（材料学专业论文）纳米结构特征的生物活性梯度涂层材料研究.pdf

摘要 摘要 金属基体表面附着h a 涂层对于开发生物活性骨植入材料，如人工关 节、牙根等具有重要意义，是当今生物医学材料研究领域的前沿性课题。 这类材料兼具金属材料的强度、韧性以及羟基磷灰石的生物活性和生物 相容性，植入生体后可与骨组织形成骨性结合，同时有效的抑制基体中 的金属离子向生体释放。然而这类材料仍存在一些问题，如h a 涂层与金 属基体的结合强度较低、涂层的结晶度不理想、存在杂质相等，均限制 了它们在临床上的进一步推广应用。 本研究从改善h a 涂层的长期稳定性入手，采用计算机控制的等离子 喷涂系统，通过对涂层成分与结构的设计，研制出具有纳米结构特征的 高性能生物活性梯度涂层材料。作者采用x 射线衍射( x r d ) 、扫描电子 显微镜( s e m ) 、透射电子显微镜( t e m ) 原子力显微镜f a f m ) 、纳米硬 度计等技术以及相关性能测试手段对生物活性梯度涂层的结构、性能和 界面特征进行较为深入和系统的研究。 生物活性梯度涂层成分与结构的设计上兼顾了生物活性涂层的力学 性能与生物性能两方面的要求，在成分方面采用羟基磷灰石( h a ) 、氧化 锆( z r 0 2 ) 、生物活性玻璃等纳米粉体，并通过计算机精确控制的等离子喷 涂系统( p r a x i a r4 5 0 0 ，p r a x a i rs u r f a c et e c h n o l o g i e s ，u s a ) 来实现生物活性 涂层的成分与结构梯度变化的设计要求。所制备生物活性梯度涂层材料 在成分、结构与性能等方面具有梯度变化规律：成分上，表面层成分为 纯h a ，厚度约3 0 5 0 p m f 表面层与基体之问的成分主要为羟基磷灰石 f h a ) 、氧化错( z r 0 2 ) 、生物活性玻璃等，这些成分呈梯度分布规律，即以 金属假体为基底，由里向外涂层的成分从生物稳定性至生物活性里连续 梯度变化；结构上，涂层底部结构致密，与金属基体紧密结合，涂层表 面层结构呈多孔结构特征和纳米结构特征，这种结构特征有利于材料和 骨组织的结合，整个涂层从金属基体至涂层表面，沿垂直基体方向从致 密结构向多孔结构过渡呈梯度变化规律；性能上，由于涂层成分和结构 梯度变化引起材料的性能产生相应的梯度变化规律，梯度涂层界面附近 的弹性模量和硬度沿着垂直基体方向呈逐渐增加的梯度变化规律，与涂 层相比，钛合金基体的弹性模量和维氏硬度最小，分别为6 3 o g p a 和 1 2 3 5 7 m p a 。 梯度涂层的相组成是影响梯度涂层在生体中长期稳定性的重要因 素，高h a 结晶度的涂层可以获得良好的生物性能。等离子喷涂态的生物 华南理工大学工学博士学位论文 活性涂屡表面的h a 层禽有大嫁的非晶栩和纳米尺寸的h a ，非晶相是等 离子喷涂过程中形成的禽温羟基磷荻石液游急鄹冷却的结果；由于h a 裹滋稳定性差，在等离予囔蟓过程孛会发生羟基残落褰分解褒象，分魍 产物主要为0 【一c a 3 ( p 0 4 ) 2 和c a o ，这些相转变将影响涂层的长期稳定性。 晶纯憝理可霞涂瑟豹菲繇福发生晶讫，并可程菠涂层中找e a 3 ( p 0 4 2 蠢 c a o 等分解相逐步转化为羟基磷灰石晶体：大气气氛7 5 0 的晶化处理条 件下，涂层中h a 含量和结晶度畴繇提离，分掰达劐8 6 和9 8 。涂层 中黝氧姥锆i l 三秽娼体形式存在，期1 - z r 0 2 ，c - z r 0 2 、m z r 0 2 三驰，其 中t - z r 0 2 含摄最高；品化处理过稷中c a o 扩散可促使t - z r 0 2 转化为 c z r 0 2 ；涂屠孛1 1 1 z r 0 2 器稳主要寒源予涂层惑部发生t - z r 0 2 叶m z f 0 2 马氏体相变，这一转变可提商涂层的强威和韧性；晶化处理届梯度涂层 在釜理盆水耧模掇体液( s b f 溶液) 串溶解，j 、，基本不降瓣，丽且在s b f 溶液中涂层表面局部生成类骨碳酸磷灰石。 涂朦与蒸体的结合强度赢接关系到该类材料的斑甭前景，实验结果 表骥：撼度涂艨缒结合强度显著高予单一h a 涂屡鹊结台强度，晶化处理 可促使涂层产生局部冶金结合，使梯度涂层的结合强度进一步提高，达 盈5 3 m p a ；撵凄涂簇豹羧余痰力臻爨低予单一h a 涂层楗料，晶化热处 理为涂躁中残余应力的释放创造了条件，涂层的残余应力值有比较明显 的降低。在俸内帮体井豹生物性戆磷究表明：生匏活懂涂屡糖料具凌良 好救生物扭密性和生物瓣性，短时间内可与骨组织形成骨性结合，临床 效果满意。 关键词：生物活性，纳米结构，梯度涂层，羟基磷灰石，等离子喷滁 a b s t r a c t a b s t r a c t i ti s v e r yi m p o r t a n tt o f a b r i c a t e h y d r o x y a p a t i t ec o a t i n g s o nm e t a l l i cs u b s t r a t ef o r d e v e l o p i n gb i o a e t i v ei m p l a n tu s e di no r t h o p a e d i c sa p p l i c a t i o n s ，s u c ha s a r t i f i c i a lj o i n t s ， a r t i f i c i a lr o o to f t e e t h ，e r e t h er e s e a r c ho nb i o a c t i v ec o a t i n g so nm e t a ls u b s t r m e si so n eo f t h e f r o n t a lf i e l d so fb i o m a t e r i a l s 珏ec o a t e db i o m a t e r i a l sp o s s e s sb o t hah i 垂s t r e n g t ha n d t o u g h n e s s c o n t r i b u t e db yt h em e t a ls u b s t r a t e sa n da s a t i s f a c t o r yb i o c o m p a t i b i l i t y a n d b i o a c t i v i t ym s u l t e df r o mh ac o a t i n g 。as t r o n gb i o l o g i c a lb e n dc a nb ef o r m e db e t w e e nt h e h o s tb o n et i s s u e sa n dt h ec o a t e di m p l a n tw i t h o u tf o r m a t i o no fc o n c o m i t a n tf i b r o u sc a p s u l e s a f t e ri m p l a n t a t i o nf o rap e r i o do ft i m e 。i na d d i t i o n , t h eb i o a c t i v ec o a t i n gc a ne f f e c t i v e l y r e s t r a i n 也ed i f l u s i o no f 也em e t a li o n sf r o mt h es u b s t r a t et oh o s tb o n et i s s u e s h o w e v e r , s o m e w e a k n e s s e ss t i l le x i s ti nt h ep r o s t h e t i ci m p l a n t sw h i c hh a v e b e e na p p l i e di nc l i n i c , s u c ha sl o w b o n d i n gs t r e n g t ho f t h e i n t e r f a c eb e t w e e n h y d r o x y a p a t i t ea n ds u b s t r a t e s ，p o o rc r y s t a l l i n i t yo f t h ec o a t i n ga n df o r m a t i o no fi m p u r i t yp h a s e ，e t c w h i c hh a v es e r i o u s l yl i m i t e de x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o f t h ec o m e d p r o s t h e t i ci m p l a n t s 。 m1 衄s s t u d y , b i o a c t i v e g r a d i e n tc o a t i n g sw e 糯d e s i g n e d a n d p r e p a r e db y c o m p u t e r - c o n t r o l l e dp l a s m as p r a y i n gt e c h n o l o g y 及! em i c r o s t r u e t u r e , p r o p e r t i e s o ft h e c o a t i n g a n di n t e r f a c eb e t w e e nt h e c o a t i n g a n ds u b s t r a t ew e r e i n v e s t i g a t e du s i n g m i c r o s t r u c t u r eo f b i o a c t i v eg r a d i e n tc o a t i n gu s i n gx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p yf r e m ) ，a t o mf o r c em i c r o s c o p y ( a f v 0 ， n a n o i n d e n t a t i o nt e c h n i q u e s 。 b i o a c f i v eg r a d i e n t c o a t i n g s o nt i t a n i u m a l l o y ，e 糟d e p o s i t e d v i a p l a s m a - s p r a y i n g m a c h i n e ( p r a x a i r4 5 0 0 ，p r a x a i rs u r f a c et e c h n o l o 西e s ，u s a ) e q u i p p e dw i t ha na d v a n c e d c o m p u t e r i z e dc l o s e d - l o o pp o w d e r f e e d s y s t e m t h e 戎a 爨n ag u nw a s r u nw i t hr o b o t c o n t r o l l i n g a c c o r d i n g t o p r i o rm a t e r i a l d e s i g n ，t h eb i o a c t i v eg r a d i e n tc o a t i n g s ，w i t h a t h i c k n e s so f1 0 0 1 5 0p m , w e r ef a b r i c a t e db y a l t e r i n gt h ep r o p o r t i o n so f n a n o - s i z e dp o w d e r s o fh at oz r 0 2a n db i o a c t i v eg l a s sa n dc o a t i n gt e x t u r ew i m c o m p u t e r - t e n , o i l e dp o w d e r f e e d s y s t e m s ，i tw a si n d i c a t e dt h a tt h ec o a t i n g sp o s s e s s e dat y p i c a lc h a r a c t e r i s t i cw i t hg r a d i e n t c h a n g e si nc o m p o s i t i o n m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s 耽et o pl a y e ro f t h ec o a t i n gh a da t h i c k n e s so f3 0 - 5 0 t f i ma n dc o m p o s e do f p u r eh y d r o x y a p a t i t e t h em e d i u ml a y e rc o n t a i n e dh a ， z r 0 2a n db i o a c t i v eg l a s s ，a n di t sc o m p o s i t i o nw a sg r a d i e n t l yd i s t r i b u t e dc o r r e s p o n d i n g w i t h t h ep r i o rm a t e r i a l sd e s i g n 。o n 妇s e c t i o no ft h ec o a t i n g t h ec o m p o s i t i o nw e r eg r a d i e n t l y c h a n g e df r o mb i n i n e r tb o a o ml a y e r , w h i c h b o n d e dt ot im l o ys u b s t r a t e i n t ob i o a c t i v et o p 1 a y e r , w h i c hw o u l db e n d e dt ot h eh o s tb o n et i s s u e t h eb o r o ml a y e r o ft h ec o a t i n gw a s r e l a t i v ed e n s ea n da d h e r e df i r m l yt ia l l o 孓i nc o n t r a s t ，氇et o p - l a y e ro f t h ec o a t i n gw a s r e l a t i v e l o o s ew i t hag r e a ta m o u n to fm i c r o - p o r e sw i t hn a n o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s t h et e x t u r eo f t h ec o a t i n gw a sg r a d i e n t l ya l t e r e df r o md e n s eb o 建o ml a y e rt ot h ep o r o u st o pl a y e r b e c a u s e o f t h eg r a d i e n tc h a n g e so ft h ec o m p o s i t i o n sa n dm i c r o s t r u c t u r eo f t h ec o a t i n g ，t h ep r o p e r t i e so f t h ec o m i n gw e r eg r a d u a l l yc h a n g e d 。t o o 码er e s u l t so ft h ec o a t i n gw i t hn a n o i n d e n t a t i o n s h o w e dt h a tt h eh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u se k n e r e a s e dg r a d u a l l yf r o mt ia l l o ys u b s t r a t et o t h ec o a t i n g 。 i i i 华南理工大学工学簿士学位论文 t h e 曲黔ec o m p o n e n t so ft h e a t i n gw a so n e 醑瑗t 蘸f a c t o r sw h i 馥c o u l da f f e c tt h e t o n g - s t a b i l i t yo ft h ec o a t i n g 赫r i v ea n di nv i t r o 。mg e n e r a l ，a 攮曲c r y s t a l l i n i t yt e v e li s d e s i r a b l es ot h a tt h ec o a t i n gc o u l dh a v eag o o d b i o a c f i v i t y e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e d 瞧a tal o to f a m o r p h o u sc a l c i u m p h o s p h a t e a n dn a n o - s i z e dh a g r a i nw c ef 0 1 1 1 1 e dd u r i n gr a p i d s p l a ts 0 1 i d i f i c a f i o ni nt h ea s - s p r a y e dc o m p o s i t e a t i n g s i na d d i t i o n , s o m ec a l c i u md h o s p h a t e p h a s e so t h e rt h a nc r y s t a l l i 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e di n t h t e ec r y s t a l l i n ef o l l n s ，i e 。，t - z r 0 2 ，e 一2 1 0 2a n dm - z r 0 2 ，d u et ot h es t a b i l i z a t i o no ft h e c - z r 0 2 酶c a o ，t h ep h a s eo f z i r c o n i ac h a n g e df r o mt - z r 0 2i n t oc - 7 - x 0 2 。髓es t r e s so ft h e c o a t i n g c o u l dm a k et h e c h a n g e dt - z r o z t o m - z r 0 2 ，w h i c hi m p r o v e dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f 也ec o a t i n g a t i e ri m m e r s e di n t o0 。9 n a c ls o l u t i o na n ds i m u l a t e d 酾螽f l u i d ( s b f ) ，t h eh e a t t r e a t e dc o a t i n g ss h o w e dm i n i m a lo rn op r e c i p i t a t i o no nt h es n r 如c e e x c e p tf o rt h ep r e s e n c eo f c a l c i t em i n e r a l st h a tw a sd u et oc a r b o n a t i o ne 孙e t b o n d i n gs t r e n g t hi so n eo f t h ei m p o r t a n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st h a ta f f e e t st h e u l t i m a t es u c c e s so ft h ec o a t i n g s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a l e dt h a tt h eb o n d i n g s t r e n g t ho f t h eb i o a c t i v eg r a d i e n tc o a t i n g sw a sm u c hh i g h e rt h a nt h a to f s i n g l e ，h a c o a t i n g s d u r i n gh e a t 一拄e a t m e n ta ni n t e rd i f f u s i o no f t h ec o m p o n e n t so c c u r r e da tt h e b i o a c t i v eg r a d i e n tc o a t i n g t i t a n i u ma l l o y , w h i c hr e s u l t e di nam e t a l l u r g i c a l l yb o n d e d i n t e r f a c e , a tt h es a m et i m e , t h eh e a tt r e a t m e n tm a d e 也es t r e s so ft h e c o a t i n gr e l e a s e d ， a sar e s u l t 。t h eb o n d i n gs t r e n g t h so ft h ec o a t i n g si n c r e a s e dt o5 3 m p 8 f u r t h e rw o r k o nt h eb i o a e t i r eg r a d l e n tc o a t i n gw a sd o n et od e t e r m i n et h eb i o l o g i c a lp r o p e r t i e si n v i v oa n d 积v t r o 。t h er e s u l t se x h i b i t e dt h 蘸t h em a t e d a l sp r o v i d e de x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y a n db i o a c t i v i t y , w h i c hc a ne a s i l yc o m b i n ew i t hb o n yt i s s u e s | u 曲f o r m i n gs t r e n g t h b i o l o g i c a lb o n d s 。 k e yw o r d s ：b i o a c t i v i t y , n a n o - s t r u e t u r e ，g r a d i e n tc o a t i n g , h y d r o x y a p a t i t e , p l a s m as p r a y i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 字威易日期：彬年箩月卫占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：字成豸 导师签名： 日期：另彩年乡月彤日 日期：乡巧年多月胆日 第一章绪论 第一章绪论 本项研究得到以下项目资助： 国家自然科学基金重点项目( 5 9 9 3 2 0 5 0 ) ； 国家自然科学基金项目( 5 9 8 7 2 0 1 0 5 0 2 7 2 0 2 1 ) 广东省自然科学基金项目( 9 8 0 5 5 1 ) ： 广州市纳米技术专项项目( 2 0 0 1 - z 一12 0 0 1 ) ： 引言 骨组织替代材料是生物医学材料研究领域的重要内容之一，也是材料科学 发展最为活跃的多学科交叉前沿领域之一。作为材料科学的一个重要分支，骨 组织替代材料对于探索人类生命的奥秘、促进人类的文明发展、保障人类的健 康长寿，起着重要的作用。就这类材料所研究的内容而言，涉及到化学、物理 学、高分子化学、高分子物理学、无机材料学、金属材料学、生物化学、生物 物理学、生理学、解剖学、病理学、基础与临床医学、药物学、药剂学等多门 学科。骨组织替代材料在医学临床上的应用为医学、药学、生物学、生物医学 工程等学科的发展提供了丰富的物质基础，反过来这些学科的进步也不断推动 骨组织替代材料的进一步发展。 临床上使用的作为骨组织替代材料的金属材料和陶瓷材料在力学性能、生 物活性等性能都存在某些不足，限制了它们在临床上进一步推广应用。因此， 通过不同工艺将生物活性陶瓷材料沉积在金属基体表面已成为近年来发展最 为迅速的一种生物材料“1 。这类金属基生物活性涂层材料充分综合了金属材 料和生物括性陶瓷材料各自的优点，既具有金属材料高的强度、韧性，又具有生 物活性陶瓷材料的良好的生物性能和生物相容性，是一种较为理想的硬组织植 入材料。在金属基体表面沉积生物活性涂层不但可阻止或降低基体的金属离子 释放，改变种植体表面的弹性模量和原金属植入材料表面形态，形成相互连通 的微孔，使生体组织向微孔内生长，而且生物活性陶瓷涂层可与种植体形成骨 性结合。但是生物活性涂层材料存在涂层融解、脱落、非晶化以及应力过高等 问题盯1 1 ，导致材料在生物体内的长期稳定性难以满足临床应用的要求，从而 限制了它们在临床上的推广应用。本研究根据国内外骨科临床对骨组织替代材 料的要求，针对目前生物活性涂层材料存在的问题，设计并制备出一种具有成 兰里堡三奎耋三兰堡圭兰堡垒兰 分、结构和性能梯度变化的生物活性涂层材料，这类材料改善了涂层与金属界 面的以及涂层内部组分间的结合状态，提高了涂层的结合强度和长期生物稳定 性，具有满足临床应用要求的生物性能和力学性能。 1 1 生物医学材料概况 1 1 1 生物医学材料及其发展 生物医学材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 是一类人工或天然的材料，可以单 独或与药物一起制成部件、器件用于组织或器官的治疗、增强或替代，并在有 效使用期内不会对宿主引起急性或慢性危害“1 ；也有人认为生物医学材料是 类特殊的功能材料，利用它可以对生物体进行修复、替代与再生。研究生物 医学材料的最终目的是使其能够代替或修复人体器官和组织、并实现其生理功 能n 2 1 ”。 人类利用生物医学材料的历史悠久，生物医学材料也是人类同疾病作斗争 的有效工具之一。但是直到1 9 3 0 年不锈钢植入体投入临床使用后，生物医学 材料的发展才初具规模。近3 0 年来随着材料科学、生命科学、医学临床的不 断发展，生物医学材料的研究也达到了一个前所未有的阶段。当代生物医学材 料的发展不仅强调材料本身的理化性能和生物安全、可靠性，而且更强调赋予 其生物结构和生物功能，使其在体内调动并发挥机体自我修复和完善的能力， 重建或康复受损的人体组织或器官。生物医学材料发展到今天，如何取得重大 突破是国内外同行都密切关注的一个问题。 依据生物医学材料的发展历史及材料本身的特点，生物医学材料经历了三 个不同的时代，每一个时代的生物医学材料各自都有自己明显的特点和发展时 期，并代表了当时生物医学材料的发展水平“4 。 2 0 世纪初第一次世界大战以前所使用的医用材料可归于第一代生物医学 材料。第一代生物医学材料的研究人员多是由医生承担，对医学、科学技术、 工程学都缺乏透彻的了解，研究工作多采用就地取材及纯经验的方式，利用各 种天然材料或从已有的材料中寻求比较适合于生体组织的人工材料。第一代生 物医学材料属于生物惰性材料，其研究的目的在于获得与所替代组织相匹配的 物理性能及对生体组织最小的毒性反应，但该材料并不与生物组织相配合而发 挥作用，始终为生物体的异己成分，所植入的材料也多出现感染、排异或失效 等现象。此时尚未明确提出生物相容性、生物安全性等概念。作为第一代生物 医学材料的代表主要有石膏、各种金属、橡胶以及棉花等物品。 第一章绪论 第二代生物医学材料的发展是建立在医学、材料科学( 尤其是高分子材料 学) 、生物化学、物理学及大型物理测试技术发展的基础之上的，研究工作者 也多由材料学家或主要由材料学家( 与医生合作) 来承担。在这一段时期，材料 的研究也开始由宏观进入微观世界，科学研究者不但能够详细分析和测定各种 生物体物质的成分、结构和性能，而且有意识的通过成分、结构模仿、材料设 计或采用与人体组织结构、成分相类似的材料制备生物医学材料。特别是4 0 年代高分子学说的建立，极大地促进了生物医学材料的研究及学科的确立，并 使高分子材料在生物医学材料领域处于主导地位。代表第二代生物医学材料的 主要有羟基磷灰石、生物玻璃、磷酸三钙、聚乳酸、聚羟基乙酸、聚甲基丙烯 酸羟乙基酯、胶原、多肽、纤维蛋白等，这类材料具有良好的生物相容性和组 织亲和性，能与生物体组织直接接触、结合并能部分模仿、替代生物体组织的 某些机能，但替代、修复的效果仍然很有限，与第一代生物材料一样，主要的 研究思路仍然是努力改善材料本身的力学性能、生化性能，以使其能够在生理 环境下有长期的替代、模拟生物组织的功能“”1 。 第三代生物医学材料是随着科学技术的发展以及人类通过对生物体内各 种细胞组织、生长因子、生长抑素及细胞组织的生长机制等深入系统研究，在 基于分子水平的基础上建立了研制第三代具有促进人体自身修复和再生作用 的生物医学复合材料新概念。其基本思想是通过材料之间的复合，材料与活细 胞的融合，生体材料和人工材料的杂交等手段，赋予材料具有特异的靶向修复、 治疗和促进作用，从而达到病变组织主要甚至全部由健康的再生组织所取代。 第三代生物医学材料的研究具有两个明显的特征，一是具有生理活性的生物复 合型材料，二是力求人体组织和器官的完全再生和修复。第三代生物医学材料 研究所涉及到的器官和组织有骨骼、牙齿、皮肤、食管、血管、胰脏、肝脏、 胸腺、肾脏、心脏、脑下垂体、神经等。其中b m p 生物活性复合材料是当前第 三代生物医学材料的代表，它是将b m p 组装在某些载体材料上使之具有主动诱 导修复骨骼作用的新型功能材料“”2 ”。虽然b m p 诱导成骨的效应极为显著， 但也存在一些临床应用的难题。因此严格说来，第三代生物医学材料目前尚处 于初始研究阶段，但其通过组织培养或诱导人体自身组织、器官修复与再生将 远比力求无限期维持人造器官和材料的寿命、功能具有更为现实意义和经济意 义。 1 1 2 生物医学材料的分类 生物医学材料品种繁多，几乎涉及材料学科的各个领域；在临床上的使用 也多种多样，覆盖临床多个学科。迄今被详细研究过的生物医学材料己超过一 华南理工大学工学博士学位论文 千种，被广泛应用的也达数十种之多。仅以高分子材料为例，世界范围在临床 上应用的就有9 0 多个品种、1 8 0 0 余种制品，“。依据不同的分类标准，目前 生物材料可以分为不同的类型。即： 根据材料的生物性能，生物医学材料可分为：生物惰性材料、生物活性材 料和生物降解材料三类。 生物惰性材料( b i o i n e r tm a t e r i a ls ) 是指一类在生物环境中能保持稳定， 不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料，主要有生物陶瓷类和医用合金 类材料”。圳。这类材料与组织间的结合主要是组织长入其粗糙不平的表面形 成机械嵌合。生物惰性材料主要包括以下几类： ( i ) 氧化物陶瓷：包括氧化铝陶瓷( a 1 。0 。) 和氧化锆陶瓷( z r o 。) ，主要用 于承力和耐磨的人工关节头； ( 2 ) 玻璃陶瓷：该材料主要用来制作骨缺损的修复； ( 3 ) s i 。n 。陶瓷：该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨， 目前还不能用作承重材料； ( 4 ) 医用碳素材料：它主要被作为制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人 工关节等方面； ( 5 ) 医用金属材料：该类材料是目前人体承重材料中应用最广泛的材料， 通过对材料表面改性处理，可增加其与人体环境的相容性，同时它还能制作结 构复杂的医疗器械。 生物活性材料( 8 i o a e t i r em a t e r i a l s ) 是一类能在材料界面诱导出特殊生 物反应或调节生物活性的生物医学材料，它可与组织在界面形成化学结合 “3 。“2 ”。这类材料突出的特点是材料植入生体后，随着移植时间的推移，材料 表面发生化学变化，从而使材料与生体组织间的结合更牢固。羟基磷灰石是一 种典型的生物括性材料，由于它与人体骨的主要无机质成分相似，当羟基磷灰 石植入生体内后不仅能引导骨形成，而且可以与组织形成骨性结合。生物活性 材料主要有以下几类： ( 1 ) 羟基磷灰石 羟基磷灰石( c a 。( p o ；) 。( o h ) 。，h y d r o x y a p a t i t e ，简称h a ) 与脊椎动物骨和 齿的主要无机质的成分、结构非常相近，具有良好的生物活性和生物相容性， 对生物体无毒副作用。羟基磷灰石与生体界面活性优于各类医用钛合金、硅橡 胶及植骨用碳素材料“”2 ”，己广泛应用于临床骨组织的修复和替换，如口 腔种植、骨缺损填充、牙槽脊增高、脊椎骨替换等多个方面心。”3 。但是h a 本 身脆性大、抗折强度低，因此该类材料在作为承重材料的应用方面受到了限制。 制备多孔陶瓷和复合材料是该类材料目前主要的发展方向。 4 第一章绪论 ( 2 ) 磷酸钙生物活性材料 这种材料主要包括磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类。“”22 2 “。前者 是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料，有望部分取代传统的p m m a 骨 水泥，后者具有一定的机械强度和生物活性，可用于无机骨水泥的补强及制备 有机与无机复合型植入材料。 ( 3 ) 生物活性玻璃 生物活性玻璃最早是由美国佛罗里达大学h e n c hl 教授开发研究并提出来 的。实验证明n a 。0 一c a o s i 0 ：一p 。0 。四元系统在体液环境中，其表面溶出n a + ，玻 璃表面生成富s i o 。凝胶层，在生体骨组织一侧，骨生长细胞繁殖成骨胶原纤维， 随着c a ”及p ”从玻璃中溶出，在骨胶原纤维周围析出类似羟基磷灰石相，从而 使生物活性玻璃与骨组织自然地结合在一起。生物活性玻璃的成功研制引起了 世界各国学者的极大兴趣，材料研究者从不同的角度对生物活性玻璃的组成范 围、结构和性能进行了深入的研究，同时也针对4 5 s 5 生物活性玻璃的不足之 处开发了一些新型的生物活性微晶玻璃，如日本京都大学学者小久保等在此基 础上研制出a w 微晶玻璃，国内的上海、成都、山东等地学者也在这方面做 了不少研究工作”。 生物降解材料( b i o d e g r a d a b l em a t e r i a l s ) 是指一类在被植入人体后不断地发 生分解、并且分解产物能被生物体所吸收或排出体外的一类材料“。”。”“。主 要包括1 3 - t c p 生物降解陶瓷和可降解高分子材料。生物降解陶瓷主要用于修复 骨缺损或用作药物载体。可降解高分子材料主要用于药物释放载体及非永久性 植入装置，如心血管系统、软组织等。 根据材料的属性，生物医学材料又可以分为五大类： ( 1 ) 生物医用金属材料( b i o m e d i c a lm e t a l l i cm a t e r i a ls ) ； ( 2 ) 生物医用高分子材料( b i o m e d i c a lp o l y m e r ) ； ( 3 ) 生物医用无机非金属材料( b i o m e d i c a lc e r a m i c ) ： ( 4 ) 生物医用复合材料( b i o m e d i c a lc o m p o s i t e s ) ； ( 5 ) 生物衍生材料( b i o l o g ic a l l yd e r i r e dm a t e r i a l s ) 。 生物医用金属材料 指用作生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材 料，这类材料具有高的综合力学性能、抗疲劳性能和优良的加工性能，广泛应 用于硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面“”“。4 ”。医用金 属材料属于生物惰性材料，生物相容性较差，在长期生理环境的下容易产生腐 蚀作用，释放金属离子，引起材料自身性质的退变，同时金属离子向周围组织 扩散，可能导致毒副作用。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基 华南理工大学工学博士学位论文 合金和钛基合金等三大类。此外，还有形状记忆合金、贵金属及纯金属钽、铌、 锆等。 生物医用高分子材料 是在七十年代伴随着聚合物化学的发展而迅速发展起来的一类生物医用 材料，目前已被广泛用于韧带、肌腱、皮肤、血管、人工器官、骨和牙等人体 软硬组织器官的修复“”。“”3 。生物医用高分子材料主要来源于天然产物和人 工合成两方面，这类材料除应满足一般的物理、化学性能要求外，还必须具有 足够好的生物相容性。按性质医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型 两类。非降解型医用高分子材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香 聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等，这类材料主要用于人体硬组织修复体、人工器官、 人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。可降解型高分子主要包 括胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯 等，这类材料主要用于药物释放载体及非永久性植入装置。按使用的目的或用 途，医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料。 生物医用无机非金属材料 主要包括生物陶瓷、生物玻璃、碳素等无机非金属材料“2 2 ”。”4 ”。该类 材料以其良好的生物相容性、组织亲和性以及易于高温消毒、耐腐蚀等优点而 成为生物医用材料的一个重要领域。一般来说，生物陶瓷主要包括惰性生物陶 瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷三类。各种不同种类的生物陶瓷的物理、 化学和生物，陛能差别很大，在医学领域用途也不同，临床应用中，生物陶瓷存 在的主要问题是强度和韧性较差。 功能活性生物陶瓷是近年来提出的一个新概念。随着生物陶瓷材