生物活性陶瓷.ppt

1、生物活性陶瓷,2011-5-20,一,二,三,羟基磷灰石和多孔材料,生物活性玻璃和磁性材料,磷酸三钙和复合材料,对十一种理想的骨修复材料首先应该具备的特性有 ： ( 1 ) 生物相容性:可与骨直接进行化学结合,不阻止骨细胞在其表面的正常活性或干扰其周围骨细胞的自然生长过程对骨组织的分解吸收具有传导性； ( 2 ) 机械耐受性； ( 3 ) 生物 降解性:在一定时间内被宿主骨替代,不影响骨组织的修复,无毒副作用； ( 4 ) 诱 导再生性 ：通过自身或添加骨诱导因素，刺激或诱导骨骼生长。,羟基磷灰石 (Ca10(PO4)6(OH)2） 优点：与人体骨骼 晶体成份,结构基本一致HAP生物活性和相容

2、性好,能与骨形成很强的化学结合,用作骨缺损的填充材料,能为新骨的形成提供支架,发挥骨传导作用,是理想的硬组织替代材料。 缺点:本身脆性高;抗折强度低,韧性和力学性能差等缺陷的限制,应用并不广泛。 近来将作为涂层材料、复合材料及纳米材 料来研究开发,获得了突破性的进展，,HAP粉末的合成： 1高温固相合成法： WANTAE KIM以Ca(OH)2-P2O5 与 CaO-Ca(OH)2-P2O5混合,干磨30min得到羟基磷灰石,原料里含有的水 蒸汽 通 过扩散传质机制促进了反应的进行。 6H3PO4 + 9CaO + Ca(OH)2 6CaHPO4 + 4Ca(OH)2 + 3H2O 6CaHP

3、O4 + 4Ca(OH)2 + 3H2O Ca10(PO4)6(OH)2 + 9H2O 2液相合成法：包括水热合成法、溶胶- 凝胶法、沉淀法 、乳液剂法 、超 声波合成法 、酸碱反应法 、气溶胶 分解法等等 。,逆相微乳液法合成羟基磷灰石纳米粒子： Hong Li等用环己烷作为有机相，TX-100和戊醇作为表面活性剂，与Cacl2水溶液反应生成羟基磷灰石纳米晶。 10CaCl2 +6(NH4)2HPO4+8NH4OHCa10(PO4)6(OH)2 +20NH4Cl + 6H2O 在不同的有机相和无机相比例下,纳米粒子形貌不同。,油-水乳液技术制备中空的羟基磷灰石微球 Hae-Hyoung Le

4、e 等用有机相中的羟基磷灰石The HA slurry in the混入包含表面活性剂的水相形成球形粒子，溶剂的快速蒸发使微球粒子形成中空结构，热处理后成为接近363lm的生物活性HA,成骨细胞能顺利的在其表面和空穴中生长。这种结构的材料有望于运用于骨组织工程的骨架模型，和直接作为骨缺陷的填充材料。,多孔羟基磷灰石生物陶瓷 无压烧结和热(等静) 压烧结是制备致密HAP 陶瓷的主要方法,多孔羟基磷灰石陶瓷受到了重视 ，这主要是由骨组织的特点所决定的 。如果植入骨基质的替换物为骨单位提 供支持框架 , 则骨单位可以此为依托生长,骨缺陷可以重建和修复 ，如果为骨缺 陷提供的骨基质替换物在孔隙形貌和结

5、构上与骨单位及脉管连 接方式相一致,则植入材料会促进骨 组织 的重建 。,多孔生物陶瓷的制备方法： 1.1有机泡沫浸渍法 1.2化学发泡法: 是将在较高温度能够分解产生气体 或发生化学反应产生气体的化学物质与羟基磷 灰石粉体浆料混合成型,在一定温度下加热处理发泡 再烧结产生大孔陶瓷,此过程要求成孔剂和发泡剂 的残留物不影响陶瓷的性能和组成,或 残 留物经 简单的水洗可以除去,常用的发泡剂是过氧化氢 ( H2 O2 ) ，利用H2O2分解产生气体而形成多孔 HAP，也可 以用聚乙烯醇缩丁醛或甲基纤维素作发泡剂。,DEAN-MO等利用致孔剂聚乙烯醇缩乙醛纤维 (PVB) 制成孔径可控的多孔羟基磷灰

6、石材料,1.3水热热压法： 将化学计量的氢氧化钙和磷酸氢氨 置于高压釜中,在一定的温度 、压力 下水热热压发生反应 ,产生的NH3形成多孔HAP中的大孔 。 1.4微波工艺法： 在 HAP粉体中混合无机物，如 ( NH4)2 CO3压制成型后用微波工艺在 l l5 01200下l5 mi n .可制气孔率 7 3 的多孔 HAP 。 1.5骨架复制法:利用珊瑚的天然多孔结构制成种植体，是将环 氧树脂添入珊瑚的空隙中，然后用酸等洗掉主要成分为碳酸钙的珊瑚骨 骼 ，得到环氧树脂骨架 ，然后就可以将生物材料填充进骨架,然后进行灼烧，将环氧树脂的骨架去除，再进行烧结就可以得到具有与孔珊瑚完全相同结构的

7、种植体材料, 填充进骨架的材料可以是钛 、钒 、等 。 1.6凝胶注模成型法;,多孔 HAP的特性 1力学性能 :多孔羟基磷灰石的生物力学性能取决于孔隙微气孔决定材料的降解速度,大气孔则可使骨组织长入孔。 2 骨 结合特性 ：Klawitter等人的研究表明,当多孔陶瓷材料 的内联直径在1501am时,纤维组织可以长入陶瓷的内部；孔径为 4 0 1 001am时,允许非矿物的骨样长入；孔径在15 401am时,已能为骨组织长入提供理想的场所。有研究表明,功能完善的羟基磷灰石植入材料的最小孔径为1001am,大于200m的孔径是骨引导的基本要求。 3诱导成骨的特性较好: 4生物降解性多孔 HAP

8、具有生物降解性 :在人体生理环境下 ，多孔 HAP会发生物理化学溶解,这取决于材料 的溶解产物及周围环境的p H值 。此外一些生理因素的影响，如吞噬作用可降低周围的pH值 ，也会使多孔 HAP发生降解,多孔羟基磷灰石的应用： 1 骨填充料 K. A. HING等对多孔羟基磷灰石的骨内生长进行实验发现主要的骨生长发生在10天道5周内。3个月后骨的抗压强度达20MP.,2 药载 ： Min-Ho Hong用液氮的方法通过调整HAP 粉末中的水的比例和Nacl的量制成各种孔和通道的羟基磷灰石球形颗粒。通过调整Nacl的量能制的微通道的结构可以载超分子的药，对蛋白质类的药，胶囊因其容易变形不可以载。,

9、Ryan K. Roeder, Gabriel L研究得出HAP增强的聚合物是很好的骨替代材料。 例如外科整形，移植骨，组织工程的支架而且结构可控。,骨整形,3,HAP生物 活性材料的研究现状 HAP是研 究和开发较早的一种生物陶瓷材料 ,在应用上取得 了一 定的成果，但在如何提高材料的强度,韧性和力学性能等方面还有待深入的研究和 探讨,特别是作为涂层材料和朝着纳米 HAP材料方向的研究更加重要 。 LEALI TRANQUILLI , A. MEROLLI, O. 等各种对用等离子体喷雾法制的羟基磷灰石在金属上的涂层的结晶度,厚度，金属基底进行评价,发现骨的生物反应主要由涂层结构决定，涂层厚

10、度在50-100um内没很大的区别。 Paola Fabbrid等聚己酸内酯原位加强羟基磷灰石形成的多孔支架用于组织工程。,生物活性玻璃 生物活性玻璃植入人体体内后会与体液反应,在生物玻璃 表面生成羟基磷灰石结构层,这是生物玻璃具有活性的重要原因。,生物活性玻璃的制备： 1熔融法 。 熔融法的一般制备工艺是将原料混合均匀后，在千摄氏度以上的高 温下熔融成玻璃液 ,保温一段时间后淬冷, 得到成品.熔融法制 备工艺简单,易于大规模生产,但是其组成范围和生物活性都受到一定的局限,因为高温容易使 配料中的磷等元素挥发,使其成分的控制难以精确,而且玻璃的 高温熔制容易导致 S i - OH官能团的减少,

11、得到的生物材料中 C a 的溶解性能相对较低,另外制备反应温度也比较高,能耗较大. 2溶胶 凝胶法, 溶胶凝胶生物玻璃具有均匀分布的 连通微孔状组织结构( 孔直径在几百纳米到几十微米) 和较低的 制备温度( 焙烧温度一般不高于 9 0 0 ) ,从而拓宽了生物玻璃 具有生物活性的组成范围, 显著提高了生物活性及细胞亲和性, 进而增加了生物玻璃的应用途径。,2磁性生物活性玻璃陶瓷是既具有磁性又具有生物活性的一类生物陶瓷,能适应不同的要求.而在交变磁场作用下, 磁体内分子状态会不断变化,通过反复磁化中所产生的能量损 失即磁滞损耗使温度上升进行肿瘤热疗 ,并且同时还可以发挥 其他方面的功能。 a 熔

12、融煅烧法 Fe203 - CaO-SiO2 磁性生物活性玻璃陶瓷掺合B 20 3 ,P2O5和 Na20的 Fe2O3-CaO-SiO2玻璃陶瓷掺合锂,锰,锌等其他氧化物的磁性生物活性玻璃陶瓷. b 共沉淀法溶胶一 凝胶法双相复合法,生物活性玻璃的应用： 1 生物玻璃在骨骼修复中的应用 Xin-Hui Xie等用生物活性玻璃和纳米羟基磷灰石形成的植入骨的图层材料能加强骨移植。 2生物玻璃在创口愈合中的应用 。,3 生物玻璃在牙科治疗中的应用： 生物活性玻璃微粒由于其植入髓室穿孔处与血液及牙槽骨骨组织接 触时,可在瞬间与组织问发生复杂的离子交换,在生物玻璃表面 形成富硅凝胶层,并聚集形成碳酸羟磷

13、灰石层,通过钙磷层的快 速形成并沉积在穿孔区牙周组织内,最终钙化,形成牙骨质和牙 周新附着。难于可以克服以往覆盖修复材料生物相容性差, 炎症反应重,妨碍牙周组织修复的缺点 ,生物活性玻璃有望成为髓室穿孔的理想覆盖修复材料。 4 生物玻璃在药物载体方面的应用： 各种各样的药物储存在多孔的生物玻璃中,然后植人人体的有关关 键部位,随着生物玻璃表面反应的进行,药物将释放,达到有的 放矢的治病目的,与传统的注射方法相比,有均匀,长时问治疗等众多的优点,有最大效率的疗效。,: 生物活性玻璃研究展望： 磁性生物活性玻璃陶瓷在医学领域应用十分广泛， 其发展前景广阔，可作为示踪剂，造影剂、靶向释药载体、热种子

14、材料，骨缺损修复材料，盖髓剂等应用于临床。 制备纳米级的生物微孔生物材料和有机/无机复合材料，以有机改性无机生物材料是是生物玻璃材料的发展方向，另外通过引入附加物质合成具有特殊性能的生物玻璃材料以满足临床应用也是一个研究方向。但 是它同样存在着 致 命 的不足 ，与人体骨相比生物活性玻璃脆性大 ,尤其是抗弯强度不足 ,严重限制了该类材料的使用范围.目前生物活性 玻 璃还主要用于骨损 伤修 复及骨料填 充 等非承载部位,如何弥补其不足,更好地 开发利 用该类材料便成为各国材料工作者研究的重 点。可通过调节玻璃组分改进制备工艺和制备复合材料。,磷酸三钙 磷酸三钙 (Ca3(PO4)2 TCP) 是

15、众多磷酸盐中的一种， 存在多种晶型转变,主要分为低温13相( B T C P ) 与高温相(T C P ) ， 作为重要的生物陶瓷材料,具有优良的生物相容性,生物活性以及生物降解性,是一种非常理想,临床应用前景十分诱人的人体硬组织缺 损修复和替代材料,最近正成为世界各国学者研究的热点。 目前,研究人员已经通过各种方法制备出T C P ,但仍存 在一些问题,如: 制备的TCP纯度不高,颗粒尺寸难以控制,现有的制备工艺不够理想以及力学强度低， 脆性大,抗折及抗冲击性能远不能满足高负荷人工骨要求等。,磷酸三钙的制备： 磷酸三钙晶体的制备方法目前主要有沉淀法,固相反应法醇化合物法,前躯体法以及其它方法

16、等。 1沉淀法：钙磷源配比为1:50,pH值为11,反应温度为25反应时间为3h时,可制备出纯度较高,晶态较好的8一TCP沉淀法反应装置简单且易操作,产物晶粒细小,纯度高.得到较纯净的磷酸三钙活性材料,合成过程所产生的杂质易被消除。但缺点是反应速率慢.颗粒容易团聚.需要严格控制pH值 。,2固相反应法： 张士华等以二水磷酸氢钙和碳酸钙为原料,通过高温固相反应制取 BTCP粉末,既简单又高效,制得的粉末颗粒均匀呈球状,平均粒径为 0,2m。 3醇化合物法 张大海等用乙醇钙和 P2O5 的乙醇溶液为先驱体,用较为简便的方法合成出 BTCP 。结果表明:以这种方法制得的 BTCP粉体纯度高,化学均匀

17、性好;但其有机溶剂有毒性且易对环境造成污染.它在制备BT CP方面应用的较少。 4前躯体法 明华等 将磷酸配成溶液,碳酸钙粉木调和成浆料,按 C a/P比为1:5配料,通过两耆的反应制备BTCP 。,BTCP的应用： 多 孔B T C P 修复包容性骨缺损具有优良的成骨性能,可作为一种 骨组织工程多孔支架材料，但需要改善其降解速度。 支架三 维空间结构主要取决于支架制备方法 .支架传统的制备方法主要包括 ：气体发泡法 ,粒子沥滤法,溶胶一凝胶法,盐析致孔法, 有机泡沫浸渍法、冷冻干燥法等。 快速成形技术无需考虑外形复杂度,但难以形成2 0 0 l以下的可控微观孔隙。 应用快速成形技术来制造骨组

18、织工程支架外形可以有效结合基于C T 的仿生建模技术， 实现对支架外形和结构的优化与仿生设计。冷冻干燥技术是一种制造具有多孔结构陶瓷的简便技术，利用冰晶升华形成孔隙， 可避免应力开裂.,并可通过控制冰晶成形达到对孔隙结构的控制。,TCP的应用,一TCP的应用 宋宏杰 通过在兔颅骨上制造贯通缺损,植入 d一磷酸三 钙骨水泥.结果显示:4周时见新生骨长人人工骨内,形成钉突;8周时见新生骨与人 工骨形成嵌合;1 2周时 人工骨内成骨.此研究表明( I t 一磷酸 二钙具有良好的生物相容性、 骨引导性和可降解性,是骨重建的 理想材料之.马英等 利用一 T C P的水解作用在牙釉质表 而制备羟基磷灰石(

19、 H A) 涂层, 在 3 7条件下水解 6 h ,即可在牙釉质表面得到厚度约 2 0 t x m的 HA涂 层.此涂层与 牙釉 质表而结合紧密 ,涂层的硬度与正常牙釉质无 明显的差异 ,并且具有良好的耐磨性.此方法 有望 应 用于龋病 预 防和早期釉质龋治 疗 。,1磷酸三钙骨水泥及其碳纳米管 （CN Ts ） 复合材料能.因此， 碳纳米管在骨水泥中均匀分散是其发挥增强作用的基础， 而且要保持其在基体材料中的形貌完整使碳纳米管的力学性能不能遭到破坏； 另外， 碳纳米管不同的加入量也会影响增强效果。 .,磷酸三钙复合材料,2 磷酸三钙与纳米材料的复合 T C P因 脆性大很难塑成理想的形状,而

20、直接植入颗粒粉末状TCP易导致材料的移位分散和流失。 纳米相晶粒材料以其具有的独特的胶体稳定性和优异的吸附性能在材料领域备受青睐.据报道. 纳米相陶瓷 (小于100 n m的颗粒) 比传统的陶瓷更能促进成骨细胞的黏附和增殖 。 目前为止,磷 酸三钙 胶原纤维复合被认为是满足骨组织工程支架要求的 最好途径之一.使用湿化学处理的方法制备成一种特征化的纳米相复合物 . 磷 酸三钙/ 胶原纤维 ,具有纳米相组成并和天然骨组织结构相 似的一种新型材料 ,为进一步确定该 纳米 相复合材 料的细胞相容性 ,使用成骨样细胞从细胞黏附 。,Mechanochemical synthesis of hydroxy

21、apatite from Ca(OH)2-P2O5 and CaO-Ca(OH)2-P2O5 mixtures WANTAE KIM, QIWU ZHANG, FUMIO SAITO April 2000,1,2,Processing of nanocrystalline hydroxyapatite particles via reverse Microemulsions J Mater Sci Hong Li MinYing Zhu LiHua Li 6 October 2007,Preparation of hydroxyapatite spheres with an internal

22、cavity as a scaffold for hard tissue regeneration J Mater Sci:Hae-Hyoung Lee 4 April 2008,3,4,Drug-loaded porous spherical hydroxyapatite granules for bone regeneration Min-Ho Hong J Mater Sci: Mater Med (2011) 22:349355,5,Fabrication of hydroxyapatite ceramic with controlled porosity DEAN-MO LIU JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE: MATERIALS IN