第9章-生物医学陶瓷-

特种陶瓷材料,第9章生物陶瓷,北方民族大学陆有军,10:03,材料科学与工程学院材料系,2,第9章生物医学陶瓷,1、生物体用材料必须具备的条件及分类2、氧化物惰性生物医学陶瓷3、生物活性陶瓷的分类及特性,应掌握的内容：,教学目的和要求,10:03,材料科学与工程学院材料系,3,1、生物医学材料概况2、生物医学复合材料3、碳质材料,第9章生物医学陶瓷,应了解的内容：,教学目的和要求,10:03,材料科学与工程学院材料系,4,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,当人体某器官或组织因病变、损伤、老化或先天畸形等原因而丧失功能需修复再造时，可采用哪些途径解决？,10:03,材料科学与工程学院材料系,5,取患者自身的同种组织或器官来代替。如植皮、足趾与手指的移植等。,用异体器官与组织来代换。,途径一,途径二,用人工合成的生物医学材料来修复或代替人体坏死组织或器官。,途径三,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,6,生物医学材料概念,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,生物材料能执行、增进或替换因疾病、损伤等失去的某种功能，而不能恢复缺陷部位。,用于人体组织和器官的修复并代行其功能的天然或人造材料，亦称生物材料。,10:03,材料科学与工程学院材料系,7,高分子材料,生物医学材料类型,金属材料,优点：生物相容性好、易加工成型、柔软性好、化学性质稳定；缺点：硬度和机械性质较差，受热易变形、易老化，且可能致癌。材料有：聚氨酯、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚氧化乙烯、聚酪、聚砜、聚丙烯酸胺、超高分子聚乙烯、聚碳酸酯等。,优点：易加工成型、机械强度高。缺点：生物相容性差，在体内易被腐蚀，腐蚀后表面会释放有害离子等。材料有不锈钢、钛和钛合金、钽铌和钴铬合金、多孔性金属、金属涂层材料等。,陶瓷材料,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,8,生物医学陶瓷的发展简介,1808年，陶瓷用于镶牙。1892年，第一例临床应用报告发表，使用熟石膏。20世纪60年代，发展较快。19631964年，多晶氧化铝陶瓷分别用于骨矫形和牙种植。1969年，热解碳涂层成功应用于人工心瓣膜。1971年，羟基磷灰石陶瓷应用成功。20世纪70年代，生物陶瓷复合材料发展。8090年代发展迅速，在生物陶瓷中引入活体细胞与生长因子；赋予生物陶瓷药理作用。,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,9,陶瓷牙齿,生物陶瓷部件,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,10,牙齿矫形用陶瓷托槽,牙齿矫形用金属托槽,生物陶瓷部件,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,11,具有良好的力学性能，压缩强度和硬度都很高，性能很稳定，耐磨、有一定的润滑性能，不易疲劳，便于加热和消毒；在体内不易腐蚀变质、不易氧化、难溶解、热稳定性好；和人体组织的亲和性好，几乎看不到与人体组织的排异作用。,生物陶瓷的优点,陶瓷的组成范围宽。可以根据实际应用要求设计组成，控制性能；,陶瓷容易成型。可根据需要制成各种形态和尺寸，如粒状、管、柱状、多孔状及尺寸精确的人工骨制品；,易于着色。如根据各人齿色不同可制出系列色调的陶瓷牙冠，选择移植与周围自生牙完全匹配的人工牙，利于美容；,价廉，比合金要便宜得多。,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,12,生物陶瓷牙齿比色板,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,13,各类生物医学材料比较,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,14,生物体对生物材料的响应*,（1）生物学反应,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,A:血液反应B:免疫反应C:组织反应,宿主反应,（2）生物体对生物反应的变化,A：急性全身反应过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等B：慢性全身反应毒性、致畸、免疫、功能障碍等C：急性局部反应炎症、血栓、坏死、排异等D：慢性局部反应致癌、钙化、炎症、溃疡等,材料反应,（1）金属腐蚀（2）聚合物降解（3）磨损,材料反应的结果可导致材料结构破坏和性质改变而丧失其功能。,宿主寄生物寄生之地,10:03,材料科学与工程学院材料系,15,（1）金属腐蚀,生物体内的腐蚀性环境：（1）含盐溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；（2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。对生物金属材料产生腐蚀。,对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的Cr6生物组织的毒性。,生物体对生物材料的响应*,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,16,（2）聚合物降解,聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。,聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。,生物体对生物材料的响应*,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,17,（3）磨损,人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。,生物体对生物材料的响应*,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,18,活性涂层的钛合计人工齿,Schematicdiagramofthescrew-shapedartificialtooth.,生物材料,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,19,Ti-Ni记忆合金血管支架,生物材料,第9章生物医学陶瓷,9.1引言,10:03,材料科学与工程学院材料系,20,9.2生物体用材料必须具备的条件及分类,生物体用材料必须具备的条件,9.2.1生物学条件,不显示毒性和过敏反应，化学性质稳定；生物组织的适应性好，不引起局部和全身性反应；无致癌和抗原性；不产生血液凝固或血溶，即要求所移植的材料不会遭受血液细胞的破坏，且不会形成血栓；不产生代谢异常；在生物体内不产生裂化或分解；不会被生物体排斥；不产生吸附物和沉淀。,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,21,9.2生物体用材料必须具备的条件及分类,生物体用材料必须具备的条件,第9章生物医学陶瓷,一定的静态强度（拉伸、压缩、弯曲、剪切等）。适当的弹性率和硬度。耐疲劳性能。有一定的润滑性能。,9.2.2力学条件,10:03,材料科学与工程学院材料系,22,功能材料特性，如物质透过性能，有良好的孔隙度，体液及软组织易长入；易制造和加工成型，使用操作方便；热稳定性好，高温消毒时不变质；黏结性，人造骨与生物骨直接黏结。,9.2.3其他条件,9.2生物体用材料必须具备的条件及分类,生物体用材料必须具备的条件,第9章生物医学陶瓷,根据以上要求，尚无一种现有材料可以满足全部要求(challenge)，相对而言，生物陶瓷具有相对的优势。,10:03,材料科学与工程学院材料系,23,9.2.4生物医学陶瓷的分类,惰性生物医学陶瓷活性生物医学陶瓷,9.2生物体用材料必须具备的条件及分类,第9章生物医学陶瓷,包括:氧化铝陶瓷;微晶玻璃;各种碳制品.,表面活性玻璃和表面活性生物陶瓷，包括羟基磷灰石和表面活性微晶玻璃；生物复合材料，包括陶瓷在金属上的涂层、表面活性微晶玻璃有机玻璃、表面活性玻璃金属纤维、羟基磷灰石自身骨、羟基磷灰石聚乳酸等；吸收性生物陶瓷，包括硫酸钙、磷酸三钠和钙磷酸盐陶瓷。,10:03,材料科学与工程学院材料系,24,氧化物陶瓷非氧化物陶瓷碳材生物玻璃陶瓷复合材料与涂层多孔质陶瓷材料,玻璃质碳热解碳石墨碳碳纤维,生物玻璃生物玻璃陶瓷羟基磷灰石复合材料与涂层,羟基磷灰石磷酸钙系统吸收骨置换材料,生物体内近似惰性材料,生物体内可控表面活性材料,生物陶瓷材料,生物体内可吸收材料,9.2.4生物医学陶瓷的分类,9.2生物体用材料必须具备的条件及分类,第9章生物医学陶瓷,生物医学陶瓷用途及性能P176表,10:03,材料科学与工程学院材料系,25,指不能与骨组织或其他生物体组织结合的，但有良好化学稳定性的生物陶瓷材料。,惰性生物医学陶瓷定义,（1）氧化物陶瓷（2）非氧化物陶瓷（3）碳素材料,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,主要有,10:03,材料科学与工程学院材料系,26,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,Al2O3陶瓷,ZrO2陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,27,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,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,28,ZrO2陶瓷关节,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,ZrO2陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,29,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,30,现已有的标准有：1、ISO10993.11992至ISO10993.121992；2、美国ASTM（F74882）标准；3、我国在美国和日本的基础上，1997年由卫生部颁布了我国自己的标准。,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,生物学评价标准生物材料的生物学评价一般按用途、接触方式、接触人体部位和接触时间等划分，但标准还未完全实现统一，且随着新一般生物相容材料向智能生物材料（如组织工程材料）转变，标准还在完善。目前各国在已基本统一的国际标准化组织提出的生物标准上，保留了各自的特点。,10:03,材料科学与工程学院材料系,31,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。,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,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,10:03,材料科学与工程学院材料系,32,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。,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,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。,10:03,材料科学与工程学院材料系,33,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,ZrO2生物陶瓷部分稳定ZrO2陶瓷比Al2O3的晶粒细（0.5m），拉伸强度高，且弹性模量比Al2O3低。缺点是硬度较低（1250HV，Al2O3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Al2O3陶瓷。,10:03,材料科学与工程学院材料系,34,非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷临床应用的报道较少，主要是用作硬组织的替换材料。如SiC材料，硬度大，且具有高的强度，导热性、导电性好，是一种耐磨、耐腐蚀材料。Si3N4陶瓷具有较高的断裂韧性和高的抗折强度。有报道认为Si3N4的生物相容性比不锈钢差，也有人通过用Si3N4代替氧化锆作关节置换假体，发现Si3N4陶瓷比ZrO2有更好的使用寿命。,9.3.1氧化物情性生物医学陶瓷,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,35,9.3.2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。,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,36,乱层结构碳主要有三种类型热解碳和低温各向同性（LTIC）碳；真空蒸气沉积和超低温各向同性（ULTIC）碳；玻璃状碳。,LTIClowtemperatureisotropyCULTICultralowtemperatureisotropyC,乱层结构碳适用于医学材料主要有如下优点：极佳的血液相容性合组织相容性；耐疲劳和耐磨；高断裂强度和相对低的弹性模量,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,37,LTIC涂层有足够的强度，十分耐磨，0.5mm厚度的Si-C涂层，可耐用几十年；具有优异的生物相容性，不产生血凝和血栓。原因是含有Si-LTIC于血液之间可生成一种蛋白质中间吸附层，此层不引起蛋白质变化；抛光后的Si-C涂层是致密不透性的，不会引起降解反应；无毒性，无刺激性，不致癌。,动物实验和临床应用证明：LTIC是目前制作人工机械瓣膜最理想的材料，它具有如下优点：,LTIC作热解C-Si涂层,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,38,各向同性碳材,制备：各向同性碳是由丙烷硅烷等有机化合物在13001500或采用特殊真空沉积技术，热解得到的各向同性的石墨微粒，其质地坚硬致密，强度为玻璃碳的两倍。,特点：良好的生物相容性，不会引起血栓作用、溶血作用及影响血液的分子构成，还具有相当好的耐磨和耐疲劳性能，在生理环境中不会发生降解作用，并且弹性模量较低，与人体软硬组织都可形成界面而不发生异体反应；另一特性为它们均是导电体，在生物体中有其特殊作用。,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,39,玻璃碳是通过控制固体（指预先成形的高分子材料）如酚醛树脂在18002000下碳化而得，为非晶态。加热速率必须控制在低得足以使挥发物扩散到表面并逸出以避免气泡产生。加工过程中体积收缩约为50%，由于扩散的需要，不可能生产出厚度超过7mm横截面的产品。有相对较低的密度、较好的耐磨性和化学稳定性，但强度和韧性均不如热解碳，用于不承受高机械应力的部位。,玻璃碳,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,40,碳质材料的物理性能（1）碳质材料的力学性能所有块状形式的碳质材料，包括热解碳强度很高。最强的各向同性碳具有高于约400MPa的断裂应力。碳膜和纤维，由于它们的结构不同，分别具有750MPa和4000MPa的强度；弹性模量：2030GPa。,（2）碳质材料的磨损性能人工心瓣膜预加载摩擦测试表明，碳质材料的耐磨性明显取决于它的结构。低密度碳、玻璃碳和LTI热解碳都具有低耐磨性，耐磨性随着硬度和密度的增加而增加。,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,41,碳质材料具有接近于自然骨的弹性模量。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。生理环境中较稳定，近于惰性，具有较好的生物相容性，不会引起凝血和溶血反应，特别适合于在生理环境中使用。已大量用于心血管系统的修复，如人工心脏瓣膜、人工血管。还可作为金属和聚合物的涂层材料。,9.3惰性生物医学陶瓷生物,第9章生物医学陶瓷,9.3.2碳质材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,42,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。,第9章生物医学陶瓷,9.4生物活性陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,43,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。（须具备的性能P178）,(生物玻璃;生物微晶玻璃;羟基磷灰石),第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,吸收性生物陶瓷(钙磷酸盐磷酸三钙、羟基磷灰石),10:03,材料科学与工程学院材料系,44,由以上两类型材料种类可看出，活性生物医学陶瓷均以含钙的磷酸盐化合物为主要成分，其原因是：要制造活性生物陶瓷，最好是仿造人体组织。人体中有相当数量的“陶瓷原料”。在人体中，固态物质的质量约占40，其中骨头质量为30以上。在骨头中约有50的羟基磷灰石，即一个70kg体重，180cm高的成年人，体内有10kg的“陶瓷”。仿制的陶瓷必须与其成分相近，或可以与生物组织发生反应生成羟基磷灰石。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,45,9.4.1生物玻璃和生物微晶玻璃,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）、Na2O（K2O）取Na2O时，此体系实际上是一个三元相系：Na2OCaOSiO2。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,46,9.4.1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CCa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,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,45S5最早生物活性玻璃：Na2O-CaO-SiO2-P2O524.524.5456.0,10:03,材料科学与工程学院材料系,47,45S5生物活性玻璃应用例曾试用于猴子牙周骨缺损的修复和狗肋骨扩增。目前，生物玻璃已经临床应用于牙周骨缺损的填充，研究表明使用该可使骨缺损迅速充盈。在狗肋骨的实验中，该材料时，骨修复的速度甚至比使用同量自体骨还要快。该材料的成骨性是由于其表面缓释的可溶性硅激发的干细胞产生转化生长因子，转化生长因子在活性玻璃表面的氢氧化三十五磷酸钙胶结层内可逆地吸附和还原。转化生长因子激发干细胞的分化和生长，导致生物活性玻璃颗粒周围的骨组织加速增殖。,9.4.1生物玻璃和生物微晶玻璃,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,48,9.4.2羟基磷灰石,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）,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,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.,10:03,材料科学与工程学院材料系,49,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和鼓腊修复手术。自1989年以来已临床应用800多例，通过省级鉴定。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,9.4.2羟基磷灰石,10:03,材料科学与工程学院材料系,50,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,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,9.4.2羟基磷灰石,10:03,材料科学与工程学院材料系,51,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（图9.6）。只有在较高的PH之下才可以得到羟基磷灰石。,湿法的特点,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,9.4.2羟基磷灰石,10:03,材料科学与工程学院材料系,52,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。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,9.4.2羟基磷灰石,（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。,10:03,材料科学与工程学院材料系,53,（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（晚期癌症患者减痛）、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）。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,9.4.2羟基磷灰石,羟基磷灰石（HAP）生物活性陶瓷还可用于,10:03,材料科学与工程学院材料系,54,9.4.3磷酸三钙,化学组成Ca3(PO4)2，熔点为1670，溶于酸，不溶于水和乙醇。磷酸三钙有两种变体：高温态Ca3(PO4)2与低温态的Ca3(PO4)2，两者的转变温度在11001350之间。以磷酸钙粉末为原料，成型后在1150左右烧成。也可用溶液中反应沉淀法制得高纯单相-Ca3(PO4)2，成型后高温烧结成块体。烧结体的抗压强度可达689MPa，拉伸强度154MPa。,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,55,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。,9.4.3磷酸三钙,第9章生物医学陶瓷,9.4活性生物医学陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,56,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,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,10:03,材料科学与工程学院材料系,57,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。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.1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。,10:03,材料科学与工程学院材料系,58,(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,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.2生物活性陶瓷复合,10:03,材料科学与工程学院材料系,59,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。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.3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。,10:03,材料科学与工程学院材料系,60,1）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。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.2医用高分子生物陶瓷复合材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,61,2）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。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.2医用高分子生物陶瓷复合材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,62,3）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。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.2医用高分子生物陶瓷复合材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,63,4）生物玻璃/生物高分子复合材料A（磷灰石）-W（硅灰石）生物玻璃陶瓷能够在玻璃中析出氧氟磷灰石和针状硅灰石晶相的微晶玻璃，具有良好的生物亲和性和强度，植入动物体后，可与骨组织形成牢固的化学键合。研究表明：复合材料的密度随着生物玻璃的掺量增加而得到提高。,第9章生物医学陶瓷,9.5生物医学复合陶瓷,9.5.2医用高分子生物陶瓷复合材料,10:03,材料科学与工程学院材料系,64,研究1：有人将CaO-Al2O3系多孔