生物材料课件3

应用,第三章陶瓷植入材料,良好的的血液相容性，用于心血管系统或血液透析装置（部分碳化物，涂层)高的比强度和良好的生物相容性，作为复合材料中的强化相（如纤维），用于牵张性组织替换，如人工肌腱和韧带取代物对体液的生物惰性、高抗压强度、美学特征，用于齿科材料,硬度较高耐腐蚀耐磨损熔点高，导电性低，热导性低。很难发生弹性变形、对缺口或微缺陷非常敏感、抗拉强度低（如果陶瓷材料完全没有裂纹，将是抗拉强度最强的物质）,氧化铝,高密度、高纯度（99。5）氧化铝是最早广泛应用于临床的生物陶瓷。良好的耐蚀性摩擦系数小，磨损率低生物相容性好,主要来源于天然结晶物和矾土（铁铝氧石）普通条件下煅烧Al(OH)3可得到商业应用型氧化铝（-Al2O3）,体内植入用氧化铝陶瓷的物理性能,Al2O3多晶体：强度取决于孔隙和颗粒大小。一般颗粒和孔隙越小，强度越高。Al2O3单晶：力学性能、硬度和耐腐蚀性；生物相容性、稳定性和耐磨性优于Al2O3多晶体,结晶体内部的微粒在三维空间呈有规律地、周期性地排列，或者说晶体的整体在三维方向上由同一空间格子构成，整个晶体中质点在空间的排列为长程有序。单晶整个晶格是连续的，具有重要的工业应用。,氧化铝单晶的制备方法,提拉法原料熔化籽晶浸渍提拉、旋转籽晶杆晶体生长导模法（EFG）单晶物质熔体中放入导模熔体上升晶种放入提拉晶体,气相化学沉积法气相化学反应衬底上沉积形成薄膜晶体,焰熔法生长示意图,焰熔法原料熔化喷洒沉积熔化层在托柱下降的同时结晶优点：晶体生长速率快工艺较简单成本低,氧化铝单晶的临床应用人工关节柄损伤骨的固定材料：人工骨螺钉各种尺寸小、强度大的牙根（氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲和力，结合力强，有利于牙龈黏膜和植入材料的附着）,1-硅油纸2-二氧化硅、二氧化铝和丙烯酸脂类的混合层3-布料,红外解痛贴,原理:吸收周围环境和人体热量后，转换为一种振动波，与人体匹配形成共振吸收，从而活血化瘀，增加血液流通，消肿解痛优点：使用方便；无毒、无刺激、解痛效果显著；制作工艺简单，原料易得,磷酸钙陶瓷,人工骨人体植入器件在其他植入材料上形成致密层或多孔结构的涂层材料,磷酸钙可结晶形成羟基磷灰石、-磷酸钙和-磷酸钙。结晶产物的类型主要取决于Ca与P的比例、水含量、杂质和温度。润湿、较低温度(小于900)，磷灰石形式干燥、较高温度，-磷酸钙形式,磷酸钙陶瓷与细胞组织有良好的生物相容性实际上，骨和牙齿的天然矿物质部分由磷酸钙结晶物组成结构近似于羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2,羟基磷灰石理想的Ca:P为10:6，理论密度3.291g.cm-3氟离子取代OH-基团氟离子和钙离子的结合强化学稳定性提高防龃齿能力增强,磷酸钙的力学性能,合成磷酸钙盐的力学性能变化范围较宽多晶羟基磷灰石的弹性模量高（40117GPa）牙釉质弹性模量74GPa牙本质弹性模量21GPa致密骨弹性模量1218GPa,羟基磷灰石用于生物材料的各种性能中，优良的生物相容性是其最大的优点人体骨细胞可以在羟基磷灰石上直接形成化学结合骨键合,粒状羟基磷灰石植入兔股骨骨髓腔4周后的X射线显微照相图片（40）表明羟基磷灰石颗粒被新生的骨组织包围,羟基磷灰石生产工艺,a、固相反应法：6CaHPO42H2O+4CaCO3Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+14H2O,b、水热合成反应法：H2PO4-HPO42-+H+HPO42-+Ca2+2H2OCaHPO42H2O10CaHPO42H2OCa10(PO4)6(OH)2+4H3PO4+18H2O120200,水蒸气处理。,c、化学共沉淀法：Ca(NO3)2与磷酸盐(NH4)3PO4(NH4)2HPO4和NH4H2HPO4反应生成Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+H2O沉淀，干燥，分散，煅烧,玻璃陶瓷,玻璃：一种较为透明的液体物质，在熔融时形成连续网络结构，冷却过程中粘度逐渐增大并硬化而不结晶的硅酸盐类非金属材料氧化物成分Na2O、CaO和SiO2,玻璃陶瓷又称微晶玻璃，是经过高温融化、成型、热处理而制成的一类晶相与玻璃相结合的复合材料。具有机械强度高、热膨胀性能可调、耐热冲击、耐化学腐蚀、低介电损耗等优越性能,生物玻璃陶瓷能实现特定的生物、生理功能植入人体骨缺损部位，它能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用组成中引入CaO、P2O5等，通过热处理析出磷灰石晶体，因此，具有优良的生物相溶性与生物活化性。,用于人体的玻璃陶瓷有：,生物玻璃与玻璃陶瓷的化学组成,材料与骨的结合与磷酸钙和其表面富SiO2薄膜层形成的先后顺序有关如果富SiO2薄膜层先于磷酸钙盐层形成（SiO2含量为46-55mol%）或者无磷酸钙盐层形成（SiO2含量为60mol%）材料就无法与骨形成直接结合,与骨组织形成骨性结合的SiO2-CaO-Na2O体系大致的成分范围A.在30天内结合；B.反应太慢，无结合；C.反应太快，无结合；D.有结合，不形成玻璃,性能：热膨胀系数低通过晶粒控制，（抗弯强度）100Mpa提高到200MPa。耐磨性能好生物相容性好主要缺点是脆性大,矿化骨的透射电子显微镜照片a.陶瓷衍射斑b.骨衍射斑,材料与矿化骨组织间紧密结合与骨组织结合处的机械强度，达到83.3MPa，为宿主骨强度的3/4,脆性，但好于HA，TCP，不能用于连接人体的主要肢体骨头的结合处骨头结合剂的填料，牙齿的填充成分，涂层材料，非结构材料,玻璃陶瓷的制备,玻璃陶瓷微晶玻璃（微晶陶瓷）传统工艺流程：原料熔融冷淬粉碎成形加工晶化热处理再加工,晶核形成晶化热处理是关键晶粒长大充分形核控制晶核长大,析晶过程的决定因素：晶核形成速率晶体生长速率玻璃的黏度,晶核形成速率（1）结晶速率不宜过小，也不宜过大，有利于对析晶过程进行控制（2）一般加入形核剂促进形核金属添加物；氧化物；氟化物；硫化物,熔化过程12h内，熔体黏度维持在10101011Pas为了得到更多的微细结晶物，高温加热原材料，获得最大的晶粒长大速率结晶过程中避免产生晶体缺陷、发生晶相反应和生成物重新熔化,玻璃陶瓷晶粒形成和长大的温度时间关系,氧化锆生物陶瓷,烧结稳定氧化锆和变形韧化氧化锆相对于氧化铝或金属，拥有更低的弹性模量、更大的韧性和更好的耐磨损特性生物惰性材料，很少吸收或不吸收耳听小骨、牙根、下颌骨等,氧化锆骨修复生物材料植入兔骨内360天，生物材料周围形成大量成熟骨组织，表面光滑，材料表面未见明显吸收现象；,多孔性铝酸钙盐可用作多孔松质骨的组织细胞生长诱导物质，促使组织往孔隙内生长，增强植入体的固定作用多孔性影响了强度,铝酸钙生物陶瓷,时效对体内、体外实验的铝酸钙陶瓷强度的影响,氧化钛,良好的血液相容性，作为血液界面材料材料的表面能和电性能对氧化钛薄膜的血液相容性具有一定的影响,金红石型氧化钛薄膜表面血小板黏附测试结果,对具有（100）择优取向，O/Ti比较小的的氧化钛薄膜样品，凝血时间较长，在样品表面黏附的血小板数目和聚集较少表现出比较好的血液相容性,具有一定织构表面的钛酸钡，有助于植入材料在骨上的固定压电性，机械载荷使材料产生电信号，激发骨的愈合和生长超声波中产生电信号，刺激组织生长,钛酸钡,功能性生物活性陶瓷,在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性参与生物体物质、能量交换的功能将成为生物材料应具备的条件,（1）模拟人体硬组织成分和结构将天然有机物（骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等）和无机生物材料复合，发挥天然有机物促进人体硬组织生长的特性,（2）带有治疗功能用压电陶瓷和生物活性陶瓷复合，在进行骨替换的同时，利用生物体自身运动对植入体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长,（3）局部加热将铁氧体和生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，使填充物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，而不影响正常组织,碳化物,同素异构体：金刚石、石墨、碳管、碳球、非晶态玻璃碳和准晶活性碳等优良的组织相容性没有形成重要的商业意义,热解碳：血液相容性好，心脏瓣膜和动脉血管壁涂层金刚石：表面涂层碳纤维材料：人工软组织的替换（作为强化相），替代坏死的韧带和肌腱,植入用碳材料的晶体结构与石墨结构相似,高导电性各向异性润滑性能很好,石墨的晶体结构,碳的机械性能，尤其是热解碳的机械性能主要取决于其密度密度，机械性能,LT1热解碳的密度-弹性模量关系,LT1热解碳的密度-断裂强度关系,各类碳素的性能,颗粒在流化床中进行碳涂层过程示意图,在可控的温度和压力下，在流化床上将碳氢化合物以热解碳的形式沉积在人体植入器件上，提高其生物相容性,碳化物植入体制造,经流化床碳涂层的显微结构(a)具有显著长大特征的颗粒形貌(b)没有长大特征的无定形碳,温度、液化气体成分、流化床几何尺寸及气体分子在流化床反应面上的停留时间影响沉积碳的各向异性、密度、晶体尺寸和结构,碳与其他元素同时沉积（或合金化）提高器件耐磨性如加入质量分数为10%20%的硅和碳提高心脏瓣膜的强度,最近进展,超低温各向同性碳取代低温各向同性碳热解碳沉积到高分子材料上制造血管植入体内壁,涂层非常薄，不会改变高分子植入材料的韧性，并具有优良的血液相容性,玻璃碳（在高温可控环境下，通过控制热解苯酚甲醛、人造纤维和聚丙烯腈制备。新型碳材料，其端口形貌和结构特性类似玻璃）碳纤维、碳织物强化复合材料，直接用来制造各种生物材料,陶瓷品质的恶化,已有研究表明：在临界应力状态下，氧化铝的抗疲劳强度在含水时会降低，这是由于水分子促使了裂纹产生和扩展，即尖端效应。SEM研究发现由于水的渗透作用，导致陶瓷强度下降,生理液中应力时效后的致密氧化铝棒的弯曲强度1.断裂表面无水痕2.断裂表面有水痕,不锈钢基材上气相沉积的热解碳纤维（厚度为40005000）应变1.310-2和负载100万次循环基体材料发生塑性变形涂层薄膜遭到破坏,生物陶瓷的应用,细胞培养、诊断治疗硬组织的替换材料骨科、整形外科、牙科、口腔外科、眼外科、耳鼻喉科心血管外科、普通外科药理功能、癌症治疗,生物惰性陶瓷,结构稳定、分子中的健力较强机械强度、耐磨性以及化学稳定性较高包括氧化铝陶瓷、氧化钛陶瓷、氧化锆陶瓷和玻璃陶瓷等,临床使用的氧化铝、氧化锆等各种生物惰性陶瓷,生物陶瓷人工耳听小骨假体,生物活性陶瓷,表面生物活性陶瓷：含有羟基，多孔型，生物组织可长入孔隙并同其表面产生牢固的结合生物吸收性陶瓷：能被部分吸收或者全部吸收，同时在生物体内能诱发新生骨的生长包括生物活性玻璃（P2O5系）、羟基磷灰石陶瓷和磷酸三钙陶瓷等