第4章--生物医用陶瓷材料.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,概述,陶瓷,是指用天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。陶瓷可分为,传统陶瓷,(,普通陶瓷,),和,近代陶瓷,(,特种陶瓷,),。传统的陶瓷都是以由构成地壳的硅、铝、氧三种主要元素形成的天然硅酸盐矿物为主要原料,(,如粘土、长石、硅石,),制成的材料。而把近代陶瓷称为,“,新型陶瓷,”(New Ceramics),或,“,精细陶瓷,”(Fine Ceramics),广义的,生物陶瓷,可以分为与人体相关的陶瓷,(,植入类陶瓷,),和与生化学相关的陶瓷,(,生物工程类陶瓷,),二大类。所谓的与人体相关的陶瓷就是指通过植入人体或是与人体组织直接接触，使机体功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。一般狭义地称生物陶瓷就是指这类陶瓷。,图,4-1,是几种常见的生物陶瓷制品。,人工髋关节,羟磷灰石生物陶瓷人工骨,全瓷牙,图,4-1,几种常见的生物陶瓷制品,陶瓷植入材料根据其与生物体组织的反应程度一般可以分为三类：,生物惰性陶瓷,、,生物活性陶瓷,和,生物可降解陶瓷,。如下表所示。,分类,主要特点,示例,生物惰性陶瓷,在生物体内化学性质稳定，生物相容性好，无组成元素溶出，对机体无刺激,氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料等,生物活性陶瓷,表面可与生理环境反应形成阻止材料进一步溶解的界面，与人体组织具有良好的化学亲和性,生物活性玻璃、玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥等,生物可降解陶瓷,暂时性的骨替代材料，最终通过体液溶解或被代谢系统排出体外,磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷、可降解生物玻璃等,表,4-1,陶瓷植入材料的分类,陶瓷的结构类型可以用,A,m,X,n,表示,（表,4-2,）。,A,代表金属元素；,X,代表非金属元素；,m,和,n,代表整数。最简单的陶瓷化合物,为,AX,型陶瓷晶体。,AX,化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果,R,A,/R,X,0.732,则为一,简单的立方体,结构，如,CsCl,结构，,A,原子（或离子）位于,8,个,X,原子的中心。如果离子的,半径比率完全不同，则呈现出面心立方体,结构，如,NaCl,、,KCl,、,LiF,、,MgO,、,CaO,、,MnO,等化合物，这类结构以阴离子为面心立方点阵，阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结构的形式存在，如,ZnS,、,FeS,、,ZnO,等，其结构原子排列比较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。,化合物,A(或X)晶格,配位数,位置填满,最小值,R,A,/R,X,其他化合物,CsCl,BCC,8,全部,0.732,Csl,NaCl,FCC,6,全部,0.414,MgO、MnS,ZnS,FCC,4,1/2,0.225,CdS、ZnO,Al,2,O,3,HCP,6,2/3,0.414,Cr,2,O,3,、,Fe,2,O,3,表,4-2 A,m,X,n,结构,当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型结构或刚玉型结构。萤石结构的氧化物有,CeO,2,、,PrO,2,、,ZrO,2,等（图,4-2,）,。,刚玉（,Al,2,O,3,）型结构的氧化物有,Fe,2,O,3,、,Cr,2,O,3,、,Ti,2,O,3,、,Ca,2,O,3,等（图,4-3,）。,图,4-2,萤石的点阵结构,图,4-3,刚玉的点阵结构,4.1.2,陶瓷的物理性能,陶瓷材料的机械性能,陶瓷材料的弹性变形,陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多,，常相差数倍。这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率和加工工艺等因素密切相关，尤其是,陶瓷的工艺过程对陶瓷材料的弹性模量有着很重要的影响,。,陶瓷材料的塑性变形与蠕变,大多数陶瓷材料在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷材料力学行为最大的特点。,高温下，陶瓷材料受恒定应力长时间作用时会发生缓慢的塑性变形，这样的变形称为蠕变。影响蠕变的因素很多，主要包括温度、应力、时间以及晶粒尺寸、气孔率、相分布、晶体结构、晶体缺陷等等。,陶瓷材料的强度和断裂,陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。,若设裂纹,的长度为,C,，应力集中系数可根据,Griffith,公式得到：,式中，,为垂直作用于此裂纹的平均应力,；,r,为裂纹尖端处的曲率半径；,C,为裂纹长度。,由于,裂纹尖端处的曲率半径很小。所以应力集中系数（,c,/,）为,100,或,1000,，这就是为什么脆性材料的实际断裂强度远低于他们的理论断裂强度。,陶瓷材料的硬度,陶瓷材料的硬度一般很高，常采用莫氏硬度（,Mohs,）来表示，以反映材料硬度的相对大小，通常按硬度大小顺序分为十级或十五级（表,4-3,）。,材料,10级,15级,材料,10级,15级,材料,10级,15级,滑石,1,1,正长石,6,6,熔融氧化锆,11,石膏,2,2,SiO,2,玻璃,7,刚玉,9,12,方解石,3,3,石英,7,8,碳化硅,13,萤石,4,4,黄玉,8,9,碳化硼,14,磷灰石,5,5,石榴石,10,金刚石,10,15,表,4-3,莫氏硬度分级,热性能,陶瓷材料一般具有高熔点,（大多在,2000C,以上），极好的化学稳定性和很强的抗氧化等特点。,陶瓷材料的热容量随着温度的升高而增加，且在温度低于德拜温度时与,T,3,成正比关系，温度高于德拜温度时趋于常数,25Jmol,-1,K,-1,。,陶瓷材料的线膨胀系数一般都很小，约为,10,-5,10,-6,/K,。,在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶瓷占有很大的比重，主要是因为,磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合。,4.2,磷酸钙陶瓷,4.2.1,概述,磷酸钙生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三钙,，作为生物材料使用的磷灰石一般是,Ca,与,P,原子比为,1.67,的羟基磷灰石,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,(Hydroxylapatite,，简称,HA),，磷酸三钙是,Ca,与,P,原子比为,1.5,的,-,磷酸三钙,-Ca,3,(PO,4,),2,(Tricalcium Phosphate,，简称,-TCP),。,磷酸钙陶瓷粉末的制备,制备块状磷酸钙陶瓷的第一步是磷酸钙陶瓷粉末的制备，主要有湿法和固态反应法。湿法包括：,水热反应法、水溶液沉淀法以及溶胶凝胶法,。此外还有有机体前驱热分解法、微乳剂介质合成法等。各种制备工艺的研究目标是得到成分均匀、粒度微细的磷酸钙粉末。,磷酸钙陶瓷的烧结,制备致密磷酸钙陶瓷的主要方法是粉末烧结技术。磷酸钙陶瓷粉末先要压制成需要的形状，然后在,1000,1500,进行烧结。以,Ca,与,P,原子比为,1.67,的磷灰石粉末为原料，可得到,HA,陶瓷；以,Ca,与,P,原子比为,1.5,的磷灰石粉末为原料，可得到,-TCP,陶瓷。,磷酸钙生物陶瓷的力学性能与应用,致密磷酸钙陶瓷的力学性能见表,4-4,。,从力学相容的角度来看，作为硬组织替换用的磷酸钙盐至少应与被替换的器官有相近的强度和弹性模量。,脆性是制约磷酸钙生物陶瓷临床应用的主要因素之一。,改善磷酸钙盐陶瓷的脆性，使其能应用到大块骨缺损的修复及承力部位，成为这一领域中材料研究急需解决的问题。,性能,烧结羟基磷灰石,烧结,-磷酸三钙,皮质骨,成分,Ca,10,(OH),2,(PO,4,),4,（,99.2%）,-Ca,3,(PO,4,),2,(99.7%),物相,磷灰石,磷钙矿,密度（,g/cm3）,3.16,3.07,1.62.1,维氏硬度（,HV）,600,压缩强度（,MPa）,5001000,460680,100230,弯曲强度（,MPa）,115200,140154,50150,杨氏模量（,GPa）,80110,2290,730,断裂韧性,1.0,212,表,4-4,磷酸钙生物陶瓷的力学性能,磷酸钙生物陶瓷材料的发展趋势,磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷虽然可被新生骨长入而极大增强，但是在再建骨完全形成之前，为及早代行其功能，也必须对它进行增韧补强。,磷酸钙陶瓷基复合材料,，已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一。,基于仿生原理，制备类似于自然组织的组成、结构和性质的理想生物陶瓷,，是生物陶瓷的,另,一个发展方向。组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的课题。,4.2.2,羟基磷灰石,羟基磷灰石,(Hydroxyapatite,，,HA),是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分，在骨质中，羟基磷灰石大约占,60,，它是一种,长度为,200,400nm,，厚度,15,30nm,的针状结晶,，其周围规则地排列着骨胶原纤维（图,4-4,），由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植入人体后能在短时间内与人体的软硬组织形成紧密结合而成为广泛应用的植骨代用品。但,HA,生物陶瓷脆性高、抗折强度低,目前仅能应用于非承载的小型种植体,如人工齿根、耳骨、充填骨缺损等,而不能在受载场合下应用。,图,4-4,骨质中,HA,的扫描电子显微镜照片,羟基磷灰石的组成及晶体结构,羟基磷灰石理论组成为,Ca,10,(PO,4,),6,(OH),2,，,Ca/P,为,1.67,。,HA,晶体为六方晶系，其结构为六角柱体，与,c,轴垂直的面是一个六边形，,a,、,b,轴夹角,120,，晶胞参数,a,0,=0.9430.938nm,，,c,0,=0.6880.686nm,，单位晶胞含有,10,个,Ca,2+,、,6,个,PO,4,3,和,2,个,OH,-,（图,4-5,）。,图,4-5 HA,的晶体结构,羟基磷灰石粉末的制备,制备,HA,粉末,的,方法大致可分为湿法和干法。,湿法包括沉淀法、水热合成法、溶胶,-,凝胶法、超声波合成法及乳液剂法等,；,干法为固态反应法等,。,沉淀法,通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌，控制在一定的,pH,值和温度条件下，使溶液中发生化学反应生成,HA,沉淀，沉淀物在,400600,甚至更高的温度下煅烧，可获得符合一定比例的,HA,晶体粉末。,该法反应温度不高，合成粉料纯度高，颗粒较细，工艺简单，合成粉料的成本相对较低。但是必须严格控制工艺条件，否则极易生成,Ca/P,值较低的缺钙磷灰石，因此应注意合理控制混合溶液的,pH,值及反应产生沉淀的时间，采用分散设备使溶液混合均匀，保证反应完全进行以及反复过滤，使固液相完全分离，提高粉料的纯度。,溶胶,-,凝胶法,溶胶,-,凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合，形成溶胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将干凝胶做高温煅烧处理，即可得到纳米粉体。该法同传统的固相合成法及固相烧结法相比，溶胶,-,凝胶法的合成及烧结温度较低，可以在分子水平上混合钙磷的前驱体，使溶胶具有高度的化学均匀性。由于其原料价格高、有机溶剂毒性大、对环境造成污染，以及容易快速团聚等因素制约了这种方法的应用。,水热法,水热法是在特制的密闭反应容器中,(,高压釜,),，采用水溶液作为反应介质，在高温高压环境中，使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。这种方法通常以磷酸氢钙等为原料，在水溶液体系，温度为,200400,的高压釜中制备,HA,使原来难溶或不溶的物质溶解并重新结晶。,这种方法条件较易控制，反应时间较短，省略了煅烧和研磨步骤，粉末纯度高，晶体缺陷密度低；合成温度相对较低，反应条件适中，设备较简单，耗电低。,超声波合成法,超声波能在水介质中引起气穴现象，使微泡在水中形成、生长和破裂。这能激活化学,物质,的反应活性，从而有效地加速液体和固体反应物之间非均相化学反应的速度。超声波法合成的,HA,粉末,颗粒细小,，粒径分布范围窄,。,固态合成法,把固态磷酸钙及其他化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下，反应温度高于,1000,，可以得到结晶较好的,HA,。这种方法合成的,HA,纯度高，结晶性好，晶格常数不随温度变化，但是,由于,其要求较高的温度和热处理时间，粉末的可烧结性差，使得应用受到了一定的限制。,自蔓延高温合成法,自蔓延高温合成技术,(SHS),是以溶胶,-,凝胶法为基础,利用硝酸盐与羧酸反应,在低温下实现原位氧化,自发燃烧快速合成产物的初级粉末,。此法实验操作简单易行、实验周期短、节省时间和能源。更重要的是,反应物在合成过程中处于高度均匀分散状态,反应时原子只需经过短扩散或重排即可进入晶格位点,加之反应速度快,前驱体的分解和化合物的形成温度又很低,使得产物粒径小,分布比较均匀,因而特别适于纳米材料的合成,SHS,技术可以制备出纳米羟基磷灰石。,四水硝酸钙,磷酸氢二铵,柠檬酸,混合,80,下蒸发,200,下燃烧,750,下煅烧,HA,粉末,图,4-6,一种自蔓延高温合成法制备,HA,的工艺流程图,羟基磷灰石涂层的制备,由于,HA,的力学性能较差，抗弯强度和断裂韧性指标均低于人体致密骨，限制了它们单独在人体负重部位的使用。,采用有效方法在生物惰性材料表面涂覆生物活性,HA,涂层,(,图,4-7),既可使材料骨界面达到生理结合又可有效地利用生物惰性材料优良的力学性能,。,图,4-7,（,a,）涂覆,HA,涂层的股骨柄；（,b,）近部涂覆,HA,涂层的骨柄,HA,涂层的制备方法,有,等离子喷涂法、溶胶,-,凝胶法、仿生溶液生长法、激光熔覆法、电化学法、水热法、涂覆,-,烧结法,等。,等离子喷涂法,等离子喷涂法是采用燃烧能或电能将喷镀材料,(,粉末或颗粒,),熔化或雾化造成熔融态或半熔融态的粒子流并高速喷射到底材上而堆积成涂层的方法。,等离子焰热量高度集中可以获很高的温度足以熔化任何一种难熔材料；等离子流速较高使喷涂粒子以较大速度撞击到基体上形成的涂层与基体间结合强度较大；对基体热影响小可以对已加工成形的工件进行表面喷涂；易于实现自动化且成本适中。,溶胶,-,凝胶法,溶胶,-,凝胶法是将涂层配料制成溶胶,使之均匀覆盖于基底的表面,由于溶剂迅速挥发,配料发生缩聚反应而胶化,再经干燥和热处理,即可获得涂层。,与传统的无机材料制备法相比,溶胶,-,凝胶法有如下优点：,制备温度低,从而避免了高温分解,体系中组分的分布是均匀的,可以达到纳米级甚至分子级水平材料制备过程易于控制,产物纯度高。,溶胶,-,凝胶法的缺点是凝胶在烧结过程中有较大的收缩,涂层易开裂。由于其生产周期长,成本高,适用于实验室小批量生产。,仿生溶液生长法,该法,模仿,了,自然界生理磷灰石的矿化机制,，,先配制一种与人体体液组成几乎相同的溶液,SBF,（,simulated body fluid,）,然后将金属基板置于此溶液中以模仿生物环境，在金属基板表面上生长出,HA,涂层。,仿生溶液生长法与传统的涂层方法相比有以下几个优点：低温下,(,低于,100,),操作,可避免高温喷涂引起的相变和脆裂,且低温条件为共沉积蛋白质等生物大分子提供了可能性,;,由于是在类似于人体环境条件的水溶液中自然沉积出来的,因此成分更接近于人体骨无机质,可望具有高的生物相容性和骨结合能力,;,可在形状复杂和表面多孔的基底上制备均匀的涂层,;,所需设备投资少,工艺简单,易于操作。,因此,该技术在制备金属,-,生物活性物质涂层材料方面有着广阔的应用前景。,羟基磷灰石的性能,物理化学性能,羟基磷灰石,的,理论密度为,3.156 g/cm,2,，折射率为,1.641.65,，莫氏硬度为,5,，微溶于水，呈弱碱性,(pH=79),，易溶于酸而难溶于碱。,HA,是强离子交换剂，分子中的,Ca,2+,容易被,Cd,2+,、,Hg,2+,等有害金属离子和,Sr,2+,、,Ba,2+,、,Pd,2+,等重金属离子交换，还可与含有羧基的氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交换反应。,机械性能,HA,致密体的机械强度与制作工艺有很大关系。要获得高强度的烧结体，必须对原料合成、粉体成型和烧成制度等工艺条件进行最佳选择。表,4-5,为,HA,致密体和人体硬组织的部分机械强度数值。,HA,材料具有普通陶瓷材料的共同弱点：脆性大，耐冲击强度低。,因此作为人工骨置换材料在承受较大张应力的部位应用时需要慎重。,抗压强度,挠曲强度,扭曲强度,抗拉强度,弹性模量,（,MPa）,（,MPa）,（,MPa）,（,MPa）,（,MPa）,HA致密体,308509,61113,5076,117,4400088000,致密人骨,89164,160180,5068,89114,15800,人牙釉质,384,10.3,82400,人牙本质,295,51.7,18200,表,4-5,羟基磷灰石和人体硬组织机械性能对照,生物学性能,HA,陶瓷由于分子结构和钙磷比与正常骨的无机成分非常近似，其,生物相容性十分优良，对生物体组织无刺激性和毒性,。大量的体外和体内实验表明，,HA,在与成骨细胞共同培养时。,HA,表面有成骨细胞聚集；植入骨缺损时，骨组织与,HA,之间无纤维组织界面。植入体内后表面也有磷灰石样结构形成、因为骨组织与植入材料之间无纤维组织间隔，与骨的结合性好。,HA,种植体可以模仿人体骨组织中的网状多孔结构（图,4-8,），有利于加强种植体和骨组织之间的结合。对于生物惰性材料,，,要形成新骨长人多孔体的孔径应不小于,100m,；,而对于,HA,多孔体，,50m,孔径的气孔内，就可有新骨生成。平均孔径,90m,的多孔体则显示最佳的骨形成姿态。,HA,对软组织也同样具有良好的相容性,。,图,4-8,人体骨组织的,SEM,照片,（,a,）致密骨的抛光横截面；（,b,）致密骨纵截面中能看到相互连通的孔道,HA,材料在医学领域的应用,HA,材料最早的应用主要在口腔科和骨科方面。,HA,人工牙根曾风靡一时，其与骨组织和粘膜组织的结合状态比氧化铝牙根来得好，但由于其耐冲击强度较低，所以在结构上不能制成较细或较复杂的形状，使临床适应范围要比氧化铝牙根小。为了弥补,HA,强度不足之欠缺，目前常用的人工牙根多采用金属与,HA,复合的工艺制造。内芯为纯钛金属，埋入骨组织部分的钛表面通过等离子方法喷涂一层,HA,，这样既大大提高了人工牙根的机械性能，又保持了与骨组织形成紧密结合的良好生物学性能。,HA,多孔体常用于骨置换和骨缺损修复，如下颌骨重建，牙槽嵴增高、颅颌骨缺损充填等。,HA,材料具有骨传导能力这一点已为各国学者所承认。多孔体结构与致密体相比表面积大幅度增大，这对于加速早期骨生长，促进植入材料与周围骨一体化是十分有利的。另外在眼科，目前已开始大量采用,HA,多孔体来制作义眼座。,4.2.3,磷酸三钙,目前广泛应用的生物降解陶瓷是一系列磷酸钙基陶瓷，包括,-,磷酸三钙、,-,磷酸三钙,(-TCP),、磷酸氧四钙等。其中,-TCP,具有良好的生物降解性、生物相容性和生物无毒性，当其植入人体后，降解下来的,Ca,、,P,能进入活体循环系统形成新生骨，因此它作为理想的骨替代材料己成为世界各国学者研究的重点之一。,-TCP,陶瓷的制备工艺,-TCP,陶瓷的制备一般分三个步骤：,粉末制备、成型和烧结,。,粉末的制备,湿法工艺,包括可溶性钙盐和磷酸盐反应工艺、酸碱中和反应工艺。湿法工艺的生产装置简单而且容易操作,制备的前驱体粉末颗粒细小均匀、纯度高,但要求反应物的浓度不应太大,滴加速度也不能太快,生成的沉淀即使长时间的陈化,(24h),固液分离仍然困难,不适用于大规模的生产。,干法工艺,该法是在温度高于,900C,条件下，非水固相反应制备,-TCP,粉末。原料为,CaHP0,4,2H,2,O,和,CaCO,3,或,Ca(OH),2,，按下列反应式进行：,2CaHPO,4,2H,2,O+CaCO,3,Ca,3,(PO,4,),2,+5H,2,O+CO,2,水热法工艺,此法是在水热条件下，控制一定温度和压力，以,CaHPO,4,或,CaHPO,4,2H,2,O,为原料合成得到晶格完整、晶粒直径更大的,-TCP,粉末。水热法对设备的耐腐蚀性要求较高，废液需要处理，反应条件对产物的生成和性质有较大的影响。,醇化合物法,醇化合物法是采用较稳定的钙乙二醇化合物和具有一定活性,由,P2O5,与,n-,丁醇反应生成的,PO(OH),x,(OR),3,产物为先驱体。引入醋酸可以有效控制先驱体间反应,避免两先驱体直接混合时产生沉淀。当醋酸与钙的摩尔比为,4,两先驱体以,n(Ca):n(P)=1.5,混合,可获得稳定混合溶液,将混合溶液溶剂蒸发后得到的干胶状粉末在,1000,煅烧,可获得纯,-TCP,。,-TCP,的成型和烧结,发泡法,发泡法是将一定颗粒大小的,-TCP,粉末和粘结剂按一定比例加蒸馏水球磨，倒出后蒸去一部分水，得到含一定水份的料浆；然后将松香放入饱和的,NaOH,溶液中煮沸，冷却得到发泡剂。将料浆与发泡剂均匀混合，倒入石膏模成型、脱模、干燥、烧结。,采用发泡法容易制成一定形状、组成、密度的多孔陶瓷,但该方法的缺点是制备工艺复杂,容易产生小孔径闭口气孔,而且整个制备工艺过程不能精确的量化控制,许多情况需要靠经验来调节导致成品率不高。,加致孔剂法,目前使用的致孔剂有双氧水和一定粒径、形状的聚合物，如硬脂酸，这些聚合物在高温下可完全分解。加致孔剂法制备过程是将,-TCP,筛分成一定粒径的粉末，加粘结剂和致孔剂并混匀，倒入石膏模型成型、脱模、干燥、烧结，即可制备出多孔,-TCP,陶瓷。,加致孔剂法方便简单,可以制得形状复杂、气孔各异的多孔材料,并且多孔,-TCP,生物陶瓷的孔径、孔隙率人为可控,但是气孔率不是很高,气孔的分布不均匀。,-TCP,陶瓷的生物相容性,-TCP,陶瓷具有良好的细胞相容性，动物或人体细胞可以在材料上正常生长、分化及繁殖。由于其组织成分与骨组织无机成分相同，故植入体内无明显异物反应，局部无明显炎症反应。,将,-TCP,陶瓷制成,5mm8mm,的圆柱体植到大白兔股骨缺损区,材料植入,4,周，可见材料孔隙间有大量纤维组织增生，材料颗粒间连接中断；,8,周可见材料孔隙间纤维组织高度增生，材料开始降解；,12,周可见新生骨小梁形成，材料部分降解；,24,周，可见残存材料被纤维及骨组织包裹，材料大部分降解，骨缺损处康复,（如图,9,所示）,。,图,4-9,多孔,-TCP,材料植入大白兔股骨缺损区组织学观测结果,(a),植入,4,周,（,b,）植入,8,周,(c),植入,12,周,（,d,）植入,24,周,-TCP,陶瓷的降解机理,-TCP,的降解过程与材料的溶解和生物体内细胞的新陈代谢过程相联系，一般通过下述机制进行。,1),物理解体。它是体液通过烧结不完全而残留的微孔浸入陶瓷，使连接晶粒的,“,细颈,”,溶解，从而解体为微粒的过程。,2),材料的天然溶解。它形成新的表面相，是一种液体介导过程。具体反应式如下：,4Ca,3,(PO,4,),2,+2H,2,OCa,10,(PO4),6,(OH),2,+Ca,2+,+2HPO,4,2-,3),新陈代谢。它主要是细胞介导过程，如吞噬细胞的作用导致材料降解。,-TCP,陶瓷在骨科中的应用,作为,一种与生物具有良好亲和性的生物陶瓷材料，,-TCP,安全、无毒、无副作用，作为植入材料可引导新骨的生长；其作为人工齿根、人工骨、生物骨水泥等已得到广泛应用。目前，其,应用主要集中在,-TCP,陶瓷人工骨、,-TCP,复合人工骨、,-TCP,药物载体等三个方面,。,4.3 生物活性玻璃与生物微晶玻璃,长久以来，玻璃一直被认为是一种惰性材料，在医学方面主要用做实验室器皿、试管和医用安瓿等容器。事实上玻璃不仅能参与血凝反应,而且能加速凝血,这说明玻璃表面不是惰性的,而是活性的。,1971,年，佛罗里达大学的,Lary Hench,教授偶然发现将,Na,2,O-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系统的玻璃材料植入生物体内，作为骨骼或牙齿的替代物，材料中的组分可以同生物体内的组分相互交换或反应，最终形成与生物体本身相容的物质，构成新生骨骼或牙齿的一部分。,Hench,教授将,这种能与人体骨或软组织形成生理结合的生物陶瓷称为生物活性玻璃,。自此之后，不断有新型的生物活性玻璃被开发研制出来。,目前商品化的生物活性玻璃已经在临床上得到了广泛的应用（表,4-6,）。,生物材料,SiO,2,P,2,O,5,CaO,CaF,2,MgO,Na,2,O,K,2,O,Al,2,O,3,相组成（,%）,45S5,45.0,6.0,24.5,24.5,玻璃,Ceravital,4050,1050,3035,2.55.0,510,0.53,磷灰石,+玻璃相,Cerabone,34.0,16.2,44.7,4.6,磷灰石,+玻璃相,Bioverit,1952,424,930,515,35,35,1233,磷灰石,+玻璃相,A-W,34.0,16.2,44.7,0.5,4.6,磷灰石,+硅灰石+,玻璃相,Ilmaplant-Li,44.3,11.2,31.9,5.0,2.8,4.6,0.2,磷灰石,+硅灰石+,玻璃相,表,4-6,生物活性玻璃及玻璃陶瓷的化学成分（质量分数）和相组成,4.3.1,生物活性玻璃的结构和特性,生物活性玻璃一般为,CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系统，部分含有,MgO,、,K,2,O,、,Na,2,O,、,A1,2,O,3,、,B,2,O,3,、,TiO,2,等，玻璃网络中非桥氧所连接的碱金属和碱土金属离子在水相介质存在时，易溶解释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有溶解性，即为玻璃具有生物活性的基本原因，所以非桥氧所占比例越大，玻璃的生物活性越高，其结构特点如下：,基本结构单元磷氧四面体中有,3,个氧原子与相邻四面体共用，另一氧原子以双键与磷原子相连，该不饱和键处于亚稳态，易吸收环境水转化为稳态结构，表面浸润性好。,随碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃的溶解性增强，生物活性也增强。向磷酸盐玻璃中引入,Al,3+,、,B,3+,、,Ga,2+,等三价元素，可打开双键，形成不含非桥氧的连续结构群，使电价平衡，结构稳定，生物活性降低。,相对于其他生物材料，生物活性玻璃和微晶玻璃具有以下特征：,生物活性高,。生物玻璃植人人体后骨增殖速度大于或等于自体骨，其主要原因在于生物玻璃具有促进原始细胞增殖和分裂的显著特征。,组成的可设计性和性能的可调节性,。与单组分材料相比，生物玻璃可通过改变其成分或微晶玻璃中晶相的种类和含量来调节生物活性、降解性和机械性能等，以满足不同的临床需求。,4.3.2,生物玻璃的活性,生物玻璃的表面反应机理,生物玻璃植入体内后，表面溶解并形成与类骨磷灰石层是其与骨形成结合的根本原因，这一过程本质上是一个发生在植入体表上的依赖时间的动力学过程。生物活性玻璃与骨结合过程大致包含,11,步反应，如下所示。其中前,5,步反应并不需要人体组织的参与，可以发生在模拟体液、三羟甲基氨基甲烷缓冲液甚至是蒸馏水中；而随后的反应则是细胞与玻璃的协同作用。,+,Si-OH,在界面处形成,缩聚反应,Si-OH+Si-OHSi-O-Si,形成无定形相,Ca,2+,+PO,4,3-,+CO,3,2-,碳酸羟基磷灰石（,HCA,）晶体,HCA,层表面吸附生物基团,巨噬细胞作用,干细胞吸附,干细胞分化,生成基体,11,基体结晶化,生物玻璃与细胞的协同作用,生物玻璃植入后与骨的融合依靠骨原细胞的粘附和增殖以及细胞间质的形成与矿化，而体内的生物分子和细胞影响着玻璃的表面反应,。,不少研究发现，在体外实验中加入血清会减缓结晶磷灰石层的生成速度；许多生物分子，包括氨基酸、糖类和体内物质,(,如焦磷酸盐,),都会减缓,HCA,层的形成并影响矿化,。,4.3.3,常见的生物活性玻璃,Na,2,O-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系玻璃,(Bioglass),Bioglass,是第一种能在生物体内与自然骨牢固结合的玻璃,该玻璃在组成上的特点有,:,高钙磷比,SiO,2,的摩尔含量少于,60%,Na,2,O,和,CaO,含量较高,所以该类生物玻璃接触水相介质如模拟体液时具有相当高的反应活性。,图,4-10,表示的是,Na,2,O-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系玻璃的生物活性（用,I,B,表示）与组成成分之间的关系。其中,P,2,O,5,的质量分数固定为,6%,不变。,A,区域组分对应的玻璃能与骨进行良好的结合；,B,区域组分对应的玻璃是生物惰性材料，在植入体和组织的界面上会产生纤维状的包膜；,C,区域中的玻璃会在,1030,天内被人体组织吸收；,D,区,域中的玻璃没有实用价值,。,图,4-10 Na,2,O-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系玻璃的成分与生物活性的关系,（,）,45S5Bioglass,、（）,Ceravital,、（,）,55S4.3 Bioglass,MgO-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系微晶玻璃（,A-W,微晶玻璃）,该微晶玻璃的代表组成为,(,质量,%):MgO 4.65,，,CaO 44.9,，,SiO,2,34.2,，,P,2,O,5,16.3,，,CaF,2,0.5,。熔成玻璃后将其粉碎,然后成形压制成所需的形状后,在烧结过程中形成氧,-,氟磷灰石,Ca,10,(PO,4,),6,(O,F,9,),以及,-,硅灰石结晶，成为气孔率为,0.7%,的致密微晶玻璃,(A-W,微晶玻璃,),。将,A-W,微晶玻璃继续升温后，,-,硅灰石晶体量增加,而氧,-,氟磷灰石的一部分与玻璃相反应转变为,-3CaOP,2,O,5,晶体,(A-W-CP,微晶玻璃,),。应用试验表明,A-W,微晶玻璃可用于制造人工脊椎骨、肋骨等,。,Na,2,O-K,2,O-MgO-CaO-SiO,2,系微晶玻璃,(,Ceravital,),Ceravital,微晶玻璃既具有,Na,2,O-CaO-SiO,2,-P,2,O,5,系玻璃与骨结合的特点,又可避免较多的,Na,+,和,Ca,2+,长时期溶出后形成强度低的,SiO,2,凝胶层。组成中,Na,2,O,含量低,但经过热处理后玻璃中含较多的磷灰石晶体,这既使玻璃提高了机械强度,又具有生物活性。将其植入动物体后,与骨缺损部位形成牢固的化学结合。,Ceravital,可用于不承受或少承受弯曲应力的牙根、颚骨等部位,。,可加工生物微晶玻璃,云母基玻璃陶瓷具有优良的可切削性,在常温状态下用普通切削刀具,(,如高速钢、硬质合金及砂轮等,),通过传统的机械加工方法,(,车、铣、钻等,),可加工出具有一定形状、尺寸精度及表面质量的玻璃陶瓷制品。,具有这种优异的可切削性的原因在于云母相结构中,(001),面结合力十分薄弱,成为良好的解理面,在外力作用下,晶体中裂纹很容易通过,(001),面扩展,而云母晶体相互交错,形成的裂纹沿薄弱面从一个晶片扩展到另一个晶片,抑制了裂纹的自由扩展,裂纹发生了偏转和分叉,使其可以切削而不致破碎。云母玻璃陶瓷材料在骨科和牙科修复方面具有良好的应用前景。,可溶解磷酸盐玻璃,可溶解磷酸盐玻璃基于,P,2,O,5,-Na,2,O-CaO,体系，其网络形成体为,PO,4,，不同于上述以,SiO,4,为网络形成体的玻璃。其溶解度可通过,CaO,和,Na,2,O,的相对含量来调节，,Na,2,O,含量增加则溶解度提高且,PH,值升高。其溶解产物沉积生成透钙磷石并最终转化为磷灰石。,多孔生物玻璃或微晶玻璃,多孔材料的高孔隙率和较大的孔径导致材料表面积增大，进而提高了材料与人体体液或组织的作用范围，增强了材料与组织的界面结合强度，这种结合被称之为生物固定，相对于密实植入体的形态固定能够承受更大和更复杂的应力，但是为了维持组织的正常生长，对长入多孔生物材料中的联接组织需提供充分的血液。而血管组织不长入孔径小于,100m,的孔隙中。所以植人材料的孔径必须大于,l00,150m,。比较不同孔隙率的,A/W-GC,颗粒对骨传导性的影响表明，骨组织日在孔径较大,(5,500m),的颗粒孔腺内形成，而在孔径较小,(1,50m),的孔隙内刚无骨组织形成。,磁性生物玻璃陶瓷,近些年来，将磁性元素引入到生物玻璃陶瓷中制备磁性生物玻璃陶瓷，获得结构和性质类似于人体组织的生物材料，使其既具有磁性又具有生物活性，并可以通过改变组成对其功能进行调节和控制，以适应不同的要求，已成为生物材料开发和研究中最为活跃的领域之一。这种材料植入体内后，表面与体液发生一系列化学反应，形成类骨磷灰石层，并借此与组织形成化学键合，促进组织修复；而在交变磁场作用下，磁体内分子状态会不断变化，通过反复磁化中所产生的能量损失即磁滞损耗使温度上升进行肿瘤热疗，同时还可以发挥其他方面的功能。,4.3.4,展望,虽然生物活性玻璃有众多优点及应用，但是其在生物材料领域的应用却不及磷酸钙陶瓷，,一方面,是生物玻璃中多数含有硅的成分，硅在体内不能降解并且其代谢机理目前不是很清楚，不论生物玻璃在人体内植入时间的长短，其最终不可能转化为与人体骨组织类似的物质；,另一方面,可溶解的磷酸盐玻璃体系一般含钠，溶解使得局部离子浓度和,pH,值发生较大变动，影响周边细胞和组织的功能，并有可能影响体内的离子平衡。,下一代生物活性材料要求能在分子水平上刺激特定的细胞反应而加速组织再生，要求生物材料能为人体所吸收，其降解的速度应与组织生成的速度一致，并且在骨重建过程中始终能保持足够的强度。因此生物玻璃的研究应同组织工程和基因工程结合起来，模糊材料制备和生物学评价间的界限，充分利用生物玻璃和微晶玻璃的组分与性能可设计性，以实际应用需求指导材料的设计。,未来生物玻璃制备的重要手段是利用溶胶,-,凝胶法制备大表面积的玻璃，调控降解速度并激活成骨细胞基因，达到加速组织再生的目的。,4.4 其他生物陶瓷,4.4.1,氧化铝生物陶瓷,氧化铝（,Al,2,O,3,）也称刚玉，具有多种结晶形态，红宝石和蓝宝石分别就是自然界中含有一定量,Cr,和,Fe,元素的刚玉。作为陶瓷家族中的典型代表，氧化铝具有良好的电、热绝缘性能和高温下的化学稳定性。自,1969,年首次将氧化铝陶瓷用于医学领域以来，已经有超过,2,亿个氧化铝关节头和,30,万个氧化铝髋臼内衬用于髋关节置换手术（,THR,）。,目前的医用氧化铝陶瓷为主要含,-Al,2,O,3,的单相材料。,而且氧化铝的化学性质、力学性能和物理性能都要达到,ISO 64749,和,ASTMF 60310,的相应标准。表,4-7,列出了医用氧化铝陶瓷的主要性能。,化学组成,99.9%Al,2,O,3,（含有少量,MgO杂质）,密度,/(gcm,-3,),3.97,孔隙率,0.1%,抗弯强度,/Mpa,500,抗压强度,/Mpa,4100,杨氏模量,/Gpa,380,泊松比,0.23,热膨胀系数,/K,-1,810,-6,热导率,/(WmK,-1,),30,硬度（,HV）/Mpa,2000,表,4-7,医用氧化铝陶瓷的主要性能,制备方法,由天然矿物铝凡土,(Al,2,O,3,nH,2,O),经化学方法分离、精制、煅烧和粉碎等多道工序处理后，可制得粒径,0.31m,，纯度达,99.3,以上的氧化铝粉末。,粉末中加入粘结剂或发泡剂经成型后在,17001800C,温度下烧成，可制得多晶氧化铝致密体或多孔体。如果用纯净的氧化铝通过焰熔法经特殊的熔炉可制备出无色透明，纯洁无暇的氧化铝单晶。这种氧化铝单晶具有优良的热学、电学、光学和力学性能，因此人们也往往把氧化铝单晶称为人造宝石。,生物学性能,植入动物体内后软组织对氧化铝陶瓷的反应主要是纤维组织包膜的形成，在体内可见成纤维细胞增生。氧化铝陶瓷在动物骨组织中不是骨结合材料而是骨接触材料，植入骨组织后，在负重区与骨组织接触，但非负重区有纤维组织形成。,氧化铝陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用,，因为骨与材料之间