生物医用陶瓷材料1

,CompanyLogo,生物医用陶瓷材料(BiomedicalCeramicMaterials),倪似愚2012-10.16synicn,CompanyLogo,CompanyLogo,一陶瓷晶体结构,按组成可分为：氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷,特点结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键成份：确定，可用分子式表示性质：具有典型的非金属性质,CompanyLogo,一AX型晶体结构,具有NaCl结构的离子晶体的晶胞,CompanyLogo,具有CsCl结构的离子晶体的晶胞,CompanyLogo,二AmXn型晶体结构,具有CaF2结构的离子晶体的晶胞,CompanyLogo,1.良好的生物相容性,二.生物医用陶瓷材料的基本条件与要求,2.杂质元素及溶出物含量低,3.有效性,4.成型加工性能,5.良好的耐消毒，灭菌性,CompanyLogo,第一节生物陶瓷,生物陶瓷的发展概况及结构特点,生物陶瓷材料是指与人体工程有关的可用于人体组织修复的一类陶瓷材料,具有以下特点,在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性材料的性能可通过成份设计进行控制容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸容易着色，是较理想的口腔材料,全瓷牙,CompanyLogo,生物陶瓷材料的分类按其生物性能，生物陶瓷可分为三类,CompanyLogo,发展经历了三个阶段,材料与组织的结合,CompanyLogo,陶瓷显微结构,由许多不规则的晶粒所组成，中间有晶界隔开,CompanyLogo,不同化学组成的陶瓷表面及截面结构,CompanyLogo,典型的生物陶瓷材料,1.惰性生物陶瓷材料,生物惰性陶瓷是一类暴露于生物环境中，与组织几乎不发生化学变化的材料，所引起的组织反应主要表现为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜,主要用于人体骨骼，关节及齿根的修复与替换，以及心脏瓣膜等,CompanyLogo,典型的生物陶瓷材料,A氧化铝陶瓷,生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成，主要晶相为刚玉（Al2O3）的陶瓷材料，有稳定的刚玉型结构，属于六方晶系，氧原子形成六方最紧密弄堆积，六个氧原子（离子半径为0.132nm）围成一个八面体，半径较小的铝原子离子半径为0.057nm）则处于八面体中心的空隙，单位晶胞是面心的菱面体,CompanyLogo,a化学组成和物理性能,氧化铝陶瓷的性能,CompanyLogo,b几个重要性能及要求,CompanyLogo,致密的氧化铝生物陶瓷与机体之间会形成一种形态性结合，即依靠组织长入材料表面凹凸不平而实现机械锁合,多孔的氧化铝陶瓷，新生组织可长入空隙内，会提高生物陶瓷与机体组织之间的结合强度,用于关节修复，牙根种植，制作骨折夹板与内固定器件，最适用于人工关节头和臼等承受摩擦力作用的部位,CompanyLogo,优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大,缺点：与骨不发生化学结合，长时间后与骨固定会发生松驰机械强度不高弹性模量过高（380GPa）摩擦系数、磨耗速度较大,CompanyLogo,措施：采用多孔氧化铝把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织长入其空隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合,缺点：降低了陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低，只能用于不负重或负重低的部位,改善：将金属与氧化铝复合，在金属表面形成多孔性氧化铝薄层,CompanyLogo,B其它的惰性氧化物陶瓷,氧化锆陶瓷,CompanyLogo,氧化锆，氧化镁，以及混合氧化物陶瓷（如组成：氧化锆50-60%,氧化铝10-20%,氧化钾7-10%的陶瓷）,混合氧化物陶瓷组成，色泽，热膨胀系数可调，可用作人工牙齿,CompanyLogo,二氧化锆全瓷冠，是由整体瓷块由计算机辅助，由铣床半机械制造的，强度和抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进，基地冠的厚度由原来的的1mm，减为0.8mm,需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况,氧化锆美容前,氧化锆美容后,二氧化锆预约费用2800元每颗,CompanyLogo,C非氧化物陶瓷,SiC材料，硬度高，强度大，导热导电性好，是耐磨，耐腐蚀性材料,Si3N4材料，可代替氧化锆作关节置换假体，比氧化锆有更好的使用寿命,CompanyLogo,2.生物活性陶瓷,1892年，Dreesman首次发表了利用硫酸钙(CaSO4H2O)修复骨缺损1920年，Albee发现磷酸三钙(Tricalciumphosphate,TCP)可以刺激骨形成1928年，Leriche和Policard就开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料，他们希望磷酸钙在体内能够释放一些钙、磷离子，促进骨的发生1969年,美国佛罗里达大学的Hench教授，成功地研究了一种生物玻璃，可用于人体硬组织的修复，能与生物体内的骨组织发生化学结合，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域生物活性材料,CompanyLogo,1972年，Aoki和Jarcho成功烧结了羟基磷灰石，制得了羟基磷灰石陶瓷，并在随后的几年中发现，烧结羟基磷灰石具有良好的生物活性，从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元；1973年，Driskell等报道了-Ca3(PO4)2多孔陶瓷植入生物体后，能被迅速吸收，并发生了骨置换，称之为可吸收陶瓷(Absorbableceramics)，即生物可降解陶瓷；1976-1981年，Jarcho,Hench,Groot,Daculsi,Osborn等研究证明钙磷基骨替换材料不仅具有良好的生物相容性，而且具有骨传导性能，可与宿主骨直接形成骨键合，导致骨替换材料和骨之间的紧密结合,CompanyLogo,生物活性陶瓷在生物体内与周围组织甚至软骨组织形成较强的化学键，用于骨组织修复,70年代，Hench教授提出“生物活性”的概念，从而开创了一个崭新的生物医用料研究领域生物活性材料，也改变了“任何人造植入体在人体内都将引发异体反应并在界面形成非黏附性疤痕组织”的观点HenchLL.JBiomedMaterRes1971;36:117-141“生物活性”材料是一种在材料与组织界面诱发特异性化学反应并形成材料-组织牢固键合的材料HenchLL.AnnalsofNewYorkAcadSci:NewYork.1988;523:54-65,CompanyLogo,A生物活性陶瓷（钙-磷生物陶瓷）,HAP是人体骨和牙齿的重要组成部分，人骨成份中HAP的质量分数约为65%，人的牙齿釉质中HAP的质量分数刚在95%以上，具有优秀的生物相容性,羟基磷灰石（hydroxyapatite,简称HAP）分子式是Ca10(PO4)6(OH)2体积质量为3.16g/cm3，性脆微溶于水，水溶液呈弱碱性pH(7-9）,易溶于酸，难溶于碱HAP是强离子交换剂,CompanyLogo,湿法制备羟基磷灰石,羟基磷灰石的XRD图谱,羟基磷灰石TEM图谱,CompanyLogo,HAP生物陶瓷的脆性大，在生理环境中抗疲劳性能差，不用于人体承力部位的修复,羟基磷灰石陶瓷的部分力学性能,CompanyLogo,骨的功能与其构型密切相关。骨最显著的特性是能够沿着机械应力线产生新骨进行自身修复和调整，这些性质决定了活体骨是一种独特的结构材料，能够使健康骨保持高抗疲劳强度，因此骨缺损只发生在一些极端条件下或发生在体内某种代谢紊乱造成不健康骨存在的部位。对天然骨材料的力学性能的研究进行得比较有限，因为一般骨结构和长骨的小梁结构使骨在对应力的行为方面表现为一种各向异性材料，因此各种有关机械应力值的报道都不同，取决于各自的加载方法。其他影响骨样品上机械应力计算的因素包括试验条件、试样的新鲜程度和被采样的个体年龄,骨的力学性能,CompanyLogo,人工骨结构图,CompanyLogo,骨的力学性能,CompanyLogo,多孔HAP陶瓷,人体的骨组织就是一种多孔的组织，以适应一定范围内应力的变化，多孔HAP的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法,对于多孔生物陶瓷种植体，决定骨长入方式和数量的因素有：孔径，孔隙率及孔内部的连通性,CompanyLogo,孔隙的大小应当满足骨单位和骨细胞生长所需的空间，孔尺寸大于200m,是骨传导的基本要求，200400m最有利于新骨生长,多孔HAP陶瓷,当孔隙率超过30%后，孔隙可以相互连通，新骨组织可以从人工骨表面长入内部贯通性孔隙,孔隙率越高，越有利于新骨的长入，为满足临床应用对力学性能的要求，一般种植体孔隙率在4555%,CompanyLogo,HAP陶瓷与骨键合的机制,随着矿化的进行，无定形带缩小至0.050.2m，HAP植入体和骨的键合就是通过这个这个很窄的键合带实现的,HAP陶瓷植入骨内后由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质，产生一个宽为35m的无定形的电子密度带，胶原纤维束长入此区域和细胞之间，骨盐结晶在这个无定形带中发生,HAP陶瓷与骨形成键合的表现,在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上无直接接触，其间无纤维组织存在,HAP植入体和骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度,CompanyLogo,HAP涂层钛基牙种植体,是一种安全，方便的听小骨缺损替代品，适用于因炎症（如慢性化脓性中耳炎）或外伤等病症，造成听小骨缺损，畸形的患者作听小骨置换手术,HAP生物陶瓷听小骨置换假体,CompanyLogo,3.可吸收生物陶瓷,可吸收生物陶瓷在生物体内，被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织取代,主要以-磷酸三钙（-TCP）及硫酸钙生物陶瓷为代表,CompanyLogo,-TCP,在生理环境下，致密的-TCP可保持稳定，而多孔形的-TCP则发生生物降解和吸收，并被新骨逐步取代,-TCP具有较好的生物相容性,植入体内后血液中的钙磷比保持正常，无明显毒性反应和副作用,CompanyLogo,-TCP,控制-TCP的微观结构及组成，可制备出不同降解速率的材料，如，随表面积增大，材料结晶度降低，晶体结晶完整性下降，晶粒减小，以及被CO32-、F-、Mg2+等离子取代而使降解加快,可吸收生物陶瓷的降解和吸收除受上述因素影响外，还受宿主的人体差异，植入部位等影响,要实现可吸收生物陶瓷的降解吸收与新骨替换同步进行是相当困难的，常出现溶解速度与新骨生长速度不匹配，导致局部塌陷,CompanyLogo,可吸收生物陶瓷植入体后的降解过程,材料先被体液溶解和组织吸收，解体成小颗粒，然后这些小颗粒不断被吞噬细胞所吞噬,具体机制,A生物化学溶解是一种体液介导过程，溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成份和pH值，材料的比表面积，材料的相组成和结构，材料的结晶度和杂质的种类及含量以及材料的溶度积等,B物理解体体液侵入陶瓷，导致烧结不完全而残留的微孔，使连接晶粒的“细颈”溶解，从而解体为微粒的过程,C生物因素主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷微粒,CompanyLogo,双相生物陶瓷材料,羟基磷灰石陶瓷材料有着优良的生物相容性，能较快的引导骨再生，不通过中间介质直接与骨键合，然而由于烧结后的羟基磷灰石晶体结晶度提高，所以在体内很难降解,TCP比HAP有着更好的溶解性和降解性，但研究表明，TCP降解速度太快，不能形成良好的骨键合，且过快的降解速度不利于体内生物组织在材料上的附着，不利于诱导成骨,混合不同比例的TCP和HAP，可得到双相生物陶瓷材料，通过调节两都之间的比例，有望实现材料在体内的的降解速度与骨细胞生长速度相匹配的问题,CompanyLogo,前沿进展,双相复合生物陶瓷材料,NiSY,LinKL,Chang,LeeC.-CaSiO3/-Ca3(PO4)2compositematerialsforhardtissuerepair:invitrostudies.JournalofBiomedicalMaterialsResearch:PartA2008;85A:72-82.,-CaSiO3,-TCP,7:3,5:5,3:7,不同复合比例的钙-硅-磷复合陶瓷的SEM图,CompanyLogo,前沿进展,NiSY,LinKL,Chang,LeeC.-CaSiO3/-Ca3(PO4)2compositematerialsforhardtissuerepair:invitrostudies.JournalofBiomedicalMaterialsResearch:PartA2008;85A:72-82.,烧结条件对钙-硅-磷复合陶瓷性能的影响,CompanyLogo,前沿进展,不同比例及不同煅烧温度下钙-硅-磷复合陶瓷在Tris-HCl中的降解性,CompanyLogo,前沿进展,不同比例的钙-硅-磷复合陶瓷在SBF中浸泡1天材料表面SEM图,-CaSiO3,7:3,5:5,3:7,-TCP,CompanyLogo,前沿进展,成骨细胞在不同比例的钙-硅-磷复合陶瓷表面的增殖,成骨细胞在不同比例的钙-硅-磷复合陶瓷表面培养3，7天后ALP活性,CompanyLogo,钙磷生物陶瓷的骨诱导性,骨诱导性：1965年Urist成功地用脱钙骨(DMB)在肌肉内诱发异位成骨并预言在DMB中含有一种特殊的蛋白，能诱导新骨形成。1982年从牛骨中提取了具有能诱导骨生长能力的活性蛋白骨形态发生蛋白(Bonemorphogeneticprotein,BMP)，阐述了骨修复的新概念诱导成骨：材料诱导间充质细胞直接分化为骨母细胞、成软骨细胞或成骨细胞，最后形成骨组织的现象。并提出发生骨诱导必须具有三个条件：(1)存在可分化为成骨细胞的间充质细胞(即靶细胞)；(2)存在引导间充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信号，如骨生长因子；(3)适当的成骨环境。,CompanyLogo,钙磷生物陶瓷可传导骨生长，即具有骨传导性，但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题1911年Wells在ArchivesofInternalMedicine一书中提出磷酸钙盐有可能对新骨的发生有诱导作用Piecuch研究了珊瑚转化的羟基磷灰石植入犬的腋下的皮下，8个星期后组织学观察，未见新骨生成Misiek等报告了光滑和粗糙的致密羟基磷灰石植入犬的口腔软组织中，6个月后观察到植入体被纤维组织包裹，而没有骨组织生成1988年Heughebeart等研究发现，磷酸钙陶瓷植入动物非骨部位后，其表面形成骨样沉积物Yamaxhaki发现，多孔羟基磷灰石颗粒具有骨诱导能力，致密体则没有,CompanyLogo,四川大学的张兴栋于1991年报道了多孔磷酸钙生物陶瓷植入动物的肌肉后2个月，组织学观察发现新骨的形成。他认为：骨诱导与动物的种类、植入时间的长短及材料学因素等有关。-TCP只有骨传导性而没有骨诱导性，降解速度较快，HA则具有骨诱导性，降解速度较慢。因此他认为-TCP/HAP的复合材料是一种较理想的生物降解材料Yuan则认为-TCP具有骨诱导性，另有一些学者则认为HAP和-TCP都没有骨诱导性，骨诱导性来源于BMP。对这些相互矛盾的观点有待就其机理进行深入研究不管钙磷材料本身是否具有骨诱导性，其作为基体材料对于信号分子作用的有效发挥具有举足轻重的影响,CompanyLogo,2、生物活性陶瓷（钙-硅陶瓷）,硅作为动物和人体结缔组织中的一种微量元素，在幼骨发育阶段：硅在的新骨钙化区产生“富集”，并协同钙促进骨组织的早期钙化如果通过饮食控制硅的摄入量，新生骨发生畸变,LeGerosRZ,Science1970;167:279-280Nature1972;239:333-334,CompanyLogo,钙-磷/钙-硅基生物活性材料主要差异,HA、TCP、HA/TCP、CPC材料在生理溶液内诱导CHA的能力差，生物活性不理想CaO-SiO2-MOn(M=P,Na,K,Mg,Ti,Al)、A-W、CaSiO3材料在生理溶液诱导CHA的能力强，生物活性优良材料-组织之间发生键合存在差异：,键合时间键合强度键合层厚度,HA陶瓷-组织界面,A-W陶瓷-组织界面,CompanyLogo,主要有磷酸钙CaSiO3，Ca2SiO4，是近年来开发的新型的生物材料,Ca-Si-Mg系列镁黄长石(Ca2MgSi2O7)白硅钙石(Ca7MgSi4O16)透辉石(CaMgSi2O6)Ca-Si-Zn系列锌黄长石(Ca2ZnSi2O7),CompanyLogo,1.大孔可吸收生物陶瓷,生物陶瓷的发展方向,2.生物活性可复合陶瓷,3.金属表面梯度活性陶瓷涂层,4.骨组织工程,CompanyLogo,多孔生物陶瓷制备工艺的比较,CompanyLogo,(a)有机泡沫浸渍工艺；(b)甲基纤维素造孔；(c)蔗糖造孔；(d)聚乙烯微球造孔；(e)双氧水发泡工艺；(f)溶胶-凝胶工艺；(g)快速自动成型工艺,CompanyLogo,有机泡沫模板,涂覆体,多孔陶瓷,陶瓷浆料涂覆,排除有机泡沫,干燥,煅烧,浆料浸渍法,前沿进展,CompanyLogo,100m,海绵模板,多孔支架外观,CompanyLogo,-CaSiO3,a-CaSiO3,表面,截面,200m,CompanyLogo,-CaSiO3,a-CaSiO3,Ca/P=1.65,Ca/P=1.63,CompanyLogo,仿生纳米组织工程支架,CompanyLogo,第三节生物玻璃,生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物,一般把原料粉末按成份要求配比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将熔化的玻璃浇注成型（板，条，块等形状），然后在适当温度进行退火处理，（消除应力），即可得到玻璃,如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体（一般小于1nm）,这样的玻璃称为微晶玻璃，结晶化玻璃或玻璃陶瓷,玻璃相与结晶相共存,CompanyLogo,生物活性玻璃,特点：,生物活性优良可降解可促进细胞增殖和基因表达,唯一能与硬组织和软组织发生键合的材料,CompanyLogo,生物活性玻璃组成：CaO-SiO2-P2O5-Na2O-（K,Mg,Zn,B,F）结构：主要是Si-O四面体和P-O四面体形成网络框架；一、二价离子嵌于网络之间；三、四、五价离子可能嵌于网络之间，也可能参于网络构建,二维生物活性玻璃结构图,CompanyLogo,生物活性玻璃制备方法：熔融法（致密，活性依赖于组成）；溶胶凝胶法（多孔，活性高，活性与降解性由组成与结构共同决定）,前沿进展,玻璃组分,Na2O、MgO、ZnO、TiO2掺杂对58S生物活性玻璃性能的影响,CompanyLogo,Na2O、MgO、ZnO、TiO2掺杂对58S生物活性玻璃性能的影响,玻璃粉体制备工艺,玻璃玻璃陶瓷,玻璃、玻璃陶瓷物相组成,掺杂玻璃和玻璃陶瓷的孔隙率与强度,孔隙率强度,掺杂玻璃在Ringer溶液中的降解,58S生物玻璃在SBF中HA的沉积,1天,3天,3天,Ca/p=1.72,1天,3天,58S1天,58S6N玻璃在SBF中HA的沉积,3天,5天,58S6M玻璃在SBF中HA的沉积,58S6Z玻璃在SBF中HA的沉积,5天,7天,3天,5天,58S6T玻璃在SBF中HA的沉积,讨论Na取代Ca,讨论Na取代Ca,讨论Mg取代Ca,讨论Zn取代Ca,讨论Ti取代Ca,结论：采用溶胶凝胶法制备的生物玻璃具有良好的生物活性和降解性，其生物活性和降解性主要由其Si-O网络决定Na，Mg，Zn，Ti的掺入可对玻璃网络结构进行调整，从而调节和控制生物玻璃的性能，其中Zn的作用要大于Mg与Ti,CompanyLogo,*JBiomedMaterRes200158A,Com