温大新型无机材料课件08生物材料

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章生物材料新的乐章第8

章生物材料生物材料

生物材料(biomaterials)是用于与生命系统接触并发生相互作用，能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料。

其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学，解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。生物材料有人工合成和天然材料,有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。第8

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6.1生物材料的发展简史

人类利用天然物质和材料治病已有很长的历史。公元前5000年，古代人用黄金修复失牙。公元前3500年，古埃及人用棉花纤维、马鬃等缝合伤口。墨西哥印第安人用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年，在中国和埃及人的墓葬中已发现有假手、假鼻、假耳等人工假体。公元前400~300年，腓尼基人已用金属丝结扎法修复牙缺损。公元2世纪已有使用麻线、丝线结扎血管制止静脉出血的记载。我国在隋末唐初就发明了补牙用的银膏，成分是银、锡、汞与现代龋齿充填材料—汞齐合金相类似。第8

章生物材料最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属，原因是它们都具有良好的化学稳定性和易加工性能。1829年通过对多种金属的系统动物实验，得出了金属铂对机体组织刺激性最小的结论。

1851年发明天然橡胶的硫化法后，开始用天然高分子硬橡木制作的人工牙托和额骨进行临床治疗。

1892年将硫酸钙用于充填骨缺损，这是陶瓷材料植入人体的最早实例。

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章生物材料生物材料取得实质性进展则始于20世纪20年代。

1926年，含18%铬和8%镍的不锈钢先后用于骨科、口腔科治疗。

1934年，研制出耐腐蚀性能明显提高的高铬低镍单相组织的AISI302和304不锈钢。

1952年，耐蚀能力更强的AISI316不锈钢在临床获得应用，并逐渐取代了AISI302不锈钢。为了解决不锈钢的晶间腐蚀问题，在60年代研制出超低碳不锈钢AISI3061和317L，并制定了相应的国际标准。这两种奥氏体不锈钢因具有良好的生物相容性和综合力学性能而得到了广泛应用。在不锈钢发展的同时，钴基合金作为生物材料也取得很大进展。最先在口腔科得到应用的是铸造钴铬钼合金，20世纪30年代末又被用于制作接骨板、骨钉等内固定器械。50年代又成功地制成人工髋关节。60年代，为了提高钴基合金的力学性能，又研制出锻造钴铬钨镍合金和锻造钴铬铂合金，并应用于临床。为了改善钴基合金抗疲劳性能，于70年代又研制出锻造钴铬钼钨铁合金和具有多相组织的MP35N钴铬钼镍合金，并在临床中得到应用。第8

章生物材料在不锈钢和钴基合金成功地用于临床的同时，金属钛因具有优异的耐蚀性和生物相容性，且密度低而引起广泛的注意。

20世纪40年代已用于制作外科植入体，50年代用纯钛制作的接骨板与骨钉己用于临床。随后，一种强度比纯铁高，而耐蚀性和密度与纯钛相仿的Ti6Al4V合金研制成功，有力地促进了钛的广泛应用。

70年代又相继研制出含间隙元素极低的ELITi6Al4V合金、Ti5Al2.5Sn合金和钛钼锌锡合金，从而使钛与钛合金成为继不锈钢与钴基合金之后又一类重要的医用金属材料。70年代后，随着形状记忆合金的发展，以M-Ti系为代表的形状记忆合金逐渐地在骨科和口腔科得到应用，并成为医用金属材料的重要组成部分。此外，还有钽、铌、锆和一些磁性材料在临床医学也得到一些应用。第8

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高分子材料作为生物材料的发展略晚于金属材料。虽然有机玻璃和赛璐珞薄膜先后于20世纪30年代和40年代就应用于临床，但医用高分子材料取得广泛应用则始于50年代有机硅聚合物的发展。60年代初，聚甲基丙烯酸甲脂(又称骨水泥)开始用于髋关节的修复，有力地促进了医用高分子材料的发展。从80年代起，随着高分子化学工业的发展，医用高分子材料逐渐地成为生物材料发展中最活跃的领域。一些重要的医疗器械与器材，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾用透析膜、心脏起搏器、植入型全人工心脏、人工肝、肾、胰、膀胱，皮、骨、接触镜、角膜、人工晶体、手术缝合线等相继研制成功，并得到了广泛应用，有力地促进了临床医学的发展。

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生物陶瓷作为生物材料的研发始于20世纪60年代初。

1963~1964，多晶氧化铝陶瓷→骨矫形和牙种植。

1967年，低温各向同性碳成功地应用于临床。

1969年生物玻璃研制成功。

1971年，羟基磷灰石陶瓷获得了临床应用，从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元。

80年代，生物陶瓷复合材料研究重点是在保持生物陶瓷良好的生物相容性条件下，提高其韧性与抗疲劳性，改善其脆性。

90年代，生物陶瓷的一个重要研究方向是与生物技术相结合，在生物陶瓷构架中引入活体细胞或生长因子，使生物陶瓷具有生物学功能。第8

章生物材料人体绝大多数组织的结构均可视为复合材料，故用单一的医用金属材料、医用高分子材料或生物陶瓷来修复人体组织时难以满足临床应用的要求，由此推动了医用复合材料的研发，从而成为20世纪70年代后生物材料发展中最活跃的领域之一。如果说以前生物材料与其他材料一样均属于无生命材料的话，那么进入21世纪后借助于生物技术与基因工程的发展，己由无生物存活性的材料领域扩展到具有生物学功能的材料领域，其基本特征在于具有促进细胞分化与增殖、诱导组织再生和参与生命活动等功能。这种将材料科学与现代生物技术相结合，使无生命材料生命化，并通过组织工程实现人体组织与器官再生与重建的新型生物材料已成为现代材料科学新的研究前沿。其中具有代表性的生物分子材料(biomoleculematerials)和生物技术衍生生物材料(biotechnologicallyderivedbiomedicalmaterials)的研究已取得重大进展。第8

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目前被详细研究过的生物材料已超过1000种，被广泛应用的有90多种，1800多种制品。西方国家每年耗用生物材料量以10~15%的速度增长，1980年全球医用生物材料及制品的销售额为200亿美元，1990年达500亿美元，1995年近1000亿美元。我国生物材料的研究起步较晚（五十年代），但发展很快。第8

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8.2

生物材料的分类按材料属性、功能、来源和使用部位、使用要求分类。

1.按材料属性分类（4）

(1)生物医用金属材料

不锈钢，钴基合金和钛基合金等三大类，此外，还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。

(2)生物医用高分子材料

它分为非降解型和可生物降解型两类。它主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、胶黏剂和管腔制品等方面，主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯等，还可用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。第8

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(3)生物陶瓷(惰性生物陶瓷、活性生物陶瓷和功能活性生物陶瓷)它包括陶瓷、玻璃、碳素等。它们化学性能稳定，生物相容性良好。最初的生物惰性、生物活性陶瓷，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性、而现在组织力学适应性和能参与生物体物质、能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。功能活性生物陶瓷是一个新概念，它主要包括以下两类：a.模拟性生物陶瓷材料,b.带有治疗功能的生物陶瓷复合材料

(4)生物医用复合材料

根据材料植入体内后引起的组织反应类型和水平，它又分为近于生物惰性的、生物活性的、可生物降解和吸收等类型。第8

章生物材料2.按材料的生物性能分类它分为生物惰性、生物活性、生物降解和生物复合材料四类。（1）生物惰性材料（生物陶瓷类和医用合金）它是指在生物环境中能保持稳定，不发生或仅发生微弱化学反应的生物医学材料。生物惰性材料主要包括以下5类。

①氧化物陶瓷（氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷）氧化铝陶瓷中以纯刚玉及其复合材料的人工关节和人工骨为主，具体包括纯刚玉双杯式人工髋关节；纯刚玉-金属复合型人工股骨头；纯刚玉一聚甲基丙烯酸酷一钴铬钼合金铰链式膝关节；其他人工骨、人工牙根等。

②玻璃陶瓷该材料主要用来制作部分人工关节。

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③Si3N4陶瓷

该类材料主要用来制作一些作为替代用的较小的人工骨，目前还不能用作承重材料。④医用碳素材料

它主要用于制作人工心脏瓣膜等人工脏器以及人工关节等。⑤医用金属材料

它是目前人体承重材料中应用最广泛的材料，在其表面涂上活性生物材料后可增加它与人体环境的相容性，同时它还能制作各类其他人体骨的替代物。第8

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（2）生物活性材料（4）它是一类能诱出或调节生物活性的生物医学材料。羟基磷灰石是一种典型的代表，由于人体骨的主要无机质成分为该材料，故当将其植人体内时不仅能传导成骨，而且能与新骨形成骨键合。在肌肉、韧带或皮下种植时，能与组织密合，无炎症或刺激反应。①羟基磷灰石它是目前研究最多、最有代表性的生物活性材料，在近代生物医学工程学科领域一直受到人们的密切关注。羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，结构也非常相近，与动物体组织的相容性好、无毒副作用，界面活性优于各类医用钛合金、硅橡胶及植骨用碳素材料，因此可广泛应用于生物硬组织的修复和替换材料，如口腔种植、牙槽脊增高、耳小骨替换，脊椎骨替换等多个方面。第8

章生物材料②磷酸钙生物活性材料有磷酸钙骨水泥和磷酸钙陶瓷纤维两类，前者是一种广泛用于骨修补和固定关节的新型材料，有望部分取代传统的有机骨水泥，国内研究抗压强度已达60MPa以上；后者具有一定的机械强度和生物活性，可用于无机骨水泥的补强及制备有机与无机复合型植入材料。③磁性材料生物磁性陶瓷材料主要为治疗癌症用磁性材料，它属于功能性活性生物材料的一种。把它植入肿瘤病灶内，在外部交变磁场作用下，产生磁滞热效应，导致磁性材料区域内局部温度升高，借以杀死肿瘤细胞，抑制肿瘤的发展。④生物玻璃生物玻璃主要指微晶玻璃，包括生物活性微晶玻璃和可加工生物活性微晶玻璃两类，该方向的研究已成为生物材料的主要研究方向之一。第8

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（3）生物降解材料它是指那些在被植入人体以后,能够不断的发生分解，分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料。它主要包括β-TCP生物降解陶瓷和生物陶瓷药物载体两类。前者主要用于修复良性骨肿瘤或瘤样病变手术刮除后所致缺损；而后者主要用作微药库型载体，可根据要求制成一定形状和大小的中空结构，用于各种骨科疾病。

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8.3生物材料的特征与评价

材料作为生物医学材料使用，除了应具有必要的理化持性外，还需满足在生理环境下工作的生物学要求，即应有良好的生物相容性，这是生物医学材料区别于其他材料的基本特征。

一、组织反应

材料与机体组织的直接接触与相互作用而产生两种反应:(1)宿主反应机体组织与生物活体系统对材料作用的反应；

(2)材料反应即材料对机体生理环境作用的反应。这种反应可用如图形式较直观地表达。

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(1)宿主反应

通常分为五类:局部组织反应，全身毒性反应，过敏反应，致癌、致畸、致突变反应和适应性反应。

局部组织反应是机体组织对植入手术创伤的一种急性或炎性反应，是最早的宿主反应，其反应程度取决于创伤的性质、轻重和组织反映的能力，并受患者年龄、体质、防御系统的损伤、药物用于体内维生素缺乏程度等影响。

全身毒性反应通常是由于植入材料或器件在加工和消毒过程中吸收或形成的低分子量产物在机体内渗出或因生理降解所产生的毒性物质所引发的一种反应。一般分为急性和慢性两种，其中慢性毒性反应是因低分子材料在机体内缓慢释放和生理降解毒性产物所引发的。

过敏反应比较少见，但其产生的机理与全身毒性反应相同。

致癌、致畸、致突变反应一般属于慢性反应，其中致癌反应是因材料中含有致痛物质或材料在体内降解中产生的致癌物质所致。

适应性反应属于慢性和长期性反应，其中包括机械力对组织与材料相互作用的影响。第8

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(2)材料反应

它包括生理腐蚀、吸收、降解与失效等反应。

生理腐蚀是材料在生理环境作用下的一种腐蚀，这种生理腐蚀对医用金属材料尤为重要，因为人体体液是含约1%氯化钠的充气溶液，此外还含有其他类型的盐、有机化合物、血液、淋巴液与酶等，在37℃体温下对金属材料是一个相当强的腐蚀环境，可产生多种类型的腐蚀，如均匀腐蚀、点蚀，电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨蚀、腐蚀疲劳和应力腐蚀等。生理腐蚀可引起金属从植入体表面脱落，导致过敏反应。生理腐蚀过程中产生的金属离子和腐蚀产物会引起局部组织反应或全身毒性反应。用医用金属材料制作的承载部件在生理环境中容易发生应力腐蚀和腐蚀疲劳，导致部件损伤与失效。因此，对于医用金属材料来讲，其发展历史实际上是寻求能耐生理腐蚀的金属材料的历史。

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吸收是材料在体液或血液中因吸收某些成分而改变其性能的过程。这种吸收过程是慢性和远期反应。

如人工心瓣膜支架在血液中因选择性吸收血液中的类脂化合物而变色、鼓胀和开裂，不过借助于支架表面改性或材料表面复合可使吸收现象得到控制。在生理环境中，吸收可使某些医用材料产生塑化反应，导致材料的弹性模量降低和屈服应力升高，但是，生理环境对材料也有浸析作用，例如通过对聚合物中的增塑剂的浸析，也可使材料的弹性模量提高和屈服应力降低。第8

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降解与失效是材料在生理环境中两个重要的材料反应。

生物降解是材料在生理环境作用下发生结构破坏与性质蜕变的一个过程。

发生降解的材料:

a.可降解生物陶瓷:硫酸钙、β-磷酸三钙等；

b.可降解高分子材料:如天然的蛋白质(或聚肽)、交联明胶等；还有人工合成的聚乳酸、聚乙醇酸以及它们的共聚物等。

生物降解材料的基本条件:

降解产物应对机体无毒性，能参与体内的代谢循环。利用这些材料的降解特性可制造可吸收的手术缝合线、骨折内固定器、骨缺损填料和药物缓释的载体，这是降解有利的方面。第8

章生物材料但是，作为机体组织修复的替代材料，则要求在生理环境中能保持长期的化学稳定性，不希望发生降解或吸收。这种非降解型材料在生理环境条件下比较少见，绝大多数材料都或多或少地发生降解。最容易降解和失效的是医用高分子材料，陶瓷与金属材料也可能通过降解而失效。导致材料在生理环境中失效的途径：除降解外，还有磨损，生理腐蚀、吸收和机械力作用等。第8

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二、生物相容性

生物材料在与机体组织发生直接接触与相互作用时会产生有损伤机体的宿主反应和有损坏材料性能的材料反应，因此，对于一种合格的生物材料，既要求所引起的宿主反应能够保持在可接受的水平，又要求其材料反应不至于造成材料本身发生破坏。这种对材料在生理环境条件下应具有的特殊性能要求通常用生物相容性(biocompatibility)来表征。

生物相容性是指材料在生理环境中使用引起适当的宿主反应和产生有效作用的能力。第8

章生物材料根据材料使用目的与要求，生物相容性分为三类：（1）血液相容性，主要考察植入心血管系统的材料与血液相互作用的水平；（2）组织相容性或一般的生物相容性，主要考察植入机体组织的材料与体液相互作用的水平；（3）生物降解吸收性

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1.

血液相容性它指材料与血液接触时，不发生溶血和凝血。材料的抗血栓性能直接与其表面结构相关，具有抗血栓性能材料的表面结构特征有：（1）带负电荷表面（2）具亲水性或疏水性均衡的表面（3）具微相分离结构表面（4）具接枝或涂覆抗凝血物质表面（5）伪内膜形成表面

2.组织相容性

组织相容性是指材料与血液以外的生物组织接触时，材料本身的性能满足使用要求而对生物体无刺激性，不使组织和细胞发生炎症、坏死和功能下降，并能按照需要进行增殖和代谢。第8

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3.生物降解吸收性

生物降解吸收性是指材料在活体环境中可发生速度能控制的降解，并能被活体在一定时间内自行吸收代谢或排泄。这类材料用于只需要暂时存在体内最终应降解消失的治疗中，如吸收型缝合线、药物缓释基材料、导向药物载体、医用胶粘剂、人造血浆等。按照在生物体内降解方式可分为水解型和酶解型两种。水解型：合成的聚酚、聚酐和聚原酸酯、聚乙内酯等。酶解型：大多数天然高分子聚氨基酸(多肽)、交联的白蛋白、骨胶原、明胶等。它们都是在37℃，近中性的活体环境中降解，其降解产物对机体无毒无刺激性，可直接排出体外或被吸收进一步参与生物体的新陈代谢。第8

章生物材料三、生物相容性评价

为了确保生物材料与制品临床应用的安全性，必须遵照审批手续，在试生产与临床使用前严格按照有关生物学性质评价规程和方法进行材料生物相容性的侧试与评价。国际标准化组织ISO／TC194生物学评价技术委员会根据生物材料与制品在机体内的使用部位和时间的不同制定了分类标准和需要进行的生物学检测项目，并要求参照有关标准试验方法进行测试。生物学试验结果的判断多无绝对的标准，通常是使用参照（对比）材料在相同条件下进行试验，将试验材料和参照材料引起的宿主反应和材料反应水平进行对比来作出结论。所谓参照材料，是按标准方法试验能够重现符合要求结果的材料。第8

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标准试验是可重复性试验，其程序一般由简到繁，由体外到体内，先动物后人体。体外试验包括材料溶出物测定、溶血试验、细胞毒性试验等。

溶血试验通常是使受试材料与血液细胞直接接触一定时间后测定红细胞释放出的血红蛋白量，以此判断材料的溶血作用。

细胞毒性试验是通过细胞与试验的直接接触来观察材料对细胞生长的抑制和对细胞形态的改变。

体外试验是用于生物材料的初期筛选，以便早期淘汰有毒性的材料。体内试验经体外试验合格的材料可进行动物体内试验。检测的项目有急性全身毒性试验、刺激试验、致突变试验、肌肉埋植试验、致敏试验、长期体内试验等。第8

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急性全身毒性试验是将一定量的试验材料浸提液注射到小白鼠体内，在规定的时间内观察小白鼠致残情况。

刺激试验是将试验材料与有关组织接触，或将材料的侵提液注入有关组织内，观察组织是否出现红肿、出血、变性、坏死等症状及反应程度。

致突变试验是常用的Amas突变试验。

肌肉埋植试验多用于植入材料的评价，以了解材料的组织反应。

上述动物体外与体内试验是非功能性试验，侧重于考察材料与植入环境的化学与生物成分之间的相互作用，是评价生物相容性最基本的试验。

非功能性试验完成后，需要在动物体内进行功能性或“使用”状态的试验，其目的在于考察用于人体的种植部件在种植部位的情况，以检验其设计是否合理。第8

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动物试验完成后，可以在人体进行临床初试，以考察植入材料与部件实际使用的情况，最后进行人群试验，以便作出总的评价。决定生物相容性的因素是复杂的，且相互影响。因此，研究评价生物相容性标准与标准方法一直是生物材料研究的重要组成部分。第8

章生物材料四、效果显示功能

在医药学方面，作为人工器官、组织、药物载体、临床检查诊断和治疗用材料，除要求与生物体相互适应、融合共存外，还必须具有显示其医用效果的功能，即生物功能性。由于使用的目的、各种器官在生物体内所处的位置和功能不同，对材料的要求也各有侧重。（1）可检查、诊断疾病。作生物传感器、医疗测定仪器零件和检查用材料应具备这种功能。如将由梅毒心磷脂、胆淄醇和卵磷脂组成的抗原材料固定在醋酸纤维膜上形成免疫传感器，可感知血清中梅毒抗体发生反应，产生膜电位，从而用来诊断梅毒。

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（2）可辅助治疗疾病如注射器、缝合线和手套等手术用品材料。（3）可分别满足各脏器对维持或延长生命功能的性能要求。例如，作为人工肾脏的材料，要有高度的选择透过功能；作为人工心脏和人工血管材料，要具有高度的机械性能和耐疲劳性能；作为人工皮肤材料，要具有细胞亲和性和透气性；作为人工血液，要具有吸、脱氧功能；作为人工晶体（玻璃体），要有适度的高含水率和高度的透光性能。（4）具备支持活体、保护软组织、脑和内脏的功能等。如人工关节，人工骨骼、人工耳、人造肌健、人造齿根、人造肌肉、人造修补材料等。

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（5）具备可改变药物吸收途径，控制药物释放速度、部位，并满足疾病治疗要求的功能。如药用高分子材料作为药物控释体系的载体，可以控制药物的释放速度，增加药物对器官组织的靶向性，提高疗效，降低毒副作用。将低分子药物与高分子材料（特别是生物降解性材料）共价结合修饰的高分子药物改变了低分子药物代谢快，血液浓度不恒定，无靶向性的缺点，在抗癌药物设计、研究、开发和应用中具特殊的重要意义。

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8．4生物材料的合成与应用一、生物陶瓷材料它分为生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物复合陶瓷三类

过去医用陶瓷材料主要用作人体硬组织材料。现在利用新开发的模拟生物过程和离子注入新技术，在聚合物表面形成类骨磷灰石层，所得陶瓷材料具有良好的生物活性和延展性，不仅可替代硬组织，而且可替代软组织。对于骨病切除后的骨缺损治疗中，为避免肿瘤切除不彻底引起转移和复发或术后感染，可以使用特制的生物活性磁性微晶玻璃、耐化学腐蚀的放射性玻璃和载有肿瘤药物或抗菌药物的缓释体生物陶瓷，达到恢复功能和防治疾病复发的双效功能。

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1.生物陶瓷材料的应用第8

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2．生物陶瓷材料的特点

（1）在人体内材料理化性能稳定，长期使用不变质，有良好组织相容性，满足种植学要求。（2）陶瓷的成分组成范围较宽，可根据应用要求设计成分配方，控制材料性能变化达到临床要求。（3）易于成形。可按实际需要制成各种形状和尺寸。如颗粒形、柱形、管形、致密型和多孔型，也可制成骨钉、骨夹板，甚至制成牙板、关节、颅骨、精密的人工骨制品等。（4）易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。

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3．氧化铝陶瓷材料（l）组成与性质

氧化铝陶瓷是传统的生物材料。纯氧化铝有α－Al2O3、β－Al2O3。α－Al2O3

为六方晶系结构，是最稳定的一种，纯度很高（99.5％～99.9％），密度为3.95g／cm3，具有高硬度、高强度、高熔点，优越的耐腐蚀性能和良好的生物相容性。在作为人体材料使用时，其压缩强度和耐磨性能远优于其他无机质人工骨、人工齿根材料。在与机体接触时，氧化铝材料由于表面AlOH的存在，使机体隔着OH层与材料接触，改善了二者的亲和性，但因质脆，限制了其应用。为改善Al2O3的韧性和抗震性，可以在Al2O3材料中加入其他化合物或金属元素，形成复合性的Al2O3陶瓷材料。

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章生物材料（2）制备方法

医用氧化铝陶瓷是由纯度高，均匀性好，颗粒微细（1＜pm)的氧化铝粉末原料经陶瓷制造技术加工成形。制备Al2O3粉末是氧化铝陶瓷制品生产工艺中的首要步骤，制备方法主要有焙烧法、热分解法、水解法、放电法等。

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章生物材料（3）应用

1963年用作矫形材料，此后在临床上逐渐推广用于人造骨、人造关节的制作，它分为单晶和多晶体（烧结体）两种，多晶又有多孔体和致密体。①人造齿根

②人造骨及人造关节第8

章生物材料③单晶氧化铝材料的应用单晶Al2O3的许多性能如机械强度、硬度、耐酸碱性、生物相容性、在体内的安定性、耐磨损性等都优于Al2O3多晶陶瓷。最显著的差别还是体现在机械强度方面，因而在医学领域和人造宝石方面获得特殊应用。在临床医学中，无色透明的α-Al2O3单晶材料，用于要求高强度、耐磨损、耐腐蚀部位，如制作各种人工关节柄，作为损伤骨的内固定材料如人工骨螺钉（性能优于金属骨螺钉）和移种植异齿。在使用时Al2O3

表面水化后与生物体的蛋白质和糖原蛋白形成稳定的氢键缔合结构，增强了种植异齿材料与牙龈粘膜结合能力，在齿科方面的应用引起了全世界的关注，许多国家已大量用于临床。第8

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4．羟基磷灰石

（1）组成与性质羟基磷灰石（简称HAP）分子式为[Ca10(PO4)6(OH)2]

。密度为3.16g／cm3，性脆。微溶于纯水，呈弱碱性（PH=7～9），易溶于酸而难溶于碱。

HAP是强离子交换剂，分子中Ca2+易被Cd2+、Hg2+等有害金属离子和Sr2+、Ba2+、Pb2+等重金属离子置换，还可与含羧基（COOH）的氨基酸、蛋白质、有机酸等交换反应。按照分子式计算HAP的理论Ca／P值为1.67，但由于受到制造过程的影响，其组成相当复杂，Ca／P比值有变化。

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HAP是脊椎动物的骨和齿的主要成分，如人体骨的成分中合约65％的HAP，人牙齿的珐琅质表面则含HAP在95％以上。与其他的生物材料相比，人工合成HAP陶瓷的机体亲和性最为优良，置入人体后不会引起排斥反应，毒性试验证明HAP是无毒性物，因而应用广泛，成为医用生物陶瓷的“明星”。

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章生物材料（2）制备

HAP的合成原料是钙盐和磷酸盐，常用的合成方法有干法、湿法、水热法等（见下表）。第8

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将上述结晶状磷灰石粉末通过常压或热压等方法进行烧结，得HAP烧结体。再用超声波铣床对其进行加工等后期处理，便可制造出人造齿根和人造骨、关节等。该HAP陶瓷产品耐压强度为490.3～886MPa，弯曲强度是196.1MPa，远比自然骨优良。

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章生物材料（3）HAP的应用

HAP可以采取粉粒状体或烧结体形式使用。

HAP粉状体用作牙膏添加剂、牙齿胶凝剂和骨填充材料；

HAP烧结体主要用于制作人造齿根、人造颌骨、人造鼻软骨、皮肤内移植等。①人造齿根

因龋齿、齿糟脓瘘、意外事故（如体育、交通事故）等需连根拔牙的粒数，在世界范围内是惊人的，以美国为例，每年有5000万颗，日本也有3000万颗以上。选择HAP陶瓷制作人工牙根植入口腔的成功率高达95％以上，与前述单晶氧化铝材料制造齿根平分秋色。

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章生物材料②人造颌骨

临床上将HAP多孔体用于颌骨充填、再建成功率高，是口腔颌面修复方法之一。③人造鼻软骨

鼻梁缺陷（塌陷、不正、变形等），可以用HAP多孔体填入鼻梁部，改善鼻梁形态，起矫形美容之功效。④皮肤内移植

以HAP植入皮肤内后可长期稳定地固定并没有炎症细胞浸润，生物亲和性优于医用硅橡胶。

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章生物材料⑤牙膏添加剂

在牙膏配方中添加HAP制成的牙膏具有预防龋齿、减少齿垢（洁齿）的作用。这主要是因为HAP是一种特异性吸附剂，可以吸附除去引起龋齿的主要细菌链球菌等产生的胞外性多糖——葡聚糖。⑥人工中耳通气管材料

用HAP加少量添加剂，经特殊加工制成大、中、小3个型号的钮扣式生物陶瓷中耳通气管，临床用于50例分泌性中耳炎引流，具有高度生物相容性，与国外同类产品相比同样安全、可靠，无任何副作用，且价廉、实用，能明显改善听力。

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5．磷酸钙陶瓷材料（1）结构性质

磷酸钙（trlcalciumphosphate，缩写TCP），分子式Ca3(PO4)2，有高温型的α相单斜晶和低温型的β相菱形（六面体）晶两种，简称为α－TCP和β－TCP。

其中β－TCP的物理性能、机体亲和性、可溶性、生物降解性等与羟基磷灰石（HAP）最为相似，用作生物陶瓷材料。

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章生物材料（2）制备与HAP的制法相似，TCP的合成有干法和湿法。干法是在高温下进行粉末原料的固相反应；湿法是在室温下进行水溶液反应。

干法得到的β－TCP粉末，可经粉碎、烧结制得多孔陶瓷；湿法合成的微粉末，常用于制作高密度烧结体。例如在Ca（OH）2悬浮液中加入

H3PO4，待生成沉淀后加入氨水，制成Ca／P为1.5（物质的量比）的沉淀，将其先在800℃预烧，再常压烧结在1150～1300℃烧成高密度烧结体。

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章生物材料（3）应用

TCP植人人体后，在37℃，PH＞4.2生理条件下表面发生化学反应，反应升高了体液的PH值，从而加速TCP的溶解和HAP的形成，生物相容性好，临床上广泛用作骨科材料、牙根植体和中耳植入体等。①头盖骨或充填骨缺损材料

TCP和HAP在组成、结构、物理性能等方面非常相似，但其溶解速度比HAP要大一些，放在作人工骨料材料使用时，其骨置换速度要快，是常用的骨修复材料之一。如将TCP制作成多孔体，用作头盖骨，或用来充填骨缺损部位，将其置入人体后，新生骨慢慢长入烧结体的孔中，最终置换为自然骨。又如将TCP（a－TCP或β－TCP）、磷酸四钙（TECP）、羟基磷酸钙（HA）、第8

章生物材料二水磷酸氢钙（DCPD）等几种磷酸盐粉末加上调和剂组成磷酸钙骨水泥（calciumphosphatecement，CPC）是一种新型的骨修复材料，能在人体环境和温度下自行固化并准确塑形，并最终转化为HAP，是目前惟一能自行固化并产生骨再生效果和生物相容性的骨骼修复材料，已逐步试用于临床，成为当今生物材料研究的热点之一。②牙科材料作人工齿根材料，是将TCP涂在钛和钽等金属上，制作成人工齿根，其中心部位是金属材料，外层是TCP陶瓷和聚碳酸酯的复合材料。作牙根管充填材料，是以TCP粉末为主要成分，配制成根管充填糊剂，将其填充至由牙髓病和根尖周病引起的根管骨缺损部位，以诱导骨质再生，加速病变区愈合，而超过充填管的材料亦可被组织吸收。第8

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③缓释药物载体材料生物陶瓷材料用于骨修复时会有下列情况：①在骨瘤切除后的骨缺损治疗中，肿瘤细胞不一定清除干净，有可能局部转移从而导致治疗不彻底，旧病复发；②若待植入部位感染，治疗效果差。因此，近年来国外学者探索研究在磷酸钙骨水泥（CPC）中引入抗癌或消炎药，使药物定点缓慢释放，以达到骨修复与治疗的双重目的。

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6．生物玻璃陶瓷（1）组成性质生物活性玻璃（Bioglass）是在SiO2－Na2O系玻璃中添加大量的CaO及适量的P2O5制成的Na2O－CaO－P2O5－SiO2磷硅酸盐系玻璃。它出现在水溶液中形成稳定的表面凝胶体，具优良的生物亲和性，因而称为生物活性玻璃。其组成有如下表几种，其中以45S5成分的生物玻璃应用最广而有效。第8

章生物材料生物玻璃陶瓷是由生物活性玻璃控制微晶化处理制得的单晶或多晶磷灰石晶体。它在生物体内稳定，生物亲和性特别是人骨组织亲和性好。与生物活性玻璃相比，生物玻璃陶瓷具有致密的细晶结构，较高的机械强度和较低的溶解度。生物玻璃陶瓷材料良好的生物亲和性体现在：将其植入人（动物）体后，随修复时间的延长，在生理环境中，材料表面与组织界面发生作用，逐渐形成与骨组织能够化学键合的生物性羟基磷灰石（HAP）层，这种HAP层中的HAP部分PO3-4被CO2-3取代成羟基碳酸磷灰石（HCA），同时还含其他矿物和微量元素。这种与骨组织形成的紧密化学键结合层，能阻止种植材料被腐蚀，抗应力性能好。

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（2）制备生物玻璃制备工艺过程中的第1步为玻璃的合成，第2步为玻璃的成形以制成所要求的制品。玻璃的合成方法有气相法、溶液法和高温熔融法，目前最主要的是溶液合成法。溶液合成法是从溶液原料中合成玻璃。据所选取的主原料不同分为两种方法：一种方法是以无机硅酸盐为原料制出琼脂状硅酸的聚合体。再通过加热处理脱水，制成SiO2玻璃；另一种方法是以金属醇盐为原料，通过加水分解、脱水来制取（简称醇盐法）。

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章生物材料溶液合成法由于原料是溶液，容易精制，因此可制得高纯度玻璃，加之在液态下混合，即便是多组分也能充分混合得到匀质玻璃。此外，这种方法还有成形好的优点，可以制得块状、纤维状、棒状、管状、薄膜状或涂层等多种型式玻璃，因此应用面扩大。（3）应用目前，已商品化用于临床的生物玻璃陶瓷有45S5玻璃、磷灰石玻璃、磷灰石金云母玻璃、含磷灰石和硅灰石的微晶玻璃①作牙科和整形外科植入体与骨间的接合材料生物玻璃由于机械强度不高，不能直接作牙科和整形外科所用的植入体，但借助其良好的骨亲和性在体内形成与骨结合的HAP层，将生物玻璃涂覆在其他基体（如金属基体、有机第8

章生物材料高分子基体）上形成生物玻璃涂层，从而使植入体与骨之间很好地接合。最常用的生物玻璃涂覆材料是45S5玻璃，如316L不锈钢涂以45S5生物玻璃，Co－Cr合金涂以45S5生物玻璃等复合材料都已用于骨替换。②人工骨材料含磷灰石和硅灰石晶相的高强度生物活性玻璃陶瓷在体液中承受屈服应力60MPa可达10a以上，有很强的界面与人骨结合力，在临床上用作胯骨、假肢、脊椎骨材料和充填骨瘤切除后的骨缺损。③治疗癌症（a）磁铁玻璃陶瓷据报道由LiFe2O3和a－Fe2O3与Al2O3－SiO2－P2O5第8

章生物材料玻璃体复合物制得致密的磁铁玻璃微珠，具有热磁性。将其注射填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，外加交变磁场（频率为10kHz，强度为5000e），充填物因磁滞损耗而局部发热达43℃，可将癌细胞杀死，抑制骨瘤重新生长。（b）含放射元素的耐腐蚀玻璃陶瓷如Y2O3－Al2O3－SiO2玻璃，化学稳定性好，放射元素几乎不能溶出，但可以被激发和发射β射线。将这种玻璃微珠（直径为20～30μm）注射入活动肿瘤中，可产生局部（不对周围组织）大剂量放射线辐照，从而有效地杀死癌细胞。

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章生物材料二、生物金属材料主要有医用不锈钢、医用钴基合金、纯钛与医用钛合金、医用形状记忆合金和医用贵金属，此外还有医用钽、铌、锆医用磁性合金等。

1．医用不锈钢

不锈钢分为马氏不锈钢、铁素体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢和奥氏体不锈钢，后者已具有良好的耐蚀性能和重荷的力学性能而得到广泛的临床应用。

奥氏体不锈钢无磁性，不能通过相变使合金强化，但借助于冷加工方法可明显提高其力学性能。这类不锈钢均含有足够量的铬以保证其良好的耐腐蚀能力。

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碳含量高会引起不锈钢的晶间腐蚀，故超低碳AISI316L和317L不锈钢得到了广泛的临床应用。不锈钢器件植入体内，其合金元素会通过生理腐蚀和磨蚀而导致金属离子溶出，后者进入组织液会引起机体的一些不良反应。在一般情况下，人体组织只能容忍微量金属离子存在，因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金属离子溶出。医用不锈钢的合金元素多，且有强的负电性，能够变化其电子价态，并与体内的有机和无机物质化合而形成复杂的化合物，在铁、镍、铬、铝、钒等主要合金元素中，对机体组织影响比较清楚的是铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素。第8

章生物材料铬能与机体内的丝蛋白结合。机体过量富集镍有可能诱发肿瘤的形成。钒具有很强的细胞素性早已被试验所证实。通常医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏反应。第8

章生物材料医用不锈钢的临床应用

在骨科制作各种人工关节和骨折固定器，如人工滚关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节与指关节；各种规格的截骨连接器、加压板、鹅头骨螺钉；各种规格的皮质骨与松质骨加压螺钉、脊椎钉、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，亦用于骨折修复、关节置换、脊椎矫形等。

在口腔科用于镶牙、矫形和牙根种植等各种器件的制造，如各种牙冠、牙桥、固定支架、卡环、基托、正畸丝、义齿、颌面修复件等。

在心血管系统制作各种植入电极、传感器的外壳与导线、人工心瓣膜、介人性治疗导丝与血管内支架等。此外，医用不锈钢还用于制作各种宫内避孕环、眼科缝线、固定环、人工眼导线等。

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2．医用钴基合金

它包括钴铬铝合金、钴铬钨镍合金、钴镍铬铝钨铁合金和MP35N钴基合金及其烤瓷合金。医用钴基合金的生物相容性与其在机体的腐蚀行为密切相关。合金植入体内后一般保持钝化状态，与不锈钢相比，钴基合金的钝化膜更稳定，耐蚀性更好。钴铬铝合金的点蚀倾向非常小，对应力腐蚀断裂也不敏感，但铸造钴铬铝合金对缺口冲击的承受能力很低。当钴基合金因摩擦造成磨损时会很快由强烈的局部腐蚀转化为全面的均匀腐蚀，并显示出光亮的斑疤。用铸造钴铬铝合金制作的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率与医用不锈钢制作均相差无几，这主要是由于铸造组织的缺陷造成的。若采用锻造钴基合金则可大大降低腐蚀疲劳失效的概率。

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医用钴基合金的耐磨性是医用金属材料中最好的，故钴基合金植入体内不会产生明显的组织反应。但是，钴基合金人工关节在机体中的松动率较高，其原因可能是由于金属磨损微粒在体内引起的组织反应和机体对金属钴离子的过敏反应所致。

医用钴基合金的应用相对不锈钢而言，医用钴基合金更适于制造体内承载苛刻的长期植入件。在骨科用来制作各种人工关节、接骨板、骨钉、骨针、接骨丝等；在心血管系统用于制造人工心瓣膜、血管内支架等；在口腔科用于制作卡环、基托、舌杆、义齿和各种铸造冠、铸造嵌件、整铸固定桥和铸造颌垫等、此外还用于脊椎整形、颅骨修复等。第8

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3．医用钛与钛合金

钛是一种化学活泼元素，极易与空气中的氧、氢、氮反应形成化合物，影响其性能。纯钛在低于882℃时为密排六方晶格的α单相组织，不能通过热处理强化，但冷加工变形可使其强度有所提高。纯钛通常按杂质元素碳、铁、氧的含量多少分为多个级别，其性能有所差异。氧是一种强的α相稳定剂，具有一定的固溶强化作用。随着氧含量增高，纯钛的强度有所提高，而塑性有所降低。钛合金按其组织结构分为α相、β相和α+β双相合金等三类。β相钛合金在医学上应用较少。用于口腔矫正的β相钛合金一般含11％钼、4％锡和6％锆，室温下的组织为亚稳态的β相，可通过热处理强化，具有较高的回弹性和低刚性。

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章生物材料应用较多的医用钛合金是Ti6Al4V合金和Ti5Al2.5Sn合金。它们在室温下均具有α+β两相混合组织，通过固溶与时效处理可使合金得到显著强化。医用钛合金的主要性能特点密度较低、弹性模量值小（约为其他医用金属材料的一半），与人体硬组织的弹性模量比较匹配。纯钛与钛合金表面能形成一层稳定的氧化膜，具有很强的耐腐蚀性。在生理环境下，钛与钛合金的均匀腐蚀甚微，也不会发生点蚀、缝隙腐蚀与晶间腐蚀。当发生电偶腐蚀时，通常是与钛合金形成偶对的金属被腐蚀。但是，钛与钛合金的磨损与应力腐蚀较明显，腐蚀疲劳也较为复杂。

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钛对人体毒性小，有利于其临床应用。由于医用钛与钛合金密度小、弹性模量接近于天然骨，故广泛用于制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等。用纯钛和钛合金制作的牙根种植体、义齿、牙床、托环、牙桥与牙冠已广泛用于临床。用纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术。用微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效地保护脑髓液系统。用纯钛制作的人工心瓣膜与瓣笼已成功地得到应用，临床效果良好。

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4．医用形状记忆合金用的多是镍钛形状记忆合金。它是等原子比的金属间化合物，高温相呈体心立方CsCl型B2结构，有良好的耐磨耐蚀性；低温相