4. 生物陶瓷材料的应用实例 4.1 生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展 目前，对羟基磷灰石材料的研究重点是克服羟基磷灰石生物陶瓷材料的脆性和在生理环境中的疲劳破坏，使其能用作承力的骨替换材料，因此研究人员正试图利用纳米的微尺寸效应来研究纳米羟基磷灰石对提高材料强韧性以及对生物相容性的影响。有 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 报道，羟基磷灰石材料近十年来受到临床重视，它的种植体模仿了骨基质的结构，具有骨诱导性，能为新生骨组织的长入提供支架和通道，孔径、孔率和孔内部的连通行是骨长入方式和数量的决定性因素。研究表明，当种植体内部连通气孔的孔径为5~40 μm 时，允许纤维组织长入; 当孔径为40~100 μm 时，允许非矿化的骨样组织长入;当孔径在150~200 μm 时，能为骨组织的长入提供理想的场所;当孔径超过200 μm时，是骨传导的基本要求;当孔径在200~400 μm 时，最有利于新骨生长。 陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、晶须或纤维等增强体而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料尚未达到大规模临床应用阶段，其研究还主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。 AlO、ZrO 等生物惰性材料自20世纪70年代初在临床应用研究中得到232 应用，但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基体，掺入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物物陶瓷优良力学性能的基础上还具有一定的生物活性和骨结合能力。为满足骨科临床对生物学性能和力学性能的要求，人们开始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究，以使材料在气孔率、比表面积、生物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善。近年来，对羟基磷灰石和磷酸三钙复合材料的研究也日益增多。30%羟基磷灰石与70%磷钙陶瓷，研究发现羟基磷灰石-磷酸三钙致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂，其沿晶断裂的程度也大于纯单相陶瓷材料。羟基磷灰石-磷酸三钙多孔复合材料植入动物体内，其性能起初类似于β-磷酸三钙，而后具有羟基磷灰石的特性，通过调整羟基磷灰石与磷酸三钙的比例，达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4 玻璃粉末与羟基磷灰石制备而成的复合材料，植入兔骨中8周后取出，骨质与复合材料之间的剪切破坏强度达27 MPa ，比纯羟基磷灰石陶瓷有明显的提高。 生物陶瓷材料尤其在湿生理环境中的力学性能较差，生物陶瓷的活性研究 15 及其与骨组织的结合性能研究，并未能解决材料固有的脆性特征。生物陶瓷的增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强、相变增韧和层状复合增强等。例如当羟基磷灰石粉末中添加10%,70%的ZrO 粉末时，材料经1300,1350?2 热压烧结，其强度和韧性随烧结温度的提高而增加。纳米SiC增强羟基磷灰石复合材料比纯羟基磷灰石陶瓷的抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2 倍、抗压强度提高1.4倍，与生物硬组织的性能相当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料，SiC晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料，复合材料的抗弯强度可达460 MPa 、断裂韧性达4.3MPam1/2，成为可靠性最高的生物陶瓷基复合材料。羟基磷灰石晶须增韧羟基磷灰石复合材料的增韧补强效果同复合材料的气孔率有关，当复合材料相对密度达92%,95%时复合材料的断裂韧性可提高40%。目前用于补强医用复合材料的主要有:SiC， SiN， AlO， 3423ZrO，羟基磷灰石纤维或晶须以及碳纤维等。 2 4.2带有治疗功能的生物陶瓷复合材料 该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，使压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时,利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。具体来说，由于肿瘤中血管供氧不足，当局部被加热到43~45?时，癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织。现在功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很光明的。 4.3 具有力学性能促进组织生长的功能材料 [Ca(PO)(OH)](简称HA)生物活性人工骨是一种新型骨和牙齿的修复和10462 替换材料，属高技术陶瓷材料领域。20世纪70年代初在国际上开始得到重视，20世纪80年代中后期研究工作进入高潮，一些制品正式投入临床使用。这类材料无毒、无刺激、不致畸、不致癌，而且植入人体后可与原骨结合成一体，形成牢固的骨性结合，在强力作用下，不在“界面”上与骨分离，即使偶然破裂，也能在体内自行愈合。因此，被称为生物活性材料。例如HA与骨形成蛋白(BMP)复合，为缺损处新骨形成提供适宜的“骨支架”。复合BMP后，活跃的成骨细胞及类骨质在HA表面重新生成板层状骨。Kawamura实验结果表明，BMP成网状分布于HA孔隙壁上，复合材料骨生成明显多于单纯HA，孔径为90~200μm时骨生成较早。体内缺损填充观察，3周即可见有软骨及网状骨形成，6周则转为板状骨及具有造血功能的骨髓组织，新骨与HA之间有一定的亲和力。 16 4.4 具有生物体组织结构的复合材料 由于传统的人工器官(如人工肾、肝)不具备生物功能(代谢、合成)，只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要3个要素，即“种子”细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作“种子”细胞进行构建人工器官成为热点。已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果。其主要任务是实现受损组织或器官的修复和再建，延长寿命和提高健康水平。其方法是将特定组织细胞“种植”于一种生物相容性良好、可被人体逐步降解吸收的生物材料(组织工程材料)上，形成细胞—生物材料复合物，生物材料为细胞的增长繁殖提供三维空间和营养代谢环境，随着材料的降解和细胞的繁殖，形成新的具有与自身功能和形态相应的组织或器官，这种具有生命力的活体组织或器官能对病损组织或器官进行结构、形态和功能的重建，并达到永久替代。 4.5 医用碳素材料 随着人们成功地利用低温热解同性碳制造出人工机械心瓣并临床应用以来，医用碳素材料的研究与开发在新型医用材料领域一直十分活跃。由于碳素材料具有十分突出的生物相容性和适中的力学性能，主要被用于制造生物植入体。另外，由于医用碳素材料是一种化学惰性材料，在体内不会因被腐蚀或磨损而产生对机体有害的离子，低温热解同性碳还具有罕见的抗血凝性能，所以可直接应用于心血管系统。与金属材料相比，医用碳素材料又具有良好的“生物力学相容性”，尤其是碳纤维问世以来，碳—碳复合材料、碳纤维增强树脂等多种高性能结构材料不断涌现，它们集高强度、低模量于一身，并具有很好的抗疲劳性能，因此医用碳素材料作为修复或替代受损骨组织的材料已较为广泛地应用于骨伤外科。随着新型纳米碳素材料碳纳米管的出现，国内外一些学者开始利用其特异的电学与光学性质，在传统生物材料中加入碳纳米管制造出具有独特功能的新型生物复合材料。 4.6 陶瓷膜的生物污染控制及其抑菌改性 陶瓷膜因其具有耐高温高压，耐腐蚀，耐有机溶剂，膜通量高和使用寿命长等优点被广泛运用于水处理，食品饮料，医药，化工，电子以及环保等领域.但陶瓷膜的污染尤其是生物污染成为制约其实际运用的一个重要因素，因此陶 17 瓷膜的抑菌改性越来越受到人们关注，目前对陶瓷膜的研究主要集中于膜的分离性能,传质机理等方面，而对于其抑菌改性研究还处于探索阶段.陶瓷膜抑菌改性时不仅要考虑改性后陶瓷膜的抑菌性能， 更重要的是要注意膜在实际应用时的分离性能，要尽可能使改性后的膜更具应用价值. 陶瓷膜的抑菌改性可以有效减 轻其在使用过程中的微生物污染问题，延长其使用寿命，具有良好的发展空间. 4.7 医用复合生物陶瓷材料的研究 随着医学研究的进展，人们对因肿瘤及损伤等原因造成的组织或器官的缺损的修复越来越重视.由于自体组织移植作为修复材料的来源受到限制"并存在弊端"许多材料学家与医学工作者相结合把目光集中到各种人工材料上"可吸收的人工材料前段时间研究颇热" 但是由于材料吸收速度与人体组织修复之间的时间差异等各种问题而使对其的研究受到了限制，而从20世纪60年代开始研究的人体生物陶瓷由于良好的生物相容性生物力学性能而得到广泛的关注，但是陶瓷的脆性始终限制了陶瓷的临床应用.最近"增韧陶瓷及纳米陶瓷材料的研究" 正进一步深入并且取得了很大的成功，科学家预言:"纳米技术是改善陶瓷脆性的战略途径. "纳米级复合生物陶瓷的各种生物力学性能更加符合人体硬组织的要求，这给生物陶瓷的研究注入了新的活力。 5.生物陶瓷的发展前景及所存在的问题 5.1 生物陶瓷的发展前景 在医用方面，生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域，生物陶瓷有着不可估量的医用前景。 5.1.1人工陶瓷关节 人们正在研制开发机械强度高、韧性好、硬度及化学稳定性优良，臼盖和骨头的吻合性能更好，且容易制作的陶瓷材料，更理想的是手术时不必切除支撑关节面的骨骼，仅仅用于修复关节面就可以使用的新型陶瓷材料和技术。 5.1.2骨骼填充陶瓷材料 在骨髓细胞中包含有能分化成骨细胞的干细胞，所以预先从患者身上采集一些骨细胞，把它放置在多孔性的人体活性陶瓷之中，在体外培养直至分化出骨 18 芽细胞，再把它随从陶瓷埋入骨缺损部，这时骨形成就更有效，人们正期待开发出这种骨填充陶瓷材料。 5.1.3临床可以成形的人工骨 人们正期待研制出与骨缺损形状完全吻合的人工骨材料:把粉末和体液混合在一起后，数分钟内有流动性，然后固化，与周围的骨结合在一起，具有与人骨相似的力学性质，陶瓷人工骨可用注射器将它注入患病部位，修复骨缺损部位。 5.1.4用作放射疗法治疗癌症的陶瓷 放射疗法是以保存坏部位只杀癌细胞为目的，很多时候是体外辐射，最理性的方法是对体内癌部位进行局部放射性治疗，用高频感应热等离子体方法，可以得到只有YPO微结晶组成的小球及很好的化学稳定性，用这些小球进行放疗治癌的动物试验正准备进行。 5.1.5热疗治癌的陶瓷 正常细胞耐热温度为48?左右，而癌细胞缺乏养的供给不耐热，在43?左右便死亡，把强磁性陶瓷小球送入癌部，再把该部位放于交流磁场下，磁性体就会因磁滞损耗而发热，从而达到局部加热癌部位的目的。现在正在开发有更加良好发热效率的强磁性微小球。 5.2 生物陶瓷材料的发展热点 目前生物陶瓷材料已得到了高度重视并取得了巨大的发展，但是在韧性以及生物的相容性上仍存在不足，今后，生物陶瓷材料发展方向主要有: 5.2.1 复合材料 为提高生物陶瓷材料的力学性能、稳定性和生物相容性，许多材料工作者在复合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，并取得了较大进步。目前，常用的基体材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷等材料， 增强材料有碳纤维、不锈钢或钴基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。 利用硅硼酸钠玻璃来增强HAp，当玻璃相为59%，可使HA的机械强度增加到 47MPa。还有学者将惰性生物材料和活性生物材料进行复合，即满足了复合材料对力学性能的要求，也弥补了惰性生物材料生物相容性差的缺点。 5.2.2 纳米技术的应用 19 纳米技术在20世纪90年代得以迅速发展，由于纳米材料具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米材料呈现出广阔的应用前景。近年来，纳米技术在生物材料领域的应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领域有广阔的应用前景。英国的Webster成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质，该物质有望取代目前骨科常用的合金材料，而且不易骨折，并能与正常骨组织连接紧密。传统的氧化物生物陶瓷存在材料的脆性等问题，而利用纳米技术制成的陶瓷材料，由于纳米陶瓷晶粒尺寸很小，材料中的内在气孔和缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的韧性和强度，并随着晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的移动，使纳米陶瓷塑性增强，易于加工。在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模拟精细天然骨结构为主。在自然骨的骨质中，羟基磷灰石主要以长10~60nm、宽2~6nm 的针状结晶为主。因此，目前HAp纳米材料的研究主要集中在纳米HAp晶体，纳米HAp/高聚物复合材料和纳米HAp涂层材料方面。在医用方面，生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域，生物陶瓷有着不可估量的医用前景。 5.3 生物陶瓷需要解决的问题 随着社会的进步，人类已不再满足简单模仿人体器官的形状，而是追求功能尽善尽美的新型材料。通过多年的研究摸索，我们仍有以下问题需要解决: (1)提高现有生物陶瓷的可靠性，提高其强度，降低杨氏模量，改善韧性。 (2)深入研究种植体与骨界面的作用过程以及种植体与骨和软组织结合的机理，这对了解腐蚀、疲劳过程，摸索预防和控制的途径有重要意义。开展人工骨应用基础理论研究，建立和完善材料综合评判系统，以寻求在实验室条件下预测种植体变化和寿命的方法，为建立生物医学材料标准提供依据。 (3)提高非活性材料与生物的亲和作用及活性材料的强度。 (4)目前除了喷涂HAP的钛合金外，其余HAP基生物材料还不能用于承载骨的置换，这对于材料科学是一个挑战。 既然有诸多的问题需要解决，这也就说明我们还有更多的研究去做，通过不断的研究开发，生物陶瓷更多的优良性能将被开发、应用，总之生物陶瓷有着很大的研究空间，有着广阔的发展前景。 结论 经过近20年的研究和发展，医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶段:生物隋性材料，生物活性及可吸收材料和最近的可再生组织的生物活性材料.未来生 20 物陶瓷的发展应重视下述几个方面:制备的材料应具有与母体尽可能相似的性 质，其中无机材料的化学成分为HA或其他钙盐及磷酸盐，物理状态应具有纳 米或更细微的晶粒;为了使新骨易于和材料共生，因此希望材料有孔隙.在有些 部位为了支撑，还需要有高机械强度，因此可利用水热法或sol-gel法以及热压 烧结或微波烧结，以获得细晶粒，高强度的陶瓷.自然界中一些生物陶瓷材料， 已给人们许多启示，如珍珠质，珊瑚和鸡蛋壳等，它们有近似的组成，且存在 活组织，其中所孕育的生物矿物化机制已为人们所研究和重视，今后从中可能 引导出制备有生命的陶瓷的方法。通过材料科学家，生命科学家和生物技术实 验师的共同合作与努力，就可能制备出活的陶瓷，或至少能与活体相交融的材 料，这样它才会在人体内很好地相容，共生，增殖或修补，在人类骨和齿的医 疗上将可能上一个新台阶，造福人类。 参考文献 [1] 殷庆瑞， 祝炳和. 功能陶瓷的显微结构，性能与制备技术 冶金工业出版 社， 2005. 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