生物材料-ch5-生物醫(yī)用無機非金屬材料課件

第五章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料第二節(jié)生物活性無機材料第三節(jié)生物可降解無機材料第四節(jié)生物醫(yī)用無機非金屬材料發(fā)展趨勢1第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第五章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料概述一、發(fā)展概況二、性能特點三、材料分類2第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料概述一、發(fā)展概況2第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況發(fā)展階段：生物惰性材料生物活性材料、生物降解材料、多相復(fù)合材料3第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況發(fā)展階段：3第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況無機材料很早即應(yīng)用于人體，70年代以前大部分是生物惰性材料。之后以生物玻璃（1969年，L.Hench，美國Florida大學(xué)）為發(fā)端的生物活性材料成功地應(yīng)用于臨床，可吸收陶瓷（70年代）等生物降解材料亦開發(fā)成功并應(yīng)用于臨床（80年代），目前，隨著納米材料與技術(shù)的發(fā)展，納米生物醫(yī)用無機材料正在引起人們的重視。4第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況無機材料很早即應(yīng)用于人體，4第四章生物醫(yī)用無二、性能特點良好的化學(xué)穩(wěn)定性但在制備過程會引入有害的雜質(zhì)元素，需嚴格控制?？山到獠牧弦紤]降解產(chǎn)物的影響良好的生物相容性良好的消毒滅菌性能較難成型加工力學(xué)性能：脆性較大5第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、性能特點良好的化學(xué)穩(wěn)定性5第四章生物醫(yī)用無機非金屬材6第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料6第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷除用于測量、診斷治療等外，主要是用作生物硬組織的代用材料。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面。如人工牙齒（根）、人工骨、人工關(guān)節(jié)、骨折固定器具、人工眼等7第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷除用于測量、診斷治療等外，主要是用作生物硬組織的代用三、材料分類按材料性質(zhì)生物陶瓷——如單晶和多晶氧化鋁陶瓷、羥基磷灰石陶瓷等生物玻璃——如45S5玻璃生物玻璃陶瓷——如DICOR玻璃陶瓷無機骨水泥——如α-TCP骨水泥生物復(fù)合無機材料——羥基磷灰石+β-TCP復(fù)合材料、碳纖維增強無機骨水泥8第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類按材料性質(zhì)8第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料按來源天然生物礦物——鈣化的貝殼和珍珠合成的無機材料——羥基磷灰石陶瓷、β-TCP人工骨生物衍生材料——凍干骨片三、材料分類9第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料按來源三、材料分類9第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類在生理環(huán)境中的反應(yīng)水平生物惰性無機材料——氧化鋁、氧化鋯、氧化硅陶瓷，熱解碳生物活性無機材料——羥基磷灰石陶瓷、45S5玻璃、生物活性玻璃陶瓷生物可降解無機材料——可溶性鋁酸鈣陶瓷、β-TCP陶瓷等10第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類在生理環(huán)境中的反應(yīng)水平10第四章生物醫(yī)用無機三、材料分類按臨床應(yīng)用肌肉—骨骼系統(tǒng)用材：熱解碳纖維軟組織用材：碳纖維——跟腱硬組織用材：磷酸鈣陶瓷、生物玻璃及生物玻璃陶瓷——骨、牙心血管系統(tǒng)用材：碳質(zhì)材料藥物釋放載體材料：β-TCP等臨床診斷及生物傳感器材料——陶瓷溫度傳感器陶瓷、羥基磷灰石經(jīng)皮裝置11第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類按臨床應(yīng)用11第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好的無機材料。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高化學(xué)穩(wěn)定性，在體內(nèi)耐氧化、耐腐蝕、不降解、不變性。分子中的鍵力較強，都具有較高的機械強度和耐磨性等。不參與體內(nèi)代謝過程，與骨組織不能產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，被纖維結(jié)締組織膜包圍，形成纖維骨性結(jié)合界面。12第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好第一節(jié)生物惰性無機材料主要有氧化物（氧化鋁、氧化鋯等）陶瓷、非氧化物陶瓷、碳質(zhì)材料、惰性玻璃陶瓷、長石類陶瓷……。主要用于人工關(guān)節(jié)、人工骨和口腔種植材料13第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要有13第四章生物醫(yī)用無機非第一節(jié)生物惰性無機材料一、氧化物、非氧化物陶瓷二、碳質(zhì)材料三、惰性玻璃陶瓷14第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料一、氧化物、非氧化物陶瓷14第四章一、氧化物、非氧化物陶瓷(一）氧化物陶瓷1、氧化鋁陶瓷：（1）多晶氧化鋁陶瓷：是指主晶相為剛玉（α-Al2O3)的陶瓷材料（＞45%）。性能特點：機械強度高耐高溫耐化學(xué)腐蝕生物相容性好15第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、氧化物、非氧化物陶瓷(一）氧化物陶瓷15第四章生物（1）多晶氧化鋁陶瓷：性能指標Al2O3含量（%）60809099抗壓強度(MPa)4006609401200抗彎強度(MPa)83134187247彈性模量(GPa)10823031840016第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（1）多晶氧化鋁陶瓷：性能指標Al2O3含量（%）60809高純氧化鋁陶瓷的物理性能密度(g/cm3)3.93導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK)29.30抗壓強度(MPa)4000比熱(kJ/KgK)1.05抗彎強度(MPa)400熔融溫度(?C)2050彈性模量(MPa)350電阻率(Ωm)1013硬度(HV)2200介電常數(shù)9.2熱膨脹系數(shù)(×10-6K-1)6.6磁化系數(shù)(×10-6)-1.45氧化鋁用作生物材料始于70年代初，目前已廣泛用于制作人工牙根、人工關(guān)節(jié)和人工骨。17第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料高純氧化鋁陶瓷的物理性能密度(g/cm3)3.93導(dǎo)熱系數(shù)(純剛玉——金屬人工關(guān)節(jié)18第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料純剛玉——金屬人工關(guān)節(jié)18第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷氧化鋁單晶也稱寶石，添加劑不同，制得單晶材料顏色不同，如紅寶石、藍寶石等。性能特點：機械強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性都優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷單晶結(jié)構(gòu)完整，無脆弱晶間相。生物相容性也優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷19第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷19第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷單晶體性能單晶體多晶體外觀抗壓強度(MPa)抗拉強度(MPa)抗彎強度(MPa)彈性模量(GPa)硬度(HV)沖擊韌性(MPacm)影響因素加工性能無色透明5000650130040021007.6晶格缺陷、表面?zhèn)?、裂紋直線狀、棒狀白色（黃白色）500025050038018005.4純度、密度、晶粒大小可加工成任意形狀20第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷單晶體性能單晶體多晶體外觀無色透明白色（可以用作生物醫(yī)用材料的氧化物陶瓷主要有——鋁、鎂、鈦、鋯等的氧化物氧化鋯陶瓷由于其高強度和斷裂韌性用于人工關(guān)節(jié)，氧化鋯更多還用作復(fù)合材料的增強劑或等離子體噴涂材料。21第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料可以用作生物醫(yī)用材料的氧化物陶瓷主要有——鋁、鎂、鈦、鋯等的非氧化物陶瓷臨床應(yīng)用較少，主要是用作硬組織的替換材料。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等陶瓷。如：碳化硅陶瓷，硬度大，具有高強度，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，是一種耐蝕、耐磨材料。氮化硅陶瓷，具有高斷裂韌性和抗彎強度，用它替代氧化鋯陶瓷作人工關(guān)節(jié)，有更好的使用壽命。22第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料非氧化物陶瓷22第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷人工關(guān)節(jié)23第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷人工關(guān)節(jié)23第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、碳質(zhì)材料碳質(zhì)材料應(yīng)用廣泛，在外科植入物中主要包括熱解碳、玻璃碳、碳纖維和蒸汽沉積碳。結(jié)構(gòu)特點：金剛石結(jié)構(gòu)、石墨結(jié)構(gòu)、無定形層狀結(jié)構(gòu)無定形層狀結(jié)構(gòu)點陣無序排列、各向同性，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要應(yīng)用的碳質(zhì)材料。24第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、碳質(zhì)材料碳質(zhì)材料應(yīng)用廣泛，在外科植入物中主要包括熱解碳、碳質(zhì)材料的類型與制備：1、熱解碳：目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的碳質(zhì)材料。1000-2400oC，碳氫化合物在流化床內(nèi)熱解，碳沉積于石墨基材上。<1500oC，低溫各向同性碳（LTI-Carbon）可加入合金元素（如硅）提高其硬度25第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：25第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：2、玻璃碳：控制加熱預(yù)成型高分子材料（如酚醛樹脂等），使之揮發(fā)而余下玻璃狀剩余物橫截面厚度<7mm密度相對較低，機械性能低于熱解碳，用于不承受高機械應(yīng)力的部位26第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：26第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：3、蒸汽沉積碳制備：真空中用電弧或高能電子束等手段加熱碳氫化合物，使其分解沉積在金屬、陶瓷、或高分子材料的表面（厚約1微米）其中低溫低壓下沉積的碳材為ULTIC，各向同性，彈性好，用于聚合物、纖維織物、多孔金屬植入體的涂層。27第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：27第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：4、碳纖維制備：有機纖維于隔氧的惰性環(huán)境中1000-1500oC焙燒+張力牽引直徑7-9微米，抗拉強度3040MPa，耐腐蝕，耐磨損，具自潤滑性抗彎強度較低，屬脆性材料可替代韌帶，能促進新的韌帶形成生長，安全可靠，成功率高（約80%）28第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：28第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：機械性能：高強度，低彈性模量（與人骨接近），較高的斷裂彈性吸收功，低磨損性。29第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：29第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料國外各種生物碳質(zhì)材料的機械性能30第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料國外各種生物碳質(zhì)材料的機械性能30第四章生物醫(yī)用無機非金性能特點：生物相容性優(yōu)良生物惰性，無毒性，無排異反應(yīng)。與人體親和性好，組織反應(yīng)輕微。雖不能與人體組織形成化學(xué)鍵合，但組織可長入碳質(zhì)材料的孔隙中組織相容性良好。具有優(yōu)良的抗血栓性和抗溶血作用。化學(xué)穩(wěn)定性好31第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：31第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用低溫?zé)峤飧飨蛲蕴迹↙TIC）—目前應(yīng)用最成功的人工心臟瓣膜材料足夠的強度和耐磨性優(yōu)異的血液相容性致密不透，不降解無毒、無刺激性，不致癌碳材料還可應(yīng)用于人工齒根、人工骨與人工關(guān)節(jié)、人工韌帶和腱等。32第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用32第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料33第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料33第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料St.JudeMedicalInc.美國最大的人工機械瓣膜生產(chǎn)商34第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料St.JudeMedicalInc.34第四章生物醫(yī)35第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料35第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料On-X人工心臟瓣膜的生產(chǎn)制造商是美國MCRI公司。

美國MCRI公司的創(chuàng)始人是JackC.Bokros,他于1969年首次將熱解碳專利技術(shù)應(yīng)用于人工心臟瓣膜制造，至今已具有30多年的心臟瓣膜設(shè)計及制造經(jīng)驗。已為多家公司設(shè)計制造了10種以上的人工心臟瓣膜，包括：St-Jude瓣膜、Carbor瓣膜、ATS瓣膜、Medtronic瓣膜，從而確定了他在世界范圍內(nèi)心臟瓣膜地設(shè)計制造的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1992年發(fā)現(xiàn)了On-X純碳材料的工藝，設(shè)計了優(yōu)秀的On-X人工心臟瓣膜。1994年JackC.Bokros成立了MCRI公司，將新一代的、優(yōu)秀的On-X型人工心臟瓣膜推向全球。36第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料On-X人工心臟瓣膜的生產(chǎn)制造商是美國MCRI公司。

36長海醫(yī)院胸心外科創(chuàng)建者蔡用之教授于1965年研制成功第一代國產(chǎn)人造心臟瓣膜，使我國成為繼美國之后第二個擁有人造心臟瓣膜的國家。第一代人造心臟瓣膜由4根不銹鋼鑄成的瓣架和由硅膠制成的硅球閥體構(gòu)成，狀如拇指大的小巧鳥籠，通過硅球在籠架內(nèi)上下活動，實現(xiàn)瓣膜的啟閉功能。2005年研制成功材質(zhì)性能更加優(yōu)良的國產(chǎn)第三代人工心臟瓣膜———雙葉機械瓣，第一代國產(chǎn)籠球型人造心臟瓣膜具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代雙葉機械瓣37第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料長海醫(yī)院胸心外科創(chuàng)建者蔡用之教授于1965年研制成功第一代國北京思達科技有限公司產(chǎn)品38第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料北京思達科技有限公司產(chǎn)品38第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、惰性玻璃陶瓷玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。是在玻璃基質(zhì)中加入晶核形成劑，通過一定熱處理，形成玻璃與晶體共存的狀態(tài)。主要應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)。39第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、惰性玻璃陶瓷玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。39第四章1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：配料制備→配料熔融→成型→加工→晶化熱處理→再加工玻璃陶瓷生產(chǎn)過程的關(guān)鍵——晶化熱處理階段：第一階段為成核階段A第二階段為晶核生長階段B

這兩個階段有密切的聯(lián)系，在A階段必須充分成核，在B階段控制晶核的成長。40第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：40第四章生物醫(yī)用無機非金屬1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：玻璃陶瓷的析晶過程由三個因素決定：晶核形成速度晶體生長速度玻璃的粘度三個因素都與溫度有關(guān)玻璃陶瓷的結(jié)晶速度不宜過小，也不宜過大，有利于對析晶過程進行控制。為了促進成核，一般要加入成核劑。一種成核劑為貴金屬如金、銀、鉑等離子，但價格較貴，另一種是普通的成核劑，有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫化物等。41第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：41第四章生物醫(yī)用無機非金屬2、玻璃陶瓷分類按基礎(chǔ)玻璃：硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽五大類。按結(jié)晶成分：氧化鋁質(zhì)、白榴石質(zhì)、云母質(zhì)、磷灰石質(zhì)42第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、玻璃陶瓷分類42第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能玻璃陶瓷是由結(jié)晶相和玻璃相組成的，無氣孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。其結(jié)晶相含量一般為50%-90%，玻璃相含量一般為5%-50%，結(jié)晶相細小，一般小于1-2/μm，且分布均勻。玻璃陶瓷一般具有機械強度高，熱性能好，耐酸、堿性強等特點。具有良好的生物相容性，沒有異物反應(yīng)。43第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能43第四章生物醫(yī)用無機非金屬材4、臨床應(yīng)用44第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料4、臨床應(yīng)用44第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料玻璃纖維加強的復(fù)合材料(具有更高的X光阻射性)制成的根管釘雙重固化的可流動復(fù)合樹脂冠核由高強度玻璃陶瓷制成的牙冠甘油凝膠液體層保護防止氧化透明成形片修復(fù)體45第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料玻璃纖維加強的復(fù)合材料(具有更高的X光阻射性)制成的根管釘?shù)诙?jié)生物活性無機材料生物醫(yī)用材料與骨組織之間的鍵合能力生物活性——化學(xué)鍵合——骨性結(jié)合在體內(nèi)有一定溶解度，能釋放對機體無害的離子，參與體內(nèi)代謝，刺激或誘導(dǎo)骨組織生長，促進缺損組織修復(fù)。通常含有能與人體組織化學(xué)鍵合的羥基（OH-）等基團，在體液中產(chǎn)生磷灰石或本身含有磷灰石，發(fā)生骨性結(jié)合。46第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第二節(jié)生物活性無機材料生物醫(yī)用材料與骨組織之間的鍵合能力第二節(jié)生物活性無機材料生物活性陶瓷生物活性玻璃（磷酸鈣系）羥基磷灰石陶瓷磷酸三鈣陶瓷……其他生物活性無機材料生物活性骨水泥47第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第二節(jié)生物活性無機材料生物活性陶瓷47第四章生物醫(yī)用一、生物活性玻璃1、生物活性玻璃發(fā)展過程：1999199419891984197919741969生物活性鍵合機理與骨組織生物活性鍵合的發(fā)現(xiàn)與軟組織生物活性鍵合的發(fā)現(xiàn)生物活性鍵合的臨床應(yīng)用Bioglass?MEPBioglass?DouekConeBioglass?ERMI孳生機理骨增殖的發(fā)現(xiàn)Perloglas?Osteoglas?骨再生的臨床應(yīng)用48第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、生物活性玻璃1、生物活性玻璃發(fā)展過程：1999生物活性鍵2、生物活性（1）生物活性玻璃與骨組織之間的反應(yīng)1或2 Si-OH鍵形成和Si(OH)4的釋放3 SiOH的聚合SiOH+SiOH——Si-O-Si 形成水合硅凝膠4 無定形Ca2+、PO43-、CO32-離子的吸附5 碳酸羥基磷灰石層的晶化（HCA）6 HCA層內(nèi)的生物吸附7 小噬細胞反應(yīng)8 成骨細胞的源細胞附著9 成骨細胞的分化與增殖10 基質(zhì)產(chǎn)生11 基質(zhì)晶化和骨的成長

成骨時間（h）121020100表面反應(yīng)階段49第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、生物活性1或2 Si-OH鍵形成和Si(OH)4的釋放生物活性鍵合機理：生物活性玻璃與組織液之間的界面的無機化學(xué)反應(yīng)影響了細胞反應(yīng)，阻止了成纖維細胞的增生，增強了骨的再生。生物活性與SiO2的含量有關(guān)，SiO2含量42-53%可以與骨和軟組織形成鍵合；SiO2含量55-60%只可與骨緩慢形成鍵合，不能與軟組織形成鍵合。50第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性鍵合機理：50第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料骨增殖再生機理：近期研究的重點是，在因手術(shù)的干擾在損傷環(huán)境下自由的成骨細胞移植到活性表面時，利用生物活性玻璃的孳生潛力，再生組織以替代。該過程中，生物活性玻璃與自體骨混合比單獨自體骨或活性玻璃更有效地促進骨增殖再生。51第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料骨增殖再生機理：51第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性玻璃的強化獲得具有較高的機械性能和與骨牢固結(jié)合的材料在析出磷灰石的微晶玻璃中析出其它晶體（如硅灰石）進行強化將磷灰石多晶體與無機纖維復(fù)合強化將含有CaO和P2O5的玻璃、微晶玻璃或磷灰石晶體涂覆于氧化鋁或金屬上52第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性玻璃的強化52第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石羥基磷灰石（HAP)是人體和動物骨骼的主要無機成分。分子式：Ca10(PO4)６(OH)2，鈣磷比為1.67，羥基磷灰石（HA）與正常骨組織的鈣磷比一致。53第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石羥基磷灰石（HAP)是人體和動物骨骼的主要無機二、羥基磷灰石HA的來源主要有三種：人工化學(xué)合成動物骨燒結(jié)而成珊瑚(coral)熱液轉(zhuǎn)化(hydrothermalconversion)而成。54第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石HA的來源主要有三種：54第四章生物醫(yī)用無1、羥基磷灰石的制造工藝a.水熱反應(yīng)法將CaHPO4與CaCO3按6：4摩爾比進行配料，然后進行24h濕法球磨。將球磨好的漿料倒入容器中，加入足夠的蒸餾水，在80-100℃恒溫情況下進行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，其反應(yīng)式如下：6CaHPO4+4CaCO3——Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O55第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、羥基磷灰石的制造工藝55第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料b.固相反應(yīng)法這種方法與普通陶瓷的制造方法基本相同，根據(jù)配方將原料磨細混合，在高溫下進行合成：

1000-1300℃6CaHPO4·2H2O+4CaCO3——————Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O56第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料b.固相反應(yīng)法這種方法與普通陶瓷的制造方法基本相同，根據(jù)配方c.沉淀反應(yīng)法此法用Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4進行反應(yīng)，得到白色的羥基磷灰石沉淀。其反應(yīng)如下：10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O+H2O——Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O此外，還有其它方法可制成羥基磷灰石。如水熱合成法（300℃，8.5MPa)可制備HAP單晶；溶解法可制備大的單晶。57第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料c.沉淀反應(yīng)法57第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料羥基磷灰石陶瓷的燒結(jié)方法：常規(guī)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和冷等靜壓燒結(jié)。合成的羥基磷灰石經(jīng)燒結(jié)才能得到羥基磷灰石陶瓷。羥基磷灰石陶瓷的機械性能與燒結(jié)方法和燒結(jié)條件有密切的關(guān)系。燒結(jié)溫度（℃）密度(g/cm3)晶粒尺寸(μm)斷裂韌性(MPam1/2)抗彎強度(MPa)楊氏模量(GPa)11002.940.4±0.20.77±0.1284±887±411503.050.5±0.30.95±0.07113±889±412003.071.9±1.40.95±0.06102±992±412253.093.0±2.10.96±0.04105±994±258第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料羥基磷灰石陶瓷的燒結(jié)方法：燒結(jié)溫度（℃）密度(g/c2、羥基磷灰石陶瓷的性能特點機械性能：合成的羥基磷灰石（HA）的結(jié)構(gòu)與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14。HA的破壞強度(fracturestrength)較高，可達79～196MPa，并有較好的抗疲勞能力但HA最大的缺點是脆性較大。59第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、羥基磷灰石陶瓷的性能特點59第四章生物醫(yī)用無機非金屬生物穩(wěn)定性：HA是非生物降解材料，在植入體內(nèi)3～4年仍保持原有形態(tài)。也有報導(dǎo)發(fā)現(xiàn)HA有部分降解，但不是完全降解。生物相容性：對生物無毒，無刺激，不致過敏反應(yīng)，不致畸，不致突變，不致溶血，適于體內(nèi)長期植入。60第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物穩(wěn)定性：60第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性：能誘發(fā)新骨的生長。

HA在與成骨細胞共同培養(yǎng)時，HA表面有成骨細胞聚集植入骨缺損時，骨組織與HA之間無纖維組織界面，植入體內(nèi)后表面也有磷灰石樣結(jié)構(gòu)形成。因為骨組織與植入材料之間無纖維組織間隔，與骨的結(jié)合性好，HA的骨傳導(dǎo)能力也較強，許多研究表明HA植入骨缺損區(qū)有較好的修復(fù)效果。植入軟組織，可被一層膠原所包圍（與膠原存在某種鍵合），其成分與骨膜相同，從而阻止了感染的發(fā)生。61第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性：61第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用在臨床上HA主要用于牙科材料、某些骨缺損的填充和脊柱融合。耳聽骨鏈、非承力齒根經(jīng)皮裝置醫(yī)用傳感器整形整容的材料62第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用在臨床上HA主要用于牙科材料、某些骨缺損的填充和63第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料63第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料64第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料64第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷——主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃陶瓷(apatite-wollastonite-glass-ceramic,A-W-GC)為代表，成分與生物活性玻璃接近，是一種多相復(fù)合材料。65第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷——主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃性能特點：具有多元組成，可調(diào)整其結(jié)構(gòu)，調(diào)整賦予新的性能。化學(xué)性能穩(wěn)定機械強度可高于母體玻璃強度數(shù)倍至十幾倍。成型加工性能好生物活性66第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：66第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：生物活性植入體內(nèi)在其表面同樣可形成HA層，骨傳導(dǎo)作用與生物活性玻璃相似，生物相容性較好。但植入體內(nèi)后的材料表面形成HA層，玻璃陶瓷的氧化物之間應(yīng)有合適的比例，HA如果形成過慢，骨組織與材料的化學(xué)結(jié)合也不能形成。有報告顯示玻璃陶瓷植入體內(nèi)后有薄層纖維組織間隔形成，說明表面HA的形成需要較嚴格的生產(chǎn)條件。67第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：67第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用：A-W陶瓷：MgO4.6%、CaO44.9%、P2O516.3%、SiO234.2%、CaF20.5%含磷灰石（A）和β-硅灰石（W）晶相兼有很好的生物活性和機械性能已應(yīng)用于人工脊椎、人工脊椎間板、長管骨、長骨固定物和骨修復(fù)材料68第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用：68第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用：其他生物活性玻璃陶瓷：Bioverit（德），SiO2-(Al2O3)-MgO-CaO-Na2O-K2O-F--P2O5，聽小骨、人工齒根Ceravital,Na2O-K2O-MgO-CaO-P2O5-SiO2，聽小骨等不受力的部位BGC玻璃陶瓷（中科院），MgSiO3-CaSiO3–Ca10(PO4)6活性玻璃陶瓷的其他應(yīng)用：含鐵磁晶體的玻璃陶瓷可用于癌癥的熱治療。69第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用：69第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷聽小骨骨填充用多孔生物陶瓷70第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷聽小骨骨填充用多孔生物陶瓷70第四章生物醫(yī)用無機第三節(jié)生物可降解無機材料又叫生物吸收性陶瓷。生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長，最終使缺損部位完全為新骨所取代。特殊要求：被替代過程與新骨長出的速度相一致，材料被替代過程不妨礙新骨長出可降解無機材料磷酸鈣β-TCP、CaSO4、天然珊瑚以及β-TCP與HAP的混合物71第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第三節(jié)生物可降解無機材料又叫生物吸收性陶瓷。生物吸收性陶一、β-TCP分子式：Ca3(PO4)2，鈣磷比為1.5，與正常骨組織的鈣磷比接近。1、β-TCP（β-Ca3(PO4)2）合成：固相反應(yīng)法：2CaHPO4·2H2O+CaCO3——Ca3(PO4)2+5H2O+CO2沉淀法：3Ca(NO3)2+2(NH4)2HPO4+2NH4OH——Ca3(PO4)2+6NH4NO3+2H2O2、β-TCP多孔陶瓷的制備800-1000℃——適宜的燒結(jié)溫度范圍氣孔率（%）平均孔徑（μm）容積密度（g/cm3）抗拉強度（MPa)40-55300-3801.05-1.3011.4-19.572第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、β-TCP分子式：Ca3(PO4)2，鈣磷比為1.5，3、β-TCP多孔陶瓷的性能物理與化學(xué)性能：白色多孔材料在水溶液中存在如下平衡：Ca3(PO4)2(S)——3Ca2+(aq)+2PO43-(aq)生物相容性好：無毒性、無致突變作用、無刺激，不致過敏反應(yīng)，不致畸，不致溶血，僅有輕度的巨噬細胞反應(yīng)。可促進骨損傷修復(fù)和骨組織形成，在骨與材料之間無纖維組織間隔β-TCP的骨傳導(dǎo)能力比較強，β-TCP的骨傳導(dǎo)作用優(yōu)于HA。73第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、β-TCP多孔陶瓷的性能73第四章生物醫(yī)用無機非金最突出的特點在生物體內(nèi)降解動物實驗發(fā)現(xiàn)β-TCP在植入乳豬腭乳突后24周完全降解，Renooij等用同位素標記HA和TCP，發(fā)現(xiàn)HA無降解，而TCP在22周降解25％～30%。生物降解機理：體液的溶解——粘結(jié)劑發(fā)生水解，使材料分離成顆粒、分子或離子。細胞吞噬與吸收（巨噬細胞和破骨細胞）——其代謝產(chǎn)物可參與新骨形成。74第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料最突出的特點74第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用：用于修復(fù)骨組織缺損，替代自體骨、同種異體骨或異種骨的理想的人工骨移植材料。強度比較低但只能用于不受力部位。降解和成骨的速度必需調(diào)節(jié)在相應(yīng)的水平，況且TCP的強度低于其它陶瓷材料，如果沒有迅速的成骨，TCP的骨修復(fù)作用可能會失敗。當前的研究和應(yīng)用規(guī)模不及HA。

75第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用：75第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料76第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料76第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料77第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料77第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第四節(jié)發(fā)展趨勢1、基礎(chǔ)研究趨勢：植入體與骨（軟組織）的生物化學(xué)變化生物陶瓷及其復(fù)合材料的生物力學(xué)適應(yīng)性可降解生物陶瓷的降解機理生物活性陶瓷的生物活性機理納米HA78第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第四節(jié)發(fā)展趨勢1、基礎(chǔ)研究趨勢：納米HA78第四章生2、材料研究趨勢：納米生物陶瓷如納米HAP的抑癌治療復(fù)合生物陶瓷如將HA與聚乳酸和聚乙醇酸的混合物復(fù)合是較多的一種復(fù)合物，可增加HA的強度又可增加材料的降解，同時有較好的骨傳導(dǎo)性。將HA或A-W-GC與纖維素、膠原等生物材料復(fù)合，目的是提高材料的生物相容性，使材料與骨更緊密的結(jié)合。79第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、材料研究趨勢：79第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料復(fù)合了生理活性物質(zhì)的生物陶瓷（將不同的材料和生物因子結(jié)合有可能彌補各種材料的不足，更好地起到骨缺損的修復(fù)作用。）生物陶瓷與BMP復(fù)合人工材料與TGF-β復(fù)合物人工材料與細胞成分復(fù)合物羥基磷灰石/膠原復(fù)合物80第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料復(fù)合了生理活性物質(zhì)的生物陶瓷（將不同的材料和生物因子結(jié)合有可第五章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料第二節(jié)生物活性無機材料第三節(jié)生物可降解無機材料第四節(jié)生物醫(yī)用無機非金屬材料發(fā)展趨勢81第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第五章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料概述一、發(fā)展概況二、性能特點三、材料分類82第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料概述一、發(fā)展概況2第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況發(fā)展階段：生物惰性材料生物活性材料、生物降解材料、多相復(fù)合材料83第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況發(fā)展階段：3第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況無機材料很早即應(yīng)用于人體，70年代以前大部分是生物惰性材料。之后以生物玻璃（1969年，L.Hench，美國Florida大學(xué)）為發(fā)端的生物活性材料成功地應(yīng)用于臨床，可吸收陶瓷（70年代）等生物降解材料亦開發(fā)成功并應(yīng)用于臨床（80年代），目前，隨著納米材料與技術(shù)的發(fā)展，納米生物醫(yī)用無機材料正在引起人們的重視。84第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、發(fā)展概況無機材料很早即應(yīng)用于人體，4第四章生物醫(yī)用無二、性能特點良好的化學(xué)穩(wěn)定性但在制備過程會引入有害的雜質(zhì)元素，需嚴格控制?？山到獠牧弦紤]降解產(chǎn)物的影響良好的生物相容性良好的消毒滅菌性能較難成型加工力學(xué)性能：脆性較大85第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、性能特點良好的化學(xué)穩(wěn)定性5第四章生物醫(yī)用無機非金屬材86第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料6第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷除用于測量、診斷治療等外，主要是用作生物硬組織的代用材料?？捎糜诠强?、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面。如人工牙齒（根）、人工骨、人工關(guān)節(jié)、骨折固定器具、人工眼等87第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷除用于測量、診斷治療等外，主要是用作生物硬組織的代用三、材料分類按材料性質(zhì)生物陶瓷——如單晶和多晶氧化鋁陶瓷、羥基磷灰石陶瓷等生物玻璃——如45S5玻璃生物玻璃陶瓷——如DICOR玻璃陶瓷無機骨水泥——如α-TCP骨水泥生物復(fù)合無機材料——羥基磷灰石+β-TCP復(fù)合材料、碳纖維增強無機骨水泥88第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類按材料性質(zhì)8第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料按來源天然生物礦物——鈣化的貝殼和珍珠合成的無機材料——羥基磷灰石陶瓷、β-TCP人工骨生物衍生材料——凍干骨片三、材料分類89第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料按來源三、材料分類9第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類在生理環(huán)境中的反應(yīng)水平生物惰性無機材料——氧化鋁、氧化鋯、氧化硅陶瓷，熱解碳生物活性無機材料——羥基磷灰石陶瓷、45S5玻璃、生物活性玻璃陶瓷生物可降解無機材料——可溶性鋁酸鈣陶瓷、β-TCP陶瓷等90第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類在生理環(huán)境中的反應(yīng)水平10第四章生物醫(yī)用無機三、材料分類按臨床應(yīng)用肌肉—骨骼系統(tǒng)用材：熱解碳纖維軟組織用材：碳纖維——跟腱硬組織用材：磷酸鈣陶瓷、生物玻璃及生物玻璃陶瓷——骨、牙心血管系統(tǒng)用材：碳質(zhì)材料藥物釋放載體材料：β-TCP等臨床診斷及生物傳感器材料——陶瓷溫度傳感器陶瓷、羥基磷灰石經(jīng)皮裝置91第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、材料分類按臨床應(yīng)用11第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好的無機材料。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高化學(xué)穩(wěn)定性，在體內(nèi)耐氧化、耐腐蝕、不降解、不變性。分子中的鍵力較強，都具有較高的機械強度和耐磨性等。不參與體內(nèi)代謝過程，與骨組織不能產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，被纖維結(jié)締組織膜包圍，形成纖維骨性結(jié)合界面。92第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好第一節(jié)生物惰性無機材料主要有氧化物（氧化鋁、氧化鋯等）陶瓷、非氧化物陶瓷、碳質(zhì)材料、惰性玻璃陶瓷、長石類陶瓷……。主要用于人工關(guān)節(jié)、人工骨和口腔種植材料93第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料主要有13第四章生物醫(yī)用無機非第一節(jié)生物惰性無機材料一、氧化物、非氧化物陶瓷二、碳質(zhì)材料三、惰性玻璃陶瓷94第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第一節(jié)生物惰性無機材料一、氧化物、非氧化物陶瓷14第四章一、氧化物、非氧化物陶瓷(一）氧化物陶瓷1、氧化鋁陶瓷：（1）多晶氧化鋁陶瓷：是指主晶相為剛玉（α-Al2O3)的陶瓷材料（＞45%）。性能特點：機械強度高耐高溫耐化學(xué)腐蝕生物相容性好95第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、氧化物、非氧化物陶瓷(一）氧化物陶瓷15第四章生物（1）多晶氧化鋁陶瓷：性能指標Al2O3含量（%）60809099抗壓強度(MPa)4006609401200抗彎強度(MPa)83134187247彈性模量(GPa)10823031840096第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（1）多晶氧化鋁陶瓷：性能指標Al2O3含量（%）60809高純氧化鋁陶瓷的物理性能密度(g/cm3)3.93導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK)29.30抗壓強度(MPa)4000比熱(kJ/KgK)1.05抗彎強度(MPa)400熔融溫度(?C)2050彈性模量(MPa)350電阻率(Ωm)1013硬度(HV)2200介電常數(shù)9.2熱膨脹系數(shù)(×10-6K-1)6.6磁化系數(shù)(×10-6)-1.45氧化鋁用作生物材料始于70年代初，目前已廣泛用于制作人工牙根、人工關(guān)節(jié)和人工骨。97第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料高純氧化鋁陶瓷的物理性能密度(g/cm3)3.93導(dǎo)熱系數(shù)(純剛玉——金屬人工關(guān)節(jié)98第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料純剛玉——金屬人工關(guān)節(jié)18第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷氧化鋁單晶也稱寶石，添加劑不同，制得單晶材料顏色不同，如紅寶石、藍寶石等。性能特點：機械強度、硬度、耐磨性、耐腐蝕性都優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷單晶結(jié)構(gòu)完整，無脆弱晶間相。生物相容性也優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷99第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷19第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷單晶體性能單晶體多晶體外觀抗壓強度(MPa)抗拉強度(MPa)抗彎強度(MPa)彈性模量(GPa)硬度(HV)沖擊韌性(MPacm)影響因素加工性能無色透明5000650130040021007.6晶格缺陷、表面?zhèn)?、裂紋直線狀、棒狀白色（黃白色）500025050038018005.4純度、密度、晶粒大小可加工成任意形狀100第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料（2）單晶氧化鋁陶瓷單晶體性能單晶體多晶體外觀無色透明白色（可以用作生物醫(yī)用材料的氧化物陶瓷主要有——鋁、鎂、鈦、鋯等的氧化物氧化鋯陶瓷由于其高強度和斷裂韌性用于人工關(guān)節(jié)，氧化鋯更多還用作復(fù)合材料的增強劑或等離子體噴涂材料。101第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料可以用作生物醫(yī)用材料的氧化物陶瓷主要有——鋁、鎂、鈦、鋯等的非氧化物陶瓷臨床應(yīng)用較少，主要是用作硬組織的替換材料。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物、硅化物等陶瓷。如：碳化硅陶瓷，硬度大，具有高強度，導(dǎo)熱、導(dǎo)電性好，是一種耐蝕、耐磨材料。氮化硅陶瓷，具有高斷裂韌性和抗彎強度，用它替代氧化鋯陶瓷作人工關(guān)節(jié)，有更好的使用壽命。102第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料非氧化物陶瓷22第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷人工關(guān)節(jié)103第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物陶瓷人工關(guān)節(jié)23第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、碳質(zhì)材料碳質(zhì)材料應(yīng)用廣泛，在外科植入物中主要包括熱解碳、玻璃碳、碳纖維和蒸汽沉積碳。結(jié)構(gòu)特點：金剛石結(jié)構(gòu)、石墨結(jié)構(gòu)、無定形層狀結(jié)構(gòu)無定形層狀結(jié)構(gòu)點陣無序排列、各向同性，是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要應(yīng)用的碳質(zhì)材料。104第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、碳質(zhì)材料碳質(zhì)材料應(yīng)用廣泛，在外科植入物中主要包括熱解碳、碳質(zhì)材料的類型與制備：1、熱解碳：目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的碳質(zhì)材料。1000-2400oC，碳氫化合物在流化床內(nèi)熱解，碳沉積于石墨基材上。<1500oC，低溫各向同性碳（LTI-Carbon）可加入合金元素（如硅）提高其硬度105第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：25第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：2、玻璃碳：控制加熱預(yù)成型高分子材料（如酚醛樹脂等），使之揮發(fā)而余下玻璃狀剩余物橫截面厚度<7mm密度相對較低，機械性能低于熱解碳，用于不承受高機械應(yīng)力的部位106第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：26第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：3、蒸汽沉積碳制備：真空中用電弧或高能電子束等手段加熱碳氫化合物，使其分解沉積在金屬、陶瓷、或高分子材料的表面（厚約1微米）其中低溫低壓下沉積的碳材為ULTIC，各向同性，彈性好，用于聚合物、纖維織物、多孔金屬植入體的涂層。107第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：27第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：4、碳纖維制備：有機纖維于隔氧的惰性環(huán)境中1000-1500oC焙燒+張力牽引直徑7-9微米，抗拉強度3040MPa，耐腐蝕，耐磨損，具自潤滑性抗彎強度較低，屬脆性材料可替代韌帶，能促進新的韌帶形成生長，安全可靠，成功率高（約80%）108第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料碳質(zhì)材料的類型與制備：28第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：機械性能：高強度，低彈性模量（與人骨接近），較高的斷裂彈性吸收功，低磨損性。109第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：29第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料國外各種生物碳質(zhì)材料的機械性能110第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料國外各種生物碳質(zhì)材料的機械性能30第四章生物醫(yī)用無機非金性能特點：生物相容性優(yōu)良生物惰性，無毒性，無排異反應(yīng)。與人體親和性好，組織反應(yīng)輕微。雖不能與人體組織形成化學(xué)鍵合，但組織可長入碳質(zhì)材料的孔隙中組織相容性良好。具有優(yōu)良的抗血栓性和抗溶血作用?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好111第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：31第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用低溫?zé)峤飧飨蛲蕴迹↙TIC）—目前應(yīng)用最成功的人工心臟瓣膜材料足夠的強度和耐磨性優(yōu)異的血液相容性致密不透，不降解無毒、無刺激性，不致癌碳材料還可應(yīng)用于人工齒根、人工骨與人工關(guān)節(jié)、人工韌帶和腱等。112第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料臨床應(yīng)用32第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料113第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料33第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料St.JudeMedicalInc.美國最大的人工機械瓣膜生產(chǎn)商114第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料St.JudeMedicalInc.34第四章生物醫(yī)115第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料35第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料On-X人工心臟瓣膜的生產(chǎn)制造商是美國MCRI公司。

美國MCRI公司的創(chuàng)始人是JackC.Bokros,他于1969年首次將熱解碳專利技術(shù)應(yīng)用于人工心臟瓣膜制造，至今已具有30多年的心臟瓣膜設(shè)計及制造經(jīng)驗。已為多家公司設(shè)計制造了10種以上的人工心臟瓣膜，包括：St-Jude瓣膜、Carbor瓣膜、ATS瓣膜、Medtronic瓣膜，從而確定了他在世界范圍內(nèi)心臟瓣膜地設(shè)計制造的領(lǐng)導(dǎo)地位。

1992年發(fā)現(xiàn)了On-X純碳材料的工藝，設(shè)計了優(yōu)秀的On-X人工心臟瓣膜。1994年JackC.Bokros成立了MCRI公司，將新一代的、優(yōu)秀的On-X型人工心臟瓣膜推向全球。116第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料On-X人工心臟瓣膜的生產(chǎn)制造商是美國MCRI公司。

36長海醫(yī)院胸心外科創(chuàng)建者蔡用之教授于1965年研制成功第一代國產(chǎn)人造心臟瓣膜，使我國成為繼美國之后第二個擁有人造心臟瓣膜的國家。第一代人造心臟瓣膜由4根不銹鋼鑄成的瓣架和由硅膠制成的硅球閥體構(gòu)成，狀如拇指大的小巧鳥籠，通過硅球在籠架內(nèi)上下活動，實現(xiàn)瓣膜的啟閉功能。2005年研制成功材質(zhì)性能更加優(yōu)良的國產(chǎn)第三代人工心臟瓣膜———雙葉機械瓣，第一代國產(chǎn)籠球型人造心臟瓣膜具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代雙葉機械瓣117第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料長海醫(yī)院胸心外科創(chuàng)建者蔡用之教授于1965年研制成功第一代國北京思達科技有限公司產(chǎn)品118第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料北京思達科技有限公司產(chǎn)品38第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、惰性玻璃陶瓷玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。是在玻璃基質(zhì)中加入晶核形成劑，通過一定熱處理，形成玻璃與晶體共存的狀態(tài)。主要應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)。119第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、惰性玻璃陶瓷玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。39第四章1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：配料制備→配料熔融→成型→加工→晶化熱處理→再加工玻璃陶瓷生產(chǎn)過程的關(guān)鍵——晶化熱處理階段：第一階段為成核階段A第二階段為晶核生長階段B

這兩個階段有密切的聯(lián)系，在A階段必須充分成核，在B階段控制晶核的成長。120第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：40第四章生物醫(yī)用無機非金屬1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：玻璃陶瓷的析晶過程由三個因素決定：晶核形成速度晶體生長速度玻璃的粘度三個因素都與溫度有關(guān)玻璃陶瓷的結(jié)晶速度不宜過小，也不宜過大，有利于對析晶過程進行控制。為了促進成核，一般要加入成核劑。一種成核劑為貴金屬如金、銀、鉑等離子，但價格較貴，另一種是普通的成核劑，有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫化物等。121第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、玻璃陶瓷的生產(chǎn)工藝過程：41第四章生物醫(yī)用無機非金屬2、玻璃陶瓷分類按基礎(chǔ)玻璃：硅酸鹽、鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、硼酸鹽和磷酸鹽五大類。按結(jié)晶成分：氧化鋁質(zhì)、白榴石質(zhì)、云母質(zhì)、磷灰石質(zhì)122第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、玻璃陶瓷分類42第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能玻璃陶瓷是由結(jié)晶相和玻璃相組成的，無氣孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。其結(jié)晶相含量一般為50%-90%，玻璃相含量一般為5%-50%，結(jié)晶相細小，一般小于1-2/μm，且分布均勻。玻璃陶瓷一般具有機械強度高，熱性能好，耐酸、堿性強等特點。具有良好的生物相容性，沒有異物反應(yīng)。123第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、玻璃陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能43第四章生物醫(yī)用無機非金屬材4、臨床應(yīng)用124第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料4、臨床應(yīng)用44第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料玻璃纖維加強的復(fù)合材料(具有更高的X光阻射性)制成的根管釘雙重固化的可流動復(fù)合樹脂冠核由高強度玻璃陶瓷制成的牙冠甘油凝膠液體層保護防止氧化透明成形片修復(fù)體125第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料玻璃纖維加強的復(fù)合材料(具有更高的X光阻射性)制成的根管釘?shù)诙?jié)生物活性無機材料生物醫(yī)用材料與骨組織之間的鍵合能力生物活性——化學(xué)鍵合——骨性結(jié)合在體內(nèi)有一定溶解度，能釋放對機體無害的離子，參與體內(nèi)代謝，刺激或誘導(dǎo)骨組織生長，促進缺損組織修復(fù)。通常含有能與人體組織化學(xué)鍵合的羥基（OH-）等基團，在體液中產(chǎn)生磷灰石或本身含有磷灰石，發(fā)生骨性結(jié)合。126第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第二節(jié)生物活性無機材料生物醫(yī)用材料與骨組織之間的鍵合能力第二節(jié)生物活性無機材料生物活性陶瓷生物活性玻璃（磷酸鈣系）羥基磷灰石陶瓷磷酸三鈣陶瓷……其他生物活性無機材料生物活性骨水泥127第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料第二節(jié)生物活性無機材料生物活性陶瓷47第四章生物醫(yī)用一、生物活性玻璃1、生物活性玻璃發(fā)展過程：1999199419891984197919741969生物活性鍵合機理與骨組織生物活性鍵合的發(fā)現(xiàn)與軟組織生物活性鍵合的發(fā)現(xiàn)生物活性鍵合的臨床應(yīng)用Bioglass?MEPBioglass?DouekConeBioglass?ERMI孳生機理骨增殖的發(fā)現(xiàn)Perloglas?Osteoglas?骨再生的臨床應(yīng)用128第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料一、生物活性玻璃1、生物活性玻璃發(fā)展過程：1999生物活性鍵2、生物活性（1）生物活性玻璃與骨組織之間的反應(yīng)1或2 Si-OH鍵形成和Si(OH)4的釋放3 SiOH的聚合SiOH+SiOH——Si-O-Si 形成水合硅凝膠4 無定形Ca2+、PO43-、CO32-離子的吸附5 碳酸羥基磷灰石層的晶化（HCA）6 HCA層內(nèi)的生物吸附7 小噬細胞反應(yīng)8 成骨細胞的源細胞附著9 成骨細胞的分化與增殖10 基質(zhì)產(chǎn)生11 基質(zhì)晶化和骨的成長

成骨時間（h）121020100表面反應(yīng)階段129第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、生物活性1或2 Si-OH鍵形成和Si(OH)4的釋放生物活性鍵合機理：生物活性玻璃與組織液之間的界面的無機化學(xué)反應(yīng)影響了細胞反應(yīng)，阻止了成纖維細胞的增生，增強了骨的再生。生物活性與SiO2的含量有關(guān)，SiO2含量42-53%可以與骨和軟組織形成鍵合；SiO2含量55-60%只可與骨緩慢形成鍵合，不能與軟組織形成鍵合。130第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性鍵合機理：50第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料骨增殖再生機理：近期研究的重點是，在因手術(shù)的干擾在損傷環(huán)境下自由的成骨細胞移植到活性表面時，利用生物活性玻璃的孳生潛力，再生組織以替代。該過程中，生物活性玻璃與自體骨混合比單獨自體骨或活性玻璃更有效地促進骨增殖再生。131第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料骨增殖再生機理：51第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性玻璃的強化獲得具有較高的機械性能和與骨牢固結(jié)合的材料在析出磷灰石的微晶玻璃中析出其它晶體（如硅灰石）進行強化將磷灰石多晶體與無機纖維復(fù)合強化將含有CaO和P2O5的玻璃、微晶玻璃或磷灰石晶體涂覆于氧化鋁或金屬上132第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性玻璃的強化52第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石羥基磷灰石（HAP)是人體和動物骨骼的主要無機成分。分子式：Ca10(PO4)６(OH)2，鈣磷比為1.67，羥基磷灰石（HA）與正常骨組織的鈣磷比一致。133第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石羥基磷灰石（HAP)是人體和動物骨骼的主要無機二、羥基磷灰石HA的來源主要有三種：人工化學(xué)合成動物骨燒結(jié)而成珊瑚(coral)熱液轉(zhuǎn)化(hydrothermalconversion)而成。134第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料二、羥基磷灰石HA的來源主要有三種：54第四章生物醫(yī)用無1、羥基磷灰石的制造工藝a.水熱反應(yīng)法將CaHPO4與CaCO3按6：4摩爾比進行配料，然后進行24h濕法球磨。將球磨好的漿料倒入容器中，加入足夠的蒸餾水，在80-100℃恒溫情況下進行攪拌，反應(yīng)完畢后，放置沉淀得到白色的羥基磷灰石沉淀物，其反應(yīng)式如下：6CaHPO4+4CaCO3——Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O135第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料1、羥基磷灰石的制造工藝55第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料b.固相反應(yīng)法這種方法與普通陶瓷的制造方法基本相同，根據(jù)配方將原料磨細混合，在高溫下進行合成：

1000-1300℃6CaHPO4·2H2O+4CaCO3——————Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O136第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料b.固相反應(yīng)法這種方法與普通陶瓷的制造方法基本相同，根據(jù)配方c.沉淀反應(yīng)法此法用Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4進行反應(yīng)，得到白色的羥基磷灰石沉淀。其反應(yīng)如下：10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O+H2O——Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O此外，還有其它方法可制成羥基磷灰石。如水熱合成法（300℃，8.5MPa)可制備HAP單晶；溶解法可制備大的單晶。137第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料c.沉淀反應(yīng)法57第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料羥基磷灰石陶瓷的燒結(jié)方法：常規(guī)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和冷等靜壓燒結(jié)。合成的羥基磷灰石經(jīng)燒結(jié)才能得到羥基磷灰石陶瓷。羥基磷灰石陶瓷的機械性能與燒結(jié)方法和燒結(jié)條件有密切的關(guān)系。燒結(jié)溫度（℃）密度(g/cm3)晶粒尺寸(μm)斷裂韌性(MPam1/2)抗彎強度(MPa)楊氏模量(GPa)11002.940.4±0.20.77±0.1284±887±411503.050.5±0.30.95±0.07113±889±412003.071.9±1.40.95±0.06102±992±412253.093.0±2.10.96±0.04105±994±2138第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料羥基磷灰石陶瓷的燒結(jié)方法：燒結(jié)溫度（℃）密度(g/c2、羥基磷灰石陶瓷的性能特點機械性能：合成的羥基磷灰石（HA）的結(jié)構(gòu)與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14。HA的破壞強度(fracturestrength)較高，可達79～196MPa，并有較好的抗疲勞能力但HA最大的缺點是脆性較大。139第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料2、羥基磷灰石陶瓷的性能特點59第四章生物醫(yī)用無機非金屬生物穩(wěn)定性：HA是非生物降解材料，在植入體內(nèi)3～4年仍保持原有形態(tài)。也有報導(dǎo)發(fā)現(xiàn)HA有部分降解，但不是完全降解。生物相容性：對生物無毒，無刺激，不致過敏反應(yīng)，不致畸，不致突變，不致溶血，適于體內(nèi)長期植入。140第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物穩(wěn)定性：60第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性：能誘發(fā)新骨的生長。

HA在與成骨細胞共同培養(yǎng)時，HA表面有成骨細胞聚集植入骨缺損時，骨組織與HA之間無纖維組織界面，植入體內(nèi)后表面也有磷灰石樣結(jié)構(gòu)形成。因為骨組織與植入材料之間無纖維組織間隔，與骨的結(jié)合性好，HA的骨傳導(dǎo)能力也較強，許多研究表明HA植入骨缺損區(qū)有較好的修復(fù)效果。植入軟組織，可被一層膠原所包圍（與膠原存在某種鍵合），其成分與骨膜相同，從而阻止了感染的發(fā)生。141第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料生物活性：61第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用在臨床上HA主要用于牙科材料、某些骨缺損的填充和脊柱融合。耳聽骨鏈、非承力齒根經(jīng)皮裝置醫(yī)用傳感器整形整容的材料142第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料3、臨床應(yīng)用在臨床上HA主要用于牙科材料、某些骨缺損的填充和143第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料63第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料144第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料64第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷——主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃陶瓷(apatite-wollastonite-glass-ceramic,A-W-GC)為代表，成分與生物活性玻璃接近，是一種多相復(fù)合材料。145第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料三、生物活性玻璃陶瓷玻璃陶瓷——主要以含磷灰石和硅灰石的玻璃性能特點：具有多元組成，可調(diào)整其結(jié)構(gòu)，調(diào)整賦予新的性能。化學(xué)性能穩(wěn)定機械強度可高于母體玻璃強度數(shù)倍至十幾倍。成型加工性能好生物活性146第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：66第四章生物醫(yī)用無機非金屬材料性能特點：生物活性植入體內(nèi)