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生物陶瓷材料现实状况与发展成员：任镇非吴秀迁刘一璟第1页生物陶瓷材料概念简述生物材料发展历程生物陶瓷材料分类生物陶瓷特点及应用生物材料发展热点生物陶瓷材料发展重点

目录生物陶瓷材料现实状况与发展第2页生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定生物或生理功效一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关生物、医用、生物化学等陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程陶瓷材料统称为生物陶瓷。

生物陶瓷材料概述第3页生物材料发展历程

当今人类社会使用材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织代替物,并在应用中取得了宝贵经验、教训。回顾历史,可分为几个阶段。18世纪,主要采取天然材料作为骨修复材料,如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。——人工骨研究启蒙阶段第4页生物材料发展历程

当今人类社会使用材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织代替物,并在应用中取得了宝贵经验、教训。回顾历史,可分为几个阶段。

约19世纪前,因为冶金技术和陶瓷制备工艺发展,开始用纯金、纯银、铂等贵金属。——自然发展阶段第5页生物材料发展历程

当今人类社会使用材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织代替物,并在应用中取得了宝贵经验、教训。回顾历史,可分为几个阶段。20世纪中叶以前,因为冶金进步,钴铬铝合金年、纯钛和钛合金年等被应用到人工骨领域,开始有目标地探索新材料,有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床,并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论研究还很不深人。——探索阶段第6页生物材料发展历程20世纪60年代初,在新技术革命浪潮推进下,材料科学快速发展。人们开始有目标、有计划地探索、发觉和合成新材料,其中最有代表性生物陶瓷研究和应用取得了突飞猛进发展。生物陶瓷发展即使还不到年,也一样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导,随即是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状氧化铝等。其后是生物活性陶瓷,包含生物玻璃,经基磷灰石和玻璃陶瓷类。

自20世纪70年代起,生物陶瓷显露头角,世界各国相继开展了理论和应用研究,而且不停取得突破性进展。

——快速发展阶段第7页

生物材料学是一个崭新领域，但生物材料本身却有着古老历史，只是它在当代才取得了快速发展。追溯生物材料历史，不得不提到人工器官．人工器官研究实际上是个古老命题。生物材料发展历程

自20世纪70年代起,生物陶瓷显露头角,世界各国相继开展了理论和应用研究,而且不停取得突破性进展。

公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称为原始生物材料。墨西哥印第安人使用木片修补受伤颅骨。公元前2500年前中国、埃及墓葬中就发觉有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损牙齿。第8页生物材料发展历程文件记载，1588年人们就用黄金板修复颚骨。1775年，就有用金属固定体内骨折记载。第9页生物材料发展历程1800年有大量相关应用金属板固定骨折报道。1808年初成功制成了用于镶牙陶齿。1809年有些人用黄金制成种植牙齿。第10页生物材料发展历程1851年，报道使用硫化天然橡胶制成人工牙托和颚骨。1871年，羟基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料。1926年，Bassett用X-射线衍射分析发觉骨和牙矿物质与羟基磷灰石X射线谱相同。1928年，Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料。第11页生物材料发展历程1930年，Naray-Szabo和Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石结构。1937年，牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲酯。

二战期间，人们开始试验用聚乙烯塑料制造血管替换材料。1958年，外科医生尝试用涤纶仿造动脉血管。1963年在生物陶瓷发展史上是主要一年，该年Smith汇报发展了一个陶瓷骨替换材料。因为技术方面限制，直到1971年才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用。第12页1974年，Hench在设计玻璃成份时，曾有意识地寻求一个轻易降解玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿替换物时，发觉有些材料中组织能够和生物体内组分相互交换或者反应，最终形成与生物体本身相容性质，组成新生骨骼和牙齿一部分。这研究结果，很快得到了各国学者高度重视。

早在1969年，Talbert就将不一样孔隙率颗粒状Al2O3陶瓷作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗股骨中进行试验，发觉多晶氧化铝陶瓷对包含生物环境在内任何环境都展现惰性及其优越耐磨损性和高抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早取得临床应用生物惰性陶瓷材料。生物材料发展历程第13页生物材料发展历程中国20世纪70年代早期开始硕士物陶瓷，并用于临床。1974年开展微晶玻璃用于人工关节研究。1977年氧化铝陶瓷在临床上取得应用。1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不停出现，并应用于临床。第14页生物陶瓷材料分类依据种植材料与生物体组织反应程度，可将种植类陶瓷分为两类：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料第15页生物陶瓷材料分类生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小。如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、等。这类陶瓷材料结构都比较稳定，分子中键力较强，而且都含有较高机械强度、耐磨性以及化学稳定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr氧化物应用最为广泛。1、生物惰性陶瓷材料第16页生物惰性陶瓷早在1969年，Al2O3

陶瓷就作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗股骨中进行试验，发觉多晶氧化铝陶瓷对包含生物环境在内任何环境都展现惰性及其优越耐磨损性和高抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早取得临床应用生物惰性陶瓷材料。当前氧化铝陶瓷材料已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根制作方面。——氧化铝陶瓷材料第17页氧化铝陶瓷植入人体后，体内软组织在其表面生成极薄纤维组织包膜，在体内可见纤维细胞增生，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。单晶氧化铝陶瓷机械性能更优于多晶氧化铝，适合用于负重大、耐磨要求高部位。不过因为Al2O3属脆性材料，冲击韧性较低，且弹性模量和人骨相差较大，可能引发骨组织应力，从而引发骨组织萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤，且不能直接与骨结合。

——氧化铝陶瓷材料生物惰性陶瓷第18页生物惰性陶瓷当前，国外相关学者经过各种方法，使Al2O3

陶瓷在韧性和相容性方面取得了显著提升。如在陶瓷表面涂上骨亲和性高陶瓷，尤其是能和骨发生化学结合磷灰石，已经制造出愈加先进人工关节。经过相变或微裂等增韧方法，也能够提升材料韧性。近年，氧化锆陶瓷因为其优良力学性能，尤其是其远高于氧化铝瓷断裂韧性，使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修复体方面取得了较大研究进展。

——氧化铝陶瓷材料第19页生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面特征影响了该材料在骨缺损修复中应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，妨碍了材料与骨结合，也影响材料骨传导性，长久滞留体内产生结构上缺点，使骨组织产生力学上微弱。生物惰性陶瓷缺点第20页生物陶瓷材料分类生物活性陶瓷包含表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢靠键合。生物吸收性陶瓷特点是：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨生长。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几个。2、生物活性陶瓷材料

第21页生物活性陶瓷材料羟基磷灰石（hydroxyapatite），简称HAP，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，因为生物体硬组织(牙齿、骨)主要成份是羟基磷灰石，所以有些人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。含有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一个临床应用价值很高生物活性陶瓷材料，引发了广泛关注。

——羟基磷灰石陶瓷材料第22页HAP涂层钛基牙种植体是一个安全、方便听小骨缺损替换品，适合用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形患者作听小骨置换手术。

HAP生物陶瓷听小骨置换假体第23页生物活性陶瓷材料羟基磷灰石主要缺点在于本身力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床广泛应用，同时也促使人们研究HAp系列各种复合材料，以期取得力学性能优良、生物活性好生物医学复合材料。（1）羟基磷灰石与金属相结合。（2）羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合。（3）羟基磷灰石与有机物相复合。——羟基磷灰石陶瓷材料第24页生物活性陶瓷材料当前广泛应用生物降解陶瓷为β-磷酸三钙(简称β-TCP)，是磷酸钙一个高温相。与HAp相比，TCP最大优点在于更易于在体内溶解，植入机体后与骨直接融合而被骨组织吸收，是一个骨重建材料。可依据不一样部位骨性质不一样及降解速率要求，制成含有一定形状和大小中空结构构件，用于治疗各种骨科疾病。——磷酸三钙陶瓷材料

第25页生物活性陶瓷材料磷酸钙陶瓷主要缺点是其脆性较高，难以加工成型或固定钻孔。致密磷酸钙陶瓷能够经过添加增强相提升它断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷即使可被新生骨长入而极大增强，不过在再建骨完全形成之前，为及早代行其功效，也必须对它进行增韧补强。——磷酸三钙陶瓷材料

第26页生物陶瓷特点及利用生物陶瓷因为是高温处理工艺所成无机非金属材料，所以含有金属、高分子材料无法比拟优点：1）因为它是在高温下烧结制成，其结构中包含键强很大离子键或共价键，所以含有：良好机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳定。在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能，不易产生疲劳现象，和人体组织亲和性好，所以能满足种植学要求。第27页生物陶瓷特点及利用弹性模量为20GPa，抗弯强度高达275-620MPa韧性好。

碳双叶瓣人工心脏瓣膜第28页生物陶瓷特点及利用2）陶瓷组成范围比较宽，能够依据实际应用要求设计组成，控制性能改变。比如可降解生物陶瓷在体内不一样部位使用中，希望能针对被置换骨生长特点取得含有不一样降解速度陶瓷。不然，当降解速度超出骨生长速度时,就会产生“死区”，影响修复。假如向这类材料中添加适当百分比非降解性生物陶瓷，就能调整降解速度，满足临床要求。第29页

脊柱侧弯，后路矫正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二军医大学、长征医院骨科第30页生物陶瓷特点及利用3）陶瓷轻易成型，可依据需要制成各种形态和尺寸如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采取特殊工艺还能够得到尺寸精密人工骨制品。第31页人造骨关节第32页生物陶瓷特点及利用4）后加工方便。通常认为陶瓷极难加工，但随陶瓷加工设备和技术进步，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前高温流动性，可制成精密铸造玻璃陶瓷。5）易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。

第33页生物材料发展热点近20年来,试图仿制天然生物材料、利用生物学原理设计和制造仿生物材料,已成为生物材料研究领域极为活跃前沿研究方向。

生物活性陶瓷含有良好生物相容性和生物活性,能与活性骨形成化学结合,但它是脆性材料,限制了在一些条件下应用。近年来发展起来仿生法模仿了自然界生理磷灰石矿化机制,使磷灰石层在类似于人体环境条件水溶液中自然沉积出来。

1、仿生材料第34页生物材料发展热点纳米技术在世纪年代得以快速发展,因为纳米材料含有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特性能,使纳米材料展现出辽阔应用前景。近年来,纳米技术在生物材料领域应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替换材料制造及临床应用领域有辽阔应用前景。英国成功地合成了模拟骨骼亚结构纳米物质,该物质有望取代当前骨科惯用合金材料,而且不易骨折,并能与正常骨组织连接紧密。2、纳米技术应用第35页生物材料发展热点传统氧化物陶瓷是一类主要生物医用材料,不过因为工艺上原因,普通陶瓷极难防止材料脆性等问题。因为纳米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中内在气孔和缺点尺寸大大降低,材料不易造成穿晶断裂,有利于提升材料韧性和强度,而伴随晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加,有利于晶粒间移动,这使纳米陶瓷表现出独特超塑性。2、纳米技术应用第36页生物材料发展重点生物医用复合材料依据应用需要进行设计,由基体材料与增强材料或功效材料组成。惯用基体材料：有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷、医用不锈钢、钻基合金等医用金属材料。增强材料有：碳纤维、不锈钢或钻基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体,另外还有氧化错、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。3、复合材料第37页生物陶瓷材料发展重点1、提升现有生物陶瓷可靠性,提升其强度,降低杨氏模量,改进韧性,最有希望路径是研制复合材料,如金属一陶瓷复合,陶瓷