无机生物材料学第四章

1、第四章第四章 医用无机材料医用无机材料1.1 1.1 无机非金属材料的基本属性：无机非金属材料的基本属性： 化学健主要是离于键、共价健以及混合键；化学健主要是离于键、共价健以及混合键； 硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感； 熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性； 一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小； 耐化学腐蚀性好；耐化学腐蚀性好； 耐磨损。耐磨损。第一节 概述1.2 1.2 无机非金属生物材料的发展无机非金属生物材料的发展n无机非金属生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的

2、修无机非金属生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修建时期，当时用陶土进行骨缺损的填充，建时期，当时用陶土进行骨缺损的填充，n18081808年开始将陶瓷作为镶牙材料，年开始将陶瓷作为镶牙材料，n18921892年使用石膏填充骨缺损，年使用石膏填充骨缺损，n19631963年年SmithSmith报道一种陶瓷材料，用环氧树脂浸透含报道一种陶瓷材料，用环氧树脂浸透含4848孔隙的多孔铝酸盐树料，它与骨组织的物理性能相孔隙的多孔铝酸盐树料，它与骨组织的物理性能相匹配。匹配。n无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十年来的事，特别是发现年来的事，特别是

3、发现羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石陶瓷后，得到了飞后，得到了飞速发展，该类材料具有生物相容性好，甚至有些还有速发展，该类材料具有生物相容性好，甚至有些还有生物活性，抗压强度高等优点。生物活性，抗压强度高等优点。n良好的生物相容性良好的生物相容性 化学稳定性化学稳定性 降解产物无毒降解产物无毒n杂质元素及溶出物含量低杂质元素及溶出物含量低 AsAs，CdCd、HgHg、PbPb等重金属等重金属n有效性有效性 抗压、耐磨、热膨胀抗压、耐磨、热膨胀n成型加工性能成型加工性能 脆性脆性 加工困难加工困难 不同模具不同模具n耐消毒灭菌性耐消毒灭菌性 高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌高压蒸汽消毒、辐射灭菌和

4、环氧乙烷灭菌1.3 1.3 生物生物医用无机材料的基本条件医用无机材料的基本条件 无机非金属材料品种非常多，无机非金属材料品种非常多，考虑材料生物考虑材料生物相容性、机械性能、加工性能、成本等因素，只相容性、机械性能、加工性能、成本等因素，只有一小部分材料可用作生物材料，有一小部分材料可用作生物材料，如如n陶瓷类中有氧化铝、氧化铁、低温各向同性碳、陶瓷类中有氧化铝、氧化铁、低温各向同性碳、羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙等，羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙等，n玻璃类主要有玻璃类主要有MgO-CaO-SiOMgO-CaO-SiO2 2-P-P2 2O O5 5、NaNa2 2O-CaO-O-CaO-SiO

5、SiO2 2-P-P2 2O O5 5、CaO-AlCaO-Al2 2O O3 3-P-P2 2O O5 5系玻璃，系玻璃，n水泥类主要有硫酸钙、磷酸钙等。水泥类主要有硫酸钙、磷酸钙等。 在医学上主要用于在医学上主要用于骨组织骨组织的修复、替换，如的修复、替换，如承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。1.4 生物医用无机材料分类n按照无机材料的成分和性质分类 1.生物陶瓷材料 2.生物玻璃材料 3.生物医用无机骨水泥 4.生物复合无机材料第二节第二节 生物陶瓷生物陶瓷n2.1 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

6、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分设计进行控制； 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。经过近20 年的研究和发展，医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶段：u 生物隋性材料、u 生物活性及可吸收材料u 可再生组织的生物活性材料。结构图1 陶瓷显微结构示意图由许多不规则晶粒所组成，中间有晶界隔开由许多不规则晶粒所组成，中间有晶界隔开图2、PTC-BaTiO3 半导体陶瓷n鸡蛋壳就是活的生物陶瓷。黑色或灰色为无机晶粒(长约1.0 m，宽0.3 m)，属方解石晶体(CaCO3)，有时为磷酸钙，它们构成骨架

7、，在晶粒之间为晶界，是有机生命物质。图3 鸡蛋壳中的晶粒及晶界2.2 2.2 生物陶瓷材料的分类生物陶瓷材料的分类n按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1 所示：结构稳定,具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。可与生物体组织形成化学键结合 可被逐步降解和吸收,并随之为新生组织替代 三三 典型的生物陶瓷材料典型的生物陶瓷材料（一）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、关节及齿根的修复和替换，以及心脏瓣膜等 3.1.1 3.1.1 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 n生物医用氧化铝陶瓷

8、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堆积，六个氧离子（离子半径为0.132nm）围成一个八面体，半径较小的铝离子（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。 蓝宝石 （氧化铬） 蓝宝石（氧化铁和氧化钛）B B 医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求基本性能重要性原因高的抗腐蚀性保证生物惰性优异的刚性及良好的表面抛光性能保证高耐磨性高杨氏模量和高抗压强度保证坚硬不变形高的机械强度保证良好的疲劳性能，以及安全性和可靠性高纯度保证长期稳定性一、氧化铝陶瓷

9、的组成、制备工艺一、氧化铝陶瓷的组成、制备工艺氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷：AlAl2 2O O3 3含量在含量在4545以上，主晶相为以上，主晶相为 - - AlAl2 2O O3 3 ，此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。，此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。陶瓷的一般制备工艺：陶瓷的一般制备工艺： 原料加工（粉碎），然后加粘结剂形成配料，原料加工（粉碎），然后加粘结剂形成配料，混合后静压成坯料，通过预烧混合后静压成坯料，通过预烧- -烧结形成陶瓷。烧结形成陶瓷。核心过程烧结核心过程烧结烧结：在高温作用下，粉状物料自发填充颗粒烧结：在高温作用下，粉状物料自发填充颗粒间隙的过程，随着温度和时间的延长，

10、过程间隙的过程，随着温度和时间的延长，过程中发生：固体颗粒相互键联，晶粒长大，空中发生：固体颗粒相互键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界逐渐消失，通过物质传递，隙（气孔）和晶界逐渐消失，通过物质传递，物料的体积收缩、密度增加，最后成为坚实物料的体积收缩、密度增加，最后成为坚实的整体。的整体。n颗粒在烧结过程中的外形变化：颗粒在烧结过程中的外形变化：a. 颗粒间接触：b. 接触面进一步扩大：c. 颗粒的晶形改变、空隙减小：d.颗粒烧结完成n氧化铝的烧结过程：包括颗粒接触、部分粘氧化铝的烧结过程：包括颗粒接触、部分粘连、完全粘连和烧结完成几个步骤。连、完全粘连和烧结完成几个步骤。氧化铝烧结过程中粉体

11、微观结构变化氧化铝烧结过程中粉体微观结构变化AlAl2 2O O3 3生物陶瓷制备工艺生物陶瓷制备工艺n氧化铝生物陶瓷的制备工艺：与普通陶瓷制作工艺类似，氧化铝生物陶瓷的制备工艺：与普通陶瓷制作工艺类似，即粉体融合即粉体融合 预压成型预压成型( (预打磨预打磨) ) 烧结烧结 打磨打磨 成品。烧结温度一般为成品。烧结温度一般为17001700以上。以上。n高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下：高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下：氧化铝的纯度越高，材料的力学性能如抗压、抗折强度也越高氧化铝的纯度越高，材料的力学性能如抗压、抗折强度也越高氧化铝生物陶瓷的纯度在氧化铝生物陶瓷的纯度在99.799.7以

12、上。以上。n新型生物陶瓷材料新型生物陶瓷材料- -单晶生物陶瓷单晶生物陶瓷n氧化铝单晶（宝石）：机械强度、硬度和耐腐蚀氧化铝单晶（宝石）：机械强度、硬度和耐腐蚀性优于多晶氧化铝陶瓷，其生物相容性、稳定性性优于多晶氧化铝陶瓷，其生物相容性、稳定性和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。n不能通过烧结制得，具体方法如下：不能通过烧结制得，具体方法如下： 提拉法提拉法 导模法导模法 气相化学沉积法气相化学沉积法 焰融法：晶体生长速率快，工艺简单，焰融法：晶体生长速率快，工艺简单，成本低成本低3.1.2 3.1.2 氧化铝陶瓷的结构与性能氧化铝陶瓷的结构与性能n氧化铝陶瓷具有优异的

13、生物相容性，在生理环境下相当氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性，在生理环境下相当稳定，抗腐蚀，无溶出物，具低膨胀性能。稳定，抗腐蚀，无溶出物，具低膨胀性能。n氧化铝生物陶瓷密度大于氧化铝生物陶瓷密度大于3.9g3.9gcm3cm3，室温抗压强度约为，室温抗压强度约为4000MPa4000MPa、抗弯强度大于、抗弯强度大于400MPa400MPa、杨氏模量为、杨氏模量为380GPa380GPa、抗、抗冲击强度冲击强度4000J4000Jm m2 2，耐磨性和耐腐蚀性符合，耐磨性和耐腐蚀性符合ISOISO规范实验规范实验要求。要求。n氧化铝生物陶瓷人工关节比金属氧化铝生物陶瓷人工关节比金属- -聚乙烯

14、构成的人工关节聚乙烯构成的人工关节的耐磨性能好得多，前者的磨损速率是后者的的耐磨性能好得多，前者的磨损速率是后者的l l1010，略，略高于人关节的磨损率。高于人关节的磨损率。n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的凹凸不平而实现机械锁合。n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。n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。 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，长时间后与骨的固定 会发生松弛；机械强度不高；杨氏模量过高

15、(380GPa)；摩擦系数、磨耗速度较大。致密氧化铝n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 长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物 与骨头的良好结合。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缺点：降低陶瓷的机械强度，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 负重或负重轻的部位。3.1.3 3.1.3 氧化铝陶瓷的应用氧化铝陶瓷的应用n氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎

16、足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固定材料；定材料；n某些骨替代物某些骨替代物( (人工听小骨人工听小骨) )；眼科手术中的角质；眼科手术中的角质假休、固定用螺钉等。假休、固定用螺钉等。n单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、硬度、耐酸碱性等性能指标占优，且不易折断，硬度、耐酸碱性等性能指标占优，且不易折断，因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固定的螺钉、关节柄、牙根。定的螺钉、关节柄、牙根。各种氧化铝生物陶瓷植入

17、物各种氧化铝生物陶瓷植入物：全氧化铝陶瓷人工髋关节3.1.4 3.1.4 氧化物陶瓷氧化物陶瓷 除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有：除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有：n氧化锆、氧化镁、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷氧化锆、氧化镁、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷（如组成为氧化锆（如组成为氧化锆50506060，氧化铝，氧化铝10102020、氧化钾氧化钾7 71010的陶瓷）。的陶瓷）。n氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的增韧相。部分增韧相。部分氧化钇氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更稳定的氧化锆比氧化铝有更好的韧性，可替代氧化铝。好的韧性，可替代氧化铝。n混

18、合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数，混合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数，可用作人工牙齿。可用作人工牙齿。n其它氧化物陶瓷一般作为改性剂（玻璃组分）或其它氧化物陶瓷一般作为改性剂（玻璃组分）或涂层材料，单独作为生物材料少见。涂层材料，单独作为生物材料少见。3. 1. 5 3. 1. 5 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷n报道很少，主要用作硬组织的替换材料。报道很少，主要用作硬组织的替换材料。nSiCSiC材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是耐磨、耐腐蚀材料。耐磨、耐腐蚀材料。nSiSi3 3N N4 4材料：可代替氧化锆作关节置换假体，比氧材料：可代替氧

19、化锆作关节置换假体，比氧化锆有更好的使用寿命。化锆有更好的使用寿命。3.2 3.2 生物活性陶瓷生物活性陶瓷HAPHAPn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。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,折射率为1.641.65,微溶于水,水溶液呈弱碱性(pH79),易溶于酸, 难溶于碱,HAP是强离子交换剂 nHAP是人体内骨和齿的重要组成部分,如人骨成分中HA的质量分数约65%,人的牙齿釉质中HA的质量分数则在95%以上,具有优秀的生物相容性。nHAP生物陶瓷脆性

20、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。HAPHAP陶瓷与骨键合的机制：陶瓷与骨键合的机制：nHAP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3-5m的无定形电子密度带，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。n随着矿化的进行，无定形带缩小至0.05-0.2m， HAP植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键合带实现的。HAPHAP与骨形成键合的表现为：与骨形成键合的表现为：n在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；nHAP植入体-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3.2.1 3.2.1

21、羟基磷灰石的原粉的合成和制品成型羟基磷灰石的原粉的合成和制品成型一、原粉的合成(1) 化学共沉淀法典型的方法：酸碱中和反应、钙盐和磷酸盐的反应。此法易制得大量微晶状态或非晶态的HA粉末。(1)10Ca(OH)2+6H3PO4Ca10(PO4)6(OH)2+18H2O(2)10CaCl2+6Na2HPO4+2H2OCa10(PO4)6(OH)2+12NaCl+8HCl(3)10Ca(OH)2+6(NH4)2HPO4+2H2OCa10(PO4)6(OH)2+12NH4NO3+8HNO3湿法制备湿法制备HAHA装置图：装置图：Ca/PCa/P随随pHpH值的变化情况值的变化情况（2）固相反应法（干法

22、） 此法与普通陶瓷得制备方法基本相同，原料粉磨细混合，在10001300C下高温合成结晶性HA 。此法合成的HA纯度高，结晶性好。6CaHPO42H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+14H2O 900（3）水热合成法 以CaCl2或Ca(NO3)2与NH4H2PO4为原料，以钛网为阴极、石墨为阳极，控制一定的pH和沉积时间，得到CaHPO4.2H2O.随后经120200 C水蒸汽处理，即得HA. 此法适合制备完整的HA单晶3.2.2 3.2.2 羟基磷灰石制品的成型羟基磷灰石制品的成型nHA粉末合成后，还必须通过成型烧结工艺提高其强度，同时根据需要调节孔度和形状。n

23、一般工艺过程为：原料粉碎（球磨/干燥） 粘结剂（如需可加致孔剂） 等静压/热压成型 修边 烧结 成品修饰 产品粘结剂：水；聚乙烯醇水溶液；石蜡、蜂蜡致孔剂：双氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、PTFE球；也可将HA浆料注入多孔泡沫塑料，然后烧结制成多孔材料多孔多孔HAPHAP陶瓷陶瓷 n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，多孔羟基磷灰石的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法。n多孔生物陶瓷种植体而言,决定骨长入方式和数量的因素 有：孔径、孔率及孔的内部连通性n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

24、新骨生长。n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，n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45%55%之间 3.2.3 羟基磷灰石的应用 可应用于骨缺损的填充修补（或替换），例如：鼻梁骨、颌骨替换；软骨、承力骨缺损（骨结核、骨瘤病灶的切除）的填充；承力骨（胫骨）的替换；义眼球、人工听骨等；或者作为活性物质喷涂在其它材料表面。一般地，多孔HA或粉末：强度低，适合做填充或药物载体；多孔、质轻，适合做义眼球；致密HA或空隙较少：承力骨的修复和替代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

25、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3.3 3.3 可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷n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。n主要以-磷酸三钙（-TCP）及硫酸钙生物陶瓷为代表。-磷酸三钙（磷酸三钙（-TCP-TCP） n磷酸三钙（英文：Tricalcium phosphate ，简称TCP）又称磷酸钙。化学式Ca3(PO4)2。白色晶体或无定形粉末。存在多种晶型转变，主要分为低温相（-TCP）和高温相（-TCP），相转变温度为1120-1170，熔点1670

26、；溶于酸，不溶于水和乙醇。在人的骨骼中普遍存在，是一种良好的骨修复材料。n在生理环境下致密的-TCP可保持稳定，而多孔型-TCP则发生生物降解和吸收，并被新骨逐步取代。n -TCP具有较好的生物相容性，植入体内后血液中钙磷比保持正常，无明显毒性反应和副作用。 -磷酸三钙（磷酸三钙（-TCP-TCP） 3.3.1 磷酸钙陶瓷制备与羟基磷灰石制备工艺相似，以Ca(NO3)2与(NH4)2HPO4为原料，首先合成Ca10(PO4)6(OH)2, 然后在较高温度下依次脱除氢原子和氧原子得到磷酸钙。在1400C以上， -磷酸钙转化为-磷酸钙Ca(PO4)6(OH)2 Ca(PO4)6OCa(PO4)6O

27、 Ca3(PO4)2+CaP2O7+CaP2O91100-1350n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等。n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个体差异、植入部位等影响。n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。可吸收生物陶瓷植入体内后的降解过程：可吸收生物陶瓷植入体内后的降解过程：n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。n具体

28、机制： 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，包括周围体液成分和PH、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。 物理解体 是体液浸入陶瓷，导致由于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。 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。3.3.2 3.3.2 磷酸钙的应用磷酸钙的应用良好的生物相容性。由于强度较低，一般作填充物用，用于不承载较大负荷的部位，或作生物涂层用；自固化的磷酸钙可作骨水泥用于齿科材料或颌面整形、人工关节部件固定。3.4 3.4 双相生物陶瓷材料双相生物陶瓷材料n

29、羟基磷灰石陶瓷材料有着优良的生物相容性，能较快地引导骨再生，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。 n-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。 混合不同比例的混合不同比例的HAPHAP和和-TCP-TCP可得到双相生物陶瓷材料，通可得到双相生物陶瓷材料，通过调节单相过调节单相HAPHAP和和-TCP-TCP陶瓷的比例，有望实现材料在体内陶瓷的比例，有望实现材料在体内的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题的降解速度与骨组织生

30、长速度的匹配问题3.5 3.5 珊瑚珊瑚 珊瑚(指石珊瑚而非软珊瑚)为海洋内腔肠动物珊瑚虫分泌的外骨骼沉积而成，其壳体主要成分为碳酸钙，含量高达95 由于其良好的生物相容性、机械性能好，以及有合适的降解性能，在人骨修复方面得到了应用。 3.5.1 3.5.1 珊瑚的制备、结构与性能珊瑚的制备、结构与性能 珊瑚分天然珊瑚、人工合成珊瑚以及改性产物等。一、天然珊瑚n 天然珊瑚为一种多孔性结构体，是在海水中长期沉积(钙离于和含磷离子)作用形成的。其主要成分碳酸钙为无定形结构，孔率介于30一60，孔径在100m到几百微米之间n它由于含有其他元素及有机物，与纯碳酸钙的性能有所不同。另外，在孔隙率很大(6

31、0)的情况下能保持一定的强度。作为人工骨材料其抗压强度(约18.6MPa)不足，弹性模量（49.7GPa）与人骨相比偏高。n珊瑚的处理主要是去除有机质，可采用超声法和化学法，并在高压灭菌器消毒即可使用。二、人工珊瑚 人工珊瑚主要通过化学或模仿生物沉积方法得到多孔碳酸钙但无论从强度还是多孔性方面都无法与天然珊瑚相比。三、改性珊瑚n将天然珊瑚的碳酸钙中的碳酸根换成磷酸根，则得到珊瑚羟基磷灰石，基本工艺为珊瑚在高温、高压下与磷酸二氢铵长时间反应，得到珊瑚羟基磷灰石。n 该材料除保持珊瑚的孔结构外，还提高了珊瑚的硬度(一般莫氏硬度为5，而珊瑚一般为3-4)而羟基磷灰石是骨组织的主要无机成分，与组织的相

32、容性更好。n珊瑚中的CaCO3在体内可离解成Ca2+、HCO3-，其中HCO3-参与体液的HCO3-/CO2缓冲体系，而Ca2+则可参与植入体表面的钙、磷离子交换，促进新骨的形成。n珊瑚的降解主要是破骨细胞的吞噬作用及碳酸酐酶(CA)对珊瑚的吸收。n珊瑚不改变机体正常的免疫状况，具有良好的生物相容性和骨亲和性；同时其孔结构有利于骨组织的长入和替代，有一定的骨传导作用。3.5.2 3.5.2 珊瑚在医学中的应用珊瑚在医学中的应用 n珊瑚可用于口腔颌面部整形，鼻畸形患者，鼻小柱内植入珊瑚，以提起鼻尖。n珊瑚粉末与抗菌素膏混合后植入牙周以修复骨缺损。n用于颅脑手术，如颅骨创伤后畸形患者，珊瑚植入之后

33、恢复形态。n珊瑚还用于颅骨盖髓术、颧弓骨折、人工全髋关节缺损、人工股骨头、人工骨义眼台等。3.63.6 生物陶瓷材料的发展方向生物陶瓷材料的发展方向n1.大孔可吸收生物陶瓷n2.生物活性复合陶瓷n3.金属表面梯度活性陶瓷涂层n4.骨组织工程第三节 生物玻璃n玻璃：一种透明的半固体，半液体物质，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。普通玻璃化学氧化物的组成(Na2OCaO6SiO2),主要成份是二氧化硅。广泛应用于建筑物，用来隔风透光，属于混合物。另有混入了某些金属的氧化物或者盐类而显现出颜色的有色玻璃，和通过特殊方法制得的钢化玻璃等。玻璃陶瓷n玻璃

34、陶瓷（微晶玻璃）是指原始玻璃在成核剂作用下,经过特殊的晶化热处理,物相结构从非晶态转变为晶相与玻璃相均匀分布的微晶聚集体.n晶化后,材料性能中最重要的变化是机械强度的提高,这主要是依赖于玻璃陶瓷显微结构的改变而实现的。n与普通玻璃的主要区别是具有结晶的结构而与陶瓷的主要区别是它的结晶结构要比陶瓷细得多。n玻璃相与结晶相共存。一一 生物活性玻璃定义生物活性玻璃定义n包含两个方面含义： 从材料学观点看，这是具有有限溶解度的材料，在生理环境下能产生表面溶解或降解，通过与组织间物质交换产生骨矿物成分磷灰石富集，达到骨间的化学结合 从生物学角度而言，植入体能与骨直接结合，即在界面没有纤维组织膜或者此膜很

35、薄，形成所谓骨性结合界面，被视为生物活性材料的主要标志。什么是玻璃的什么是玻璃的“生物活性生物活性” ” ？二二 结构结构n生物活性玻璃一般含有CaO、P2O5，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等n玻璃网络结构：n网络形成体：硅氧四面体或磷氧四面体，n网络调整体：碱金属及碱土金属氧化物，n网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络形成体和网络调整体原子形成体和网络调整体原子生物玻璃结构特点：生物玻璃结构特点：n随着碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃溶解性增强，

36、生物活性也增强；n磷氧四面体中的不饱和键不饱和键处于亚稳态，易吸收环境水转化为是导致磷酸盐玻璃粘度小、化学稳定性差、热膨胀系数大的主要原因n向磷酸盐玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等三价元素，可打开双键，形成不含非桥氧的连续结构群使电价平衡、结构稳定、生物活性降低。n碱金属和碱土金属在水、酸等介质存在时易被溶出，释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，这是玻璃具有生物活性的基本原因。n桥氧和非桥氧的比例决定了玻璃的生物活性，非桥氧和非桥氧的比例决定了玻璃的生物活性，非桥氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。桥氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。生物玻璃与骨键合机制：生物玻璃与骨

37、键合机制： n植入后生物玻璃表面溶解，并生成与组织紧密结合的碳酸羟基磷灰石（HCA）界面n表面溶解出Si离子能为HCA形成提供合适成核位置，而体液中的HPO42-和溶解产生的Ca2+则沉积生成富Ca、P无定形层，并最终转化为结晶HCA。n成骨细胞较纤维细胞更易在HCA层表面增殖，从而和新骨直接结合而不会在界面处产生纤维组织包囊。生物活性玻璃的表面反应与周围环境的酸碱度有关：n研究显示只有在PH=8时玻璃表面才会发生适当的化学改变，形成硅胶层和富钙磷层；nPH增大，钙磷的迅速沉积，活性玻璃有选择的溶出受到限制nPH降低，活性玻璃会迅速分解，表面难以形成钙磷沉积。活性生物玻璃陶瓷发展概况n1. 4

38、5S5生物玻璃Bioglassn成分：SiO2 45%、Na2O 24.5%、CaO 24.5%、P2O5 6%n组成上三个特点：SiO2质量分数小于60%，高Na2O和CaO成分、高钙磷比n碱金属含量高在体内溶解出碱金属，有可能扰乱人体生理环境玻璃的生物学活性与其成分含量有关2. A微晶玻璃 将原料混合熔化制成玻璃后再经热处理析出一部分磷灰石晶体而形成微晶玻璃n成分：Na2O 4.8%、K2O 0.4% 、MgO 2.9%、 CaO 34%、 P2O5 11.7%、 SiO2 46.2% 特点：碱金属含量降低，机械强度提高 研究表明玻璃微晶化处理后虽然能够提高玻璃的机械性能，但生物活性玻璃净

39、化后活性降低甚至会变成惰性材料。3.A-W微晶玻璃n在玻璃相中析出磷灰石（A）和-硅灰石（W）两种晶相n成分： MgO 4.6%、 CaO 44.9%、 P2O5 16.3%、 SiO2 34.2%、CaF2 0.5%n制备：将溶质玻璃粉碎，经加压成型后烧结，使玻璃微晶化 n特点：机械强度高、加工性能好n微晶玻璃高的机械性能归因于：粗糙的断裂表面和-硅灰石的析出，能促使裂纹转向分支，有效抑制了裂纹扩展n析出的针状硅灰石晶体由于是无规则排列，所以机械加工性能良好HenchHench教授的生物活性玻璃与骨结合的教授的生物活性玻璃与骨结合的1212步：步： Si-OH+ + Na+ + OH-Si-

40、O-Na+ + H+ + OH- 1. 玻璃中的Na+和K+等与溶液中的H+离子以及H3O+离子迅速交换2. SiO2以Si(OH)4的形式溶于溶液中，导致SiOSi键被溶解打开，SiOH在界面处形成n3. SiOH的缩聚聚合反应在玻璃表面形成富多孔硅溶胶的胶体层 Si-OH + OH-Si-Si-O-Si + H2O4. 玻璃中的Ca2+和体液中的PO43-在富SiO2上聚集形成富Ca、P层5. 随着OH-、CO32-和HPO42-从体液中引入，富Ca、P无定形相层转变成碳酸羟基磷灰石（HCA）晶体。n6. HCA层内生物部分的吸附n7. 小噬细胞反应n8. 成骨细胞的源细胞附着n9. 成骨

41、细胞分化增殖n10. 基质产生n11.基质晶化和骨生长n12.成骨第四节 骨水泥n骨水泥作为人工合成替代材料中的重要组成部分，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的作用n发展历程：第一代PMMA骨水泥优点：易成型和粘结性能好优点：易成型和粘结性能好 缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏相容性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏PMMA骨水泥 骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨腔并具有自凝特性的生物材料。PMMA化学名称是聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate ),

42、也称丙烯酸骨水泥。自从1958年Charney首次应用骨水泥固定股骨假体成功施行全髋关节置换以来，骨水泥己广泛应用于骨科临床，骨水泥固定可保证术后假体的即时稳定，在骨组织-骨水泥-假体界面上无任何微动，允许术后早期负重，疗效肯定。 n理想的骨水泥作为医用材料必需满足下列要求 浆体易于成型, 可填充不规则的骨腔 在环境中能自行凝固, 硬化时间合理 有优良的生物活性和骨再生的潜能 良好的机械性能和耐久性能 无毒和无免疫性。n第二代 磷酸钙骨水泥 20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基

43、磷灰石。 由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement. calcium phosphate cement. CPCCPC ）n一 组成和水化机制 1. 化学成分 CPC由固相和液相两部分组成 固相至少包含除了HAP以外的两种磷酸钙盐，其中至少有一种偏酸性一种偏碱性 这些磷酸钙盐包括： 磷酸四钙（ Ca4(PO4)2O ，TECP ）， 磷酸三钙或磷酸三钙（Ca3(PO4)2，TCP）， 无水磷酸氢钙（ CaHPO4， DCPA ）， 二水磷酸氢钙，磷酸二氢钙，磷酸八钙等n液相 即固化液多为低浓度的磷

44、酸或磷酸盐溶液，或是蒸馏水、生理盐水或手术部位血液等n功能型的CPC会在纯CPC组成上添加药物、活性因子、抗水剂和促凝剂等以满足临床不同要求2.CPC2.CPC的水化机制的水化机制n自行固化是骨水泥区别于其他生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的主要特征之一。n之所以能够固化并最终转化成HAP，其原理是基于不同磷酸钙盐在水中溶解度的差异 n当PH值在4.2-11范围内时，HAP在水中的溶解度最小，在热力学角度上是最稳定的，其他磷酸钙盐在水中会趋向于向HAP转化： 5CaHPO4 + H2OCa5(PO4)3OH + 2H3PO43Ca4(PO4)2O + 3 H2O Ca5(PO4)3OH +

45、2Ca(OH)25Ca3(PO4)2 + 3 H2O 5Ca5(PO4)3OH + H3PO4nCPC粉末与固化液接触，磷酸钙盐先溶解，在颗粒间结晶出细针状的HAP，随着水化反应进行，HAP细小晶体不断长大，晶体越大接触点越多，固化体越坚硬，强度与HAP生成率成正比n水化产物不但在颗粒间生长也在颗粒表面生长形成包裹层，内部原料的水化取决于水通过水化产物层向内部的渗透以及内外离子的扩散。n由于单组分磷酸钙盐水化时副产物酸或碱的产生，使水化反应环境偏离中性而导致水化反应终止，因而单一磷酸钙盐矿化能力相当有限。nCPC是几种磷酸钙盐的混合物，可以保持反应始终维持在中性环境。n水化产生的H+，OH-透

46、过包裹层后水化继续进行，此时水化反应由原来的颗粒表面控制转变为扩散控制，避免PH偏移太大而损伤组织，并保持对HAP稳定的过饱和度，提高矿化能力。具体过程概括具体过程概括n在水化反应初始阶段，HAP的生成受原料表面反应控制，为零级反应，在颗粒间和颗粒表面生成的HAP加强了颗粒间的连接。HAP含量越大，接触点越多，抗压强度随HAP生成率的增大呈几乎线性增大。n当HAP在颗粒表面形成一层水化产物包裹膜后，CPC水化反应有颗粒表面反应控制转化为透过水化产物层的扩散控制。水化过程中的问题水化过程中的问题 无水磷酸氢钙和HAP密度的差异，被水化产物包裹的DCPA转化为HAP时由于体积收缩产生内应力，对抗压

47、强度不利，甚至使包裹的壳破裂，在材料内部产生的缺陷导致抗压强度不再升高，甚至小幅降低。二二 CPCCPC的材料学性能的材料学性能n与其他骨植入材料相比具有以下特点：任意塑行；自行固化；生物相容；逐步降解。凝结时间强度自行固化和任意塑形微观结构抗水性CPC材料的性能凝结时间凝结时间n指可塑浆体变成不再可塑时的时间。通常用标准稠度和凝结时间测定仪进行测定。数值大小在一定程度上取决于材料组分、固相颗粒大小和形态、固液比及环境温度等n是衡量手术操作可行性的重要指标，时间过长或过短都不利于手术操作强度强度n力学强度是评价骨修复材料的一个重要指标，抗压强度是衡量CPC在体内硬化后抗负载能力的指标，其大小直

48、接影响CPC材料的应用nCPC固化4h后可基本达到最大抗压强度，一般为30-50MPa。目前文献报道最高值为70 MPa，其临床适应证为修复非负重或低负重部位的骨缺损。自行固化和任意塑形自行固化和任意塑形nCPC粉末与固化液调和后，材料呈牙膏状，此糊状物能够自行固化，凝结时间为3-15min。在这段时间内材料的可塑性好，可根据缺损部位任意塑型，材料植入体内后能与周围骨直接黏结，没有缝隙且固化过程不放热，不会对周围组织造成灼伤n利用其固化过程温和的特性可将其作为药物缓释载体及生物活性物质载体微观结构微观结构n材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素，孔径大小和孔隙率测定能反应其内部微孔情况。n固

49、化体微孔结构对强度影响明显：微孔孔径越大，孔隙率越高，CPC强度则越小。较小的孔径较低的孔隙率能获得较高的强度，但不利于新骨的长入。n通过调整固相组分、液相浓度以及固液比可获得不同微孔结构和强度的固化体。抗水性抗水性n抗水性指CPC在血液、生理盐水的静水压力下抗渗防水的能力，对于大量出血的外科手术，这一性能尤为重要。n抗水性不好则材料在植入后凝结前遇渗液则稀散不成形，影响固化n增强CPC抗水性的添加剂必须符合6个条件： 应防止调和物在水中溃散； 不影响调和物转化成HAP； 不降低CPC固化体强度； 不影响调和物的可操作性； 具有至少与磷灰石相似的良好生物相容性； 应在较短时间内吸收。 海藻酸钠是目前公认的优良抗水剂。作用机制是它与Ca2+所形成的不溶于水的海藻酸钙凝胶能较好地阻止