生物陶瓷材料

1、第三节 生物陶瓷材料,3.1 定义,生物陶瓷材料一般是指与人体相关的陶瓷（种植类陶瓷）材料，即通过植入人体或与人体组织直接接触，使机体功能得到恢复或增强的陶瓷材料,多孔管,镭球,镭陶瓷球,温浴球,制成高致密的细晶陶瓷,3.1.1 两个基本概念：,（1）生物惰性 主要指材料在植入人体后，长时间不发生物理、化学结构变化，同时不引起与之接触的组织的显著变化。生物惰性材料主要有氧化物陶瓷，如三氧化二铝、氧化锆；非氧化物陶瓷，加氮化硅；碳化物，如低温(或超低温)各向同性碳等。,氧化铝粉,氧化锆珠,（2）生物活性 相对于生物惰性，生物活性材料广义上讲是指在生理环境的长期作用下，有新生组织长成或替代原有材料

2、，而原有材料发生了一定物理、化学变比、甚至降解消失。而狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形成的能力。,3.2 氧化铝陶瓷,1932年开始临床应用 1963年氧化铝陶瓷人工骨,合金和氧化铝骨,1964年牙科移植物 1970年氧化铝瓷球、窝和不锈钢杆制成的全髋关节人工假体,氧化铝牙,氧化铝陶瓷球,1981年氧化铝陶瓷全膝关节假体开始应用 1980s初，单晶氧化铝陶瓷骨螺钉在外科矫形手术中应用,3.3 氧化铝陶瓷的组成、制备工艺,3.3.1 氧化铝陶瓷组成 Al2O3含量在45以上，主晶相为- Al2O3 ，此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。,3.3.2 陶瓷的一般制备工艺,原料加工（粉碎）,加粘结剂

3、形成配料,混合后静压成坯料,预烧烧结,形成陶瓷,3.3.3 核心过程烧结 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，过程中发生：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，物料的体积收缩、密度增加，最后成为坚实的整体。,（1）颗粒在烧结过程中的外形变化：,（2）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。,氧化铝烧结过程中粉体微观结构变化,（3）陶瓷烧结的微观动力学 原始驱动力： 颗粒表面能 对于半径为r的1mol球形颗粒粉体， 颗粒数： 颗粒的表面积： 表面能：,化学反应能 外加压力做功 体系外供给能量,（4

4、）烧结温度对材料性能的影响 对密度和空隙率的影响,对机械性能的影响,（5）Al2O3生物陶瓷制备工艺 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 预压成型(预打磨) 烧结 打磨 成品。烧结温度一般为1700以上。, 高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下：,（6） 氧化铝陶瓷的特点 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99.7以上。,3.4 新型生物陶瓷材料-单晶生物陶瓷,3.4.1 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、稳定性和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。,单分散超细单晶a-氧化铝粉体.,氧化铝单

5、晶制品,3.4.2 不能通过烧结制得，具体方法如下： 提拉法 导模法 气相化学沉积法 焰融法：晶体生长速率快，工艺简单，成本低,3.5 氧化物陶瓷 3.5.1 除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有： 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5060，氧化铝1020、氧化钾710的陶瓷）。,氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的增韧相。部分氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更好的韧性，可替代氧化铝。 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。 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。,3.5.2 二氧化锆全瓷冠 是用整体瓷块由计算机辅

6、助，由铣床半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。,二氧化锆电脑全瓷冠,目前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进，基地冠的厚度从原来的1毫米减低为0.8毫米，需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况。,二氧化锆全瓷冠桥修复,氧化锆牙,3.5.3 氧化锆的制作,3.6 非氧化物陶瓷 主要用作硬组织的替换材料。 SiC材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是耐磨、耐腐蚀材料。 Si3N4材料：可代替氧化锆作关节置换假体，比氧化锆有更好的使用寿命。,3.7 羟基磷灰石陶瓷,羟基磷灰石（ HA）是人体

7、骨组织的主要无机成分，占90，碳酸钙等其它成分占10。 羟基磷灰石具有很好的生物相容性,3.7.1 原粉的合成 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。,湿法制备HA装置图：,Ca/P随pH值的变化情况,镜下观察,（2）固相反应法（干法） 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。,（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12020

8、0 C水蒸汽处理，即得HA. 此法适合制备完整的HA单晶,3.7.2 羟基磷灰石制品的成型 HA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。,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,3.7.3 羟基磷灰石的结构与性能 羟基磷灰石的化学结构式为：Ca10(PO4)6(OH)2, Ca/P比为1.67,密度3.16g/cm3, 呈弱碱性(pH=79

9、). 多晶的羟基磷灰石具有很高的弹性模量（40117GPa), 人牙釉质为74GPa。,合成过程中，微量元素的加入： La的加入，改善降解特性，HA表面均匀降解； F的加入，改善HA的韧性，形成可切削陶瓷。但作为骨组织替代物，F含量过高会影响骨组织的再生和一定抗压强度的维持。,3.7.4 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,生物