生物陶瓷材料2

Bioceramicsofcalciumorthophosphates,磷酸钙生物陶瓷,S.V.Dorozhkin/Biomaterials31(2010)14651485报告人：彭健,LOGO,LOGO,Contents,LOGO,LOGO,磷酸钙生物陶瓷研究背景,LOGO,磷酸钙生物陶瓷研究背景,优点：生物相容性好，高弹性模量(40-117GPa)。有骨传导性，能促进成骨细胞的粘附与增殖。缺点：力学性能较差，易脆，抗疲劳性差。可用于骨移植和金属移植入物的涂层。,图1几种常见的基于磷酸钙的生物陶瓷材料,LOGO,磷酸钙生物陶瓷研究背景,表1现存的几种磷酸钙和它们的主要性质,(1)-TCP、-TCP和TTCP不能从水溶液中沉淀；(2)无定型磷酸钙（ACP）不能精确测量。在酸性缓冲液中的溶解程度：ACPa-TCPb-TCPCDHAHAFA。,(3)磷酸一钙（MCPA）和磷酸二钙（DCPA）在温度高于100C稳定。(4)pH在512时，ACP相对稳定。(5)缺钙羟基磷灰石（CDHA）被称为沉淀的HA。(6)对CDHA，当x=1时，边界条件钙磷比为1.5，CDHA的分子式为Ca9(HPO4)(PO4)5(OH)。,LOGO,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的几种理化性质,多孔性,烧结,机械性能,磷酸钙生物陶瓷,电学性质,粉末或压坯在低于主要组分熔点温度下加热，使颗粒间产生连接，以提高制品性能的方法。能提高机械强度，增加韧性。,强度和杨氏模量较高，脆性低。,LOGO,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的烧结,A,B,C,水蒸气，碳酸盐以及所有挥发性物质在高温下变成气体被除掉。,致密陶瓷的形成，伴随着样品的收缩。,化学变化伴随着晶粒变大以及比表面积的减少。,烧结过程对生产所需理化性质的生物陶瓷很重要。,D,酸性磷酸盐分解变成其他磷酸盐。,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的烧结,图2压缩的ACP粉末经加热转变成-TCP,BCP和HA的线性收缩,本图小节：横坐标表示加热温度，纵坐标表示线性收缩率。在温度0200C，3种磷酸钙的收缩率较大；温度在200900C时，收缩率较小；当温度在9001300C，收缩率骤降。温度在1300C时，-TCP,BCP和HA分别达到最大收缩率35%,30%和25%。不同温度收缩率不同可能与化学键键能有关。,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的多孔性,磷酸钙生物陶瓷能以粉末、粒子、颗粒、和孔状支架等形式存在。由于孔提供了细胞粘附与骨向内生长的表面与空间，孔径大小直接影响到骨的形成。不稳定物质的释放会引起孔径变大。理想致孔剂应该无毒，在环境温度下可清除。,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的多孔性,图3A-从牛骨中获得的HA；B和C-牛骨中的BCP（50%HA+50%-TCP）,本图小节：A图表示原始交联大孔径（100um）磷酸钙陶瓷。B图表示磷酸钙烧结前用致孔剂处理后的大孔。C图显示烧结前用致孔剂处理后的凹度。,分析大孔提供骨组织的生长空间，孔的交联为细胞分布和移动创造条件各种挥发性物质的释放以及致孔剂导致大孔的产生,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的多孔性,图4用聚甲基丙烯酸甲酯制成的不同孔径的-TCP多孔陶瓷,本图小节：孔径大小，a图为100200um；b图为300400um；c图为500600um;d图为700800um。该方法（烧结）产生的孔在大小和形状上是无规则的，而且孔间没有完全交联。,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的多孔性,图5HA生物陶瓷分别在1050C和1200C烧结后的SEM图,本图小节：A图（1050C）有明显的显微疏松而B图（1200C）没有；从1050C到1200C，HA生物陶瓷的晶粒大小有一个剧烈的变化。烧结温度越高，微孔率越低，比表面积也越低。,分析：总孔径（微孔径+大孔径）大约占生物陶瓷总体积的70%提高孔的体积和比表面积可能会大大增加生物磷灰石沉积，从而提高骨形成的生物活性。精确控制孔隙率、孔径和不同长度范围生物陶瓷内部孔形态对了解结构与生物活性的关系以及更好的设计合理的骨形成材料是必不可少的。,LOGO,LOGO,磷酸钙生物陶瓷的生物学性质,LOGO,与周围组织相互作用及宿主应答,活体组织会将人工植入物视为生物毒性的、生物惰性的、生物活性的或生物可再吸收性物质。生物活性物质会轻微溶解，但会促进生物磷灰石层的形成，在组织与骨界面之间直接形成原子水平上的化学键。Ca/P比在1.01.7的磷酸钙生物陶瓷植入物不仅无毒而且不引起免疫反应。少量免疫应答是由其他原因引起的（比如大面积烧伤时植入多孔HA生物陶瓷）。,LOGO,生物降解性,无论体内外，生物降解都与陶瓷的组成，颗粒大小，结晶度和多孔性等有关。-TCP牛骨磷灰石(未烧结)牛骨磷灰石(烧结)珊瑚状HAHA。对BCP，HA/TCP比率越大，磷酸钙生物陶瓷降解速率越低。碳酸根离子、镁离子会增加CDHA和HA的降解率而氟离子会降低降解率。,图6降解前后聚磷酸钙多孔支架材料的表面形貌图（x5000）,LOGO,生物活性,新形成的骨通过在骨/材料交界处形成碳化CDHA层直接连接到生物材料上。在体内，酸性环境下的细胞（如巨噬细胞，破骨细胞）活动会引起磷酸钙的部分溶解。,几种生物陶瓷的体内体外实验实验对象：体外是模仿体液；体内是兔子肌肉系统。实验材料：烧结的固态多孔陶瓷：生物玻璃，玻璃陶瓷，-TCP,-TCP和HA。评价标准：能否诱导磷酸钙盐沉积形成。,实验结论除了-TCP以外，其他生物陶瓷均能形成酸钙盐沉积。并不是每种生物陶瓷表面都能形成磷灰石，HA和-TCP表面形成磷灰石可能性较小。体内比体外更难形成磷酸钙盐沉积。各种生物陶瓷表面磷酸钙盐沉积的区别在体外比在体内更难观察。-TCP在体内外都难形成磷酸钙盐沉积。,LOGO,生物活性,图7生物陶瓷与周围生理环境在界面处相互作用示意图,本图流程：生物陶瓷的溶解；从溶液中沉积；在生物陶瓷/组织交界处发生离子交换和结构重排；从组织表面界层到生物陶瓷之间相互扩散；生物陶瓷溶解对细胞活动的影响；未整合到陶瓷表面的无机相a和有机相b的沉积；整合到生物陶瓷中物质的沉积；造骨原始细胞对生物陶瓷表面的趋药性；细胞粘附与增殖；细胞分化；细胞外基质的形成。,LOGO,细胞应答,植入物固定在人体是一个动态过程，会在植入物与周围组织之间形成强结合。2h之后，培养在HA上的成骨细胞变得平整，难于与细胞质边界区分。磷酸钙生物陶瓷的细胞降解取决于它的相。如高度降解的-TCP会阻碍成纤维细胞的粘附，因而引起细胞的损坏破裂。间质干细胞常用于骨移植，Okumura等人研究它的粘附、增殖和分化，与多孔HA陶瓷整合形成新骨。Unger等人将成骨细胞与内皮细胞在HA支架上共培养6h,释放的因子导致像微管的血管形成，促进神经组织在支架内生长。,LOGO,LOGO,骨粘合剂和骨水泥,涂层,组织工程,可用于可注射的或可塑性骨替代物；它们都是生物相容的，有生物活性，可吸收。,常用于生物惰性或生物耐受性较强材料的表面涂层；影响涂层的因素：涂层厚度，结晶度，相纯度，化学纯度，多孔性以及细胞粘附。,研究开发用于修复或改善人体病损组织或器官的结构、功能的生物活性替代物。,磷酸钙生物陶瓷在生物医学领域的应用,LOGO,LOGO,骨粘合剂和骨水泥,LOGO,涂层,特点：将磷酸钙的生物相容性与生物活性与植入物基质的核心强度结合起来。减少潜在有害化学物质从植入物核心的释放并保护基质表面免受周围环境的攻击。对多孔植入物，涂层还能促进骨的向孔内生长。临床研究表明，磷酸钙涂层植入物比未涂层有更长寿命，尤其是年轻人。,图8等离子体喷射法将HA涂到多孔钛合金表面与未涂层多孔钛界面结合强度随植入时间变化方形图,小节：与未用HA涂层的多孔钛相比，涂层后多孔钛的界面结合强度明显高很多。,此外，HA涂层还用于干细胞，臀部及牙齿表面涂层，均取得良好