医用无机材料ppt课件.ppt
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1、第三章第三章 医用无机材料医用无机材料n18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。n包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类,主要用于齿科、骨科修复和植入材料。n基本都是脆性材料,容易破裂,发展方向应向开发复合(多相)生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层(薄膜)材料的方面引导。第一节 概述第一节 概述n一 生物医用无机材料的基本条件:1.良好的生物相容性 2.杂质元素及溶出物含量低 3.有效性 4.成型加工性能 5.良好的耐消毒灭菌性二 生物医用无机材料分类n按照无机材料的成分和性质分类 1.生物陶瓷材料 2.生物玻璃材料 3.生物玻璃陶瓷 4.生物医用无机骨水泥
2、 5.生物复合无机材料生物陶瓷主要是用于人体硬组织修 复和重建的生物医学陶瓷材料。生物陶瓷的类型和特点生物陶瓷的类型和特点惰性生物陶瓷材料惰性生物陶瓷材料可吸收生物材料可吸收生物材料生物活性陶瓷生物活性陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷第二节第二节 生物陶瓷生物陶瓷n一 生物陶瓷的发展概况及结构特点 生物陶瓷材料是指与人体工程有关的可用于人体组织修复的一类陶瓷材料 具有以下特点:在人体内理化性能稳定,具有良好的生物相容性;材料的性能可通过成分设计进行控制;容易成形,可按需要制成各种形状和尺寸;容易着色,是较理想的口腔材料。n经过近20 年的研究和发展,医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶
3、段:生物隋性材料、生物活性及可吸收材料 可再生组织的生物活性材料。结构图1 陶瓷显微结构示意图由许多不规则晶粒所组成,中间有晶界隔开由许多不规则晶粒所组成,中间有晶界隔开图2、PTC-BaTiO3 半导体陶瓷n鸡蛋壳就是活的生物陶瓷。蛋壳是由活细胞所构成,其中就有类似陶瓷的晶粒及晶界结构 n黑色或灰色为无机晶粒(长约1.0 m,宽0.3 m),属方解石晶体(CaCO3),有时为磷酸钙,它们构成骨架,在晶粒之间为晶界,是有机生命物质。图3 鸡蛋壳中的晶粒及晶界二二 生物陶瓷材料的分类生物陶瓷材料的分类n按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1 所示:结构稳定,具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。可
4、与生物体组织形成化学键结合 可被逐步降解和吸收,并随之为新生组织替代 n有各种不同的化学成分,根据其在生理环境中的有各种不同的化学成分,根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类:化学活性和性质可分为四类:q近似于惰性近似于惰性:三氧化二铝、氧化锆:三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶等氧化物生物陶瓷,瓷,Si3N4、钛酸钡、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及等非氧化物生物陶瓷以及医用碳医用碳素等素等,这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。,这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。q表面活性表面活性:羟基磷灰石羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性生物活性陶瓷和生物活性玻玻璃陶瓷,璃陶瓷,在生理环境中可通
5、过其表面发生的生物化在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合,起到了适合新生学反应与组织形成化学键性结合,起到了适合新生骨沉积的生理支架作用,也就是所谓的骨沉积的生理支架作用,也就是所谓的“骨引导骨引导”和和“骨传导骨传导”作用作用。q可吸收性可吸收性:如:如石膏、磷酸三钙陶瓷,石膏、磷酸三钙陶瓷,在生理环在生理环境中可逐渐被降解吸收,诱导骨质生长,并随境中可逐渐被降解吸收,诱导骨质生长,并随之被新组织所替代,从而达到修复或替换病损之被新组织所替代,从而达到修复或替换病损组织的目的组织的目的。q复合型复合型:生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材:生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无
6、机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。n在在临临床床上上生生物物陶陶瓷瓷主主要要用用于于肌肌肉肉一一骨骨骼骼系系统统的的修修复复和和替替换换,也也可可用用于于心心血血管管系系统统的的修修复复、制制作作药药物物释释放放和和传传递递的的载载体体。复复合合型型的的生生物物陶瓷陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。还可以用于制造人工腱和韧带等。生物陶瓷血管生物陶瓷血管生物陶瓷骨体生物陶瓷骨体三三 典型的生物陶瓷材料典型的生物陶瓷材料(一)惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷是一类暴露于生物
7、环境中,与组织几乎不发生化学变化的材料,所引起的组织反应主要表现为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜。主要用于人体骨骼、关节及齿根的修复和替换,以及心脏瓣膜等 1.1.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 n生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成,主要晶相为刚玉(-Al2O3)的陶瓷材料,有稳定的刚玉型结构,属于六方晶系,氧原子形成六方最紧密堆积,六个氧离子(离子半径为0.132nm)围成一个八面体,半径较小的铝离子(离子半径为0.057nm)则处于八面体中心的空隙,单位晶胞是面心的菱面体1.2.1.2.氧化铝陶瓷的性能氧化铝陶瓷的性能 A 化学组成和物理性能高纯氧化铝陶瓷ISO6474标准 氧化铝质量分数
8、/%99.9 99.5杂志质量分数/%0.01 0.1氧化镁/%3.98 3.9平均晶粒尺寸/m26 2000抗压强度/MPa44004000抗弯强度/MPa450400弹性模量/GPa420380B B 医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求基本性能重要性原因高的抗腐蚀性保证生物惰性优异的刚性及良好的表面抛光性能保证高耐磨性高杨氏模量和高抗压强度保证坚硬不变形高的机械强度保证良好的疲劳性能,以及安全性和可靠性高纯度保证长期稳定性n致密的氧化铝生物陶瓷与机体之间会形成一种形态性结合,即依靠组织长入材料表面的凹凸不平而实现机械锁合。n多孔的氧化铝陶瓷,新生组织可长入
9、空隙内,会提高生物陶瓷与机体组织之间的结合强度。n用于关节修复、牙根种植、制作骨折夹板与内固定器件,最适用于人工关节头和臼等承受摩擦力作用的部位。优点:生物相容性良好,在人体内稳定性高,机械强度较大。缺点:与骨不发生化学结合,长时间后与骨的固定 会发生松弛;机械强度不高;杨氏模量过高(380GPa);摩擦系数、磨耗速度较大。n措施:采用多孔氧化铝 把氧化铝陶瓷制成多孔质形态,使骨组织 长入其孔隙而使植入体固定,保证植入物 与骨头的良好结合。改善:改善:将金属与氧化铝复合将金属与氧化铝复合 在金属表面形成多孔性氧化铝薄层在金属表面形成多孔性氧化铝薄层缺点:降低陶瓷的机械强度,多孔氧化铝陶瓷的强
10、度随空隙率的增加而急剧降低。只能用于不 负重或负重轻的部位。Al2O3-金属组合全髋关节 n指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料n具有极好的抗血栓性,作为生物医学材料使用具有极好的抗血栓性,作为生物医学材料使用的主要有三种:的主要有三种:玻璃碳、低温各向同性碳和超玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。低温各向同性碳。n这三种碳在生理环境中化学性质稳定,也不发这三种碳在生理环境中化学性质稳定,也不发生疲劳破坏,是生物相容性非常好的一类生疲劳破坏,是生物相容性非常好的一类惰性惰性材料材料。2 2 医用碳材料医用碳材料优点:质轻且具有良好的润滑性和抗疲
11、劳特性;弹性模量和致密度与人骨大致相同;生物相容性好,特别是抗凝血性佳,与血细胞中的元素相容性极好,不影响血浆中的蛋白质和酶 的活性。在人体内不发生反应和溶解,生物亲和性良好,耐蚀,对人体组织的力学刺激小。n主要用于制造主要用于制造心血管修复心血管修复体的重要材料、人体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等,还可工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等,还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化
12、等性能,使碳素材料几乎是目期使用不劣化等性能,使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。组织工程人耳组织工程人耳2.1 2.1 热解碳热解碳n热解碳优良的力学特性和生物相容性是由于其有独特的结构,而含一定量硅的各向同性热解碳被证明耐久性更好,生物稳定性更好。层间堆叠是折皱无序或扭曲变形的,这种扭曲结构使得热解碳具有很好的耐久性。n制备:将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中,以惰性气体为载气(N2)在1000-2400热解、沉积而得。n沉积层的厚度一般为1mm。全热解碳双叶瓣人工心脏瓣膜弹性模量为20GPa,抗弯强度高达275-620MPa,韧性好,韧性比
13、氧化铝陶瓷高25倍。2.22.2低温气相沉积碳低温气相沉积碳(ULTI(ULTI碳碳):用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源制取的各向同性的碳薄膜,其膜厚一般在1m左右。特点:高密度和高强度,但仅作为薄的涂层材料使用。UTLI涂层与金属的结合强度高,涂层的耐磨性良好,成为制造人工机械心脏瓣膜的理想材料。2.3 碳纤维nGB8718-88对碳纤维的定义:含碳量不低于93%的纤维状材料。n属于有机物转化而成的过渡态碳的一种n结构:以乱层石墨结构形式存在n具有碳素材料的特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性(二)生物活性陶瓷(二)生物活性陶瓷 HAPHAPn生物活性陶
14、瓷在生物体内与周围组织甚至软骨组织形成较强的化学键,用于骨组织修复。羟基磷灰石(hydroxyapatite 简称HAP)分子式是Ca10(PO4)6(OH)2,体积质量为3.16g/cm3,性脆,折射率为1.641.65,微溶于水,水溶液呈弱碱性(pH79),易溶于酸,难溶于碱,HAP是强离子交换剂 nHAP是人体内骨和齿的重要组成部分,如人骨成分中HA的质量分数约65%,人的牙齿釉质中HA的质量分数则在95%以上,具有优秀的生物相容性。nHAP生物陶瓷脆性大,在生理环境中抗疲劳性能差,不用于人体承力部位的修复。多孔多孔HAPHAP陶瓷陶瓷 n人体的骨组织就是一种多孔的组织,以适应一定范围内
15、应力的变化,多孔羟基磷灰石的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法。n多孔生物陶瓷种植体而言,决定骨长入方式和数量的因素 有:孔径、孔率及孔的内部连通性n孔隙的大小应当满足骨单位和骨细胞生长所需的空间,孔尺寸大于200m,是骨传导的基本要求;200400m最有利于新骨生长。n当孔隙率超过30%后,孔隙可以相互连通,新骨组织可以从人工骨表面长入内部贯通性孔隙,n孔隙率越高,越有利于新骨的长入,为满足临床应用对力学性能的要求,一般种植体孔隙率在45%55%之间 HAPHAP陶瓷与骨键合的机制:陶瓷与骨键合的机制:nHAP陶瓷植入骨内后由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质,产生一个宽为35m的无定形电
16、子无定形电子密度带密度带,胶原纤维束长入此区域和细胞之间,骨盐结晶在这个无定形带中发生。n随着矿化的进行,无定形带缩小至0.050.2m,HAP植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键合带实现的。HAPHAP与骨形成键合的表现为:与骨形成键合的表现为:n在光学显微镜下,新骨和HAP植入体在界面上直接接触,其间无纤维组织存在;nHAP植入体-骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度(三)可吸收生物陶瓷(三)可吸收生物陶瓷n可吸收生物陶瓷在生物体内,被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外,最终使缺损的部位完全被新生的骨组织取代。n主要以-磷酸三钙(-TCP)及硫酸钙生物陶瓷为代表。-磷酸三钙(
17、磷酸三钙(-TCP-TCP)n在生理环境下致密的-TCP可保持稳定,而多孔型-TCP则发生生物降解和吸收,并被新骨逐步取代。n-TCP具有较好的生物相容性,植入体内后血液中钙磷比保持正常,无明显毒性反应和副作用。n控制-TCP的微观结构及组成可制备出不同降解速率的材料,如:随表面积增大,材料结晶度降低,晶体结晶完整性下降,晶粒减小,以及被CO32-,F-,Mg2+等离子取代而使降解加快等。n可吸收生物陶瓷的降解和吸收除受上述因素影响外还受宿主的个体差异、植入部位等影响。n要实现可吸收生物陶瓷的降解吸收与新骨替换同步进行是相当困难的,常出现溶解速度与新骨生长速度不匹配,导致局部塌陷。可吸收生物陶
18、瓷植入体内后的降解过程:可吸收生物陶瓷植入体内后的降解过程:n材料先被体液溶解和组织吸收,解体成小颗粒,然后这些小颗粒不断被吞噬细胞所吞噬。n具体机制:生物化学溶解 是一种体液介导过程。溶解速率决定于多种因素,包括周围体液成分和PH、材料的比表面积、材料的相组成和结构、材料的结晶度和杂质的种类及含量以及材料的溶度积等。物理解体 是体液浸入陶瓷,导致由于烧结不完全而残留的微孔,使连接晶粒的“细颈”溶解,从而解体为微粒的过程。生物因素 主要是细胞介导过程,如吞噬或迁移被解体的陶瓷微粒。(四)双相生物陶瓷材料(四)双相生物陶瓷材料n羟基磷灰石陶瓷材料有着优良的生物相容性,能较快地引导骨再生,不通过中
19、间介质直接与骨键合,然而由于烧结后的羟基磷灰石晶体结晶度提高,所以在体内很难降解。n-TCP比HAP有着更好的溶解性和降解性,但研究表明,-TCP降解速度太快,不能形成良好的骨键合,且过快的降解速度不利于体内生物组织在材料上的附着,不利于诱导成骨。混合不同比例的混合不同比例的HAPHAP和和-TCP-TCP可得到双相生物陶瓷材料,通可得到双相生物陶瓷材料,通过调节单相过调节单相HAPHAP和和-TCP-TCP陶瓷的比例,有望实现材料在体内陶瓷的比例,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的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题四四 生物陶瓷材料的应用生物陶瓷材料的应用n1.作为硬组
20、织修复、替代、填充材料。n2.用于耳鼻喉科的生物陶瓷材料n3.用于治疗癌症的生物陶瓷材料HAP涂层钛基牙种植体是一种安全、方便的听小骨缺损替代品,适用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形的患者作听小骨置换手术。HAP生物陶瓷听小骨置换假体五五 生物陶瓷材料的发展方向生物陶瓷材料的发展方向n1.大孔可吸收生物陶瓷n2.生物活性复合陶瓷n3.金属表面梯度活性陶瓷涂层n4.骨组织工程第三节第三节 生物玻璃生物玻璃n玻璃陶瓷(微晶玻璃)是指原始玻璃在成核剂作用下,经过特殊的晶化热处理,物相结构从非晶态转变为晶相与玻璃相均匀分布的微晶聚集体.n晶化后,材料性能中最重要的变化是机
21、械强度的提高,这主要是依赖于玻璃陶瓷显微结构的改变而实现的。n与普通玻璃的主要区别是具有结晶的结构而与陶瓷的主要区别是它的结晶结构要比陶瓷细得多。n玻璃相与结晶相共存。1、生物玻璃n是是经经特特别别设设计计的的化化学学组组成成可可诱诱发发生生物物活活性性的的含含氧氧化化硅硅化化合合物物。一一般般把把原原料料粉粉末末按按成成分分要要求求配配比比混混合合均均匀匀,将将粉粉末末在在高高温温炉炉内内熔熔化化,再再将将融融化化好好的的玻玻璃璃浇浇注注成成型型(板板、条条、块块等等形形状状),然然后后在在适适当当温温度度进进行行退退火火处处理理(消消除除应应力力),即可得到玻璃。即可得到玻璃。n如如将将某
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