生物医用材料-第四次课课件.ppt

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1、1第三章第三章 生物医用无机材料生物医用无机材料1808年，陶齿用于镶牙；年，陶齿用于镶牙；1892年，年，Dreesman发表了用熟石膏作为骨的缺损填充材料，但存在易消发表了用熟石膏作为骨的缺损填充材料，但存在易消耗，以致不能起作用；耗，以致不能起作用；1963年，年，Smith发展了陶瓷骨替代材料，多孔铝酸盐材料；发展了陶瓷骨替代材料，多孔铝酸盐材料；1969年，年，Hench教授研制了生物玻璃，开创了生物活性材料；教授研制了生物玻璃，开创了生物活性材料；1970年以后，年以后，Smith开创，开创，Driskell深入研究，可吸收陶瓷深入研究，可吸收陶瓷-Ca3(PO4)2；近年来，纳米

2、生物医用无机材料得到快速的发展。近年来，纳米生物医用无机材料得到快速的发展。一、生物医用无机材料的发展概况一、生物医用无机材料的发展概况2生物医用无机材料生物医用无机材料（一）良好的生物相容性（一）良好的生物相容性（二）杂质元素及溶出物含量低：（二）杂质元素及溶出物含量低：As，Cd，Hg，Pb及重金属及重金属（三）有效性（三）有效性（四）成型加工性能（四）成型加工性能（五）良好的耐消毒灭菌性：（五）良好的耐消毒灭菌性：高压蒸汽消毒，环氧乙烷灭菌，辐射灭菌高压蒸汽消毒，环氧乙烷灭菌，辐射灭菌二、基本要求与条件二、基本要求与条件3常见生物医用材料比较常见生物医用材料比较特性特性金属金属高分子高分

3、子无机非金属无机非金属生物惰性生物惰性生物活性生物活性可降解可降解成分成分与骨不同与骨不同与骨不同与骨不同与骨不同与骨不同与骨相似与骨相似与骨相似与骨相似和骨组织结合和骨组织结合不不不不不不结合结合骨置换骨置换毒性毒性溶解离子有毒溶解离子有毒溶解增塑剂有害溶解增塑剂有害一般没有一般没有一般没有一般没有一般没有一般没有破坏方式破坏方式一般不断裂一般不断裂难断裂难断裂破断破断破断破断破断破断破坏强度破坏强度大（一般无问题）大（一般无问题）中（要提高）中（要提高）一般较低（必须一般较低（必须提高）提高）一般较低（必须一般较低（必须提高）提高）弹性模量弹性模量大大小小大大中中中中抗腐蚀性抗腐蚀性较差较

4、差良好良好良好良好良好良好良好良好加工性加工性良好良好良好良好较好较好较好较好生物相容性生物相容性良好良好良好良好良好良好溶解性溶解性很小很小很小很小很小很小较小较小小小4三、生物医用无机材料分类三、生物医用无机材料分类按成分和性质按成分和性质生物陶瓷材料：氧化铝，羟基磷灰石陶瓷生物陶瓷材料：氧化铝，羟基磷灰石陶瓷生物玻璃材料：生物玻璃材料：45S545S5玻璃玻璃生物玻璃陶瓷：生物玻璃陶瓷：DICORDICOR玻璃陶瓷玻璃陶瓷骨水泥：磷酸钙骨水泥骨水泥：磷酸钙骨水泥复合无机材料：碳纤维增强无机骨水泥复合无机材料：碳纤维增强无机骨水泥5三、生物医用无机材料分类三、生物医用无机材料分类天然生物矿

5、物：钙化的贝壳与珍珠天然生物矿物：钙化的贝壳与珍珠合成生物医用材料：合成生物医用材料：TCP-TCP-人工骨人工骨生物衍生材料：经处理的天然生物矿物生物衍生材料：经处理的天然生物矿物按来源按来源按临床用途按临床用途肌肉肌肉-骨骼系统：热解碳纤维骨骼系统：热解碳纤维软组织：跟腱的碳纤维软组织：跟腱的碳纤维骨科，牙科：磷酸钙陶瓷，生物玻璃骨科，牙科：磷酸钙陶瓷，生物玻璃心脏，血管：血管用碳质材料心脏，血管：血管用碳质材料药物控释载体：磁性微珠药物控释载体：磁性微珠临床诊断及生物传感器：陶瓷温度传感器材料临床诊断及生物传感器：陶瓷温度传感器材料6三、生物医用无机材料分类三、生物医用无机材料分类按生物

6、环境中按生物环境中发生的生物化发生的生物化学反应水平学反应水平生物惰性：氧化铝，氧化锆陶瓷。生物惰性：氧化铝，氧化锆陶瓷。生物活性：羟基磷灰石陶瓷，生物活性：羟基磷灰石陶瓷，45S545S5生物可降解性：可溶性铝酸钙陶瓷生物可降解性：可溶性铝酸钙陶瓷无机纳米材料：纳米无机纳米材料：纳米FeFe2 2O O3 3随着生物医用材料以及其它学科的发展，寻找更合理的分随着生物医用材料以及其它学科的发展，寻找更合理的分类，也是研究的一项重要课题。类，也是研究的一项重要课题。73.1 骨水泥骨水泥甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥（CPC）磷酸镁水泥磷酸镁水泥（MPC）Pol

7、y methyl methacrylate(PMMA)Calcium phosphate cement(CPC)Magnesium phosphate cement(MPC)骨水泥骨水泥-作为人工合成替代材料中的重要成分，是一种新型骨修复材料，作为人工合成替代材料中的重要成分，是一种新型骨修复材料，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。Problelms:5-10年松动率高年松动率高达达24-30%，与人，与人体骨形成非骨性体骨形成非骨性结合；结合；生物相容性差；生物相容性差；单体的毒性；单体的毒性；过敏致肿瘤等过敏致肿瘤等

8、最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨黏合剂加入维增强的高分子骨黏合剂加入PMMA提提高其生物相容性。高其生物相容性。83.1 骨水泥骨水泥骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：骨水泥作为一种医用材料，必须满足如下要求：1，浆体易成型，可填充不规则的骨腔；，浆体易成型，可填充不规则的骨腔；2，在环境中能自行凝固，硬化时间要合理；，在环境中能自行凝固，硬化时间要合理；3，有优良的生物活性和骨诱导潜能；，有优良的生物活性和骨诱导潜能；4，良好的机械性能和耐久性能；，良好的机械性能和耐久性能；5，无毒和具有免疫性。，无毒和具有免疫性。93.1 骨水泥

9、骨水泥 骨骨-是由坚硬的矿物质是由坚硬的矿物质（羟基磷灰羟基磷灰石石结晶结晶，即磷酸钙和氢氧化钙的复合，即磷酸钙和氢氧化钙的复合物）和骨胶的有机质结合而构成。物）和骨胶的有机质结合而构成。羟基磷灰石羟基磷灰石具有良好的生物相容性、骨传具有良好的生物相容性、骨传导性与骨诱导性导性与骨诱导性,因此被广泛应用于人工骨的制造因此被广泛应用于人工骨的制造。一、自固化磷酸钙骨水泥一、自固化磷酸钙骨水泥 海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，可以作为骨植入材料，但质地脆、吸收快，可以作为骨植入材料，但质地脆、吸收快，只具支架和骨引导，无骨诱导能力。只具支架和骨引导，无骨诱导能力

10、。由仿生思想的启示，由仿生思想的启示，1986年，美国齿科协会科年，美国齿科协会科学家学家L.C.Chow 和和W.E.Brown发明了磷酸钙发明了磷酸钙骨水泥，骨水泥，1996年年FDA批准批准CPC可以用于非承重可以用于非承重骨的骨缺陷治疗。骨的骨缺陷治疗。103.1 骨水泥骨水泥磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥：20世纪世纪80年代中期，年代中期，Brown及及Chow发现由几种磷酸钙发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行硬化人体环境和温度下自行硬化，水化硬化过程基本不水化硬化过程基本不放热放热，其水化成分最终转化为其水化成分最终转化为羟基磷灰石羟基磷灰石（hy

11、droxyapatite，HAP）。）。由由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用于此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用于人体骨的修复人体骨的修复，故称故称磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥。由于其具有在人体自行固化的特性，因此又称。由于其具有在人体自行固化的特性，因此又称自固化磷酸自固化磷酸钙人工骨钙人工骨。目前，骨水泥成为材料界与医学界研究的热点之一。目前，骨水泥成为材料界与医学界研究的热点之一。特点特点：自行硬化、塑形容易、与人体相容的特性等。自行硬化、塑形容易、与人体相容的特性等。113.1 骨水泥骨水泥（一）组成和水化机制（一）组成和水化机制 化学成分：化学成分：CPC由由固相固相和

12、和液相液相两部分组成。两部分组成。其中，其中，固相固相至少包含除至少包含除HAP外的两种磷酸钙盐，这些磷酸钙盐包括：外的两种磷酸钙盐，这些磷酸钙盐包括：磷酸四钙（磷酸四钙（tetraxalcium phosphate，TECP，Ca4(PO4)2O）磷酸三钙（磷酸三钙（tricalcium phasphate，TCP，Ca3(PO4)2）二水磷酸氢钙（二水磷酸氢钙（dicalcium phosphate dihydrate，DCPD，CaHPO42H2O）无水磷酸氢钙（无水磷酸氢钙（dicalcium phosphate anhydrous，DCPA，CaHPO4）磷酸二氢钙（磷酸二氢钙（mo

13、nocalcium phosphate monohydrate,MCPM,Ca(H2PO4)2）磷酸八钙（磷酸八钙（octacalcium phosphate，OCP，Ca8H2(PO4)6）固相中钙磷比通常介于固相中钙磷比通常介于1.3-2.0.液相即固化液，液相即固化液，多为低浓度的磷酸或磷酸盐溶液，或蒸馏水、生理盐水或手多为低浓度的磷酸或磷酸盐溶液，或蒸馏水、生理盐水或手术部位的血液等。术部位的血液等。根据组成不同，分为根据组成不同，分为纯纯CPC与与功能性功能性CPC（如添加药物、生物活性因子、抗水剂等）（如添加药物、生物活性因子、抗水剂等）。123.1 骨水泥骨水泥CPC的水化机制：

14、的水化机制：自行固化是骨水泥区别于其它生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）自行固化是骨水泥区别于其它生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的最主要特征之一。的最主要特征之一。CPC固化并最终转化为固化并最终转化为HAP，原理是基于不同磷酸原理是基于不同磷酸钙盐在水中溶解度的差异。钙盐在水中溶解度的差异。在在pH=4.2-11范围内，范围内，HAP在水中的溶解度最小，热力学最稳定，其在水中的溶解度最小，热力学最稳定，其它磷酸钙盐在水中会趋向于向它磷酸钙盐在水中会趋向于向HAP转化：转化：5Ca3(PO4)2+3H2O 3Ca5(PO4)3OH+H3PO45Ca8H2(PO4)6 5H2O 8Ca5(P

15、O4)3OH+6 H3PO4+17H2O5CaHPO4+H2O Ca5(PO4)3OH +2 H3PO43Ca4(PO4)2O+3H2O 2Ca5(PO4)3OH+2Ca(OH)2133.1 骨水泥骨水泥CPC固化为固化为HAP的过程：的过程：CPC粉末与固化液接触，磷酸钙盐先溶解，粉末与固化液接触，磷酸钙盐先溶解，在在颗粒间结晶出细针状颗粒间结晶出细针状HAP。随着水化反应的进行，随着水化反应的进行，HAP细小晶体不断长大并互相交联接触。细小晶体不断长大并互相交联接触。晶体越大，接触点数量越多，固化体越坚硬，晶体越大，接触点数量越多，固化体越坚硬，其强度与其强度与HAP生成率正比。生成率正比

16、。单一磷酸钙盐水化时环境产生偏酸或碱，导致水化反应终止，单一磷酸钙盐水化时环境产生偏酸或碱，导致水化反应终止，其矿化能力相当有限，其矿化能力相当有限，CPC是几种磷酸钙盐的混合物。是几种磷酸钙盐的混合物。143.1 骨水泥骨水泥（二）（二）CPC的材料学性能的材料学性能 CPCCPCA A轻松的形状轻松的形状可塑性能可塑性能B B奇特的自行固化性能奇特的自行固化性能C C优异的生物优异的生物相容性能相容性能D D良好的体内良好的体内降解性能降解性能E E合理的凝结时间、合理的凝结时间、较高的强度、较高的强度、良好的抗水性良好的抗水性以及微观结构以及微观结构153.1 骨水泥骨水泥 国内外学者对

17、该材料性能的优化研究，取得了一定的进展。国内外学者对该材料性能的优化研究，取得了一定的进展。1.凝结时间凝结时间-指可塑浆体变成不再可塑时的时间，用标准稠度和凝结指可塑浆体变成不再可塑时的时间，用标准稠度和凝结 时间测定仪测定。其数值取决于时间测定仪测定。其数值取决于-材料组分、固相颗粒的大小和形态、材料组分、固相颗粒的大小和形态、固液比及环境温度固液比及环境温度等。等。譬如：譬如：n减小磷酸钙盐的粒径，将使凝结时间显著缩短；减小磷酸钙盐的粒径，将使凝结时间显著缩短；nHAP晶种的存在将大大缩短晶种的存在将大大缩短CPC的凝结时间；的凝结时间；n可溶性磷酸盐的引入增大水化过程中过饱和度，提高反

18、应力，加速固化；可溶性磷酸盐的引入增大水化过程中过饱和度，提高反应力，加速固化；nF-离子可促进水产物向比离子可促进水产物向比HAP更稳定的氟磷灰石（更稳定的氟磷灰石（fluorapatite，FAP）转）转化，起到快凝的效果。化，起到快凝的效果。163.1 骨水泥骨水泥2.强度强度-抗压强度是衡量抗压强度是衡量CPC在体内硬化后抗负载能力的指标。在体内硬化后抗负载能力的指标。CPC固化固化4h后可基后可基本达到最大抗压强度，一般为本达到最大抗压强度，一般为30-50MPa。目前报道最高为。目前报道最高为70MPa。提高提高CPC抗压强度，可通过：抗压强度，可通过：p选择合适的制备条件，控制浆

19、体微结构的初始特征及演变过程，使其向选择合适的制备条件，控制浆体微结构的初始特征及演变过程，使其向提高强度的方向变化；提高强度的方向变化；p减小大孔尺寸和数量，提高颗粒结合强度；减小大孔尺寸和数量，提高颗粒结合强度；p与添加剂复合，利用颗粒增强、纤维增强和原位增强来提高强度。与添加剂复合，利用颗粒增强、纤维增强和原位增强来提高强度。3.自行固化和任意塑形自行固化和任意塑形-CPC粉末与固化液调和后的糊状物，自行固化，凝结时间为粉末与固化液调和后的糊状物，自行固化，凝结时间为3-15min；可塑性强，固化过程不放热，与骨直接黏结，对周围组织无伤害。可塑性强，固化过程不放热，与骨直接黏结，对周围组

20、织无伤害。173.1 骨水泥骨水泥4.微观结构微观结构-材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素，孔径大小和材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素，孔径大小和孔隙率测定能反映孔隙率测定能反映CPC内部的微孔结构。内部的微孔结构。微孔半径平均为微孔半径平均为2-100nm。固化体微孔结构对强度影响明显：固化体微孔结构对强度影响明显：微孔孔径越大，孔隙率越高，微孔孔径越大，孔隙率越高，CPC强度则越小；强度则越小；较小的孔径、较低的孔隙率虽能获得较高的强度，但不利于新骨的长入。较小的孔径、较低的孔隙率虽能获得较高的强度，但不利于新骨的长入。183.1 骨水泥骨水泥5.抗水性抗水性 是指是指CPC

21、在血液、生理盐水的静水压力下抗渗防水的能力，对于大量出血在血液、生理盐水的静水压力下抗渗防水的能力，对于大量出血的外科手术，这一性能显得尤为重要。的外科手术，这一性能显得尤为重要。增强增强CPC抗水性的添加物应符合以下条件：抗水性的添加物应符合以下条件：防止调和物在水中溃散；不应防止调和物在水中溃散；不应影响调和物转化为影响调和物转化为HAP；不降低；不降低CPC固化体的强度；不影响调和物的可固化体的强度；不影响调和物的可操作性；具有至少与磷灰石相似的良好生物相容性；应在较短时间内吸操作性；具有至少与磷灰石相似的良好生物相容性；应在较短时间内吸收。收。如：海藻酸钠是目前公认的优良抗水剂。如：海

22、藻酸钠是目前公认的优良抗水剂。海藻酸钠：由海藻酸钠：由a-L-甘露糖醛酸甘露糖醛酸(M单元单元)与与b-D-古罗糖醛酸古罗糖醛酸(G单元单元)依靠依靠1,4-糖苷键糖苷键连连接并由不同接并由不同GGGMMM片段组成的片段组成的共聚物共聚物。193.1 骨水泥骨水泥（三）（三）CPC的生物学性能的生物学性能 安全性安全性安全性安全性相容性相容性相容性相容性材料无毒，无致癌、致突变、致畸形，与有机体亲材料无毒，无致癌、致突变、致畸形，与有机体亲和性好，植入后不引起异物反应，同时有引导新骨和性好，植入后不引起异物反应，同时有引导新骨生成的功能。生成的功能。成骨效应成骨效应成骨效应成骨效应在于在于其骨

23、引导活性其骨引导活性，新骨以爬行替代的方式生长，新骨以爬行替代的方式生长，植入体与骨组织形成骨性连接。植入体与骨组织形成骨性连接。降解性能降解性能降解性能降解性能材料植入骨组织后，通过体液溶解或被代谢系统材料植入骨组织后，通过体液溶解或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生骨组织排出体外，最终使缺损的部位完全被新生骨组织所取代，而材料只起临时支架作用。所取代，而材料只起临时支架作用。203.1 骨水泥骨水泥（四）新型（四）新型CPC的研制的研制药物控释骨水泥药物控释骨水泥注射型骨水泥注射型骨水泥抗水快凝骨水泥抗水快凝骨水泥生物活性骨水泥生物活性骨水泥多孔磷酸钙骨水泥多孔磷酸钙骨水泥21

24、3.1 骨水泥骨水泥（五）（五）CPC的临床应用研究的临床应用研究骨科：骨科：在骨缺损填在骨缺损填充、修复等方面充、修复等方面有较广泛应用。有较广泛应用。如：羟基磷灰如：羟基磷灰石石/胶原类骨仿生胶原类骨仿生复合材料复合材料-增加增加其强度和韧性，其强度和韧性，更接近人骨。更接近人骨。临床应用临床应用口腔科：口腔科：主要应用于：根主要应用于：根管填充、盖髓、管填充、盖髓、髓底修复和牙槽髓底修复和牙槽骨骨缺修复及人骨骨缺修复及人工牙种植。工牙种植。22经皮椎体成形术：经皮椎体成形术：（1）穿刺针经椎弓根穿至病变椎体内）穿刺针经椎弓根穿至病变椎体内（2）注入骨水泥，从而加固病变椎体）注入骨水泥，从

25、而加固病变椎体 3.1 骨水泥骨水泥233.1 骨水泥骨水泥二、磷酸镁水泥二、磷酸镁水泥 磷酸镁骨水泥（磷酸镁骨水泥（MPC）：是一类反应型胶黏剂，具有同是一类反应型胶黏剂，具有同CPC材料相似的特性，其快凝、高早强的特性恰好能弥补材料相似的特性，其快凝、高早强的特性恰好能弥补CPC材材料在这方面的不足。料在这方面的不足。特点特点：水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，且水化过程中水化产物为磷酸镁铵之类的生物矿石，且水化过程中的放热速率可由镁化合物的水化活性来调节。的放热速率可由镁化合物的水化活性来调节。目前，对于目前，对于MPC的国内外研究都集中在非生物材料领域，作为的国内外研究都集中在非生物材

26、料领域，作为生物材料，国内未见报道，而国外也仅有零星报道。生物材料，国内未见报道，而国外也仅有零星报道。243.1 骨水泥骨水泥（一）（一）MPC的制备工艺的制备工艺 MPC具有独特的水硬性质具有独特的水硬性质-可控的快凝和高早强特性。可控的快凝和高早强特性。MPC体系由固液两相组成体系由固液两相组成，其中固相包括：其中固相包括：氧化镁、磷酸盐和缓凝剂氧化镁、磷酸盐和缓凝剂。氧化镁氧化镁-由氢氧化镁或碱式碳酸镁经高温煅烧制得，具有化学活性，温由氢氧化镁或碱式碳酸镁经高温煅烧制得，具有化学活性，温 度升高，活性下降；度升高，活性下降；磷酸盐磷酸盐-由碱金属和铵的酸式磷酸盐，特别是磷酸二氢盐、正磷

27、酸盐、由碱金属和铵的酸式磷酸盐，特别是磷酸二氢盐、正磷酸盐、焦磷酸盐及聚磷酸盐的混合溶液，以及磷酸二氢铝及磷酸等焦磷酸盐及聚磷酸盐的混合溶液，以及磷酸二氢铝及磷酸等 组成。其中组成。其中氧化镁相对磷酸二氢铵应是过量，若前者过量太氧化镁相对磷酸二氢铵应是过量，若前者过量太 少，材料强度衰减太快；过量太多，反应速度太快，放热快。少，材料强度衰减太快；过量太多，反应速度太快，放热快。缓凝剂缓凝剂-控制水化反应速率的有效方法，且与其用量有关。如硼砂等。控制水化反应速率的有效方法，且与其用量有关。如硼砂等。25（二）（二）MPC的反应机制的反应机制MPC粉末与固化液的反应是在溶液中进行的酸碱反应。酸性磷

28、酸二氢铵迅速粉末与固化液的反应是在溶液中进行的酸碱反应。酸性磷酸二氢铵迅速溶解，达到饱和状态，其反应如下：溶解，达到饱和状态，其反应如下：NH4H2PO4 NH4+PO43-+2H+NH4H2PO4 NH4+HPO42-+H+NH4H2PO4 NH4+H2PO42-MgO是微溶于水的，在是微溶于水的，在H+和水分子的作用下向溶液中释放和水分子的作用下向溶液中释放Mg2+和和OH-：MgO+H2O MgOH-+OH-MgOH+2H2O Mg(OH)2+H3O+Mg（OH）2 Mg2+2OH-结果：结果：NH4+和和PO43-通过氢键与形成的正八面体通过氢键与形成的正八面体Mg(H2O)62+相连

29、接，形成相连接，形成NH4MgPO4*6H2O。3.1 骨水泥骨水泥26（三）（三）MPC的性能的性能凝结时间凝结时间-通常以初凝时间来衡量，即水泥由塑性浆体转变通常以初凝时间来衡量，即水泥由塑性浆体转变为刚性材料的时间。为刚性材料的时间。影响影响MPC凝结时间（凝结时间（1min-1h）的影响因素：如缓凝剂的量、）的影响因素：如缓凝剂的量、MgO的粒度及反应温度、固液比等。该水化反应是强烈放热的，的粒度及反应温度、固液比等。该水化反应是强烈放热的，即使在零下即使在零下10度度1h内也会固化凝结。内也会固化凝结。强度强度-是衡量是衡量MPC材料的另一重要指标。磷酸镁水泥的强度材料的另一重要指标

30、。磷酸镁水泥的强度与水化产物相互交联的网络结构和在空间的分布有关。与水化产物相互交联的网络结构和在空间的分布有关。含钙磷酸镁水泥用于牙齿修复，表现出毒性低且具有良好的生含钙磷酸镁水泥用于牙齿修复，表现出毒性低且具有良好的生物相容性、可降解性。物相容性、可降解性。3.1 骨水泥骨水泥273.2 生物陶瓷生物陶瓷一、生物陶瓷的发展概况一、生物陶瓷的发展概况 生物陶瓷材料生物陶瓷材料-指与人体工程相关的，可用于人体组织修复指与人体工程相关的，可用于人体组织修复的一类陶瓷材料。的一类陶瓷材料。人类早期的修复材料：人类早期的修复材料：自然矿物、象牙、自然矿物、象牙、贵金贵金属属、自体骨和异体骨。、自体骨

31、和异体骨。生物陶瓷生物陶瓷：来源丰富，优良的植入性能，理想的生物体植入材料。：来源丰富，优良的植入性能，理想的生物体植入材料。特点：特点：在人体内部理化性能稳定，良好的生物相容性；在人体内部理化性能稳定，良好的生物相容性；其性能可通过成分设计来控制；其性能可通过成分设计来控制；容易成形；容易成形；容易着色。容易着色。贵金属贵金属：金、银铂及其合金。金、银铂及其合金。优点优点：强度高、无毒、刺激小、耐腐蚀等；：强度高、无毒、刺激小、耐腐蚀等；缺点缺点：不具有生物活性及生物降解性，过高：不具有生物活性及生物降解性，过高的强度影响其周围组织及人体活动。的强度影响其周围组织及人体活动。28二、类别二、

32、类别生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷氧化铝、氧化锆生物陶瓷、医用碳素材料氧化铝、氧化锆生物陶瓷、医用碳素材料生物活性陶瓷生物活性陶瓷羟基磷灰石（羟基磷灰石（HAP）、生物活性玻璃陶瓷）、生物活性玻璃陶瓷可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷磷酸三磷酸三钙陶瓷、磷酸陶瓷、磷酸钙陶瓷、磷酸陶瓷、磷酸钙生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷生物陶瓷3.2 生物陶瓷生物陶瓷29生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷生物活性陶瓷生物活性陶瓷可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷与组织几乎不发生化学变化的材料，其引起的组织反与组织几乎不发生化学变化的材料，其引起的组织反应主要为应主要为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜。材料周围会形成厚度不同

33、的包裹性纤维膜。用途：用途：人体骨骼、关节及齿根以及人工心脏瓣膜等人体骨骼、关节及齿根以及人工心脏瓣膜等能与有机体组织在能与有机体组织在界面上实现化学键合界面上实现化学键合的生物陶瓷。的生物陶瓷。优点：优点：材料表面形成能与骨组织以化学键结合的生物材料表面形成能与骨组织以化学键结合的生物性性碳酸羟基磷灰石（碳酸羟基磷灰石（HCA）、耐久力和抗疲劳性能。）、耐久力和抗疲劳性能。用途：用途：牙科和整形外科植入体等。牙科和整形外科植入体等。在生理环境作用下能逐渐降解和被吸收的生物材料。在生理环境作用下能逐渐降解和被吸收的生物材料。优点：优点：暂时性的替代材料、优良的生物相容性、生物活性、暂时性的替代

34、材料、优良的生物相容性、生物活性、可降解性和一定的机械性。可降解性和一定的机械性。用途：用途：骨缺损修复、牙槽增高、耳听骨替换、人造肌腱等骨缺损修复、牙槽增高、耳听骨替换、人造肌腱等3.2 生物陶瓷什么是活性？生物陶瓷什么是活性？30三、典型的生物陶瓷材料三、典型的生物陶瓷材料 生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷-氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷：氧化铝陶瓷又称刚玉，六方晶系晶型，氧化铝陶瓷又称刚玉，六方晶系晶型，高硬度高熔点高硬度高熔点。只有只有高强度、高密度、晶粒小且高强度、高密度、晶粒小且均匀的氧化铝陶瓷才具有优越均匀的氧化铝陶瓷才具有优越 性能，与有机体间实现性能，与有机体间实现机械锁合机械锁合；而；而多

35、孔的氧化铝陶瓷多孔的氧化铝陶瓷界面结界面结 合强度优于致密的氧化铝陶瓷界面结合强度。合强度优于致密的氧化铝陶瓷界面结合强度。氧化锆陶瓷：氧化锆陶瓷：萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等。萤石型结构，有优良的耐热性、绝缘性、耐蚀性等。力学性能力学性能 方面更由于氧化铝陶瓷方面更由于氧化铝陶瓷，如高抗弯强度及断裂韧性。如高抗弯强度及断裂韧性。3.2 生物陶瓷生物陶瓷31生物活性陶瓷生物活性陶瓷-羟基磷灰石（羟基磷灰石（HAP）：）：Ca10（PO4）6(OH)2，属六方晶系，微溶于水。其脆性属六方晶系，微溶于水。其脆性大、抗疲劳性能差、不用于承力部位的修复；其生物相容性和界面生物活性大、抗

36、疲劳性能差、不用于承力部位的修复；其生物相容性和界面生物活性均优于医用钛合金、硅橡胶等。均优于医用钛合金、硅橡胶等。研究表明：研究表明：多孔多孔HAP生物陶瓷（生物陶瓷（5-400um）更利于临床应用。更利于临床应用。可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷-磷酸三钙陶瓷磷酸三钙陶瓷：多孔型和致密型两种，前者在生理环境中发生降解和吸多孔型和致密型两种，前者在生理环境中发生降解和吸 收，实现降解吸收与新骨替换同步有待解决；而后者较稳定，抗弯强度与断收，实现降解吸收与新骨替换同步有待解决；而后者较稳定，抗弯强度与断裂韧性略高于裂韧性略高于HAP，为，为Al2O3的的1/5，钛合金的，钛合金的1/70。双相生物

37、陶瓷材料双相生物陶瓷材料-混合不同比例的混合不同比例的HAP与与-TCP：生物相容性好、可降解性好、诱导成骨性好生物相容性好、可降解性好、诱导成骨性好 等，有望实现材料在体内的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题。等，有望实现材料在体内的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题。3.2 生物陶瓷生物陶瓷32四、生物陶瓷材料的应用四、生物陶瓷材料的应用 硬组织硬组织耳鼻喉耳鼻喉癌症癌症经皮封接经皮封接人造骨、人造骨、人造关节人造关节(氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷)、人造齿根、人造齿根、种植牙、种植牙、骨填充材料骨填充材料（HAP）、）、骨替代材料及骨替代材料及骨结合材料等骨结合材料等氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷、HAP

38、陶瓷陶瓷（具有优良（具有优良的声学性质、的声学性质、导音效果等）导音效果等）最近研究表明：最近研究表明：注射具有注射具有放射性放射性陶瓷材料陶瓷材料与癌病与癌病变部位，然后释变部位，然后释放放射物治疗。放放射物治疗。注射注射铁磁性的铁磁性的生物陶瓷材料。生物陶瓷材料。连续腹膜透析连续腹膜透析(致密烧结致密烧结HAP替代硅胶替代硅胶)与经皮切口辅与经皮切口辅助装置配合，助装置配合，明显延长了明显延长了病人的寿命病人的寿命3.2 生物陶瓷生物陶瓷33氧化铝氧化铝：约18002000元元。氧化锆氧化锆：约300012000元元。镍铬合金镍铬合金：400600元元/单位单位 钛合金钛合金：600800

39、元元 纯钛纯钛：10001200元元 贵金属贵金属：14002000元元 陶瓷优点：陶瓷优点：不含金属不含金属对对X射线射线有透射性有透射性譬譬如：如：烤烤瓷瓷牙牙3.2 生物陶瓷生物陶瓷34五、生物陶瓷研究的发展方向（全部）五、生物陶瓷研究的发展方向（全部）发展方向发展方向大孔可吸收大孔可吸收生物陶瓷生物陶瓷大孔径（孔径大于大孔径（孔径大于200um）较高孔隙率、生物相容性、较高孔隙率、生物相容性、活性、可吸收和骨传导性活性、可吸收和骨传导性金属表面金属表面梯度活性梯度活性陶瓷涂层陶瓷涂层等离子喷涂法制等离子喷涂法制备生物涂层材料。备生物涂层材料。骨组织骨组织工程工程生物陶瓷与生物技术生物陶

40、瓷与生物技术的结合，如：的结合，如：引入活引入活体细胞或生长因子，体细胞或生长因子，赋予其生物学功能，赋予其生物学功能，如促进细胞分化与增如促进细胞分化与增值、诱导组织再生等值、诱导组织再生等生物活性生物活性复合陶瓷复合陶瓷HAP+氧化物陶瓷氧化物陶瓷=高强度、生物活性；高强度、生物活性；无机陶瓷无机陶瓷+高分子高分子=好韧性、生物相容性；好韧性、生物相容性；3.2 生物陶瓷生物陶瓷353.3 生物玻璃生物玻璃一、生物玻璃的概况一、生物玻璃的概况 生物活性玻璃和微晶玻璃生物活性玻璃和微晶玻璃-特点：特点：良好的生物相容性、生物活性和可加工性；良好的生物相容性、生物活性和可加工性；表面活性材料，

41、能与人体骨或软组织形成生理结合。表面活性材料，能与人体骨或软组织形成生理结合。生物活性玻璃生物活性玻璃-组成：组成：一般含有一般含有CaO、P2O5,部分含有部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等，等，玻璃网络玻璃网络由由硅氧四面体或磷氧四面体构成硅氧四面体或磷氧四面体构成，而，而碱金属或碱土金属氧化物碱金属或碱土金属氧化物为为网络调整体网络调整体，网络形成体之间通过桥氧连接，网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络形成体和网络调整体原子；非桥氧则连接网络形成体和网络调整体原子；玻璃的生物活性：玻璃的生物活性：取决于桥氧和非桥氧的比例，因为碱金属和碱土

42、金取决于桥氧和非桥氧的比例，因为碱金属和碱土金属离子在水、酸等介质存在时，易被溶出，释放一价或二价金属离子，属离子在水、酸等介质存在时，易被溶出，释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，即为使生物玻璃表面具有有限溶解性，即为玻璃生物活性的基本标志玻璃生物活性的基本标志。36二、常见的生物玻璃和生物微晶玻璃二、常见的生物玻璃和生物微晶玻璃p 能与骨组织形成生理结合，能与骨组织形成生理结合，且其结合力往往大于生物玻璃或且其结合力往往大于生物玻璃或骨组织的内部结合力，甚至有些生物玻璃能与软组织结合；骨组织的内部结合力，甚至有些生物玻璃能与软组织结合；p 植入后表面溶解，并生成与组织紧密

43、结合的植入后表面溶解，并生成与组织紧密结合的碳酸羟基磷灰石碳酸羟基磷灰石（HCA）界面，）界面，其化学组成与结构上均与骨组织中的矿化相相近，其化学组成与结构上均与骨组织中的矿化相相近，成骨细胞和新骨直接结合而不会在界面处产生纤维组织包囊。成骨细胞和新骨直接结合而不会在界面处产生纤维组织包囊。Hench教授教授 研制的研制的 Bioglass生物活性玻璃生物活性玻璃Kokubo教授教授 研制的研制的Cerabone即即A/W生物微晶玻璃生物微晶玻璃Bromer教授教授 Ceravital生物微晶玻璃、可切削微晶玻璃生物微晶玻璃、可切削微晶玻璃Bioverit 3.3 生物玻璃生物玻璃37（一）基

44、于（一）基于BioglassBioglass的生物活性玻璃系统的生物活性玻璃系统采用熔融法制备了一种能在生物体内与自然骨牢固结合的玻璃。采用熔融法制备了一种能在生物体内与自然骨牢固结合的玻璃。特点：特点：高钙磷比、高钙磷比、SiO2的摩尔含量少于的摩尔含量少于60%、Na2O和和CaO含量较高。含量较高。组成组成牙齿牙齿骨骨Bioglass 45S5CeraboneBioveritKG CeraCeravitalCa2+（CaO）35.134.824.544.713-28P（P2O5）16.915.26.016.28-5530Ca/P(摩尔比)1.611.715.163.371.0Na+（Na

45、O）0.60.924.50.03-184.8Mg2+（MgO）1.230.720.04.66-282.9K+(K2O)0.050.030.00.03-80.4CO3 2-5.67.40.00.00.00.0P2O7 4-0.100.07Si4+(SiO2)45.034.00-5046.2晶相磷灰石硅灰石磷灰石金云母磷灰石3.3 生物玻璃生物玻璃38u生物活性玻璃晶化后机械性能提高，但活性降低甚至变为惰性生物活性玻璃晶化后机械性能提高，但活性降低甚至变为惰性譬如：譬如：45S5晶化后，随着晶相含量的增加，晶化后，随着晶相含量的增加，HCA层开始生成的时间有层开始生成的时间有8h增加增加到到22h

46、；当晶相含量超过；当晶相含量超过60%时，玻璃表面反应的速度变得相当缓慢。时，玻璃表面反应的速度变得相当缓慢。u熔融法与溶胶熔融法与溶胶-凝胶法制备的生物玻璃结构与性能比较凝胶法制备的生物玻璃结构与性能比较前者：前者：玻璃密实无孔、比表面积小、活性较高（当玻璃密实无孔、比表面积小、活性较高（当SiO2含量大于含量大于60%，玻，玻 璃无生物活性）；璃无生物活性）；后者：后者：过程过程-将醇盐溶胶混合物经水解和密实化后形成凝胶，再经老化、将醇盐溶胶混合物经水解和密实化后形成凝胶，再经老化、干燥，最后在干燥，最后在600-800度热处理后得到生物玻璃。度热处理后得到生物玻璃。特点特点-大量孔径大量

47、孔径5-100nm、比表面积提高上万倍（降解速度和表面、比表面积提高上万倍（降解速度和表面 形成形成HCA层的速度也更快）、更高的生物活性（当层的速度也更快）、更高的生物活性（当SiO2含量达含量达77%时，仍然具有较高的生物活性）、处理温度低和结构性能易控制等。时，仍然具有较高的生物活性）、处理温度低和结构性能易控制等。3.3 生物玻璃生物玻璃39（二）基于（二）基于Cerabone A/WCerabone A/W生物活性微晶玻璃（生物活性微晶玻璃（A/W-A/W-GCGC）Kokubo等在等在CaO-MgO-SiO2-P2O5-CaF2系统系统中制备出中制备出A/W生物微晶玻璃（玻璃粉末经

48、等静压、生物微晶玻璃（玻璃粉末经等静压、1050度处理后得无裂纹且密实均一的度处理后得无裂纹且密实均一的微晶）。微晶）。组成组成牙齿牙齿骨骨Bioglass 45S5CeraboneBioveritKG CeraCeravitalCa2+（CaO）35.134.824.544.713-28P（P2O5）16.915.26.016.28-5530Ca/P(摩尔比)1.611.715.163.371.0Na+（NaO）0.60.924.50.03-184.8Mg2+（MgO）1.230.720.04.66-282.9K+(K2O)0.050.030.00.03-80.4CO3 2-5.67.40.

49、00.00.00.0P2O7 4-0.100.07Si4+(SiO2)45.034.00-5046.2晶相磷灰石（38%）硅灰石（34%）磷灰石金云母磷灰石3.3 生物玻璃生物玻璃40u生物活性较高（高于烧结羟基磷灰石陶瓷）生物活性较高（高于烧结羟基磷灰石陶瓷）部分部分磷灰石转变为磷灰石转变为-CaO，商品名为商品名为Cerabone A/W。植入体内后，。植入体内后，A/W-GC中中玻璃相和硅灰石晶相玻璃相和硅灰石晶相溶出钙和硅酸根离子溶出钙和硅酸根离子，在表面形成一层，在表面形成一层类骨磷灰石结构类骨磷灰石结构的的Ca、P界面层，而磷灰石晶相与骨组织的结合不起作用。界面层，而磷灰石晶相与骨

50、组织的结合不起作用。u A/W-GC机械性能最佳（在现有的生物活性玻璃中）机械性能最佳（在现有的生物活性玻璃中）粗糙的粗糙的A/W-GC断裂表面和断裂表面和硅灰石晶体的析出，促使裂纹转向或分支，有硅灰石晶体的析出，促使裂纹转向或分支，有效地抑制了裂纹扩张。效地抑制了裂纹扩张。u 晶相和组分对晶相和组分对A/W-GC微晶玻璃机械性能和生物活性影响显著微晶玻璃机械性能和生物活性影响显著 SiO2增加、增加、P2O5降低降低-机械性能增加；机械性能增加；生物活性取决于体内表面形成磷灰石层的能力，而不是磷灰石晶相的含量。生物活性取决于体内表面形成磷灰石层的能力，而不是磷灰石晶相的含量。P2O5含量越少