特种陶瓷课件66生物陶瓷.ppt

生物陶瓷生物陶瓷本章主要内容：本章主要内容：1引言引言2生物陶瓷的发展简始生物陶瓷的发展简始3生物陶瓷应具备的性能生物陶瓷应具备的性能4生物陶瓷的优点生物陶瓷的优点5生物陶瓷的种类生物陶瓷的种类6新型生物陶瓷及应用前景展望新型生物陶瓷及应用前景展望7生物陶瓷发展趋势生物陶瓷发展趋势1 引言引言n随着经济的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等随着经济的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等事故导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需事故导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需求量越来越大。近三十年来，生物医用材料的研究与开发求量越来越大。近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使数以百万计的患者获得康复，取得了令人瞩目的成就，使数以百万计的患者获得康复，大大提高了骨伤患者的生活质量。大大提高了骨伤患者的生活质量。n由于陶瓷可在相当大的范围内改变其成分和结构，并影响由于陶瓷可在相当大的范围内改变其成分和结构，并影响其理化性能，因此，陶瓷已由单一的器皿发展为结构材料、其理化性能，因此，陶瓷已由单一的器皿发展为结构材料、功能材料；由日常生活进人到各行各业，直到尖端科技领功能材料；由日常生活进人到各行各业，直到尖端科技领域，陶瓷在生物医学领域也有广泛应用，如人工牙、人工域，陶瓷在生物医学领域也有广泛应用，如人工牙、人工骨、人工关节等。骨、人工关节等。n以人工关节为例以人工关节为例，目前国内人工关节置换手术平均，目前国内人工关节置换手术平均35 000例例/年，年销售额年，年销售额2.5亿人民币亿人民币/年。随着经济的稳定年。随着经济的稳定发展、健康观念的更新进步，关节置换率将以每年约发展、健康观念的更新进步，关节置换率将以每年约15%-20%的速度递增，将来有可能达到的速度递增，将来有可能达到100万例万例/年的水年的水平，也就是说，人工关节产品在中国有一个平，也就是说，人工关节产品在中国有一个80亿人民币亿人民币/年的潜在市场。年的潜在市场。n从医用角度来看，生物材料属于功能材料范围，其主要功从医用角度来看，生物材料属于功能材料范围，其主要功能是：能是：(1)代替患病、缺损或衰老的骨组织；代替患病、缺损或衰老的骨组织；(2)矫治先天矫治先天畸形；畸形；(3)恢复硬组织的形态或功能；恢复硬组织的形态或功能；(4)美容、整容等。美容、整容等。这类人工骨材料伴随宿主一生，要经受复杂动态的生理环这类人工骨材料伴随宿主一生，要经受复杂动态的生理环境的长期考验。境的长期考验。2 生物陶瓷的发展简史生物陶瓷的发展简史 当当今今人人类类社社会会使使用用的的材材料料可可分分为为金金属属(及及其其合合金金)材材料料、有有机机材材料料和和无无机机非非金金属属材材料料三三大大类类。这这些些材材料料都都曾曾先先后后被被用用作作人人工工硬硬组组织织的的代代替替物物，并并在在应应用用中中取取得得了了宝宝贵贵的的经经验验、教教训训。回回顾顾历历史史，可可分分为为几几个个阶段。阶段。2.1 人工骨研究的启蒙阶段人工骨研究的启蒙阶段 18世纪前，主要采用天然材料作为骨修复材料，如柳枝、世纪前，主要采用天然材料作为骨修复材料，如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。木、麻、象牙及贵金属等。2.2 自然发展阶段自然发展阶段 约约19世纪前，由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展，开世纪前，由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展，开始用纯金、纯银、铂等贵金属。始用纯金、纯银、铂等贵金属。2.3 探索阶段探索阶段 本世纪中叶以前，由于冶金的进步，钴铬铝合金本世纪中叶以前，由于冶金的进步，钴铬铝合金(1930年年)、纯钛和钛合金、纯钛和钛合金(1940年年)等被应用到人工骨领域，开始等被应用到人工骨领域，开始有目的地探索新材料，有机玻璃等高分子材料有目的地探索新材料，有机玻璃等高分子材料(1936年年)也开始应用临床，并在医学种植技术与病例选择方面积也开始应用临床，并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深入。累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深入。2.4 迅速发展阶段迅速发展阶段 u20世世纪纪60年年代代初初，在在新新技技术术革革命命浪浪潮潮推推动动下下，材材料料科科学学迅迅速速发发展展。人人们们开开始始有有目目的的、有有计计划划地地探探索索、发发现现和和合合成成新新材材料料，其其中中最最有有代代表表性性的的生生物物陶陶瓷瓷的的研研究究和和应应用用获获得得了了突突飞猛进的发展。飞猛进的发展。u生生物物陶陶瓷瓷的的发发展展虽虽然然还还不不到到50年年，也也同同样样经经历历了了上上述述时时期期。起起初初以以单单晶晶氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷为为先先导导，随随后后是是多多晶晶氧氧化化铝铝、表表面面呈呈珊珊瑚瑚状状的的氧氧化化铝铝等等。其其后后是是生生物物活活性性陶陶瓷瓷，包包括括生生物物玻玻璃，羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。璃，羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。u自自20世世纪纪70年年代代起起，生生物物陶陶瓷瓷显显露露头头角角，世世界界各各国国相相继继开开展了理论和应用研究，并且不断取得突破性进展。展了理论和应用研究，并且不断取得突破性进展。3 生物陶瓷应具备的性能生物陶瓷应具备的性能 与生物组织有良好的相容性与生物组织有良好的相容性 是是指指将将生生物物陶陶瓷瓷材材料料代代替替硬硬组组织织(牙牙齿齿、骨骨)植植入入人人体体内内后后，与与机机体体组组织织(软软组组织织、硬硬组组织织以以及及血血液液、组组织织液液)接接触触时时，具具有有良良好好的的亲亲和和性性能能。材材料料与与机机体体软软组组织织都都具具有有良良好好的的结结合合性性。此此外外，还还要要求求材材料料对对周周围围组组织织无无毒毒性性、无无刺刺激激性性、无无致致敏敏性性、无无免免疫疫排斥性以及无致癌性。排斥性以及无致癌性。3.2 有适当的生物力学和生物学性能有适当的生物力学和生物学性能 材料的的力力学学性性能能与与机机体体组组织织的的生生物物力力学学性性能能相相一一致致，不不产产生对组织的损伤和破坏作用。生对组织的损伤和破坏作用。3.3 具有良好的加工性和临床操作性具有良好的加工性和临床操作性 生生物物陶陶瓷瓷植植入入的的目目的的，是是通通过过人人工工材材料料替替代代和和恢恢复复各各种种原原因因造造成成的的牙牙和和骨骨缺缺损损，就就要要求求植植入入的的生生物物陶陶瓷瓷具具有有良良好好的的加工成形性，且在临床冶疗过程中，操作简便，易于掌握。加工成形性，且在临床冶疗过程中，操作简便，易于掌握。3.4 具有耐消毒灭菌性能具有耐消毒灭菌性能 生生物物陶陶瓷瓷材材料料是是长长期期植植入入体体内内的的材材料料，植植入入前前须须进进行行严严格格的的消消毒毒灭灭菌菌处处理理。因因此此，无无论论是是高高压压煮煮沸沸、液液体体浸浸泡泡、气气体体(环环氧氧乙乙烷烷)或或射射线线消消毒毒后后，材材料料均均不不能能因因此此而而产产生生变变性性，且且在在液液体体或或气气全全消消毒毒后后，不不能能含含有有残残留留的的消消毒毒物物质质，以保证对机体组织不产生危害。以保证对机体组织不产生危害。4 生物陶瓷的优点生物陶瓷的优点 (1)由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的机械强度、硬度；在体内难于溶解，不易氧化、不机械强度、硬度；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，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。有一定润滑性能，不易产生疲劳现象。(2)陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。求设计组成，控制性能的变化。(3)陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸，陶瓷容易成型，可根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、领骨、成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、领骨、颅骨等。颅骨等。(4)后加工方便，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是后加工方便，现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车、铣、刨、钻等可切削性生物陶瓷。利用床进行车、铣、刨、钻等可切削性生物陶瓷。利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。造的玻璃陶瓷。(5)易于着色，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、易于着色，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、美容。美容。5 生物陶瓷的种类生物陶瓷的种类 根据生物组织的作用机理，能植入体内的生物根据生物组织的作用机理，能植入体内的生物陶瓷大致可分为三类：陶瓷大致可分为三类：生物惰性陶瓷、生物活生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、可控表面活性陶瓷。性陶瓷、可控表面活性陶瓷。5.1 生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷 包包括括多多晶晶氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷、单单晶晶氧氧化化铝铝陶陶瓷瓷、高高密密度度羟羟基基磷磷灰灰石石陶陶瓷瓷、碳碳素素陶陶瓷瓷、氧氧化化锆锆陶陶瓷瓷、氮氮化化硅硅陶陶瓷瓷等等。它它们们植植入入生生物物体体组组织织内内不不与与生生物物体体组组织织形形成成化化学学结结合合，在在固固定定于于生生物物体体内内时时，这这类类材材料具有较长期的稳定性。料具有较长期的稳定性。5.2 生物活性陶瓷生物活性陶瓷n包包括括生生物物玻玻璃璃、低低密密度度羟羟基基磷磷灰灰石石类类陶陶瓷瓷(锆锆-羟羟基基磷磷灰灰石石陶陶瓷瓷、氟氟-羟羟基基磷磷灰灰石石陶陶瓷瓷、钙钙-羟羟基基磷磷灰灰石石陶瓷陶瓷)、磷酸钙玻璃陶瓷等。、磷酸钙玻璃陶瓷等。n由由于于生生物物体体硬硬组组织织(牙牙齿齿、骨骨)的的主主要要成成分分是是羟羟基基磷磷灰灰石石，因因此此有有人人也也把把羟羟基基磷磷灰灰石石陶陶瓷瓷称称之之为为人人工工骨骨。用用这这类类材材料料制制成成的的生生物物陶陶瓷瓷，因因为为含含有有通通过过正正常常新新陈陈代代谢谢途途径径而而进进行行置置换换的的磷磷、钙钙、水水、二二氧氧化化碳碳等等元元素素和和化化合合物物，植植入入生生物物体体内内能能逐逐渐渐被被生生物物体体所所吸吸收。但其缺点是在被吸收过程中强度严重下降。收。但其缺点是在被吸收过程中强度严重下降。5.3 可控表面活性陶瓷可控表面活性陶瓷 是将生物陶瓷作表面涂层后得到具有抗疲劳强度并能是将生物陶瓷作表面涂层后得到具有抗疲劳强度并能与生物组织结合的一种活性陶瓷。与生物组织结合的一种活性陶瓷。中国科学院上海中国科学院上海硅酸盐研究所研制成功的在金属人工骨及人工关节硅酸盐研究所研制成功的在金属人工骨及人工关节的表面用电弧等离子喷涂的生物陶瓷，就属于这种的表面用电弧等离子喷涂的生物陶瓷，就属于这种可控表面活性陶瓷。可控表面活性陶瓷。n上述三类生物陶瓷，以氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷和羟上述三类生物陶瓷，以氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷和羟基磷灰石陶瓷应用得最多，已经广泛用于口腔颌面基磷灰石陶瓷应用得最多，已经广泛用于口腔颌面外科手术。外科手术。生物氧化铝陶瓷显微结构生物氧化铝陶瓷显微结构陶瓷牙齿及制造陶瓷牙齿及制造氧化锆陶瓷人工关节球氧化锆陶瓷人工关节球陶瓷关节陶瓷关节6 新型生物陶瓷及应用前景展望新型生物陶瓷及应用前景展望6.1 几种新型的生物陶瓷几种新型的生物陶瓷1)生物磁性材料生物磁性材料 一一种种新新型型的的生生物物陶陶瓷瓷是是Fe2O3-Li2O-P2O5-SiO2-Al2O3-ZnO-Mg系系统统的的磁磁性性材材料料，可可用用于于治治疗疗肿肿瘤瘤，也也可可将将该该材材料料与与磷磷酸酸三三钙钙材材料复合制成人工骨材料用于修复骨缺损。料复合制成人工骨材料用于修复骨缺损。2)改性羟基磷灰石改性羟基磷灰石 目前，已研制出一种新型改性羟基磷灰石目前，已研制出一种新型改性羟基磷灰石-含碳酸盐氟羟磷灰石含碳酸盐氟羟磷灰石材料，经初步生物学检测，证实该材料对比机体安全而无毒害作材料，经初步生物学检测，证实该材料对比机体安全而无毒害作用，并且与用，并且与HAP具有同样良好的细胞相容性。具有同样良好的细胞相容性。3)陶瓷陶瓷-金属金属-高分子复合陶瓷高分子复合陶瓷 金金属属、聚聚合合体体与与陶陶瓷瓷复复合合而而成成的的生生物物陶陶瓷瓷是是较较好好的的生生物物材材料料，它它是是把把HAP粒粒子子注注入入到到超超塑塑性性钛钛合合金金中中，现现已已通通过过磷磷酸酸化化处处理理表表面面，成成功功地地增增强强了了生生物物纤纤维维的的性性质质，这这种种复复合合陶陶瓷瓷可可用用于于过过滤滤器，人造导管等，它有很好的应用前景。器，人造导管等，它有很好的应用前景。6.2 生物陶瓷的应用前景展望生物陶瓷的应用前景展望 在在医医用用方方面面，生生物物陶陶瓷瓷已已成成为为生生物物材材料料的的一一个个重重要要领领域域，生物陶瓷有着不可估量的医用前景。生物陶瓷有着不可估量的医用前景。1)人工陶瓷关节人工陶瓷关节 人们正在研制开发机械强度、韧性、硬度及化学稳定性优人们正在研制开发机械强度、韧性、硬度及化学稳定性优良，臼盖和骨头的吻合性能更好，且容易制作的陶瓷材料，良，臼盖和骨头的吻合性能更好，且容易制作的陶瓷材料，更理想的是手术时不必切除支撑关节面的骨骼，仅仅用于更理想的是手术时不必切除支撑关节面的骨骼，仅仅用于修复关节面就可以的新型陶瓷材料和技术。修复关节面就可以的新型陶瓷材料和技术。2)骨骼填充陶瓷材料骨骼填充陶瓷材料 在在骨骨髓髓细细胞胞中中包包含含有有能能分分化化成成骨骨细细胞胞的的干干细细胞胞，所所以以预预先先从从患患者者身身上上采采一一些些骨骨细细胞胞，把把它它放放置置于于多多孔孔性性的的人人体体活活性性陶陶瓷瓷之之中中，在在体体外外培培养养直直至至分分化化出出骨骨芽芽细细胞胞，再再把把它它随随同同陶陶瓷瓷埋埋人人骨骨缺缺损损部部，这这时时骨骨形形成成就就更更有有效效，人人们们正正期期待待着着开发出这种骨填充陶瓷材料。开发出这种骨填充陶瓷材料。3)临床可以成型的人工骨临床可以成型的人工骨 人人们们正正期期待待研研制制成成与与骨骨缺缺损损形形状状完完全全吻吻合合的的人人工工骨骨材材料料：把把粉粉末末和和体体液液混混合合在在一一起起后后，数数分分钟钟内内有有流流动动性性，然然后后固固化化，与与周周围围的的骨骨结结合合在在一一起起，具具有有与与人人骨骨相相似似的的力力学学性性质质，陶陶瓷瓷人人工工骨骨可可用用注注射射器器将将它它注注人人患患部部，采采修修复复骨骨缺缺损部。损部。4)用作放射治疗癌症的陶瓷用作放射治疗癌症的陶瓷 放射疗法是以保存患部只杀癌细胞为目的，很多时候放射疗法是以保存患部只杀癌细胞为目的，很多时候是体外照射，最理想的方法是只对体内癌部进行局部放射是体外照射，最理想的方法是只对体内癌部进行局部放射线照射，用高频感应热等离子体方法，可以得到只有线照射，用高频感应热等离子体方法，可以得到只有YPO4微结晶组成的小球，有着很好的化学稳定性，用这些微结晶组成的小球，有着很好的化学稳定性，用这些小球进行放疗治癌的动物试验正准备进行。小球进行放疗治癌的动物试验正准备进行。5)热疗治癌的陶瓷热疗治癌的陶瓷 正正常常细细胞胞耐耐热热温温度度为为48左左右右，而而癌癌细细胞胞缺缺乏乏氧氧的的供供给给，因因而而不不耐耐热热，在在43左左右右便便死死亡亡，把把强强磁磁性性陶陶瓷瓷小小球球送送入入癌癌部部，再再把把该该部部放放于于交交流流磁磁场场下下，那那么么磁磁性性体体就就会会因因磁磁滞滞损损耗耗而而发发热热，从从而而达达到到只只局局部部加加热热癌癌部部的的目目的的。现现在正在开发有更加良好发热效率的强磁性微小球。在正在开发有更加良好发热效率的强磁性微小球。7 生物陶瓷发展趋势生物陶瓷发展趋势 (1)提高现有生物陶瓷的可靠性，提高其强度，降低杨氏模量，改提高现有生物陶瓷的可靠性，提高其强度，降低杨氏模量，改善韧性，最有希望的途径是研制复合材料，如金属善韧性，最有希望的途径是研制复合材料，如金属-陶瓷复合、陶瓷复合、陶瓷纤维增强生物陶瓷、聚合物陶瓷纤维增强生物陶瓷、聚合物-陶瓷复合、骨胶原陶瓷复合、骨胶原-生物陶瓷生物陶瓷复合等。复合等。(2)深入研究种植与骨界面的作用过程以及种植与骨和软组织结合深入研究种植与骨界面的作用过程以及种植与骨和软组织结合的机理，这对了解腐蚀、疲劳过程，探索预防和控制的途径具的机理，这对了解腐蚀、疲劳过程，探索预防和控制的途径具有重要意义，也会为研制新材料提供信息。有重要意义，也会为研制新材料提供信息。(3)开开展展人人工工骨骨应应用用基基础础理理论论研研究究，建建立立和和完完善善材材料料综综合合评评判判系系统统，以以寻寻求求在在实实验验室室条条件件下下预预测测种种植植体体变变化化和和寿寿命命的的方方法法，为为建建立立生生物物医医学学材材料料标标准准提提供供可可靠靠依依据据；还还应应积积极极开开展展材材料料应应用用技技术术的的研研究究，人人们们还还没没有有超超越越模模仿仿天天然然器器官官的的阶阶段段。这这主主要要是是材材料料应应用用技技术术的的研研究究跟跟不不上上需需要要。这这一一技技术术应应包包括括人人体体器器官官测测量量、分析、形态和结构设计，加工成型技术和评价技术。分析、形态和结构设计，加工成型技术和评价技术。(4)需需要要外外科科医医生生、口口腔腔医医生生紧紧密密合合作作。除除材材料料研研究究、应应用用技技术术外外，临床适应症的选择和手术设计与实施也是种植成功的要素之一。临床适应症的选择和手术设计与实施也是种植成功的要素之一。(5)非活性生物陶瓷的强度较高，但与生物无亲和作用非活性生物陶瓷的强度较高，但与生物无亲和作用(如如 Al2O3陶陶瓷瓷)；活活性性生生物物陶陶瓷瓷具具有有亲亲和和作作用用，可可与与生生物物体体长长在在一一起起，但但强强度度较较低低(如如磷磷酸酸钙钙陶陶瓷瓷)。在在非非活活性性陶陶瓷瓷上上涂涂敷敷活活性性生生物物陶陶瓷，使之兼具两者优点。瓷，使之兼具两者优点。(6)在在移移植植陶陶瓷瓷应应用用范范围围不不断断扩扩大大基基础础上上，人人造造血血管管和和人人造造气气管管等等软组织材料的应用将是今后的重点研究课题。软组织材料的应用将是今后的重点研究课题。v总总之之，要要以以无无生生命命的的陶陶瓷瓷取取代代人人体体某某部部位位有有生生命命的的组组织织，共共同同承承担担人人体体的的生生命命功功能能，是是生生物物陶陶瓷瓷工工作作者者一一项项长长期期、艰艰巨巨的的科科研研课课题题，其其核核心心是是新新材材料料的的探探索索。这这有有待待于于各各专专业业学学者者、专专家家的的通通力力合合作作，协协同同攻攻关关，以以满满足足人人们们对对生生物物陶陶瓷瓷材材料料品品种种和和数数量的新要求。量的新要求。