生物陶瓷市公開課一等獎省名師優(yōu)質(zhì)課賽課一等獎課件

新型陶瓷材料主講：楊儒北京化工大學材料學院AdvancedCeramics10/10/1第九章

生物陶瓷及其復合材料10/10/2參考書欽征騎，新型陶瓷材料手冊，江蘇科學技術出版社，1996鄭昌瓊，冉均國，新型無機材料，北京：科學出版社，10/10/39.1生物陶瓷概述及分類按照材料類型，生物醫(yī)用材料可分為：①高分子材料；②無機非金屬材料；③金屬材料；④復合材料；⑤天然生物材料。生物醫(yī)用材料：是一類含有特定功效和特殊性能，用于人工器官、外科修復、理療康復、診療、檢驗、治療疾患等，且對人體組織、生理、生化不產(chǎn)生不良影響材料。生物陶瓷：作為無機非金屬材料在生物醫(yī)學領域占有主要地位并已經(jīng)有廣泛應用，其主要應用是人體硬組織修復替換等內(nèi)植入，如人工牙、人工骨、人工關節(jié)等。10/10/4組成材料物質(zhì)，以離子鍵或共價鍵結(jié)合為主。耐壓強度高、硬度高、耐磨損等；化學穩(wěn)定性好，在體內(nèi)不易溶解、不易氧化、不易磨蝕；熱穩(wěn)定性好，易于滅菌消毒；與人體組織親和性好，幾乎看不到人體組織對其排斥作用。(2)

材料制品組成范圍較寬，能夠靈活地設計組成和調(diào)制性能。如降解生物陶瓷，可依據(jù)在體內(nèi)不一樣部位應用調(diào)整降解速度，使之與骨生長速度匹配，滿足臨床要求。(3)

成型方法多，可依據(jù)需要制成各種形狀和尺寸，致密或多孔結(jié)構(gòu)等。(4)

易于著色，如陶瓷牙冠與天然牙齒外觀逼真，利于整容、美容手術。10/10/510/10/6人體器官和組織往往因疾患、受傷、老化或先天畸形等損傷或缺損而喪失原有或應有功效，需修復、再造人體損傷器官和組織，有效地醫(yī)治人類疾病、維持人類健康和延長人類壽命。生物相容性角度：采取患者本身同種組織作修復材料最為理想，但這增加了患者痛苦和感染機會，且材料源受到很大限制。采取異體材料(如動物骨)，雖材料源不受限制，但有抗原性。研制含有修復功效人工替換材料，十分主要9.2生物功效性和生物相容性10/10/7生物功效性代替患病、缺損或衰老硬組織矯治先天畸形恢復硬組織形態(tài)和功效整容和美容10/10/8生物陶瓷必須對生物體無毒、無害、無刺激、無過敏反應、無致畸和致癌等致突變作用，同時，它又不會被生化作用所破壞。相容性生物相容性生物陶瓷植入生物體后，能和生物組織很好地結(jié)合，這種結(jié)合能夠是組織長人不平整植入體表面所形成機械嵌連，也能夠是植入體和生理環(huán)境間發(fā)生生化反應而形成化學鍵結(jié)合。力學相容性生物陶瓷不但應含有足夠強度，不發(fā)生災難性脆性斷裂、疲勞、蠕變及腐蝕斷裂，而且其彈性形變應該和被替換組織相匹配。植人體力學相容性取決于它所承受應力大小、組織間形成界面性質(zhì)以及材料本身彈性模量。與生物組織有優(yōu)異親和性植入材料必須能以無菌狀態(tài)生存下來，不會因環(huán)境條件如干熱、濕熱、氣體、輻射等作用而改變其功效，使接觸宿主組織受到感染?？寡ㄎ锢砘瘜W穩(wěn)定性滅菌性生物陶瓷作為植入材料和人體血液相接觸，要求植入物不會對血液細胞造成破壞，不會形成血栓。在體內(nèi)長久穩(wěn)定，不分解、不變質(zhì)、不變性10/10/99.3惰性生物醫(yī)用陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋯陶瓷碳材料10/10/10生物活性:是指材料能在其表面引發(fā)正常組織形成，而且在它建立連續(xù)性界面能夠負擔植入部位所負擔正常負荷，此時這類植入材料能表現(xiàn)出最正確生物相容性。9.4表面活性生物陶瓷生物活性陶瓷材料生物相容性優(yōu)異與骨能形成骨性結(jié)合界面結(jié)合強度高穩(wěn)定性好植入骨內(nèi)還含有誘導骨細胞生長參加代謝生物陶瓷可完全與生物體骨和齒結(jié)合成一體10/10/11生物活性玻璃材料于二十世紀七十年代研制出來。1、

Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物醫(yī)用玻璃成份是：45％SiO2，24.5％Na2O，24.5％CaO，6％P2O5，命名為45S5。玻璃埋入骨缺損部，一個月內(nèi)玻璃與骨之間可形成牢靠生物化學結(jié)合。9.4.1生物活性玻璃和玻璃陶瓷這類生物玻璃抗折強度較低，約為70~80MPa，不能用于強度要求高人工骨和關節(jié)植入，能夠埋人拔牙后齒槽孔內(nèi)，預防齒槽孔萎縮，也可用于中耳錘骨等。10/10/122、Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷45S5玻璃中K、Na含量較高，因而其化學穩(wěn)定性、長久耐久性及強度均不夠理想。為了降低玻璃中堿金屬含量，增加人體需要P、Ca含量，更適應植入物生理學要求，并使玻璃中能析出磷灰石微晶，又研究出一系列新生物活性玻璃陶瓷材料。代表組成是：Na2O4.8％，K2O0.4％，MgO2.9％，CaO34.0％，SiO246.2％，P2O511.7％。這種材料比高堿生物玻璃含有更加好穩(wěn)定性，可與骨組織之間產(chǎn)生牢靠化學結(jié)合。10/10/133、MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷這類玻璃陶瓷不但含有磷灰石結(jié)晶，而且還含有子CaSiO3晶體析出，而且不含Na、K成份。代表成份：MgO4.6％、CaO44.9％、SiO234.2％、P2O516.3％、外加CaF20.5％，稱為A-W微晶玻璃陶瓷。這種材料普通是在白金坩堝中1450℃熔融，然后將熔體倒在不銹鋼板上急冷。析晶處理按60℃/h，加熱至1050℃，保溫4h。有更加好機械性能，其抗折強度為178MPa，抗壓強度為1040MPa，斷裂韌性KIC為2.0MPa·m1/2。能夠切削加工成各種形狀，便于應用，可用做承受很大彎曲應力長管骨、椎骨等置換材料。10/10/14磷酸鈣陶瓷:

含有不一樣鈣磷比一類系列陶瓷材料，其中對磷灰石研究最多。自然骨和牙齒是由無機材料和有機材料巧妙地結(jié)合在一起復合材料。無機相：大部分是羥基磷灰石(HAp)結(jié)晶，還含有CO2-、Mg2+、Na+、Cl-、F-—等微量元素。有機相：大部分是纖維性蛋白骨膠原。在骨質(zhì)中，羥基磷灰石大約占60％~70％，它是一個長度為20~40nm，厚度為1.5~3nm針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維。齒骨結(jié)構(gòu)也類似于自然骨，但齒骨中羥基磷灰石含量可高達97％。磷酸鈣生物醫(yī)用材料研究與應用還包含磷酸三鈣、磷酸四鈣、磷酸八鈣等。9.4.2磷酸鈣生物陶瓷10/10/151、羥基磷灰石材料磷灰石：化學式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO43-和Z-位置上不一樣離子替換可形成一系列固溶體。醫(yī)用磷灰石類陶瓷:最常見是羥基磷灰石(HAp)，晶體結(jié)構(gòu)在(001)面平面投影屬于P63/m空間群六方結(jié)構(gòu)，晶胞尺寸:

a=b=0.942nm，c=0.688nm，密度:3.1~3.2g/cm3。10/10/16羥基磷灰石人工制備主要有以下幾個方法:

(1)水溶液反應法(2)固相反應法(3)水熱法10/10/17HAp在結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)及組成上差異：主要源于材料制備處理技術、時間、溫度以及環(huán)境條件等不一樣。對化學計量配比羥基磷灰石從室溫加熱，材料將逐步脫水。在25~200℃之間，可逆性地失去吸附水；在200~400℃之間，晶格結(jié)合水不可逆地失去并引發(fā)晶格收縮，這種結(jié)晶水普通僅存在于從水溶液系統(tǒng)制備出磷灰石。溫度超出850℃以后，出現(xiàn)可逆失重，形成了氧羥基磷灰石。超出1050℃，HAp將分解成為-磷酸三鈣(-TCP)和磷酸四鈣。溫度高于1350℃，-TCP轉(zhuǎn)化為-TCP，冷卻后-TCP將被保持下來10/10/18HAp材料在水相環(huán)境中溶解行為：顯著依賴于晶體化學組成。表面離子交換性質(zhì)與以下原因相關：①不一樣相形成和溶解速率；②材料粉體與液體體積之比；③水相pH值環(huán)境；④粉體比表面；⑤結(jié)晶完整性、晶體缺點、雜質(zhì)及空位；⑥替換離子作用。10/10/19HAp含有吸收、聚集體液中鈣離子作用，參加體內(nèi)鈣代謝，其作用與骨組織作用相同。HAp含有優(yōu)良生物相容性，起到了適合新生骨沉積生理支架作用，即“骨引導”作用，但其不含有誘發(fā)成骨能力，即不含有“骨誘導”作用。HAp和骨組織之間結(jié)合生長，是一個較為復雜生化過程，人工合成HAp因為合成工藝方法、熱改變等過程不一樣，使材料成份、結(jié)構(gòu)、物化性能有所不一樣，這對骨組織結(jié)合生長會帶來很大影響。因為HAp脆性和生理環(huán)境中疲勞破壞，不能用做承載力大骨替換材料。而主要用于如口腔種植、頜面骨缺損修復、耳小骨替換、脊椎骨等機械強度要求不高替換部件。10/10/20作為生物醫(yī)用材料，金屬材料優(yōu)點:是高強度、高韌性、易于機械加工等，其缺點:則是生物相容性較差，耐磨蝕性能不理想，在體液中金屬離子易釋放和遷移，對人體組織和器官產(chǎn)生不良影響。生物陶瓷材料：恰好相反，其含有良好耐蝕性，優(yōu)異生物相容性，但其最大缺點：脆性，抗機械沖擊性能差。在金屬基體或其它高承載能力材料表面加涂各種生物陶瓷涂層或薄膜，能夠兼顧各種材料優(yōu)點，揚長避短。研究和應用各種無機生物材料涂層。9.5涂層和復合材料9.5.1涂層材料10/10/21無機生物材料涂層涂層種類應用范圍氧化物陶瓷涂層齒根材、關節(jié)骨柄、人工骨、骨頭非氧化物陶瓷涂層關節(jié)摩擦部位、股骨頭生物玻璃陶瓷齒根材、關節(jié)骨柄、人工骨、骨頭碳質(zhì)涂層心臟瓣膜、股骨頭、血管修補劑羥基磷灰石涂層齒根材、關節(jié)骨柄、人工骨

①等離子噴涂技術②離子束濺射沉積技術③電泳沉積技術④燒結(jié)涂層技術

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生物醫(yī)用復合材料是針對單一相材料性能上不足而設計制造，因為其兼顧了各種材料間性能，因而能夠說生物醫(yī)用復合材料比單一組分材料有更大優(yōu)越性。自然骨材料也是一個復合材料，不過其各相成份在結(jié)晶形態(tài)、有序取向、空間分布有更精細組織結(jié)構(gòu)。生物醫(yī)用復合材料大致可歸納為三種不一樣類型設計目標：①

利用生物陶瓷第二相組分有利組織反應；②利用生物陶瓷材料作為第二相取得滿意強度和剛度；③為組織修復再生合成非永久性支架材料。9.5.2復合材料10/10/23生物醫(yī)用復合材料復合系統(tǒng)①羥基磷灰石—生物玻璃系統(tǒng)用于改進與骨組織間結(jié)合強度；②羥基磷灰石—高強惰性生物陶瓷系統(tǒng)用于