（材料学专业论文）用于Ti6Al4V表面生物活性陶瓷涂层材料的设计及制备.pdf

中文摘要 中文摘要 金属基一陶瓷涂层复合材料作为生物医用材料，可以综合金属和陶瓷材料各 鑫的优点。本文设计制各了一系列用于涂覆在t i 6 a 1 4 v 基体表面的生物活性羯瓷 涂层材料。在o o m e z 等人研制的斑物陶瓷涂层材料的基础上，通过在系统中引 入一定量的b 2 0 3 部分替代s i o z 、c a f 2 部分替代c a o ，达到调节陶瓷涂层奉孝料 的熟膨胀系数及生物活性的目的。 用经验公式计算各个配方的热膨胀系数以减少试验的盲日性，采用熔融法于 1 3 5 0 熔镧生物陶瓷涂层材料。邋过将生物活性陶瓷浸泡在3 7 的模拟体液 ( s b f ) 中不同时间后，表面形态和组成的改变来证明陶瓷涂层材料的生物活性。 运焉热膨胀仪测最各个配方生物陶瓷豹热膨胀系数鞫软优点温度，嗣s e m ，x r d ， i c p f t i r 和e d s 等对生物陶瓷涂层材料的形貌、物相组成以及s b f 浸泡后的表 露形貌和戏分进行表惩。 试验结果表明，系统中引入b 2 0 3 能够起到调节热膨胀系数的作用，其中 6 p 6 4 一b 5 - f 4 的热膨胀系数为1 0 1 x l f f 忱，晦t i 6 a t 4 v 的热膨胀系数最为接近； 6 p 6 4 b 1 1 - f 4 的热膨胀系数为8 7 1 0 - 6 ，与激光氮化后的t i n 的过渡层的热膨 胀系数最为接近。c a f 2 的引入使生物陶瓷中出现氟磷灰石相。 模拟体液( s b f ) 浸泡l o 天君，能够在材料表筒形成h c a 层，且氟磷灰石 晶粒的出现有助于提高生物陶瓷涂层材料的生物活性。 关键词：生物陶瓷，热膨胀系数，生物活性，碳酸羟基磷灰石层 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em e t a lc o a t e db yb i o c e r a m i cf o rb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n ，w h i c hc a l lc o m b i n e t h ep r e m i u mp r o p e r t i e so f b o t hm a t e r i a l s i nt h i sw o r k ，as e r i e so f n o v e lb i o c e r a m i c w a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d ，w h i c hu s e da sc o a t i n gm a t e r i a l sf o rt i 6 a 1 4 v t h e c o m p o s i t i o n so f b i o c e r a m i cw e r ed e r i v e df r o m6 p m ( o r i g i n a l l yd e v e l o p e db yg o m e z ) b ys u b s t i t u t i n gb 2 0 3f o rs i 0 2a n dc a ff o rc a o t h eo b j e c t i v ew a st oa d j u s tt h e t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ( 妨o f 氆eb i o c e r a m i ca n dm a k ei tc o m p a t i b l ew i t ht h a t o ft i 6 a 1 4 v ( 1 0 8 x 1 0 4 - 1 ) a tt h es a n l et i m e ，b i o c e r a m i c sp o s s e s sg o o db i o a c t i v e p r o p e r t i e s t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so f b i o c e r a m i c sw e r ec a l c u l a t e db y e m p i r i c a l f o r m u l a , a n dt h e nt h em i x t u r ew a sf i r e di nc r u c i b l ef o r3 ha t1 3 5 0 i no r d e rt om e l t t h eb i o c e r a m i c s t h ei nv i t r ob i o a c t i v i t yo f b i o c e r a m i c sw e r ea s s e s s e db yd e t e r m i n i n g t h ec h a n g e si ns u r f a c em o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o na f t e rs o a k i n gi ns i m u l a t e db o d y f l u i d ( s 8 f ) f o rd i f f e r e n tp e r i o d s 甜3 7 * ( 2 t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tv a l u e 砸1 ) ， s o f t e n i n gt e m p e r a t u r e ( t s ) w e r em e a s u r e db yd i l a t o m e t e r s e m ，x r dw e r ee m p l o y e d t oi n v e s t i g a t et h em o r p h o l o g ya n dc o m p o s i t i o no ft h eb i o e e r a m i c s x r d ，s e m ，i c p , f t i ra n de d s a n a l y s e so ft h eb i o c e r a m i c ss u r f a c ea f t e rd i f f e r e n ts o a k i n gp e r i o d si n s 8 f 1 1 1 0r e s u l ts h o w e dt h a tt h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tc a nb ea d j u s t e db y i n d u c i n gb 2 0 3 ( 5 一1 5 ) f r o mt h e s eb i o c e r a m i c s , t h et h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t o f6 p 6 4 一b 5 - f 4i s1 0 1 1 0 - 6 w h i c hi sm a t c h e dw i t ht i 6 a 1 4 v t h et h e r m a l e x p a n s i o nc o e 鹰c i e n to f 6 p 6 4 - b 1 1 - f 4 i s8 5 1 f f 6 。o w h i c h i s m a t c h e d 谢t h t i n t h e c o a t i n gm a t e r i a l sw e r ef l u o r o a p a t i t e c o n t a i n i n gb i o c e r a m i c sd u et oi n d u c i n gc a 2 f ( 4 ) a f t e rs o a k i n gi ns b ff o r1 0d a y , ah c a l a y e rt ob ef o r m e do nt h e 毯o c e r a m i c s s u r f a c e t h eb i o c e r a m i cw i t l lf l u o r o a p a t i t ec r y s t a l sc a l li m p r o v eb i o a c t i v ep r o p e r t i e s k e y w o r d s ：b i o c e r a m i e s ，t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t ，b i o a e t i v e ，h c al a y e r i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成采，也不包含为获得基鲞盘鲎或其他教育机 勾的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：扬瓤 签字日期：如6 年f 月膨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘鲎有关保留、镬雳学位论文的嫂定。 特授权鑫生蠢鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、续e p 或怒接等复测手段保存、汇编以供查阅察借瓣。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在鳃密后适用本授权说硬) 学位论文作者签名：栖氛 导师签名： 1 切爱 签字日期：p f 年1 月皤e t 签字日期：五一6 年 l 毫 v 月ib 日 第一章文献综述 1 i 生物医用材料 第一章文献综述 生物医用材料是用以和生命系统结合，以诊断、治疗或替换肌体中的组织、 器官或增进其功能的材料。它涉及材料、医学、物理、生物化学等诸多学科领域 【。目前，人体中除了脑之外所有组织器官的置换材料都在研究中。人体器官和 组织，往往因疾病、受伤、老化或先天畸形等损伤或缺损而丧失原来的功能，需 要修复和再造，以有效地医治人类疾病，维持人类的健康和延长人类寿命。随着 社会老龄化程度的加深，以及数目庞大的交通事故，人类对人体修复材料的需求 将与日俱增。世界人口近6 5 亿，据不完全统计，伤残者接近4 亿，肢体伤残者 6 0 0 0 万，牙病患者2 0 亿，目前生物材料器件植入者仅有3 5 0 0 万人，每年关节 置换量约1 5 0 万例，与实际需要置换者数量相差甚远。因此，生物医用材料市场 需求潜力巨大【2 1 。目前，生物材料的应用主要包括三个方面；一是硬组织的替代 材料，如人工骨、人工牙齿的修复材料；二是埋入生物体内部的植入材料，如人 工心脏瓣膜、人工血管、人工肾等医用高分子材料：三是作为药物定位的载体， 控制药物的释放【”。 生物医用材料必须满足三方面要求： ( 1 ) 无畸变和致癌作用，具有生物相容性。生物相容性是材料对生物组织 无毒、无刺激，无过敏性反应，同时人体内的环境对材料也无不良影响。 ( 2 ) 具有力学相容性。不仅具有足够的强度，不发生灾难性的脆性破裂、 疲劳、蠕变及腐蚀破坏，且其弹性形变应当与被替换的组织相匹配。 ( 3 ) 能与组织相互结合。这种结合可以是组织长入不平整的植入体表面而 形成的机械嵌连，也可以是植入材料和生理环境间发生生物化学反应而形成的化 学键结合。 生物医用材料与活体系统的相互作用表现在两个方面：一是材料反应，即活 体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐蚀、磨损和性能退化、甚至破坏。 二是宿主反应，即材料对活体系统的作用，包括局部和全身反应，如炎症、细胞 毒性、凝血、过敏、致癌、畸形和免疫反应等。其结果可能导致肌体的中毒和肌 体对材料的排斥1 4 。 第一章文献综述 1 2 生物材料的分类 生物材料已经基本形成了三大系列，即金属材料、高分子材料和陶瓷材料。 1 2 1 金属材料 在三大生物材料中，金属具有最优的机械性能、韧性和加工性能。由于技术 发展的限制，人们最先使用的金属是贵金属和银。2 0 世纪2 0 年代，人们开始把 不锈钢作为人体植入材料，即将3 0 4 不锈钢用作人工关节和骨折结合板材料，但 是由于体液中氯离子的存在，不锈钢材料极易发生点蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀， 于是开始使用增加m o 含量的3 1 6 、3 1 7 奥氏体钢，使材料的强度、耐蚀性能得 到很大的提高。然而，尽管如此仍不能阻止有害金属离子溶解进入体液而引发组 织的不良反_ 应【”。 c o 基合金也叫c o c r 合金，最初被用作口腔铸造材料。这类合金具有优异 的耐蚀性和机械性能，但该类合金在铸造时经常会出现气泡、空洞等缺陷，而造 成韧性和耐蚀性降低。c o 基合金己被用于人工关节、骨折连接用板、人工心脏 瓣、义齿床、手术用螺丝夹子和各种丝材【6 j 。 t i 在2 0 世纪4 0 年代首次被b o t l l e 用于医学领域。其比重是4 5 ，是不锈钢 和c o c r 合金的1 ，2 ，和人骨近似。与不锈钢和c o c r 合金比较，钛合金具有更 高的力学强度和耐腐蚀性能及更低的弹性模量。t i 6 a 1 4 v 合金是为了克服纯钛机 械性能差而开发出来的。这种材料最初是为航天应用设计的，7 0 年代后期被广 泛用作外科修复材料，如髋关节、膝关节等。同时，t i 3 a 1 2 5 v 也在临床上被用 作股骨和胫骨的替换材料。虽然这种材料在人工关节材料方面已占据了主导的地 位，但仍有不足。一是该合金中含有有毒元素a l 、v ，能聚集在生物体的骨、肝、 肾、脾等器官，毒性效应和磷酸盐的生化代谢有关，通过影响n a + 、k + 、c a 2 + 和 旷的a t p 酶发生作用，毒性超过n i 和c 一7 9 ，1 0 1 。通过置换有毒元素a 1 、v ，可 制备毒性更低、机械性能更好的面合金，如t i l 3 n b l 3 z r 是9 0 年代初由美国科 学家研发的低弹性模量、高强度、高韧性、高疲劳强度及良好生物相容性等综合 性能良好的生物钛合金。与t i 6 a 1 4 v 相比，其弹性模量低3 0 ，平面断裂韧性 高2 0 ，弯曲及剪切模量低3 0 - 4 0 ，在同等模拟体液中腐蚀率低4 0 。经过 冷、熟加工后，在保持高强度的情况下，模量可下降至5 0 m p a ，更接近于人体 皮质骨。近年来新型1 3 型钛合金作为医用材料得到了广泛研究，如t i l 2 m 0 6 z r 2 f e 、 t i l 5 m 0 5 z r 3 a 1 、t i 2 m 0 2 z r 3 a 1 合金等。与t i 6 朋4 v 相比，这类合金具有更高的 拉伸强度、断裂韧性、更好的耐磨损性能以及更低的弹性模量。钛和钛合金的缺 点是硬度较低，抗剪切和耐磨损性较差，易被磨损破坏 1 1 , 1 2 , 1 3 1 0 第一章文献综述 医用金属材料目前依然是临床上最主要的硬组织植入材料。生物医用金属材 料最基本的特性是要求材料具有良好的生物功能性( 包括足够高的强度和韧性， 适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳蠕变性能以及耐磨和自润滑性) 、优异的耐腐 蚀性和良好的生物相容性以及良好的可加工性能，并满足用它制成的医疗器件植 入人体具有治疗作用。但是，金属植入物与有机体的亲和性、生物相容性往往较 差，在体液中存在材料腐蚀等问题。目前，研究主要集中在修复，替代或增进人 体组织或器官功能的医用金属和合金及金属化合物材料及涂层技术上i l t ”】。 1 2 2 高分子材料 医用高分子材料是生物医用材料研究中最活跃的领域之一，特别是2 0 世纪 6 0 年代以来发展更快，已经能合成许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释 材料，应用到各个医用领域。医用高分子材料包括非降解型和生物降解型两种。 非降解型的主要成分是聚硅氧烷、聚氨脂、聚乙烯，聚丙稀酸脂、聚甲醛等，用 于韧带、肌腱、皮肤、血管、人工脏器、骨和牙齿等人体软、硬组织及器官的修 复和制造。生物降解型主要成分是聚氨基酸、聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多 糖和蛋白质等，在临床上主要用于暂时自行替换组织和器官的功能，或作为药物 缓释系统和送达载体。 非降解型高分子材料大多数不具有生物活性，与组织不易牢固结合，在生物 环境中能被降解导致毒性、过敏性甚至致癌，并且刚性不足。在硬组织修复中应 用生物降解型的高分子生物材料易降解，降解产物经代谢排出体外，对组织生长 无影响，已成为医用高分子材料发展的重要研究方向”q 。 1 2 3 生物陶瓷材料 生物陶瓷( b i o e e r a m i c s ) 指与生命科学、生物材料、生物工程学相关的陶瓷。 人体环境十分复杂，故而对生物陶瓷的要求很高。其基本要求是对健康无危害， 又不被生化作用所破坏，即要求材料物理、化学和生理组织无刺激，不被生物组 织腐蚀、吸收、具有良好的相容性。同时也要具有很好的力学性能以达到人体骨 骼的要求。生物陶瓷是由金属离子和非金属离子两部分以离子键和的晶体材料。 其中的金属离子通常由在生理环境中存在的离子( c a p km g , n a 等) 或者对人 体组织仅有极小毒性的离子( a i ，t i ) 所构成，因此具有良好的生物相容性，可 用于制造体内修复器件和人工器官【1 7 1 。这类材料用于人体组织的修复、埋植和重 建等。习惯上，医学上称为种植体。经常使用的材料有氧化锆、氧化铝、碳、生 物活性玻璃、羟基磷灰石、磷酸钙等。因此，生物陶瓷在短短几十年里已经涉足 髋、膝关节、牙根、颌面重建、心脏瓣膜、中耳听骨、组织工程等。 第一章文献综述 生物陶瓷的优点【1 8 】； ( 1 ) 由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的机械强度、硬度；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。 ( 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。 ( 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，多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颉骨、颅骨 等。 ( 4 ) 后加工方便，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。 ( 5 ) 易于着色，如陶瓷牙可与天然牙媲美，用于整容、美容。 1 3 生物陶瓷材料的分类 根据生物陶瓷在人体内的反应情况，可将其分为三类：生物惰性陶瓷材料、 可降解生物陶瓷材料、生物活性陶瓷材料。 1 3 1 生物惰性陶瓷材料 生物惰性陶瓷是指化学稳定性能好、与肌体组织生物相容性好的陶瓷材料， 如氧化铝、氧化锆、氧化硅等。它们在体内耐腐蚀、耐磨损、不降解、不变质， 可在体内长期使用。但是，由于这类材料与肌体组织不发生一定的反应，植入生 物体内后，容易和肌体产生排异现象，在种植体与生物肌体之间形成一定厚度的 纤维组织，从而给种植体的固定带来影响，最终引起种植体的抗疲劳性能降低， 甚至产生松动或不紧密的机械结合，因而会产生微小滑动，而这种微小的滑动会 引起种植体的磨裂。高纯高密度的氧化铝陶瓷是最早临床应用的生物陶瓷【i9 】，它 具有良好的力学性能，优良的抗腐蚀性和耐磨性。但是它的弹性模量过高，9 9 7 的高纯氧化铝陶瓷弹性模量为3 5 0 g p a ，而入骨仅为5 3 0 g p a ，所以其生物力学 相容性较差。世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家，都对氧化物陶瓷，特别 是氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生 成极薄的纤维膜，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。 第一牵文献综述 1 3 。2 可降解生物陶瓷材料 1 9 7 2 ，g r a v e s 根据对磷酸钙骨替换材料的研辩和评价，提出了可吸收骨替换 材料的概念。可生物降解及吸收的陶瓷材料主要指那些植入人体并经过一段时间 屡，能逐灏被分解或破坏豹晦瓷枋辩，它 f 强e 体内的溶解度较大，憝诱发腿俸嚣 组织的生长，其溶解产铹进入俸液鬣，躯体液循繇参与飘体酌新陈代诺，薇瓿谇 组织吸收利用，在种植体的部位重新嫩长出新的骨组织，种植材料就被新的肌体 骨组织所代替。这种材料的生物活性最强，能够德进种植体和周围组织之间的化 学键帮，毽怒鑫予该耱辩魏降瓣傻褥秘檀俸与缝绞之窝只筢保持一篡缀薄静避渡 层，从而导致种植体与组织之间晃面结合强度较低。这类材料童要有c a s 0 4 、磷 酸三钙基生物陶瓷等。磷酸三钙基生物陶瓷被用作骨置换材料谯医学方面的皮用 已经二卡譬? 。这些应耀包括曩终绥彩终秘、写雾喉释学窝脊棱乡 耱等。臻黢三 钙基生物黼瓷通常指磷酸三钙、羟蕊磷灰石( c a l 0 ( p 0 4 ) 6 ( o h ) 2 ) 、磷酸四锈和它 们的混和物，其成分与骨矿物组成类似，生物相容憔好。磷酸锈分子式c a 3 ( p 0 4 ) 2 ( 篱称t c p ) ，有毫温裰攫栏单斜晶秘低温相b 相菱形晶两种。具有良好生物提 容往、雷转黪作霜帮生物降瓣往静，磷酸三钙是傀照的雷移植替筏耪辩。磷酸三 钙植入体内后在生命肌体中的降解彳亍为非常显著，溶解下来的c a 、p 进入活体 循环系统詹形成新生骨，一定时间后非生命的植入体逐步溶群消逝，为有生命的 掰嚣掰替 弋【潮。多魏磷羧三钙室耱麴瓷缒秀象秀酶釜长提供支絮，曩骞援熬魏嚣 传导作用，然到骨缺损修复的目的。猩成骨速度上磷酸三钙优予羟基磷灰稽，是 一种非常理想的、临床威用前景十分诱人的硬组织缺损修复材料【2 。 1 3 。3 生襁活性陶瓷材料 典型的缴物活性陶激材料主要包括生物活性玻璃以及玻璃陶瓷材料。它们在 体内有一定瓣溶解度，熊部分参与体蠹的薪陈代谢，对雷缨聪慧长有一定的零| 导 诱发雩# 焉，麓促逶缺损臀缀织的修复。这类材料囊物活性静概念最早是由h e n e h 提出，1 9 6 9 年在研究生物玻璃时发现：生物玻璃植入骨内后程界面上与骨形成 了化学键和，并于1 9 6 9 年提出生物滋性的概念，次每这个概念在国际上得到了 公谈。链将这类麓与缰织形残毽会懿材瓣定义为象貉活经耱辫。生锈活毪羯瓷裁 是指能与活体骨组织、活体软组织形成化学键和的陶瓷。植入体内后，在体液的 作用下，材料表面会发生一定的变化，能够与体液谶行物质交换，并引导骨细胞 在其表蚕生长，挺进雷缝织鲍修复与黧建。羁鞋程爨缀织与势壤钵之瓣产生纯学 键。这种材料与骨组织的结合是一种臀性结合，其有较高的界谢强度。其生物活 性介于非活性和可溶性生物陶瓷材料之间。从目前的情况看，缴物活性陶瓷舆有 第一章文献综述 最好的发展前途。 1 4 生物活性玻璃及玻璃陶瓷 目前，各种各样的玻璃，陶瓷和玻璃陶瓷材料已经应用到牙科治疗，包括 牙齿移植固化剂和复原材料等，或被用作涂层材料来提高骨科和牙种植体的融合 性；有的以颗粒形式填充各种骨科缺陷，当生物玻璃、玻璃陶瓷颗粒被用来填充 骨缺损时，骨再生的速度和量都与材料的组成有关。 1 4 1 生物活性玻璃及玻璃陶瓷的研究现状 n a 2 0 一c a o - 1 2 0 5 - s i 0 2 系统玻璃是最早被研究和应用的生物活性玻璃材料，其 中以h e n c h 教授在1 9 7 1 年研制成功的4 5 s 5 2 2 玻璃最为著名，其组成为 n a 2 0 2 4 5 w t ，c a 0 2 4 5 w t ，p 2 0 5 6 o w t ，s i 0 2 4 5 w t ，这种玻璃在组成上不同 于传统钠钙硅系统玻璃的特性：s i 0 2 的摩尔含量少于6 0 ，n a o 和c a o 的含量 较高，高钙磷比。特点是不仅对人体无害，与骨组织亲和性也好，而且还能够与 周围的骨组织牢固的结合在一起，它的一些产品如牙科用的e r m i 和p e r i o g l a s 粉、中耳骨、骨骼损伤修补已进入市场或临床应用中【2 3 1 。但是由于4 5 s 5 玻璃的 机械力学性能不够理想，因此尚不能直接应用于人体的承受载荷的部位，而主要 用于骨填充材料和生物涂层材料。 1 9 7 3 年，b r o m e r 等通过大幅度减少碱金属氧化物的含量，并应用玻璃的微 晶技术，成功制备了n a 2 0 - k ：o - m g o - c a o 1 2 0 5 s i 0 2 系统的微晶生物玻璃，其基 本成分为n a 2 0 4 8 w t ，k 2 0 0 4 w t ，m 9 0 2 9 w t ，c a 0 3 4 0 v a ，p 2 0 5 1 1 7 w t ， s i 0 2 4 6 2 w t ，称之c e r a v i t a l 微晶玻璃 2 4 】，为n a 2 0 k 2 0 - m g o c a o p 2 0 5 s i 0 2 玻 璃中含c a l o f f 0 4 ) 6 0 陶瓷晶体，与h e n c h 的4 5 s 5 玻璃相比较，生物活性有所降 低，但其机械性能却有了较大的提高，如抗弯强度达到7 0 8 0 m p a ，几乎提高了 一倍。可用于受力不明显的骨缺损的填充，如鄂骨的修复，也可作为骨水泥材料 应用于临床上。 日本京都大学小p , 保证f 2 5 j 教授在1 9 8 2 年开发成功了c a o m g o s i 0 2 - p 2 0 5 系 玻璃，其基质是硅酸盐玻璃，是含3 8 w t 左右的磷灰石( a p a t i t e ) 和3 4 w t 左右 硅灰石( w o l l a s t o n i t e ) 的微晶玻璃( 简称a w 微晶玻璃) ，这两种晶相无序的分 布在磷硅酸盐玻璃基质中，其形态均为一般的短柱状，而针状的硅灰石晶体很少 发现。由于不含有碱金属氧化物，因此它的机械性能较好，是当前力学性能最好 的医用微晶玻璃材料，各项力学性能均接近人骨。此外，他与骨骼组织的结合强 度也较高。此后在a w 微晶玻璃中添加少量的舢2 0 3 、b 2 0 3 研制成b g c 人工骨。 第一章文献综述 1 9 8 3 年h o l l a n d t 2 6 j 等研制成功了商品名为 b i o v e r i t 的可切削生物微晶玻璃。 其主晶相是磷灰石和金云母晶体 ( n a , k ) m 9 2 ( a 1 s i 2 0 1 0 ) f 2 】，可由 s i 0 2 触2 0 3 一m g o - n a 2 0 k 2 0 - f - - c a o - p 2 0 5 系统的磷酸盐玻璃，经过一定的热处理 工艺后得到。在这种可切削玻璃中金云母相使得玻璃具有可切削性，但由于金云 母晶体是生物惰性的，只有当与磷灰石晶体同时析出时才能显示出生物活性，因 此如何使金云母晶体和磷灰石晶体以适当的比例析出是至关重要的。这种玻璃一 陶瓷材料自1 9 8 8 年以来被用于头部和颈部的外科治疗。此外，可切削生物微晶 玻璃由于其良好的切削性能，同时由于它的乳浊特性与自然牙釉质十分接近，质 地致密、耐磨，表面光洁，良好的生物相容性以及化学稳定性，在全瓷冠修复体 中倍受青睐。特别是近年来，随着计算机辅助设计，辅助制造( c a d c a m ) 技术 的推广应用，为可切削玻璃陶瓷在口腔修复中的应用开辟了新的道路。随后，朱 光明唧等在可加工玻璃陶瓷的基础上加入b 2 0 3 、a 1 2 0 3 、p 2 0 5 等成分，成功降低 了其熔制温度。 p e m o t 和r o g i e f 【2 s 1 制各了一种磷酸基玻璃陶瓷，其含量为6 9 w t p 2 0 5 ， 8 3 w t a 1 2 0 3 ，2 2 7 w t c a o ，其中的主晶相为方英石。这种玻璃陶瓷能够提高机 械性能、降低杨氏模量。 2 0 0 0 年，燕山大学赵玉成【2 9 】，宋文灿等对k 2 0 m g o s i t h b 2 0 3 f 系统玻璃 的力学疲劳特性和生物学特性进行了研究，结果表明该玻璃不仅具有良好的抗疲 劳特性，而且具有良好的生物相容性和生物活性，能与骨组织产生化学键，形成 骨性结合，是一种很有应用前景的人造骨骼材料。 最近小久保正等研制出一种新型结晶化玻璃，这种玻璃含有大量的fe ：2 十，热 处理后，得到以c a o - s i 0 2 - b 2 0 5 p 2 0 5 系玻璃相和硅灰石为主的结晶玻璃，其中 分散着强磁性的f e 3 0 4 粒子。在生理环境内这些粒子表面能形成磷灰石层，且也 可和骨质结合。 此外，还有一些特殊的生物玻璃。如：可切削生物陶瓷玻璃，这种生物陶瓷 玻璃是由于云母晶体的层状结构，使含氟金云母和磷灰石晶相的磷硅酸盐玻璃具 有良好的可加工性，虽然玻璃含有a 1 2 0 3 依然能与骨结合，表明砧2 0 3 的存在不 一定影响表面反映。可溶解磷酸盐玻璃，这种玻璃是基于p 2 0 s - n a 2 0 c a o 体系， 其网络形成体为 p 0 4 ，不同于 s i 0 4 为网络形成体的玻璃，通过调整c a o 和n a 2 0 的相对含量可调节溶解度，n a 2 0 含量的提高会提高溶解度并导致p h 值升高， 其溶解产物沉积生成不同含量c a 、p 产物并最终转化为磷灰石 3 0 5 1 1 。 1 4 2 生物活性玻璃及玻璃陶瓷制备方法 目前，制备生物玻璃材料的主要试验方法有两种：熔融法和s o l - g d 法。熔 第一章文献综述 融法是一种传统而简单的工艺方法，这种方法是将原料按照配方混合后，在较高 温度下熔化成均匀的玻璃质，将此玻璃质在石墨中铸成所需形状，最后进行低温 淬火处理。该方法制备的生物玻璃的生物活性受到s i 0 2 含量的影响。当组成中 的s i 0 2 的含量增加时，生物活性逐渐减弱，直至s i 0 2 6 0 w t 时其玻璃基本上呈 惰性。值得注意的是，当引入2 0 3 大于3 w t ，同样使生物玻璃失去生物活性【3 2 】。 用s o l g e l 法制备玻璃陶瓷时，需先制成凝胶，然后再进行热处理得到所需材料， 以前主要用该方法来制备含硅钙磷酸盐材料。最近才有人用有机磷酸盐作前驱体 首次用s 0 1 g e l 法合成无硅磷酸盐玻璃陶瓷。溶胶一凝胶法制备的生物玻璃突破 了熔融法制备时，当s 1 0 2 6 0 时其玻璃基本上呈生物惰性的限制，拓展了生物 玻璃的组成范围，使材料可以在较宽的范围内变化，从而使材料组成在较宽的范 围内变化 3 3 , 3 4 。 1 4 3 生物活性玻璃及玻璃陶瓷的应用 自1 9 7 1 年h e e h 等人发现生物玻璃，人们对玻璃和玻璃陶瓷基材料用于生 物、组织和器官损伤的修复及癌症的治疗给予了很大的关注。目前大多数生物玻 璃已经有产品进入市场。 4 1 4 3 1 组织工程支架材料 采用溶液浇注、熔融共混合和模压成型等方法制各的生物玻璃与高分子复合 材料作为理想的体内生物降解材料和组织工程支架材料。其既能提高生物活性和 细胞亲和性以及机械性能，又可调节降解速度使之与不同细胞的生长速度相匹 配。 1 4 3 2 人工骨材料 对生物组织无害的生物功能新型陶瓷已经用于人工骨和人工牙【3 5 1 。 d u c h e y n e 和h e n e h 联合研制的不锈钢或碳纤维与4 5 s 5 生物玻璃复合，力图使材 料在硬度、韧性以及杨氏模量上与人骨的相匹配【3 6 1 。此复合材料弯曲9 0 度不发 生断裂，当再涂以生物玻璃时，试验发现材料既具有生物活性又有负载能力。 中耳骨是生物玻璃最早的产品，移植在人耳中，特别是辅以一些微电子设备， 能使某些耳聋病人恢复不同程度的听力。 1 4 3 3 治疗癌症用玻璃 放射疗法用玻璃，可把放射p 射线的化学元素掺入生物玻璃内，制成b 射线 第一章文献综述 材料，把它植入肿瘤附近，就可达到直接照射癌细胞又不损伤周围正常组织的目 的，适用于这种目的的材料有含钇玻璃和含磷玻璃【3 7 1 。 热疗用玻璃，利用癌细胞耐热性差，加热至4 3 u 以上就死亡的规律，在肿 瘤附近埋入强磁体，施加交变磁场，体内深部肿瘤即被加热而又无损于正常组织。 已被开发研制出的这种微晶玻璃有l i 0 2 - f e 2 0 3 p 2 0 5 系微晶玻璃和 f e 2 0 3 - c e o s i 0 2 系微晶玻璃【3 8 1 。 1 4 3 4 人体注射阻止尿失禁 尿失禁病人因膀胱出口敞开而失控。生物玻璃与某些生物液配合配制成注射 液，注射液在膀胱出口周围，使其收缩，从而使尿失禁得到控制。动物试验正在 进行。 3 9 1 1 4 3 5 齿科材料 生物玻璃的早期应用主要是在口腔方面，如用于下颌骨置换、牙槽嵴增高、 牙周病治疗、盖髓、拔牙窝充填、预防牙槽萎缩、骨腔充填等。目前已有两种生 物玻璃牙科材料产品由美国生物材料公司开发进入市场：其一是e r m i ，用于填 补牙根空位，以避免牙床萎缩；其二是p e r i o g l a s s 粉，用于治疗牙周炎。其不仅 能与牙根成键联结，也能与牙床成键联合。1 4 0 1 4 3 6 药物治疗载体 药物治疗载体是生物玻璃很有发展前景的应用之一。各种各样的药物储存在 多孔的生物玻璃中，然后植入人体有病的关键部位。随着生物玻璃表面反应的进 行，药物将释放，达到有的放矢的治疗并具有最大效率的治疗。 1 5 钛合金表面生物活性陶瓷涂层材料 钛和钛合金是常用的金属生物材料，由于其良好的生物相容性和力学性能被 广泛应用于整型外科、人体硬组织的替代以及口腔种植体方面。但是，金属直接 植入人体后，在人体环境中会被体液腐蚀且金属离子会向肌体组织中游离，尤其 是t i 一6 a 1 - 4 v 中的刖和v 都是有毒元素，这些有毒元素会导致肌体组织的病变。并 且钛和钛合金缺乏生物活性，直接植入后不能与骨组织形成牢固的、长期稳定的 结合。为了解决这些问题常在其表面利用各种方法制备生物活性陶瓷涂层，从而 达到把金属的高强度、高韧性与陶瓷的耐磨、耐体液腐蚀以及优良的生物活性和 生物相容性综合起来形成金属一陶瓷复合材料。在钛和钛合金表面制备生物活性 第一章文献综述 陶瓷涂层的方法众多，如化学仿生法4 2 1 、离子束辅助沉积法( m a d ) 【4 3 1 、溶 胶凝胶法】、激光脉冲沉积法 4 5 1 、等离子喷涂法【4 6 1 等等。目前，常用的生物活 性陶瓷涂层材料主要有羟基磷灰石生物陶瓷和生物活性玻璃陶瓷。它们在生理环 境中都可以通过表面生物化学反应与组织形成化学键性结合，从而具备良好的生 物活性。 1 5 1 羟基磷灰石陶瓷 目前等离子喷涂法制造羟基磷灰石涂层应用最为普遍，同时也是目前唯一广 泛应用的制备商品化种植体涂层的技术。通过这种方法可以获得较为适宜的涂层 厚度( 5 0 1 5 0 u m ) 以及较高的涂层结合强度，适合工业化生产，因此在人工牙 根、髋关节等上获得了广泛应用1 4 7 】。但等离子喷涂过程是一个高温过程，等离子 焰的温度常高达1 0 0 0 0 0 c 以上 4 羽，远高于羟基磷灰石的熔点( 1 5 0 0 c ) 1 4 9 ，因 此喷涂过程中羟基磷灰石粒子不可避免地发生相成分和结晶状态的变化，从而导 致羟基磷灰石的生物活性降低【5 0 , 5 1 。另一个问题是羟基磷灰石和常用钛合金( 国 产t c a ，i p t i 6 a 1 4 v ) 的热膨胀系数差异非常大( 分别为1 3 3 x 1 0 - 6 * c 和9 4 x l o - 6 c ) 【5 2 】，在张力负载下羟基磷灰石涂层和钛合金的热膨胀差异会导致疲劳断裂，最终 涂层不能与钛合金基体形成良好的结合。并且，钛合金基体对羟基磷灰石涂层的 分解有较大的影响，钛元素扩散进入羟基磷灰石晶体中，将导致羟基磷灰石结构 的破坏。 1 5 2 生物活性陶瓷玻璃 生物陶瓷和生物活性玻璃陶瓷具有优良的生物活性及生物相容性，但终因其 机械性能不稳定，可靠性差，韧性不好等原因基本不用于承受载荷的部位，而是 作为高强度陶瓷或是金属的涂层材料【5 引。因此，人们目前普遍关注于生物陶瓷 金属复合材料的研究。将生物活性玻璃陶瓷涂敷于基体上，除具有良好的机械性 能外，还可以形成理想的晶形结构，形成能引导组织向内生长的孔穴。同时发挥 金属与陶瓷各自的优点，获得机械性能、生物性能、相容性能均良好的新型人骨 复合材料。生物活性玻璃材料有良好的生物活性，同时表现出骨引导性和骨形成 性，能与骨组织形成化学键合，且几乎不含对人体有害的成分，生物相容性好， 同时比羟基磷灰石有更高的机械强度，更为重要的是生物活性玻璃可以通过调整 其中的化学成分达到在较大范围内调节热膨胀系数和生物活性的目的，有利于涂 层与基体的结合，而且玻璃还是一种很好的高温粘接剂t 郸5 】。d r b l o v e r 等人 在n a 2 0 - k 2 0 - c a o - m g o 1 2 0 5 s i o ：系统中设计了6 p 5 7 ，玻璃采用简单的涂覆烧结 法将这种生物玻璃粉烧结于t i 6 越4 v 表面，控制好烧结时间和温度就能在涂层和 第一章文献综述 金属之间产生良好的界面结合，且证明其具有生物活【5 6 5 7 5 引。g o m e z 等人在 n a 2 0 一k 2 0 - c a o m g o - p 2 0 5 s i 0 2 系统中设计一系列生物活性玻璃粉，其中s i 0 2 的 含量为5 6 w i , - , 6 8 w t ，p 2 0 5 的含量为6 w t ，这些涂层能与t i 或者t i 6 a 1 4 v 形成良 好的结合，且将其浸入模拟体液中会在表面形成h a 。黄炳堂，顾卫科”1 等研究 成功一种用于口腔种植体的s i m g - c a - p ( f ) 系含氟生物活性玻璃涂层材料。测定了 涂层与钛合金( t i 6 a 1 4 v ) 基体的剪切强度为1 9 3 7 以4 9 7 m p a ，经过动物实验后 的显微结构分析证明它能与骨组织产生化学结合，等离子喷涂的玻璃涂层与钛合 金基本结合牢固。等离子喷涂生物玻璃涂层钛合金芯口腔种植体，于1 9 8 8 年率 先应用于临床，为国内外首创。至今应用4 0 0 余例，最长寿命已达6 年以上，近期 效果良好。国内的张亚平 6 0 1 等采用激光熔覆原位合成法，不但能合成生物钙磷 涂层，而且获得的界面强度( 3 8 m p a ) 也要比等离子喷涂法获得的界面强度 ( 1 8 m p a ) 要高。 1 5 3 多层陶瓷涂层 在钛及其合金基体上涂覆单一的羟基磷灰石或生物活性玻璃陶瓷涂层无法 同时很好的满足涂层的生物活性和涂层与基体结合强度这两方面要求。因此国内 外许多研究者都致力于通过对生物陶瓷涂层的设计改善生物陶瓷涂层与钛合金 基体之间的结合性能。 1 5 3 1 混合陶瓷材料涂层 将不同的生物活性陶瓷材料以不同的比例混合是完善涂层性能，尤其是调整 涂层与金属基体之间热膨胀系数以形成良好结合的有效的方法。国内外有很多研 究者就这方面做了大量研究。如采用简单的涂覆一烧结法将6 p 5 7 和6 p 6 8 玻璃粉 均匀混合作为涂层，以达到涂层的热膨胀系数和n 6 舢- 4 v 相匹配的目的，并将 b i o g l a s s 和h a 颗粒均匀嵌入涂层表面，这样做最主要是为了增加涂层的生物 活性同时也保证涂层与基体良好的结合强度。但是，h a 和b i o g l a s s 颗粒的表 面覆盖率应限制在2 0 以内，因为颗粒过多会造成应力集中最终导致裂纹的产生 【6 l 】。左友松【6 2 】等采用复合电沉积水热法，在钛的基体上制造了羟基磷灰石和钛 微粒两相分布均匀的复合涂层，涂层中钛微粒的质量百分含量为6 4 3 8 8 7 ，也 达到了调整涂层热膨胀系数的目的。虽然目前等离子喷涂羟基磷灰石是最为普遍 的方法并且已经应用于临床，但是仍然存在许多不足，为了改善等离子喷涂羟基 磷灰石的缺陷可以通过对涂层组成的设计来获得h a 复合涂层，如r h o r 【6 3 垮人 采用等离子喷涂的方法将3 5 w t h a 、1 5 w t y s z ( z r 0 2 8 w t y 2 0 3 ) 、5 0 w t 的 t i 毋1 4 v 粉作为涂层材料涂覆于钛合金表面，实验结果证实结合强度比纯的h a 第一章文献综述 显著增加，这是因为y s z 是高强度粉且能提高涂层整体韧性，t i 6 a 1 4 v 金属粉末 是具有延展性的材料。此外，h a t i 【6 4 1 、h a t i 6 a l - 4 v 嘲复合粉体通过等离子喷 涂法涂覆在基体表面，同样可改善h a 与钛合金基体的结合强度，同时不会降低 涂层的生物活性。 1 5 3 2 双层玻璃陶瓷涂层 意大利的研究者惭】在t i 6 a 1 4 v 基体上用简单的涂覆一烧结法制造双层玻璃 一陶瓷涂层用于牙科种植取得了良好的效果：与基体直接接触的是一层 s i 0 2 - c a o - n a 2 0 - m g o p 2 0 5 k 2 0 涂层( s c p ) ，用于外层的材料是 s i 0 2 - a 1 2 0 3 - p 2 0 5 - k 2 0 一c a o f - 玻璃陶瓷( s a f ) 。底层的s c p 涂层的作用是为了 使外层的s a f 层和基体更好的粘合并且减少二者之间的反应，外层s a f 的作用 是为了确保植入体有良好的生物活性。我国的陈晓明【67 】等也采用两步涂烧法在钛 合金表面制备出底釉化学性质稳定，防组织液渗透、界面剪切强度较高的复合生 物活性玻璃陶瓷多孔涂层，适合于改善人工髋关节柄部的骨结合特性。g u l t e k i n ( o i l e r 6 s 用等离子喷涂的方法现将a m d r y 6 2 5 0 ( 6 0 a 1 2 0 3 4 0 t 1 0 2 ) 喷涂于钛表 面作为粘结层，将4 5 s 5 ( 4 5 s 1 0 2 ，6 p 2 0 s ，2 4 5 c a o ，2 4 5 n a 2 0 ) 生物活性玻 璃等离子喷涂于粘结层表面，实验结果显示涂层与钛基体的结合强度比没有粘结 层的提高约三倍。这种类型的涂层一般底釉的热膨胀系数在金属和面釉之间以避 免由于热膨胀系数差过大而使涂层产生