人造骨头简介

1、 大学新型功能材料课程专题报告书项目名称：人造骨骼的发展、现状及未来完成人：刘奇学院（中心）：化学化工学院专业班级：应用化学1106班填写日期：2014年10月15日济南大学目录TOC o 1-5 h z目录2 HYPERLINK l bookmark4 一、摘要3 HYPERLINK l bookmark6 二、引言4 HYPERLINK l bookmark8 2.1人造骨定义4 HYPERLINK l bookmark10 2.2人造骨运用的新材料52.2.1陶瓷膏状人造骨52.2.2美国陶瓷人造骨骼52.2.3人造“懒骨头”62.2.4磷酸钙和骨胶原人造骨骼6 HYPERLINK l

2、bookmark14 2.2.5钛骨骼72.2.6海草人造骨82.2.7生物玻璃人造骨8 HYPERLINK l bookmark16 2.2.8玻璃基生物水泥(GBC)9 HYPERLINK l bookmark18 2.3人造骨工艺新发展102.3.1快速成型制造工艺102.3.2等离子喷涂人造骨11 HYPERLINK l bookmark22 2.4人造骨向活性发展122.4.1能生长的人造骨骼122.4.2生物降解泡沫活骨13 HYPERLINK l bookmark24 三、参考文献13一、摘要陶瓷膏状人造骨,陶瓷制成的新型人造骨骼,由骨骼的无机成分磷酸钙和有机成份骨胶原组成的复合

3、材料制成的，金属钛的合金材料等材料是目前医学界公认的人造骨骼替代材料。最近发现海草形成的钙化骨骼含有碳酸钙和生物功能玻璃能够满足和达到生理和生物功能，在对骨缺损的修补和人造骨与自然骨的等手术上有重要的应用。骨科手术也向着快速成型制造，等离子喷涂人造骨发展。最后对两项新技术：能生长的人造骨骼；生物降解解泡沫活骨进行了展望关键词：人造骨种类工艺简介济南大学二、引言科学在发展，人类在进步，人们对生活质量与水平要求越来越高，对于生命也越来越重视，而对于世界上每一个人来说，无时无刻不处在运动之中也就是说我们无时无刻不在用我们的手臂、腿、脚等部分来完成哪怕白是极其微小的一个动作，而支配这种运动的基础就是我

4、们的骨骼。很难想象，假若没有了骨骼和牙齿，人会变成什么样子。哪个白我们的骨骼朋友稍稍出点毛病，也会使我们的日常生活增添不小甚至是很大的麻烦，如牙齿松动，就要影响进食；骨骼受伤，轻者卧床休息，重者需要截肢。在我们迅猛发展的科技社会中，一方面，汽车等现代化的交通工具已经紧紧融解在我们的生活里，改变了我们的生活，但同时也给我们带来了一个日益严重的问题：车祸。车祸使许多健康人直接暴露在伤筋断骨甚至是截肢的危险之中，有时给他们的心灵造成难以弥合的创伤，人造骨骼应运而生了。最近两年来，人造骨骼还是取得了许多可喜的进展。2.1人造骨定义不同时期对人造骨的定义不尽相同，早年间，人们只能用木材，金属作为人造骨，

5、但效果很差，木材很容易腐烂，金属容易被腐蚀从而使人受到感染，而且考虑到人体的排异性，对人造骨材料要求更加苛刻了。现在一般认为，人造骨是一种具有生物功济南大学济南大学 能的新型无机非金属材料，它类似于人骨与天然牙的性质的结构，人造骨可以依靠从人体体液补充某些离子形成新骨，可在骨骼结合界面发生分解、吸收、析出等反应，实现骨骼牢固结合。但近年间，科学家发现了有机材料也可作为人造骨的良好载体，所以，准确定义有待商榷。下面我来介绍一些常见的人造骨材料。2.2人造骨运用的新材料2.2.1陶瓷膏状人造骨日本特殊陶业公司研制出容易加工、变形的陶瓷制膏状人造骨。膏状人造骨可以按照人体骨损坏部位的形状进行加工，但

6、是迄今已有的人造骨硬化时间都很长，有的需要几天时间。新研制的人造骨特点是硬化快，与已有人造骨大约相差8个小时。此外，新产品还具有可防血液浸入骨头内部、可以用专用注射针注入和与原骨亲和性高等特点。这家公司开始在东京大学医学系附属医院等日本国内5家医院进行了临床治疗骨折实验，得到的评价中“极为有用”占82。它们争取于2004年通过制药公司生产投入市场。2.2.2美美国科学家研制出一种陶瓷制成的新型人造骨骼移植后可以替代人体内的真正骨骼且人体内的组织细胞不会出现坏死现象并能继续生长不仅如此这种骨骼在手术前的二至三小时就可制作完成。以前，需安装金属假肢的或做人体骨骼手术的患者则要等待较长时间才能找到较

7、为合适的金属假肢或人体骨骼。用陶瓷制造骨骼是通过计算机系统为患者专门定做的，因此它完全适合患者。这项新技术依靠x射线来确定骨骼尺寸和形状，它的精细度达到01毫米制定骨骼之后还可在骨骼上钻一些小孔以便手术医生将新骨骼与病人原先之骨骼连接起来。此外这种人造骨骼所用的材料与人体骨骼非常相似，有助于患者更加活动自如。外科手术医生寄希望于这项新技术，因为金属假肢尚不尽人意，移植骨骼也有缺陷：但陶瓷骨骼能否长期保持其坚固性、仍需实践予以检验。2.2.3人造“懒骨头”现在，日本医学科学家发明了一种人造骨其工作特点颇具智能，可为病人减少定时服用钙制剂及定期测定血钙的痛苦，有人戏称”懒骨头”。此种义骨的工作原理

8、是将药物预先装入人造骨骼中完成植入手术。该义骨不仅可支撑体重，同时当体内血钙浓度降低时.人造骨即释放钙离子入Fm：而当血钙升高时钙离子即在人造骨表面形成一神奇薄膜，堵塞其表面的微孔阻止药物释放入Fm。日本物质和材料研究机构与有关大学合作开发出新的人造骨骼是用由骨骼的无机成分磷酸钙和有机成份骨胶原组成的复合材料制成的其强度与弹性均接近于真正的骨骼把它移植到缺损部位能很快被吸收并长出新的骨骼来。在狗身上做实验表明大约3个月就可以再生出新的骨骼来。这一科研成果目前仅处于动物实验阶段，尚需进行实用化研究开发，才能达到临床试验水平。2.2.5钛骨骼因为钛可以喝人体骨骼密切结合，新的骨头可以贴合在钛上，所

9、以金属钛的合金材料是目前医学界公认的最好的人造骨骼替代材料，钛被人们赞誉为”新生物金属”现在它已开始应用于膝关节、肩关节、肋关节、头盖骨、主动，c-瓣、骨骼固定夹等方面。钛是一种无毒的纯性金属，正因为钛金属的“纯”故物质和它接触的时候，不会产生化学反应。也就是说，因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，它是唯一对人类植物神经和味觉没有任何影响的金属。钛又被人们称为“亲生物金属”钛在医学上有着独特的用途。在骨头损伤处，用钛片和钛螺丝钉固定好，过几个月，骨头就会长在钛片上和螺丝钉的螺纹里。新的肌肉就包在钛片上，这种“钛骨”就如真的骨头一样，甚至可以用

10、钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。因此.钛是一种理想的生物材料。钛头、钛制心脏起搏器不受雷雨天气的影响：钛义齿在头面部MAI检查中不须拆除修复体。1973年在国内首先开始研制成功钛制人工关节此项目在1978B获全国科学大会奖。金属钛具有良好的生物相容性和弹性模量，但其抗磨性能较差。金属钛有强度和良好的韧性很接近生物骨骼的要求但植入人体或生物体后往往难以产生理想的生物相容性缺乏生物活性只是简单的机械物理结合，使这种材料的应用受到很大的限制。2.2.6海草人造骨德国基尔市的科学家成功制成了一种新型的可代替骨头的生物材料它是生长在海赫尔果兰岛边浅水处的某些海草。这些海草形成的钙化骨骼含有碳酸钙其表面有

11、布满直径510微米的小孔与天然骨头差不多。利用这种多孔材料可以制成性能几乎与人的骨头完全一样的人造骨是理想的骨组织替代物尤其适用于假牙。2.2.7生物玻璃人造骨生物功能玻璃主要是指能够满足和达到生理和生物功能的玻璃。近年来开发出一些具有生物活性、机械强度高的生物功能玻璃。它具有与周围骨质结合牢固（生物活性）：植入骨内没有排异反应对人体无害、无毒（生物亲和性）机械强度较自然骨骼高且在人体内无强度疲劳现象，容易灭菌：成型加工容易等 济南大学特点。生物功能玻璃多为含钙和磷的向晶玻璃。将这样的玻璃植入骨骼后自玻璃表面溶出的钙离子与体液中存在的磷酸根离子结合生成磷酸钙层借此与骨头表面新后骨的磷酸钙层牢固

12、地结合在一起。生物玻璃主要用在人造骨、人造牙、人造关节等方面。这种玻璃的临床使用将会为人类生活带来更多快乐和幸福大大提高人们的生活质量。2.2.8玻璃基生物水泥(GBC)生物水泥(骨水泥)在对骨缺损的修补和人造骨与自然骨的蒙古结等手术上有重要的应用。它可以在不牺牲生物活性的基础上现场成型和加工以满足骨I-4手术中矫形或修补的要求对恢复骨功能有重要意义。此外：在手术中人造骨与机体内的自然骨之间的连接，需要用骨水泥进行秸结，通常用聚甲基丙烯酸甲酶作为骨蒙古结剂(bonecement)虽然PMMA骨水泥成型容易，使用方便但由于其生物相容性差，与人体骨是非骨性结合，在使用后期会造成连接部位的松动，降低

13、连接强度此外，PMMA水泥不能白行凝固硬化需要添加固化剂，在凝固硬化时产生大量热效应同时由于PMMA会降解成有毒的单位，对机体也是十分有害的。因此在手术中PMMA骨水泥材料的作用受到限制从而提出研制新型骨水泥Jr4-：l-的要求。用玻璃粉作为生物水泥的基体.加入调和液缓凝剂及粘固液.制成玻璃基生物水泥(GBC)。利用玻璃中的离子活性大于晶体中的离子济南大学活性，降低水化硬化反应的活化能从而缩短固化时间，而且玻璃中离子离析可在中陛溶液中进行此外玻璃本身也可具有很高的强度。玻璃基生物水泥耐压强度为55Mpa，抗折强度为16Mpa,凝固时间为1025分钟，密度为2.012.2Og/cm。玻璃基生物z

14、K泥经上海新华医院动物实验证明，无毒性作用，对动物生长无影响，对体内血象变化无影响。玻璃基Jzk：泥有望成为新型的无机生物水泥材料。2.3人造骨工艺新发展2.3.1.快速成型制造工艺传统方法中医生给不幸受伤的人们植入人造骨骼时，先要根据所需植入骨骼形状制备模型，然后用金属钛等进行”铸造”，费时费力且精度不高。德国科学家为此发明一种新型制造工艺一快速成型制造工艺。可以利用激光对金属钛等原材料按照特定尺寸进行三维切割.直接生产出伤者所需要的人造骨骼，这不仅大大缩短制造时间而且精度也高。弗劳恩霍夫学会设在亚琛的激光技术研究所由-：1-学家迈纳斯带领的科研小组.首先通过断层扫描技术(CT)获得伤者所需

15、植入骨骼的三维数据，然后根据这些数据由电脑控制激光束来熔化金属粉末.造出所需的人造骨骼，然后将各“点”连接起来逐层“铸造”。上述工序在一个可升降的平台上完成，因此铸造完毕一层以后可通过高速平台高度重新济南大学铺洒金属粉末进行下一层的“铸造”工作，最终精确按照CT数据制造出伤者所需要的人造骨骼。利用这种制造工艺不仅可以节约原材料，而且精度高，速度快，更重要的是该工艺独特的“逐点逐层”制造方法，它可确保制造出各种复杂形状的植入骨骼。此外，该工艺还可用来制造其他应用领域的特殊形状物件。科学家已经研制出了利用该工艺生产的仪器，但大规模临床使用尚待时日。2.3.2等离子喷涂人造骨羟基磷灰石等离子喷涂，是

16、在已有的金属复合材料表面，用高温等离子火焰喷涂上一层几十微米厚的羟基磷灰石。目前医学界公认的人造骨骼替代材料是金属钛的合金材料和羟基磷灰石材料。但它们各自存着不可克服的缺陷。使众多的-：1-学家为之苦恼：金属钛有强度和良好的韧性很接近生物骨骼的要求，但植入人体或生物体后11-3E难以产生理想的生物相容性缺乏生物活性，只是简单的机械物理结合，使这种材料的应用受到很大的限制：羟基磷灰石是与骨骼成分一样的陶瓷材料，做成人造骨骼后，试验表明，植入生物体后虽然具有很好的生物相容性，但强度和韧性却很低，始终不能成为骨骼的理想的替代品，也极大的限制了它在医学领域的应用。而我国开展的羟基磷灰石等离子喷涂法人造

17、骨骼的研究，创造性的将两种最具有前途的生物材料揉合在一起。即保持了金属材料的强度和韧性，保济南大学济南大学 持了羟基磷灰石的生物活性。该涂层克服了一般的简单植入骨骼替代品的，常用的是金属合金或陶瓷涂层所带来的生物机体排异陛，实现了良好的生物相容性，能够很好的为成骨细胞所接受。在生物材料的研究领域，向前迈了一大步。从生物材料的研究结果来看，等离子喷涂法在生物活性材料领域的优势是不言而喻的。可以预测的是，在不久的将来，羟基磷灰石等离子喷涂人造骨骼会真正的造福于那些不幸的车祸或战争受害者。2.4人造骨向活性发展2.4.1能生长的人造骨活的骨骼是一种复杂的材料尽管经常被溶解与更新，但还必须像三维结构网

18、络一样发挥着机械功能。培育人造骨骼的努力已经仅仅集中在补充矿物质的组织上，但是没有能力控制形成的羟磷灰。和同事们表明通过对两性肽段的合理设计能够同时处理生长和结构的问题。在pH值低的情况下肽段装配成长的圆柱体，上面则是羟磷灰石晶体。这种晶体具有与圆柱体有关的适当方向，并且当pH值升高后能够再溶解。一种关键的骨骼矿物能被诱导，沿着一个自装配的脚手架生长，其生长方向与骨胶原中骨骼的生长方向一致。该晶体也能再溶解，表明这种设计过程可能对制造用于替代矿化组织的新材料会有所帮助。2.4.2生物降解泡沫活骨多伦多的生物医学专家约翰戴维斯和他的同事们利用改造的生物降解泡沫材料，成功地研制出了一种可用于骨骼移植手术的人造骨。他们用生物降解泡沫材料为病人做了一个需修补部位的骨架模型模型上布满了无数个与人体软骨组织类似的微孔，然后在微孔中植入骨骼生长细胞这种人造骨骼模型一旦被植入人体，其中的骨骼生长细胞可按骨架方向生长形成新骨并能被人体很好地吸收从而