生物材料ch5生物医用无机非金属材料课件.ppt

1、第五章第五章 生物医用无机非金属材料生物医用无机非金属材料第一节第一节 生物惰性无机材料生物惰性无机材料第二节第二节 生物活性无机材料生物活性无机材料第三节第三节 生物可降解无机材料生物可降解无机材料第四节第四节 生物医用无机非金属材料发展趋势生物医用无机非金属材料发展趋势概概 述述一、发展概况一、发展概况二、性能特点二、性能特点三、材料分类三、材料分类一、发展概况一、发展概况n发展阶段：发展阶段：n生物惰性材料生物惰性材料n生物活性材料、生物降解材料、多相复合材料生物活性材料、生物降解材料、多相复合材料一、发展概况一、发展概况p无机材料很早即应用于人体，无机材料很早即应用于人体，7070年代

2、以前大部分是生物惰性材料。年代以前大部分是生物惰性材料。之后以生物玻璃（之后以生物玻璃（1969 1969年，年，L.HenchL.Hench，美国美国FloridaFlorida大大学）为发端的生物活性材料成功地应用于临床，学）为发端的生物活性材料成功地应用于临床，可吸收陶瓷（可吸收陶瓷（7070年代）等生物降解材料亦开发成功并应年代）等生物降解材料亦开发成功并应用于临床（用于临床（8080年代），年代），目前，随着纳米材料与技术的发展，纳米生物医用无机目前，随着纳米材料与技术的发展，纳米生物医用无机材料正在引起人们的重视。材料正在引起人们的重视。二、性能特点二、性能特点n良好的化学稳定性良

3、好的化学稳定性n但在制备过程会引入有害的杂质元素，需严格控制。但在制备过程会引入有害的杂质元素，需严格控制。n可降解材料要考虑降解产物的影响可降解材料要考虑降解产物的影响n良好的生物相容性良好的生物相容性n良好的消毒灭菌性能良好的消毒灭菌性能n较难成型加工较难成型加工n力学性能：脆性较大力学性能：脆性较大n生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材料。要是用作生物硬组织的代用材料。n可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等

4、方面。面。n如人工牙齿（根）、人工骨、人工关节、骨折固定如人工牙齿（根）、人工骨、人工关节、骨折固定器具、人工眼等器具、人工眼等三、材料分类三、材料分类n按材料性质按材料性质n生物陶瓷生物陶瓷如单晶和多晶氧化铝陶瓷、羟基如单晶和多晶氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等磷灰石陶瓷等n生物玻璃生物玻璃如如45S5玻璃玻璃n生物玻璃陶瓷生物玻璃陶瓷如如DICOR玻璃陶瓷玻璃陶瓷n无机骨水泥无机骨水泥如如-TCP-TCP骨水泥骨水泥n生物复合无机材料生物复合无机材料羟基磷灰石羟基磷灰石+-TCP-TCP复复合材料、碳纤维增强无机骨水泥合材料、碳纤维增强无机骨水泥n按来源按来源n天然生物矿物天然生物矿物钙化的贝

5、壳和珍珠钙化的贝壳和珍珠n合成的无机材料合成的无机材料羟基磷灰石陶瓷、羟基磷灰石陶瓷、-TCP-TCP人工骨人工骨n生物衍生材料生物衍生材料冻干骨片冻干骨片三、材料分类三、材料分类三、材料分类三、材料分类n在生理环境中的反应水平在生理环境中的反应水平n生物惰性无机材料生物惰性无机材料氧化铝、氧化锆、氧化氧化铝、氧化锆、氧化硅陶瓷，热解碳硅陶瓷，热解碳n生物活性无机材料生物活性无机材料羟基磷灰石陶瓷、羟基磷灰石陶瓷、4545S5S5玻璃、生物活性玻璃陶瓷玻璃、生物活性玻璃陶瓷n生物可降解无机材料生物可降解无机材料可溶性铝酸钙陶瓷、可溶性铝酸钙陶瓷、-TCP-TCP陶瓷等陶瓷等三、材料分类三、材料

6、分类n按临床应用按临床应用n肌肉肌肉骨骼系统用材：热解碳纤维骨骼系统用材：热解碳纤维n软组织用材：碳纤维软组织用材：碳纤维跟腱跟腱n硬组织用材：磷酸钙陶瓷、生物玻璃及生物玻硬组织用材：磷酸钙陶瓷、生物玻璃及生物玻璃陶瓷璃陶瓷骨、牙骨、牙n心血管系统用材：碳质材料心血管系统用材：碳质材料n药物释放载体材料：药物释放载体材料：-TCP-TCP等等n临床诊断及生物传感器材料临床诊断及生物传感器材料陶瓷温度传感陶瓷温度传感器陶瓷、羟基磷灰石经皮装置器陶瓷、羟基磷灰石经皮装置第一节第一节 生物惰性无机材料生物惰性无机材料主要是指化学性能稳定，生物相容性好的无主要是指化学性能稳定，生物相容性好的无机材料。

7、机材料。n结构稳定结构稳定，具有较高化学稳定性，在体内耐氧，具有较高化学稳定性，在体内耐氧化、耐腐蚀、不降解、不变性。化、耐腐蚀、不降解、不变性。n分子中的分子中的键力较强键力较强，都具有较高的机械强度和，都具有较高的机械强度和耐磨性等。耐磨性等。n不参与体内代谢过程，与骨组织不能产生化学不参与体内代谢过程，与骨组织不能产生化学结合，结合，被纤维结缔组织膜包围，形成纤维骨性被纤维结缔组织膜包围，形成纤维骨性结合界面。结合界面。第一节第一节 生物惰性无机材料生物惰性无机材料主要有主要有1.氧化物（氧化铝、氧化锆等）陶瓷、氧化物（氧化铝、氧化锆等）陶瓷、2.非氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、3.碳质材料

8、、碳质材料、4.惰性玻璃陶瓷、惰性玻璃陶瓷、5.长石类陶瓷长石类陶瓷6.。n主要用于人工关节、人工骨和口腔种植材料主要用于人工关节、人工骨和口腔种植材料第一节第一节 生物惰性无机材料生物惰性无机材料一、氧化物、非氧化物陶瓷一、氧化物、非氧化物陶瓷二、碳质材料二、碳质材料三、惰性玻璃陶瓷三、惰性玻璃陶瓷一、氧化物、非氧化物陶瓷一、氧化物、非氧化物陶瓷(一）氧化物陶瓷一）氧化物陶瓷 1 1、氧化铝陶瓷：、氧化铝陶瓷：（1 1）多晶氧化铝陶瓷：是指主晶相为刚玉（）多晶氧化铝陶瓷：是指主晶相为刚玉（-Al2O3)Al2O3)的陶瓷材料（的陶瓷材料（45%45%）。）。n性能特点：性能特点：n机械强度高

9、机械强度高n耐高温耐高温n耐化学腐蚀耐化学腐蚀n生物相容性好生物相容性好（1 1）多晶氧化铝陶瓷：）多晶氧化铝陶瓷：性能指标Al2O3含量（%）60809099抗压强度(MPa)4006609401200抗弯强度(MPa)83134187247弹性模量(GPa)108230318400高纯氧化铝陶瓷的物理性能高纯氧化铝陶瓷的物理性能密度密度(g/cm3)3.93导热系数导热系数(W/mK)29.30抗压强度抗压强度(MPa)4000 比热比热(kJ/KgK)1.05抗弯强度抗弯强度(MPa)400熔融温度熔融温度(C)2050弹性模量弹性模量(MPa)350电阻率电阻率(m)1013硬度硬度(

10、HV)2200 介电常数介电常数9.2热膨胀系数热膨胀系数(10-6 K-1)6.6磁化系数磁化系数(10-6)-1.45n氧化铝用作生物材料始于氧化铝用作生物材料始于7070年代初，目前已广泛年代初，目前已广泛用于制作用于制作人工牙根、人工关节和人工骨人工牙根、人工关节和人工骨。纯刚玉纯刚玉金属人工关节金属人工关节（2 2）单晶氧化铝陶瓷）单晶氧化铝陶瓷n氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材料颜色不同，如红宝石、蓝宝石等。料颜色不同，如红宝石、蓝宝石等。n性能特点性能特点：n机械强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性都优于多晶氧化机械强度、硬度、耐磨性、

11、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷铝陶瓷n单晶结构完整，无脆弱晶间相。单晶结构完整，无脆弱晶间相。n生物相容性也优于多晶氧化铝陶瓷生物相容性也优于多晶氧化铝陶瓷（2 2）单晶氧化铝陶瓷）单晶氧化铝陶瓷单晶体性能单晶体性能单晶体单晶体多晶体多晶体外观外观抗压强度抗压强度(MPaMPa)抗拉强度抗拉强度(MPaMPa)抗弯强度抗弯强度(MPaMPa)弹性模量弹性模量(GPaGPa)硬度硬度(HV)HV)冲击韧性冲击韧性(MPaMPa cm)cm)影响因素影响因素加工性能加工性能无色透明无色透明5000500065065013001300400400210021007.67.6晶格缺陷、表面伤晶格缺陷、表

12、面伤痕、裂纹痕、裂纹直线状、棒状直线状、棒状白色（黄白色）白色（黄白色）50005000250250500500380380180018005.45.4纯度、密度、晶粒纯度、密度、晶粒大小大小可加工成任意形状可加工成任意形状可以用作生物医用材料的氧化物陶瓷主要可以用作生物医用材料的氧化物陶瓷主要有有铝、镁、钛、锆等的氧化物铝、镁、钛、锆等的氧化物n氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷由于其高强度和断裂韧性用于由于其高强度和断裂韧性用于人工人工关节关节，n氧化锆氧化锆更多还用作复合材料的更多还用作复合材料的增强剂增强剂或等离子或等离子体喷涂材料。体喷涂材料。非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷临床应用较少，主要是用作硬组织

13、的替换材料。临床应用较少，主要是用作硬组织的替换材料。非氧化物陶瓷主要是非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等陶瓷物、硅化物等陶瓷。如：。如：n碳化硅陶瓷碳化硅陶瓷，硬度大，具有高强度，导热、导，硬度大，具有高强度，导热、导电性好，是一种耐蚀、耐磨材料。电性好，是一种耐蚀、耐磨材料。n氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷，具有高断裂韧性和抗弯强度，用，具有高断裂韧性和抗弯强度，用它替代氧化锆陶瓷作人工关节，有更好的使用它替代氧化锆陶瓷作人工关节，有更好的使用寿命。寿命。生物陶瓷人工关节二、碳质材料二、碳质材料碳质材料应用广泛，在外科植入物中主要包括碳质材料应用广泛，在外科植入物

14、中主要包括热解热解碳、玻璃碳、碳纤维和蒸汽沉积碳碳、玻璃碳、碳纤维和蒸汽沉积碳。n结构特点：结构特点：n金刚石结构、石墨结构、无定形层状结构金刚石结构、石墨结构、无定形层状结构n无定形层状结构点阵无序排列、各向同性无定形层状结构点阵无序排列、各向同性，是医，是医学领域主要应用的碳质材料。学领域主要应用的碳质材料。碳质材料的类型与制备：碳质材料的类型与制备：1、热解碳：目前国内外应用最多的热解碳：目前国内外应用最多的碳质材碳质材料。料。n1000-2400C，碳氢化合物在流化床内热解，碳氢化合物在流化床内热解，碳沉积于石墨基材上。碳沉积于石墨基材上。n1500 C，低温各向同性碳（低温各向同性碳

15、（LTI-Carbon）n可加入合金元素（如硅）提高其硬度可加入合金元素（如硅）提高其硬度碳质材料的类型与制备：碳质材料的类型与制备：2、玻璃碳：、玻璃碳：n控制加热预成型高分子材料（如酚醛树脂等），控制加热预成型高分子材料（如酚醛树脂等），使之挥发而余下玻璃状剩余物使之挥发而余下玻璃状剩余物n横截面厚度横截面厚度7mmn密度相对较低，机械性能低于热解碳，用于不密度相对较低，机械性能低于热解碳，用于不承受高机械应力的部位承受高机械应力的部位碳质材料的类型与制备：碳质材料的类型与制备：3、蒸汽沉积碳、蒸汽沉积碳n制备：真空中用电弧或高能电子束等手段加制备：真空中用电弧或高能电子束等手段加热碳氢化

16、合物，使其分解沉积在金属、陶瓷、热碳氢化合物，使其分解沉积在金属、陶瓷、或高分子材料的表面（厚约或高分子材料的表面（厚约1微米）微米）n其中低温低压下沉积的碳材为其中低温低压下沉积的碳材为ULTIC，各向各向同性，弹性好，用于聚合物、纤维织物、多同性，弹性好，用于聚合物、纤维织物、多孔金属植入体的涂层。孔金属植入体的涂层。碳质材料的类型与制备：碳质材料的类型与制备：4、碳纤维、碳纤维n制备：有机纤维于隔氧的惰性环境中制备：有机纤维于隔氧的惰性环境中1000-1500C焙烧焙烧+张力牵引张力牵引n直径直径7-9微米，微米，n抗拉强度抗拉强度3040MPa，耐腐蚀，耐磨损，具耐腐蚀，耐磨损，具自润

17、滑性自润滑性n抗弯强度较低，属脆性材料抗弯强度较低，属脆性材料n可替代韧带，能促进新的韧带形成生长，安可替代韧带，能促进新的韧带形成生长，安全可靠，成功率高（约全可靠，成功率高（约80%）性能特点：性能特点：n机械性能：机械性能：n高强度，高强度，n低弹性模量（与人骨接近），低弹性模量（与人骨接近），n较高的断裂弹性吸收功，较高的断裂弹性吸收功，n低磨损性。低磨损性。国外各种生物碳质材料的机械性能国外各种生物碳质材料的机械性能n性能特点：性能特点：n生物相容性优良生物相容性优良n生物惰性，无毒性，无排异反应。生物惰性，无毒性，无排异反应。n与人体亲和性好，组织反应轻微。与人体亲和性好，组织反应

18、轻微。n虽不能与人体组织形成化学键合，但组织可长入虽不能与人体组织形成化学键合，但组织可长入碳质材料的孔隙中组织相容性良好。碳质材料的孔隙中组织相容性良好。n具有优良的抗血栓性和抗溶血作用。具有优良的抗血栓性和抗溶血作用。n化学稳定性好化学稳定性好临床应用临床应用n低温热解各向同性碳（低温热解各向同性碳（LTIC）目前应用最成目前应用最成功的人工心脏瓣膜材料功的人工心脏瓣膜材料n足够的强度和耐磨性足够的强度和耐磨性n优异的血液相容性优异的血液相容性n致密不透，不降解致密不透，不降解n无毒、无刺激性，不致癌无毒、无刺激性，不致癌n碳材料还可应用于人工齿根、人工骨与人工关碳材料还可应用于人工齿根、

19、人工骨与人工关节、人工韧带和腱等。节、人工韧带和腱等。St.Jude Medical Inc.美国最大的人工机械瓣膜生产商nOn-X人工心脏瓣膜的生产制造商是美国MCRI公司。n美国MCRI公司的创始人是Jack C.Bokros,他于1969年首次将热解碳专利技术应用于人工心脏瓣膜制造，至今已具有30多年的心脏瓣膜设计及制造经验。已为多家公司设计制造了10种以上的人工心脏瓣膜，n包括：St-Jude瓣膜、Carbor瓣膜、ATS瓣膜、Medtronic瓣膜，n从而确定了他在世界范围内心脏瓣膜地设计制造的领导地位。n1992年发现了On-X纯碳材料的工艺，设计了优秀的On-X人工心脏人工心脏瓣

20、膜。n1994年Jack C.Bokros成立了MCRI公司，将新一代的、优秀的On-X型人工心脏瓣膜推向全球。n长海医院胸心外科创建者蔡用之教授于长海医院胸心外科创建者蔡用之教授于19651965年研制成功第年研制成功第一代国产人造心脏瓣膜，使我国成为继美国之后第二个拥一代国产人造心脏瓣膜，使我国成为继美国之后第二个拥有人造心脏瓣膜的国家。第一代人造心脏瓣膜由有人造心脏瓣膜的国家。第一代人造心脏瓣膜由4 4根不锈钢根不锈钢铸成的瓣架和由硅胶制成的硅球阀体构成，状如拇指大的铸成的瓣架和由硅胶制成的硅球阀体构成，状如拇指大的小巧鸟笼，通过硅球在笼架内上下活动，实现瓣膜的启闭小巧鸟笼，通过硅球在笼

21、架内上下活动，实现瓣膜的启闭功能。功能。n20052005年研制成功材质性能更加优良的国产第三代人工心脏年研制成功材质性能更加优良的国产第三代人工心脏瓣膜瓣膜双叶机械瓣，双叶机械瓣，第一代国产笼球型人造心脏瓣膜第一代国产笼球型人造心脏瓣膜具有我国自主知识产权的第三代双具有我国自主知识产权的第三代双叶机械瓣叶机械瓣北京思达科技有限公司产品北京思达科技有限公司产品三、惰性玻璃陶瓷三、惰性玻璃陶瓷玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷。是在玻璃基质中加入晶核形成剂，通过一定是在玻璃基质中加入晶核形成剂，通过一定热处理，形成玻璃与晶体共存的状态。主热处理，形成玻璃与晶体共存的状态

22、。主要应用于口腔医学。要应用于口腔医学。1、玻璃陶瓷的生产工艺过程：、玻璃陶瓷的生产工艺过程：配料制备配料制备配料熔融配料熔融成型成型加工加工晶化热处理晶化热处理再加工再加工n玻璃陶瓷生产过程的玻璃陶瓷生产过程的关键关键晶化热处理晶化热处理阶段：阶段：n第一阶段为成核阶段第一阶段为成核阶段An第二阶段为晶核生长阶段第二阶段为晶核生长阶段B n这两个阶段有密切的联系，在这两个阶段有密切的联系，在A阶段必须充分成阶段必须充分成核，在核，在B阶段控制晶核的成长。阶段控制晶核的成长。1、玻璃陶瓷的生产工艺过程：、玻璃陶瓷的生产工艺过程：n玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决定：玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决

23、定：n晶核形成速度晶核形成速度n晶体生长速度晶体生长速度n玻璃的粘度玻璃的粘度n三个因素都与温度有关三个因素都与温度有关n玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小，也不宜过大，有玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小，也不宜过大，有利于对析晶过程进行控制。利于对析晶过程进行控制。n为了促进成核，一般要加入成核剂。为了促进成核，一般要加入成核剂。n一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子，但一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子，但价格较贵，价格较贵，n另一种是普通的成核剂，有另一种是普通的成核剂，有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫氟化物、硫化物等。化物等。2、玻璃陶瓷分类、玻璃陶瓷分类

24、n按基础玻璃：硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、按基础玻璃：硅酸盐、铝硅酸盐、硼硅酸盐、硼酸盐和磷酸盐五大类。硼酸盐和磷酸盐五大类。n按结晶成分：氧化铝质、白榴石质、云母质、按结晶成分：氧化铝质、白榴石质、云母质、磷灰石质磷灰石质 3、玻璃陶瓷的结构与性能、玻璃陶瓷的结构与性能n玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的，无气孔，玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的，无气孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。不同于玻璃，也不同于陶瓷。n其结晶相含量一般为其结晶相含量一般为50%-90%，玻璃相含量，玻璃相含量一般为一般为5%-50%，结晶相细小，一般小于，结晶相细小，一般小于1-2/m，且分布均匀。且分布均匀。n玻璃陶瓷

25、一般具有机械强度高，热性能好，耐玻璃陶瓷一般具有机械强度高，热性能好，耐酸、碱性强等特点。酸、碱性强等特点。n具有良好的生物相容性，没有异物反应。具有良好的生物相容性，没有异物反应。4、临床应用、临床应用玻璃纤维加强的复玻璃纤维加强的复合材料合材料(具有更高的具有更高的X X光阻射性光阻射性)制成的制成的根管钉根管钉 双重固化的可流动复双重固化的可流动复合树脂冠核合树脂冠核 由高强度玻璃陶瓷由高强度玻璃陶瓷制成的牙冠制成的牙冠甘油凝胶液体层保护防止氧化透明成形片修复体修复体第二节第二节 生物活性无机材料生物活性无机材料生物医用材料与骨组织之间的键合能力生物医用材料与骨组织之间的键合能力生物活性

26、生物活性化学键合化学键合骨性结合骨性结合n在体内有一定溶解度，能释放对机体无害的离在体内有一定溶解度，能释放对机体无害的离子，参与体内代谢，刺激或诱导骨组织生长，子，参与体内代谢，刺激或诱导骨组织生长，促进缺损组织修复。促进缺损组织修复。n通常通常含有能与人体组织化学键合的羟基（含有能与人体组织化学键合的羟基（OH-）等基团等基团，在体液中产生磷灰石或本身含有磷灰，在体液中产生磷灰石或本身含有磷灰石，发生石，发生骨性结合骨性结合。第二节第二节 生物活性无机材料生物活性无机材料n生物活性陶瓷生物活性陶瓷n生物活性玻璃（磷酸钙系）生物活性玻璃（磷酸钙系）n羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石陶瓷n磷酸三钙陶瓷

27、磷酸三钙陶瓷nn其他生物活性无机材料其他生物活性无机材料n生物活性骨水泥生物活性骨水泥一、生物活性玻璃一、生物活性玻璃1 1、生物活性玻璃发展过程：、生物活性玻璃发展过程：1999199419891984197919741969生物活性生物活性键合机理键合机理与骨组织生物活性键合的发现与骨组织生物活性键合的发现与软组织生物活性键合的发现与软组织生物活性键合的发现生物活性键合生物活性键合的临床应用的临床应用BioglassMEPBioglassDouek ConeBioglassERMI孳生机理孳生机理骨增殖的发现骨增殖的发现Perloglas Osteoglas 骨再生的临床应用骨再生的临床应

28、用2 2、生物活性、生物活性（1 1）生物活性玻璃与骨组织之间的反应）生物活性玻璃与骨组织之间的反应1 1或或2 2 Si-OH Si-OH键形成和键形成和Si(OH)Si(OH)4 4的释放的释放3 3 SiOHSiOH的聚合的聚合SiOHSiOH+SiOHSiOHSi-O-SiSi-O-Si 形成水合硅凝胶形成水合硅凝胶4 4 无定形无定形CaCa2+2+、POPO4 43-3-、COCO3 32-2-离子的吸附离子的吸附5 5 碳酸羟基磷灰石层的晶化（碳酸羟基磷灰石层的晶化（HCAHCA）6 6 HCA HCA层内的生物吸附层内的生物吸附7 7 小噬细胞反应小噬细胞反应8 8 成骨细胞的

29、源细胞附着成骨细胞的源细胞附着9 9 成骨细胞的分化与增殖成骨细胞的分化与增殖10 10 基质产生基质产生11 11 基质晶化和骨的成长基质晶化和骨的成长 成骨成骨时间（时间（h）121020100表面反应阶段表面反应阶段n生物活性键合机理：生物活性键合机理：n生物活性玻璃与组织液之间的界面的无机化生物活性玻璃与组织液之间的界面的无机化学反应影响了细胞反应，阻止了成纤维细胞学反应影响了细胞反应，阻止了成纤维细胞的增生，增强了骨的再生。的增生，增强了骨的再生。n生物活性与生物活性与SiO2SiO2的含量有关，的含量有关，nSiO2SiO2含量含量42-53%42-53%可以与骨和软组织形成键合；

30、可以与骨和软组织形成键合；nSiO2SiO2含量含量55-60%55-60%只可与骨缓慢形成键合，不能与只可与骨缓慢形成键合，不能与软组织形成键合。软组织形成键合。n骨增殖再生机理：骨增殖再生机理：n近期研究的重点是，在因手术的干扰在损伤近期研究的重点是，在因手术的干扰在损伤环境下自由的成骨细胞移植到活性表面时，环境下自由的成骨细胞移植到活性表面时，利用生物活性玻璃的孳生潜力，再生组织以利用生物活性玻璃的孳生潜力，再生组织以替代。替代。n该过程中，生物活性玻璃与自体骨混合比单独自该过程中，生物活性玻璃与自体骨混合比单独自体骨或活性玻璃更有效地促进骨增殖再生。体骨或活性玻璃更有效地促进骨增殖再生

31、。n生物活性玻璃的强化生物活性玻璃的强化获得获得具有较高的机械性能和与骨牢固结合具有较高的机械性能和与骨牢固结合的材料的材料n在析出磷灰石的微晶玻璃中在析出磷灰石的微晶玻璃中析出其它晶体析出其它晶体（如（如硅灰石）进行强化硅灰石）进行强化n将磷灰石多晶体与无机纤维将磷灰石多晶体与无机纤维复合强化复合强化n将含有将含有CaOCaO和和P2O5P2O5的玻璃、微晶玻璃或磷灰石晶的玻璃、微晶玻璃或磷灰石晶体体涂覆于涂覆于氧化铝或金属上氧化铝或金属上二、羟基磷灰石二、羟基磷灰石n羟基磷灰石（羟基磷灰石（HAP)HAP)是人体和动物骨骼的主是人体和动物骨骼的主要无机成分。分子式：要无机成分。分子式：Ca

32、10(PO4)Ca10(PO4)(OH)2(OH)2，钙磷比为钙磷比为1.671.67，n羟基磷灰石（羟基磷灰石（HAHA）与正常骨组织的钙磷比）与正常骨组织的钙磷比一致。一致。二、羟基磷灰石二、羟基磷灰石nHAHA的来源主要有三种：的来源主要有三种：n人工化学合成人工化学合成n动物骨烧结而成动物骨烧结而成n珊瑚珊瑚(coral)(coral)热液转化热液转化(hydrothermal(hydrothermal conversion)conversion)而成。而成。1、羟基磷灰石的制造工艺、羟基磷灰石的制造工艺a.a.水热反应法水热反应法n将将CaHPO4与与CaCO3按按6：4摩尔比进行配

33、料，然后进摩尔比进行配料，然后进行行24h湿法球磨。将球磨好的浆料倒入容器中，加入湿法球磨。将球磨好的浆料倒入容器中，加入足够的蒸馏水，在足够的蒸馏水，在80-100恒温情况下进行搅拌，反恒温情况下进行搅拌，反应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物，应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物，其反应式如下：其反应式如下：6CaHPO4+4CaCO3Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2Ob.b.固相反应法固相反应法n这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方将原料磨细混合，在高温下进行合成：将原料磨细混合，在高温下进行合成：1

34、000-13006CaHPO42H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2Oc.c.沉淀反应法沉淀反应法n此法用此法用Ca(NO3)2与与(NH4)2HPO4进行反应，得到白进行反应，得到白色的羟基磷灰石沉淀。其反应如下：色的羟基磷灰石沉淀。其反应如下：10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3H2O+H2O Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O此外，还有其它方法可制成羟基磷灰石。如水热合成法此外，还有其它方法可制成羟基磷灰石。如水热合成法（300，8.5MPa)可制备可制备HAP单晶；溶解法可制备单晶；溶解法可制备大的单晶。大的单

35、晶。羟基磷灰石陶瓷的烧结方法：羟基磷灰石陶瓷的烧结方法：n常规烧结、热压烧结、热等静压烧结和冷等静压烧结。常规烧结、热压烧结、热等静压烧结和冷等静压烧结。n合成的羟基磷灰石经烧结才能得到羟基磷灰石陶瓷。合成的羟基磷灰石经烧结才能得到羟基磷灰石陶瓷。n羟基磷灰石陶瓷的机械性能与烧结方法和烧结条件有羟基磷灰石陶瓷的机械性能与烧结方法和烧结条件有密切的关系密切的关系。烧结温度烧结温度（）密密 度度(g/cm3)晶粒尺寸晶粒尺寸(m)断裂韧性断裂韧性(MPa m1/2)抗弯强度抗弯强度(MPa)杨氏模量杨氏模量(GPa)11002.940.40.20.770.1284887411503.050.50.

36、30.950.07113889412003.071.91.40.950.06102992412253.093.02.10.960.0410599422 2、羟基磷灰石陶瓷的性能特点、羟基磷灰石陶瓷的性能特点n机械性能：机械性能：n合成的羟基磷灰石（合成的羟基磷灰石（HAHA）的结构与生物骨组织相似，）的结构与生物骨组织相似，因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组织相同的性因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组织相同的性能。能。n如如CaCa：P1.67P1.67，密度密度3.143.14。nHAHA的破坏强度的破坏强度(fracture strength)(fracture strength)较高，可

37、达较高，可达7979196MPa196MPa，并有较好的抗疲劳能力，并有较好的抗疲劳能力n但但HAHA最大的缺点是最大的缺点是脆性较大脆性较大。n生物稳定性：生物稳定性：nHAHA是非生物降解材料，在植入体内是非生物降解材料，在植入体内3 34 4年仍保持原年仍保持原有形态。有形态。n也有报导发现也有报导发现HAHA有部分降解，但不是完全降解。有部分降解，但不是完全降解。n生物相容性：生物相容性：n对生物无毒，无刺激，不致过敏反应，不致畸，不对生物无毒，无刺激，不致过敏反应，不致畸，不致突变，不致溶血，适于体内长期植入。致突变，不致溶血，适于体内长期植入。n生物活性：生物活性：n能诱发新骨的生

38、长能诱发新骨的生长。nHAHA在与成骨细胞共同培养时，在与成骨细胞共同培养时，HAHA表面有成骨细胞聚集表面有成骨细胞聚集n植入骨缺损时，植入骨缺损时，骨组织与骨组织与HAHA之间无纤维组织界面之间无纤维组织界面，植，植入体内后入体内后表面也有磷灰石样结构形成表面也有磷灰石样结构形成。n因为骨组织与植入材料之间无纤维组织间隔，因为骨组织与植入材料之间无纤维组织间隔，与骨的与骨的结合性好，结合性好，HAHA的骨传导能力也较强的骨传导能力也较强，n许多研究表明许多研究表明HAHA植入骨缺损区植入骨缺损区有较好的修复效果有较好的修复效果。n植入软组织，可被一层胶原所包围（与胶原存在某种键植入软组织，

39、可被一层胶原所包围（与胶原存在某种键合），其成分与骨膜相同，从而阻止了感染的发生合），其成分与骨膜相同，从而阻止了感染的发生。3 3、临床应用、临床应用n在临床上在临床上HAHA主要用于牙科材料、某些骨缺损的填充和主要用于牙科材料、某些骨缺损的填充和脊柱融合。脊柱融合。n耳听骨链、非承力齿根耳听骨链、非承力齿根n经皮装置经皮装置n医用传感器医用传感器n整形整容的材料整形整容的材料三、生物活性玻璃陶瓷三、生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷玻璃陶瓷主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃陶瓷主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃陶瓷(apatite-(apatite-wollastonitewollastonite-glass-

40、ceramic,A-W-glass-ceramic,A-W-GC)GC)为代表，为代表，n成分与生物活性玻璃接近，是一种多相复合材料。成分与生物活性玻璃接近，是一种多相复合材料。n性能特点：性能特点：n具有多元组成，可调整其结构，调整赋予新的具有多元组成，可调整其结构，调整赋予新的性能。性能。n化学性能稳定化学性能稳定n机械强度可高于母体玻璃强度数倍至十几倍。机械强度可高于母体玻璃强度数倍至十几倍。n成型加工性能好成型加工性能好n生物活性生物活性n性能特点：性能特点：n生物活性生物活性n植入体内在其表面同样可形成植入体内在其表面同样可形成HAHA层，骨传导层，骨传导作用与生物活性玻璃相似，生物

41、相容性较好。作用与生物活性玻璃相似，生物相容性较好。n但植入体内后的材料表面形成但植入体内后的材料表面形成HAHA层，玻璃陶瓷的层，玻璃陶瓷的氧化物之间应有合适的比例，氧化物之间应有合适的比例，HAHA如果形成过慢，如果形成过慢，骨组织与材料的化学结合也不能形成。骨组织与材料的化学结合也不能形成。n有报告显示玻璃陶瓷植入体内后有薄层纤维组织有报告显示玻璃陶瓷植入体内后有薄层纤维组织间隔形成，说明表面间隔形成，说明表面HAHA的形成需要较严格的生产的形成需要较严格的生产条件。条件。n临床应用：临床应用：nA-W陶瓷：陶瓷：nMgO 4.6%、CaO 44.9%、P2O5 16.3%、SiO2 3

42、4.2%、CaF2 0.5%n含磷灰石（含磷灰石（A）和）和-硅硅灰石（灰石（W）晶相）晶相n兼有很好的生物活性和机械性能兼有很好的生物活性和机械性能n已应用于人工脊椎、人工脊椎间板、长管骨、长骨已应用于人工脊椎、人工脊椎间板、长管骨、长骨固定物和骨修复材料固定物和骨修复材料n临床应用：临床应用：n其他其他生物活性玻璃陶瓷：生物活性玻璃陶瓷：nBioverit（德），（德），SiO2-(Al2O3)-MgO-CaO-Na2O-K2O-F-P2O5，听小骨、人工齿根，听小骨、人工齿根nCeravital,Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2，听小骨等不受力的部位，听小骨等不受力的

43、部位nBGC玻璃陶瓷（中科院），玻璃陶瓷（中科院），MgSiO3-CaSiO3 Ca10(PO4)6n活性玻璃陶瓷的其他应用：活性玻璃陶瓷的其他应用：n含铁磁晶体的含铁磁晶体的玻璃陶瓷可用于癌症的热治疗。玻璃陶瓷可用于癌症的热治疗。生物陶瓷听小骨骨填充用多孔生物陶瓷第三节第三节 生物可降解无机材料生物可降解无机材料n又叫生物吸收性陶瓷。生物吸收性陶瓷的特点是又叫生物吸收性陶瓷。生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长，最终使缺损部位完全为新骨所取代。生骨的生长，最终使缺损部位完全为新骨所取代。n特殊要求：特殊要求：n被

44、替代过程与新骨长出的速度相一致，被替代过程与新骨长出的速度相一致，n材料被替代过程不妨碍新骨长出材料被替代过程不妨碍新骨长出n可降解无机材料可降解无机材料n磷酸钙磷酸钙-TCP-TCP、CaSOCaSO4 4、天然珊瑚以及、天然珊瑚以及-TCP-TCP与与HAPHAP的混的混合物合物一、一、-TCP-TCP分子式：分子式：Ca3(PO4)2，钙磷比为，钙磷比为1.5，与，与正常骨组织的钙磷比正常骨组织的钙磷比接近接近。1 1、-TCP-TCP（-Ca-Ca3 3(PO(PO4 4)2 2）合成：）合成：n固相反应法：固相反应法：2CaHPO2CaHPO4 42H2H2 2O+CaCOO+CaC

45、O3 3CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2+5H+5H2 2O+COO+CO2 2n沉淀法：沉淀法：3Ca(NO3Ca(NO3 3)2 2+2(NH+2(NH4 4)2 2HPOHPO4 4+2NH+2NH4 4OHCaOHCa3 3(PO(PO4 4)2 2+6NH+6NH4 4NONO3 3+2H+2H2 2O O2 2、-TCP-TCP多孔陶瓷的制备多孔陶瓷的制备n800-1000 800-1000 适宜的烧结温度范围适宜的烧结温度范围气孔率（气孔率（%）平均孔径（平均孔径（m m）容积密度（容积密度（g/cm3）抗拉强度（抗拉强度（MPa)40-55300-3801.05-1.3

46、011.4-19.53 3、-TCP-TCP多孔陶瓷的性能多孔陶瓷的性能n物理与化学性能：物理与化学性能：n白色多孔材料白色多孔材料n在水溶液中存在如下平衡：在水溶液中存在如下平衡：CaCa3 3(PO(PO4 4)2 2(S)3Ca(S)3Ca2+2+(aq)+2PO(aq)+2PO4 43-3-(aq)(aq)n生物相容性好：生物相容性好：n无毒性、无致突变作用、无刺激，不致过敏反应，无毒性、无致突变作用、无刺激，不致过敏反应，不致畸，不致溶血，仅有轻度的巨噬细胞反应。不致畸，不致溶血，仅有轻度的巨噬细胞反应。n可促进骨损伤修复和骨组织形成，在骨与材料之间可促进骨损伤修复和骨组织形成，在骨

47、与材料之间无纤维组织间隔无纤维组织间隔n-TCP-TCP的骨传导能力比较强，的骨传导能力比较强，-TCP-TCP的骨传导作用的骨传导作用优于优于HAHA。n最突出的特点最突出的特点n在生物体内降解在生物体内降解n动物实验发现动物实验发现-TCP-TCP在植入乳猪腭乳突后在植入乳猪腭乳突后2424周完全周完全降解，降解，RenooijRenooij等用同位素标记等用同位素标记HAHA和和TCPTCP，发现，发现HAHA无无降解，而降解，而TCPTCP在在2222周降解周降解252530%30%。n生物降解机理：生物降解机理：n体液的溶解体液的溶解粘结剂发生水解，使材料分离成颗粘结剂发生水解，使材

48、料分离成颗粒、分子或离子。粒、分子或离子。n细胞吞噬与吸收细胞吞噬与吸收（巨噬细胞和破骨细胞）（巨噬细胞和破骨细胞）其代其代谢产物可参与新骨形成。谢产物可参与新骨形成。3 3、临床应用：、临床应用：n用于修复骨组织缺损用于修复骨组织缺损，替代自体骨、同种异体，替代自体骨、同种异体骨或异种骨的理想的人工骨移植材料。骨或异种骨的理想的人工骨移植材料。n强度比较低但强度比较低但只能用于不受力部位只能用于不受力部位。n降解和成骨的速度必需调节在相应的水平降解和成骨的速度必需调节在相应的水平，况且，况且TCPTCP的强度低于其它陶瓷材料，如果没有迅速的成骨，的强度低于其它陶瓷材料，如果没有迅速的成骨，T

49、CPTCP的骨修复作用可能会失败。的骨修复作用可能会失败。n当前的研究和应用规模不及当前的研究和应用规模不及HAHA。第四节第四节 发展趋势发展趋势1、基础研究趋势、基础研究趋势：n植入体与骨（软组织）的生物化学变化植入体与骨（软组织）的生物化学变化n生物陶瓷及其复合材料的生物力学适应性生物陶瓷及其复合材料的生物力学适应性n可降解生物陶瓷的降解机理可降解生物陶瓷的降解机理n生物活性陶瓷的生物活性机理生物活性陶瓷的生物活性机理纳米纳米HA2、材料研究趋势、材料研究趋势：n纳米生物陶瓷纳米生物陶瓷n如纳米如纳米HAP的抑癌治疗的抑癌治疗n复合生物陶瓷复合生物陶瓷n如将如将HA与聚乳酸和聚乙醇酸的混

50、合物复合是较多的与聚乳酸和聚乙醇酸的混合物复合是较多的一种复合物，可增加一种复合物，可增加HA的强度又可增加材料的降解，的强度又可增加材料的降解，同时有较好的骨传导性。同时有较好的骨传导性。n将将HA或或A-W-GC与纤维素、胶原等生物材料复合，与纤维素、胶原等生物材料复合，目的是提高材料的生物相容性，使材料与骨更紧密目的是提高材料的生物相容性，使材料与骨更紧密的结合。的结合。n复合了生理活性物质的生物陶瓷（将不同的材复合了生理活性物质的生物陶瓷（将不同的材料和生物因子结合有可能弥补各种材料的不足，料和生物因子结合有可能弥补各种材料的不足，更好地起到骨缺损的修复作用。）更好地起到骨缺损的修复作