生物陶瓷材料

生物活性陶瓷及其应用与发展,李青骏,生物陶瓷材料的简单介绍,生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料,需具备如下条件:生物相容性,力学相容性,与生物组织有优异的亲和性,抗血栓,灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。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。,目录,1引言,随着经济的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等事故导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需求量越来越大。近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使数以百万计的患者获得康复，大大提高了骨伤患者的生活质量。由于陶瓷可在相当大的范围内改变其成分和结构，并影响其理化性能，因此，陶瓷已由单一的器皿发展为结构材料、功能材料；由日常生活进人到各行各业，直到尖端科技领域，陶瓷在生物医学领域也有广泛应用，如人工牙、人工骨、人工关节等。,2生物陶瓷的发展历程,当今人类社会使用的材料可分为金属(及其合金)材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物，并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史，可分为几个阶段。1 人工骨研究的启蒙阶段 18世纪前，主要采用天然材料作为骨修复材料，如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。 2 自然发展阶段 约19世纪前，由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展，开始用纯金、纯银、铂等贵金属。 3 探索阶段 上世纪中叶以前，由于冶金的进步，钴铬铝合金(1930年)、纯钛和钛合金(1940年)等被应用到人工骨领域，开始有目的地探索新材料，有机玻璃等高分子材料(1936年)也开始应用临床，并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深入。,2生物陶瓷的发展历程,4 迅速发展阶段 20世纪60年代初，在新技术革命浪潮推动下，材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料，其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。生物陶瓷的发展虽然还不到50年，也同样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导，随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷，包括生物玻璃，羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。自20世纪70年代起，生物陶瓷显露头角，世界各国相继开展了理论和应用研究，并且不断取得突破性进展。,3生物陶瓷应具备的性能,1与生物组织有良好的相容性 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。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。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。,3生物陶瓷应具备的性能,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牙和骨缺损，就要求植入的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床冶疗过程中，操作简便，易于掌握。 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。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。,4生物陶瓷的优点,(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、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、领骨、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。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车、铣、刨、钻等可切削性生物陶瓷。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，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、美容。,5生物陶瓷分类,： 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 ：,5生物陶瓷分类5.3生物陶瓷的分类和组成表,6生物惰性陶瓷6.1生物惰性氧化铝,单晶、多晶和多孔氧化铝 单晶氧化铝C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。 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。,6生物惰性陶瓷6.1生物惰性氧化铝,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。 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。 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。,14,烧结添加剂：1）能与氧化铝形成固溶体； 2）能在晶界形成液相。,能与氧化铝形成固溶体的物质 一般为变价氧化物，如TiO2、Fe2O3等。由于其晶格常数与氧化铝的相接近，因此通常能与氧化铝形成固溶体。同时它们是变价氧化物，由于变价作用，使氧化铝产生缺陷，活化晶格，促进烧结。,能在晶界形成液相的物质: 一般有高岭土、SiO2、CaO等，能在坯体中生成液相而促进氧化铝的烧结。由于液相的出现，其对固相的表面湿润力和表面张力使固相粒子靠近并填充气孔。,6生物惰性陶瓷6.1生物惰性氧化铝,15,优点：1）机械强度高，尤其是抗压强度；2）硬度高，耐磨性好；3）优良的物理化学稳定性和抗腐蚀，能在体液环境中长期稳定存在；4）优良的生物相容性，在人体内呈生物惰性，对人体几乎无不良影响。,缺点：1）纯氧化铝烧结温度17002000，且常需要热压、气氛或真空条件，制备难度大；2）抗弯强度低，韧性差，易产生脆性断裂。,氧化铝生物陶瓷的特性,6生物惰性陶瓷6.1生物惰性氧化铝,16,双极人工股骨头,髋关节,养殖水族生物陶瓷,骨材料,几种氧化铝陶瓷制品,6生物惰性陶瓷6.1生物惰性氧化锆,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。 部分稳定ZrO2陶瓷比Al2 O3的晶粒细（0.5m），拉伸强度高，且弹性模量比Al2 O3低。缺点是硬度较低（1250HV，Al2 O3为2300HV），而且含有少量的钍不能去除，会有一定剂量的Y和放射线，长期在体内植人不好。目前ZrO2的生物医学应用远不如Al2 O3陶瓷。,21:34,18,ZrO2陶瓷关节,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：（国际标准化组织（ISO）对于医用氧化铝植入制品的要求也一起列入）,20,6生物惰性陶瓷6.1碳质材料,按碳原子排列方式的不同，碳材料存在存在多种结构形态如金刚石、石墨和乱层结构碳。其中乱层结构碳含有空晶格位的不完整六角形平面晶格构成的准晶结构，其层间存在不完整的结合，从而产生了不同于石墨的新性质，如层间滑动降低和耐磨性能提高。适用于作医学材料。,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，疲劳性能最优，强度不随循环载荷作用而下降。无序堆垛的碳材料耐磨性理想。玻璃碳的强度差，在13001500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，韧性好。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。,22,生物活性陶瓷指具有优异的生物相容性，能与自身骨形成骨性结合界面，结合强度高，稳定性好，植入骨内还具有诱导骨细胞生长的效果，参与新陈代谢，甚至与生物体骨和齿结合一体的生物医学陶瓷。,生物活性陶瓷的定义,生物活性的概念指材料能在其表面引起正常的组织形成，并且它建立的连续性界面能够承担植入部位所承担的正常负荷。此时这类植入材料能表现出最佳的生物相容性。,7生物活性陶瓷,23,与原骨结合处无纤维状组织形成，其表面和生理环境发生选择性的化学反应，所形成的界面能保护移植物，防止降解，本身的化学成分与动物骨和牙齿等硬组织相近，均含磷灰石，是一种仿生人造骨齿，依靠活性表面与天然组织结合。,生物活性陶瓷的分类,表面活性生物陶瓷,作为临时的“脚手架”或“空间填充物”，植入体内的活性组织后，可以渗人而取代它们。,(生物玻璃; 生物微晶玻璃; 羟基磷灰石),吸收性生物陶瓷(钙磷酸盐磷酸三钙、羟基磷灰石),7生物活性陶瓷,24,这类材料是在 Na2O（K2O） CaOP2O5SiO2系中选择适当成分，在高温熔制成玻璃，或再经热处理，使玻璃中析出磷灰石晶相，成为生物玻璃或生物微晶玻璃。,在该体系中，选P2O5为6 （质量分数）、 Na2 O（K2O）取 Na2O时，此体系实际上是一个三元相系：Na2OCaOSiO2。,7生物活性陶瓷7.1生物玻璃和生物微晶玻璃,25,7生物活性陶瓷7.1生物玻璃和生物微晶玻璃,A 具有生物活性的玻璃成分区B 高硅的生物活性最小的成分区 C Ca少时玻璃成为可溶性玻璃 D 低硅区，无生物活性 45S5玻璃 生物微晶玻璃区,45S5最早生物活性玻璃：Na2O - CaO - SiO2 - P2O524.5 24.5 45 6.0,26,磷灰石可以用化学式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO3-4和Z位置上不同的离子替换可形成一系列固溶体。医用的磷灰石陶瓷最常见的是羟基磷灰石（HAP-hydroxyapatite）,羟基磷灰石（Ca10(PO4) 6(OH) 2）陶瓷的用途： 它具有良好的生物活性，能与人骨紧密结合。主要用于不承载的小型种植体（如耳骨），用金属支撑加强的牙科种植体、牙槽脊增高、牙周袋填补、颔面骨缺损修复.,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,27,羟基磷灰石陶瓷应用例人工听小骨假体 表面具有微孔，可使患者听力平均提高2030dB，适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换。,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,28,干法是将含有Ca的化合物和磷的化合物的粉末按一定的化学当量配比，在高温下反应合成。,干法,湿法合成是先将含钙和磷的化合物在水溶液中100以下进行化学反应合成，洗涤过滤后，在高温下烧结得到生物陶瓷材料。,湿法,羟基磷灰石的合成,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,29,干法合成工艺简单，反应速度快，但不易得到高纯产物；尤其是固相反应较难控制产物组成、粒度。,干法的特点,湿法为两步法，工艺步骤多、费时，但杂质易去除，可得高纯产物，控制容易。湿法合成的关键是控制反应时的PH，不同的PH得到不同的产物。只有在较高的PH之下才可以得到羟基磷灰石。,湿法的特点,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,30,羟基磷灰石（HAP）生物活性陶瓷的生物学性能及其与骨结合（1）具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全无毒，还能传导骨生长，即新骨可以从HAP植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。,（2）羟基磷灰石陶瓷植入体内后能与组织在界面上化学键性结合。,（3）羟基磷灰石陶瓷植入肌肉或韧带等软组织后，被一薄层结缔组织紧密包绕，无炎性细胞和微毛细管存在。,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,31,（1）由于良好的化学稳定性和生物相容性：人工骨和口腔材料。 如：颚骨、鼻软骨的支撑。（2）HAP用于牙膏添加剂，能吸附葡萄聚糖，有利于防止牙龈炎，同时还能吸附蛋白质、氨基酸和体液，经过十几年的临床研究，HAP能有效防治牙龈炎和牙槽炎。（3）用于药物输送、体内废物排除、人工器官电源输入、生物传感器检测生物信号（血压、血液动力学、血糖水平、深度体温）。,羟基磷灰石（HAP）生物活性陶瓷还可用于,7生物活性陶瓷7.2羟基磷灰石,32,该材料具有生物吸收性，最终能被原骨吸收溶于原骨组织中与原骨长成一体（磷酸三钙最终变为与羟基磷灰石晶型相同）。一般认为，生物陶瓷的这种生物吸收或称生物降解性主要来源于以下三种途径： 生物化学溶解作用，它与材料的溶解产物和周围环境的局部有关； 由于晶界的优先侵蚀而引起的物理分解作用； 生理作用，如引起pH局部下降的吞食作用。,7生物活性陶瓷7.3磷酸三钙,33,可以说，任何一种单一材料都不可能达到生物医学要求的尽善尽美的性能，因而在临床应用上有很大的局限性。,活性生物医学陶瓷,金 属,高分子材料,主要优点,优异的机体相容性和生物活性,主要缺点,强度和韧性较低,强度和韧性好,生物惰性材料,柔软，易成型复杂形状，有些还有非凡的生物医学性能,强度、弹性模量低，易老化,34,金属与陶瓷的复合形式主要有两种： 在高强度耐腐蚀的金属（如钛合金、CoCr合金、钽、铌、不锈钢等）表面涂覆活性生物医学陶瓷层； 用金属纤维埋于活性生物陶瓷机体中，以增强、增韧生物医学陶瓷。,8.1金属与陶瓷的复合,金属与HAP、磷酸三钙(TCP)和生物玻璃(BG)复合的活性生物陶瓷中最有效果的是部分稳定的二氧化锆,因含钙的ZrO2 陶瓷具有较好的生物相容性，又有高的强度和好的韧性。故加入ZrO2与HAP、TCP和BG复合可明显提高活性生物陶瓷的强度和韧性。,8生物陶瓷复合材料,35,(1) 生物活性陶瓷/生物活性陶瓷复合材料,(2) 生物活性陶瓷/生物惰性陶瓷复合材料 1）羟基磷灰石HAP/ZrO2复合材料，可获生物相容性好，强度和韧性高。 2）磷酸三钙TCP/ZrO2复合材料，提高力学性能。 3）羟基磷灰石HAP/纳米SiC复合材料,7生物陶瓷复合材料7.2生物活性陶瓷复合,36,将彼此交联的直径为50m、100m或200m不锈钢或钛的纤维浸渍于生物玻璃（45S5）熔体中，然后冷却、退火而得到的一种高强度和高韧性的复合材料。,7生物陶瓷复合材料7.3纤维增强生物玻璃复合材料,动态疲劳试验研究表明： 这种材料在生理环境中受到和人体致密骨抗弯强度相当的应力作用，其寿命可超过50年，是预测寿命最长的生物陶瓷材料。,37,1）生物活性陶瓷/天然高分子复合 胶原是机体生命的最根本基质，具有以脯氨酸等中性氨基酸和含有碱性或酸性侧链的氨基酸蛋白质的结构和特性。选用与自然骨有机质更接近的胶原与HAP复合，这样植入材料就能和受骨的骨胶原末端的氨基和羟基相结合，形成具有生物活性的化学结合面，从而发挥其正常的生理作用。,7生物陶瓷复合材料7.4医用高分子生物陶瓷复合材料,38,2）羟基磷灰石/聚乳酸（PLA）复合 复合内固定材料中HAP有如下功能： 改善材料的骨结合能力； 中和PLA降解过程中产生的小分子酸性物质， 减少甚至避免植入人体周围组炎症的发生； 对高分子基体起增强作用； 为骨愈合或修复过程提供优质钙、磷来源； HAP不透X射线，简化了手术控制和术后诊断难度。,7生物陶瓷复合材料7.4医用高分子生物陶瓷复合材料,39,3）HAP/有机骨水泥聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合 将生物活性陶瓷HAP粉末（经75m过筛）、甲基丙烯酸甲酯单体（MMA）液剂、MMA粉剂，按一定比例混合，进行充分搅拌，形成含HAP的PMMA的复合预聚体，然后用偶联剂处理玻璃纤维并与HAP/PMMA进行复合，制得抗拉强度、弹性模量、抗疲劳和蠕变性能大大提高的复合材料。,7生物陶瓷复合材料医用高分子生物陶瓷复合材料,9生物陶瓷的应用实例,生物陶瓷是陶瓷材料的一个重要分支,是用于生物医学及生物化工中的各种陶瓷材料,其总产值约占特种陶瓷的5%。目前,约有40余种生物陶瓷材料在医学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品。全世界生物材料的价值共达三十五亿美元。,10生物陶瓷的发展前景及所存在的问题,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。 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。 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。,10生物陶瓷的发展前景及所存在的问题,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在进行中。 5热疗治癌的陶瓷 正常细胞耐热温度为48左右，而癌细胞缺乏营养的供给不耐热，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。,10生物陶瓷的发展前景及所存在的问题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