新型水泥在生物材料中的应用.doc

烧结陶瓷课题论文学 院：材料科学与工程专业班级：无机101姓 名：王朝率 孟祥媛学 号：2010015012 2010015032指导教师：李晓生时 间：2013年4月15日新型水泥在生物材料中的应用学院：材料科学与工程 专业班级：无机101 姓名：王朝率 孟祥媛摘要：目前生物活性陶瓷作为骨填充、修复材料已经在临床上大量应用，但由于这些材料都是高温烧结后的块状或颗粒状，不具有可塑性。传统医学依靠自体骨和异体骨移植进行骨修复。自骨体来源有限，并对供体产生新的损伤。异骨体由于具有生物活性易丧失、免疫排斥反应，以及当其处理疏漏时易导致受体感染等缺点，因而其应用受到了限制。在此背景下，人们对现有的骨移植材料进行改造，开发出了一种新型骨修复材料生物医用水泥，成为了人们关注的热点。关键字：生物水泥、骨水泥1、简介生物医用水泥，又称骨水泥，作为替代，修复人体硬组织的生物材料，生物医用水泥在骨外科、整形外科以及牙科的临床应用前景非常广阔。骨水泥由于具有良好的生物相容性和骨传导性，能任意塑型，可降解和无毒害等特点，因而作为填补损和固定移植材料而被广泛地应用于骨矫形修复。此外，骨水泥适用的领域还包括：类风湿关节炎、骨关节炎、创伤性关节炎、陈旧性股骨及颈骨骨折、关节成形术后再次手术、恶性肿瘤引起的不稳定骨折等。骨水泥一般由无机的粉剂和有机的液剂两组构成，使用时粉剂和液剂按照一定比例混合后，在室温下凝固，从而达到对人工关节镶嵌固定的目的。按组成分类，骨水泥可分为磷酸钙骨水泥（Calcium Phosphate Cements）、聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥（PMMA）、玻璃基生物骨水泥（Glass-Based Bosed Cement）等。2、磷酸钙骨水泥（Calcium Phosphate Cements）磷酸钙骨水泥（简称CPC）最早由美国的Brown和Chow于 20世纪80年代提出，是在两种或两种以上磷酸钙粉中加入液相调和剂，在生理条件下通过磷酸钙盐发生水化硬化，在人体环境和温度下转化为与人体硬组织成分相似的羟基磷灰石。如：在温度（37）、 湿度（100 %）条件下发生水化反应得到与人体骨组织相近的固化产物羟基磷灰石或透钙磷灰石，因此具有一定的可降解性和良好的生物相容性。该类骨水泥具有易成型，固化时间可调，可任意塑型和工艺简单等特点，能满足临床对骨组织缺损修复的要求。磷酸钙骨水泥，根据组成的不同可以分为三类。第一类，典型磷酸钙骨水泥。它是由磷酸四钙和二水合磷酸钙与水以4：1的灰水比调和而成。最大特点就是可任意塑型，植入人体内1015 min 后就可开始固化，4 h后实现完全固化。这类磷酸钙骨水泥的缺陷是降解吸收速度缓慢，凝结固化所需时间较长。第二类，磷灰石磷酸钙骨水泥。这类磷酸钙骨水泥的固相由磷酸三钙、磷酸七钙、偏磷酸钙、焦磷酸钙和二水合磷酸钙类。化合物中的一种脱碳磷酸钙按一定比例混合而成，它的液相为等渗盐水，灰水比为1 g/（0 .7 0 .9 ml）。将该类材料调和成糊状注射到体内，1520 min内固化，固化可被有机体完全降解吸收。第三类，碳化磷酸钙骨水泥。这类骨水泥的固相为磷酸一钙、-磷酸三钙和碳酸钙的混合物，液相为磷酸钠。通过注射，可以用于骨折或骨缺损位部的修复。注入体内12 h 可完成其固化反应的 85 % 90 % 。固化产物可以被机体逐渐降解吸收。植入松质骨水泥的抗压强度为 55 MPa，抗拉强度为2 .1 MPa。2.1、磷酸钙骨水泥固化反应磷酸钙骨水泥（CPC）由固相与液相两部分组成。固相包括磷酸四钙（TTCP）、磷酸三钙（TCP）、二水磷酸氢钙（DCPD）、无水磷酸氢钙（DCPA）及磷酸二氢钙（MCPM）等磷酸盐，钙磷比在1.3 2.0之间。磷酸钙骨水泥的固化反应可分为两类：第一类固化反应基于酸碱平衡原理，相对酸性的CaP与相对碱性的CaP反应生成相对中路的Cap：还有-TCP（弱碱性）与MCPM（酸性）反应生成DCPD（中性）：第二类固化反应式反应物与产物有相同的钙磷比，典型例子就是ACP或-TCP在水溶液中反应生成PHA：2.2、磷酸钙骨水泥的特性磷酸钙骨水泥作为一种具有生物活性的生物材料，相比生物陶瓷材料具有以下优良特性或特点。一、自固化性CPC在人体生理环境下可自行固化，这是由其理化性质决定的，但是固化性能随CPC形成条件不同而表现出一定的差异。CPC粉剂与液剂调和后为糊状，在几分钟至数小时产生凝结且与骨直接粘结，固化体强度大小与组成有关。二、形状可塑性CPC调合后呈糊状物，可按要求和骨缺损部位或牙根管缺损部位形状任意塑形，自固化后保持外形不变，克服了HA陶瓷加工难的缺点。通过固化液的选择，可以得到5 30 min初期硬化的时间，可以有充足的时间使之在骨缺损部位准确塑形，固化后也可以做外形的修整。三、凝固时间凝固时间，是指从粉剂和液剂调和后至调和物具有一定的强度所需的时间。临床上对凝固时间的要求与不同外科手术操作相关，如用于牙科的CPC要求凝结时间较短，优选的应在10 min以内，用于骨缺损修复的CPC应控制在30 min以内。凝结时间可衡量实际手术操作的可行性，根据手术部位和硬化条件要求不同，应可以在一定范围内可调节。四、生物降解性磷酸钙骨水泥具有一定的生物降解性，其生理化学溶解是一种体液介导过程，其溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成分和 pH 值、材料相组成和结构（磷酸钙盐的溶解度次序：无定型磷酸钙 磷酸氢钙 磷酸氧四钙 -磷酸三钙 羟基磷灰石）、材料的结晶度和杂质的种类及含量（如镁离子有稳定 TCP 的作用）以及材料的溶度积（TCP在水溶液中可形成由羟基磷灰石覆盖的新表面）。五、生物学性质 良好的生物相容性和生物学安全性是骨修复材料必备的基本条件。CPC具有良好的生物相容性，在人体生理环境下可自行转化为与人体骨结构相似的HA, 植入人体后与自然骨是骨性结合，并且不会改变骨正常的生理过程，无明显的炎症反应，未发现有致畸性及毒性。植入试验表明，材料与宿主骨亲和性好，表明CPC能引导新骨的生成，具有骨传导和诱导成骨特性。2.3、磷酸钙骨水泥的临床应用研究一、修复骨缺损二、骨折内固定三、载入药物治疗骨病。图一：注射修复骨缺损图二：骨折固定图三：载入药物修复3、丙烯酸酯类有机骨水泥（PMMA）1928年德国首先合成聚甲基丙烯酸甲酯，1930年发现该材料的单体与聚合体在室温下能自行固化，而后成为牙科材料牙托粉和牙脱水，至今仍用于口腔科。1968年Hodosh提出在聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥中加入无机骨粒可以提高骨水泥强度。20世纪70年代后期，各个国家经临床发现使用骨水泥比不用骨水泥优越。我国于1957年，范国声教授首次用进口聚甲基丙烯酸甲酯做成了Judet型人工股骨头。1975年，卢世壁等与天津合成材料工业研究所等协作合成国产聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，定名为TJ粘固剂，对我国骨水泥材料的研究与发展，以及开展人工关节置换术起到了积极的作用。3.1、聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥特点粉剂骨水泥，粉末无气味，性能稳定。液体骨水泥，无色液体，有刺鼻的气味，具有易挥发性，易燃烧性，亲脂性，并有细胞毒性，在一定条件下能自行聚合固化成聚合体。3.2、丙烯酸酯类骨水泥的研究一、丙烯酸酯类骨水泥组分的改进二、PMMA基生物活性骨水泥三、注射型丙烯酸树脂骨水泥4、玻璃基生物骨水泥（Glass-Based Bosed Cement）生物活性羟基磷灰石（HAP）陶瓷具有优异的生物相容性，结合强度高，稳定性好。但是HAP陶瓷烧结成型以及修整困难，而且难以降解，使它的使用受到了很大限制。非陶瓷羟基磷灰石骨水泥（CPC）具有良好的诱导成骨和骨结合的性能，以及制备简单、使用方便和能逐步降解的特点。但是，研究表明CPC较低的机械强度使其无法应用于负重部位的骨修复。因此，经过研究人员的努力，终于制备出了一种既能提高骨水泥的强度，又能承受负重部位的骨修复的玻璃基骨水泥。目前已显示出了一定的优势，发展较快。4.1、玻璃基生物骨水泥种类一、AW骨水泥它由生物活性玻璃粉末和BIS-GMA树脂两部分组成。这种水泥具有足够的强度，较高的骨结合性能。特别是磷灰石层可以提高造骨细胞的活动性，并且，具有加速玻璃表面血清生长的能力。二、GBC骨水泥主要由活性玻璃珠和大分子量的PMMA组成。这种骨水泥不仅具有良好的力学、生物学性能，而且还具有良好的可操作性，可以与PMMA骨水泥的操作性相匹敌。5、总结和展望骨水泥在临床骨缺损修复已广泛应用，其性能与自体骨组织相比尚存在许多不足，理想的骨水泥应具有高的生物相容性，能与骨整合，其力学性能应该相当或稍优于天然骨，易于模塑，适合填充大的骨缺损，并便于操作，包括可注射。目前，无机钙基生物活性材料与高分子复合材料，基本上市无机颗粒与聚合物的机械混合，复合材料两相间缺乏化学键合。材料的性能优化液往往只限于聚合物的结晶化。如何增强无机分散相与有机基质间的结晶化，乃是此复合材料的研究关键。随着对骨结构研究的深入，材料复合方法的改进，有机与无机复合骨替代材料的发展会具有更加广阔的前景。参考文献1 付强