生物陶瓷的合成与制备

生物陶瓷的合成与制备 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新型材料 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 var cpro psid u2572954 var cpro pswidth 966 var cpro psheight 120 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 本生物陶瓷的合成与制备生物陶瓷的合成与制备 专业 13 材料化学 1 班 姓名 金文倩 学号 201310230138 摘要摘要 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新型材料 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 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 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 Ca10 PO4 6 OH 2 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 Ca2 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 P2O5 SiO2 Na2O 系玻璃 以及微晶玻璃等也正在 研制作为人造骨及人造牙 为了改进陶瓷的脆性 ZrO2 烧结体及复合材料也正在研制作为 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 多孔陶瓷载体 多孔陶瓷有 Al2O3 TiO2 SiO2 ZrO2 和 TiO2 Al2O3 的 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 1 4 生物陶瓷具备的性能 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 因此无论是高压 煮沸 液体浸泡 气体 环氧乙烷 或 射线消毒后 材料均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 2 生物惰 性陶瓷 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 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 3 生物活性陶瓷 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 Na2O SiO2 P2O5 比普通窗玻璃含有较多钙和磷 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 SiO2 胶 凝层 进而与骨骼形成化学键 目前此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 玻璃陶瓷的生产工艺流程 配料制备 配料熔融 成型 加工 晶化热处理 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 TiO2 ZrO2 P2O5 V2O5 Cr2O3 MoO3 氟化物 硫化物等 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 P2O5 单 一的 HAP 的成形和烧结性能较差 易变形和开裂 加入 ZrO2 Y2O3 ZnO 和含镁盐的 CPM 复合试剂等 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 6CaHPO4 2H2O 4CaCO3 Ca10 PO4 6 OH 2 4CO2 4H2O b 水热反应法 将 CaHPO4 与 CaCO3 按 6 4 摩尔比进行配料 然后进行 24h 湿法球磨 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 6CaHPO4 4CaCO3 Ca10 PO4 6 OH 2 4CO2 2H2O c 沉淀反应法 此法用 Ca NO3 2 与 NH4 2HPO4 进行反应 得到白色的羟 基磷其反应如下 10Ca NO3 2 6 NH4 2HPO4 8NH3 H2O H2O Ca10 PO4 6 OH 2 20NH4NO3 7H2O 4 生物陶瓷的发展前景及所存在的问题 4 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 4 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 4 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 4 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 4 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 4 2 生物陶瓷需要解决的问题 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