生物陶瓷

生物陶瓷无机生物材料生物陶瓷生物陶瓷属于无机生物材料，无机生物材料包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用作为齿科、骨科修复和植入材料。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/33无机材料也称无机非金属材料传统无机非金属材料是由某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物及硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐等物质组成的材料，其化学组成主要属于硅酸盐范畴。无机非金属材料种类繁多，根据材料的组成、工艺及性能特点，具体可分为陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、非金属矿物材料和复合材料等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/34无机材料传统陶瓷是以粘土、长石、石英等为主要原料，经粉碎、混合、成型与烧成等工序而获得的制品或材料。按胎体吸水率，陶瓷可分为陶器（吸水率8%）、炻器（吸水率在0.5~8%）、瓷器（吸水率0.5%）。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/35无机材料狭义的陶瓷是指所有以粘土为主要原料与其它天然矿物原料经过粉碎混炼－成形－煅烧等过程而制成的各种制品。广义的陶瓷是指用传统陶瓷生产方法制造的无机非金属固体材料和制品的通称。如氧化物陶瓷、压电陶瓷、金属陶瓷等各种高温和功能陶瓷，它们的生产过程虽然基本上还是原料处理－成形－煅烧这种传统的陶瓷生产方法，但采用的原料已不再使用或很少使用粘土等传统陶瓷原料，而已扩大到化工原料和合成矿物，甚至是非硅酸盐、非氧化物原料，组成范围也延伸到无机非金属材料的范围中。出现了许多新的工艺。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/36无机材料狭义的玻璃是一种在凝固时基本不结晶的无机熔融物，即通常所说的无机玻璃，如硅酸盐玻璃。广义的玻璃是指具有玻璃转变特征的非晶态固体。水泥是指加入适量水后可成塑性浆体，经过一段时间既能在空气中硬化又能在水中硬化，且将沙、石等材料牢固地胶结在一起的细粉状水硬性胶凝材料。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/37无机材料随着科学技术的发展，不断出现许多具有特殊性能和用途的新型无机非金属材料，包括新型陶瓷、无机涂层、无机纤维等，其化学组成、生产工艺、使用范围大大超出传统硅酸盐的范畴，如氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷等。磷酸盐陶瓷，磷酸盐玻璃，磷酸盐骨水泥，生物活性玻璃等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/38无机材料耐火材料是指耐火度不低于1580℃的无机非金属材料，它是辅助各种高温技术的结构材料。矿物材料是以天然矿物和岩石为主要原料，并以利用其物理、化学性质为基础，经一定的技术加工、改性和处理后所获得的材料或直接应用其物理、化学性质的矿物和岩石。复合材料。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/39无机材料医学应用发展史1808年，人们已将陶瓷用于镶牙。1892年，Dreesman发表了第一例临床报告，使用熟石膏作为骨的缺损填充材料。1963年，Smith报道了一种陶瓷骨替代材料，它是一种多孔铝酸盐材料。1969年，Hench成功地研究了一种生物玻璃，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域——生物活性材料。1982年，Driskell等发现b-磷酸钙多孔陶瓷植入生物体后，能被迅速吸收，并发生了骨置换，因此有人称之为可吸收陶瓷或者生物可降解陶瓷。近年来，纳米生物医用无机材料正在引起人们的重视。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/310无机生物材料分类按照无机材料的成分和性质分类生物陶瓷材料，如单晶和多晶氧化铝陶瓷、羟基磷灰石陶瓷等。生物玻璃材料，如45S5玻璃，已商品化的DICOR玻璃陶瓷和IPS/Empress玻璃陶瓷等。生物医用无机骨水泥，如硫酸钙骨水泥，a-TCP骨水泥。炭素材料无机复合生物材料，如羟基磷灰石与b-TCP形成的复合材料、碳纤维增强无机骨水泥。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/311分类按照无机生物材料的来源分类天然生物矿物，如钙化的贝壳及珍珠等。合成的生物医用无机材料，目前研究的大部分材料属于这一类，如b-TCP人工骨等。生物衍生材料，是经处理的天然生物矿物，无机类的生物衍生材料较少，如珊瑚，异种骨。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/312分类按照临床用途分类骨科、牙科使用的无机材料，如磷酸钙陶瓷、生物玻璃及A-W玻璃陶瓷等。肌肉-骨骼系统用的无机材料，如热解碳纤维等。药物释放载体材料，如b-TCP陶瓷、磁性微珠等。软组织用无机材料，如用作跟腱的碳纤维等。心脏、血管使用的无机材料，如血管用碳质材料。临床诊断及生物传感器无机材料，如陶瓷温度传感器材料、羟基磷灰石经皮装置等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/313分类按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类生物惰性无机材料，包括氧化铝陶瓷、热解碳、氧化锆陶瓷、氧化硅陶瓷、生物惰性玻璃等。生物活性无机材料，包括羟基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。生物可降解无机材料，包括可溶性铝酸钙陶瓷、b-TCP陶瓷等。生物医用无机纳米材料，如纳米Fe2O3、羟基磷灰石超微粉等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/314在医用无机材料中，相对于生物玻璃、骨水泥等材料，生物陶瓷的研究和应用都占了很大的比重，因此，在生物材料类文献中，基本上以生物陶瓷概括表述。本课程分将分为生物惰性陶瓷、生物玻璃、生物降解与活性陶瓷、骨水泥四个部分。一、生物惰性陶瓷生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/316一、生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷(Bioinert)主要是指化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度，耐磨性以及化学稳定性。在体内能耐氧化、耐腐蚀，不降解，不变性，也不参与体内代谢过程，它们与骨组织不能产生化学结合，而是被纤维结缔组织膜所包围，形成纤维－骨性结合界面。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/317生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。使用最广泛的惰性生物陶瓷是氧化铝陶瓷。致密、高度抛光的氧化铝陶瓷在生理环境中具有高的抗压强度、低的摩擦系数和磨损率，并能长期保持稳定。生物惰性陶瓷具有比较高的机械强度和耐磨损性能，主要用于人工关节结合部的球和臼，也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/318生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/3191、氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷是指主晶相为刚玉(a-A12O3)的陶瓷材料。a-A12O3结构稳定，使A12O3陶瓷具有机械强度高、耐高温、耐化学侵蚀、生物相容性好等特点。氧化铝陶瓷包括的范围比较广，其中A12O3含量在45%以上均属氧化铝陶瓷。主晶相为刚玉(a-A12O3)，此外还会有莫来石晶相及硅酸盐玻璃相等。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/320氧化铝陶瓷随着氧化铝含量的增加，其主晶相a-A12O3增多，瓷体的物理化学性能也逐渐提高，习惯上常按A12O3的不同质量百分含量称其为75瓷、95瓷、99瓷、99.97瓷。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/321氧化铝陶瓷的物理性能氧化铝陶瓷的硬度较高，其机械性能取决于纯度、晶粒大小及工艺制度。氧化铝陶瓷表面抛光度可达0.07~0.15mm[CLA(CentralLineAverage)]，陶瓷间的摩擦系数为0.10，光滑持久。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/322氧化铝陶瓷的医学应用氧化铝陶瓷用作生物材料是从20世纪70年代初期开始的，1971-1972年美国学者Hulbert开始用氧化铝陶瓷做动物实验，1972年Boutin博士在法国临床应用氧化铝陶瓷人工关节。以后德国、瑞土、荷兰、中国都在广泛使用A12O3陶瓷制作的人工牙根、人工关节和人工骨。由于氧化铝陶瓷具有优良的抗腐蚀性能、良好的生物相容性、高的强度和耐磨损性能，常将其应用于承重、承力的髋关节、膝关节置换体、牙科种植体等。一些牙科种植体采用氧化铝单晶，大多数部件采用氧化铝多晶烧结体生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/323A12O3陶瓷人工髋关节生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/324生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/325氧化铝陶瓷的制造氧化铝陶瓷的制造多晶氧化铝陶瓷的制备主要原料：天然刚玉铝矾土少量氧化镁粘土生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/326氧化铝陶瓷的制造天然刚玉、铝矾土-氧化铝a-氧化铝1300C煅烧粘土、少量氧化镁混合、成型1600C－1700C烧结多晶氧化铝陶瓷生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/327氧化铝陶瓷的不足氧化铝陶瓷应用中存在的不足：1、与骨不发生化学结合，时间一长，与骨的固定会发生松驰；2、机械强度不十分高；3、杨氏模量过高（380GPa）；4、摩擦系数、磨耗速度不低；生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/328A、关于固定K1awitter主张人工关节的材料使用多孔铝质瓷，借骨组织长入孔内获得固定，以代替锤击嵌入、织丝钉或骨胶等传统的固定方法。Bowman把多孔小瓷球(气孔率46.2%，平均孔径478mm)埋入犬骨中，组织切片证实，6周后骨长入孔内1100mm，12周后骨长入孔内1800mm。K1awitter将多孔铝质瓷(平均孔径350mm)埋入犬股骨中，8周后测定抗剪切强度，铝质瓷-皮质骨交界面为3.12MPa，铝质瓷-松质骨界面为4.67MPa。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/329关于固定K1awitter综合各家研究结果得出结论：孔径大于100mm时“矿物化”骨的长入受限制；孔径大于250mm时才能有“骨元”长入，多孔性以气孔率30%-50%为宜，交界面的抗剪切强度在植入后8周时已达最大。虽然多孔铝质瓷通过骨长入而获得固定，但是铝质瓷的力学性能却因多孔性而大大降低。无孔铝质瓷的抗压强度比50%多孔性的铝质瓷约高27倍，抗弯强度高8-10倍。因此临床很少应用多孔铝质瓷。Osteoceram在金属上喷涂一层氧化铝陶瓷，形成多孔状，经动物试验证明4周后植入物在骨中固定牢固。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/330关于固定采用骨水泥进行固定。有机骨水泥。PMMA。无机骨水泥。磷酸盐骨水泥。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/331B、关于磨损氧化铝陶瓷用于人工关节时，与对磨部分之间的相对运动产生磨损。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/332关于磨损近期的研究集中在人工关节磨擦损耗性能方面。由聚乙烯的磨擦残骸引起的骨质溶解是现代整体关节成型术中最大的问题。法国和德国自1970年以来，A12O3全髋关节成型术已在临床上应用。1977年Selmlitshe等发现A12O3关节头与A12O3或聚乙烯关节套之间的摩擦损耗比Co-Cr合金关节头与聚乙烯关节套间的要小，而且，与A12O3摩擦所产生的聚乙烯残留物比金属的低。生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/333关于磨损大量临床研究表明，A12O3陶瓷股骨头与A12O3关节套之间的摩擦残留物减少10%。Sedel等报道A12O3全能关节从未发现骨质溶解，用聚乙烯则发生过。陶瓷关节头的断裂在1970年和1980年曾有报道，但由于陶瓷关节头加工和设计的改进，这种情况已很少发生。A12O3全膝关节已设计并用于临床。材料设计，结构设计，部件匹配降低磨损生物材料工程导论材料科学与工程学院东南大学2020/5/334关于磨损A12O3