生物陶瓷材料-HA

生物陶瓷材料之HA•生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。生物陶瓷材料的概述生物材料的发展历程当今人类社会使用的材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物,并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史,可分为几个阶段。18世纪,主要采用天然材料作为骨修复材料,如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。——人工骨研究的启蒙阶段生物材料的发展历程约19世纪前,由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展,开始用纯金、纯银、铂等贵金属。——自然发展阶段生物材料的发展历程20世纪中叶以前,由于冶金的进步,钴铬铝合金年、纯钛和钛合金年等被应用到人工骨领域,开始有目的地探索新材料,有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床,并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深人。——探索阶段生物材料的发展历程20世纪60年代初,在新技术革命浪潮推动下,材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料,其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导,随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷,包括生物玻璃,羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。自20世纪70年代起,生物陶瓷显露头角,世界各国相继开展了理论和应用研究,并且不断取得突破性进展。——迅速发展阶段生物材料学是一个崭新的领域，但生物材料本身却有着古老的历史，只是它在当代才取得了快速的发展。追溯生物材料的历史，不得不提到人工器官．人工器官的研究实际上是个古老的命题。生物材料的发展历程公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称为原始的生物材料。墨西哥的印第安人使用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年前中国、埃及的墓葬中就发现有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿。生物材料的发展历程文献记载，1588年人们就用黄金板修复颚骨。1775年，就有用金属固定体内骨折的记载。生物材料的发展历程1800年有大量有关应用金属板固定骨折的报道。1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿。1809年有人用黄金制成种植牙齿。生物材料的发展历程1851年，报道使用硫化天然橡胶制成人工牙托和颚骨。1871年，羟基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料。1926年，Bassett用X-射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。1928年，Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料。生物材料的发展历程1930年，Naray-Szabo和Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石的结构。1937年，牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲酯。二战期间，人们开始试验用聚乙烯塑料制造血管替代材料。1958年，外科医生尝试用涤纶仿造动脉血管。1963年在生物陶瓷发展史上是重要的一年，该年Smith报告发展了一种陶瓷骨替代材料。由于技术方面的限制，直到1971年才有羟基磷灰石陶瓷被成功研制并扩大到临床应用。1974年，Hench在设计玻璃成分时，曾有意识地寻求一种容易降解的玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨骼和牙齿的一部分。这研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。早在1969年，Talbert就将不同孔隙率的颗粒状Al2O3陶瓷作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境在内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。生物材料的发展历程生物材料的发展历程中国20世纪70年代初期开始研究生物陶瓷，并用于临床。1974年开展微晶玻璃用于人工关节的研究。1977年氧化铝陶瓷在临床上获得应用。1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不断出现，并应用于临床。生物陶瓷的特点•生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料，因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点：•1）由于它是在高温下烧结制成，其结构中包括键强很大的离子键或共价键，所以具有：•良好的机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳定。•在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能，不易产生疲劳现象，•和人体组织的亲和性好，因此能满足种植学要求。生物陶瓷的特点及运用•2）陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。•例：可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中，希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则，当降解速度超过骨生长速度时,就会产生“死区”，影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷，就能调整降解速度，满足临床要求。脊柱侧弯，后路矫正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二军医大学、长征医院骨科生物陶瓷的特点及运用•3）陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸•如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。人造骨关节生物陶瓷的特点及运用•4）后加工方便。通常认为陶瓷很难加工，但随陶瓷加工设备和技术的进步，现在陶瓷的切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。•5）易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。生物陶瓷材料的分类•根据种植材料与生物体组织的反应程度，可将种植类陶瓷分为两类：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料生物陶瓷材料的分类•生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小。如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、等。•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。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物应用最为广泛。1、生物惰性陶瓷材料生物惰性陶瓷•生物惰性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，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。生物惰性陶瓷缺点生物陶瓷材料的分类•生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。•生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合。•生物吸收性陶瓷的特点是：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。2、生物活性陶瓷材料生物活性陶瓷材料•羟基磷灰石（hydroxyapatite），简称HAP，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。•具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。——羟基磷灰石陶瓷材料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生物活性陶瓷材料•羟基磷灰石的主要缺点在于本身的力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用，同时也促使人们研究HA系列的各种复合材料，以期获得力学性能优良、生物活性好的生物医学复合材料。•（1）羟基磷灰石与金属相结合。•（2）羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合。•（3）羟基磷灰石与有机物相复合。——羟基磷灰石陶瓷材料羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备•HA粉体的制备•HA陶瓷的制备•HA涂层的制备•HA复合材料的制备HA粉体的制备•干式法(固相反应)•湿式法(化学沉淀法和水解法)•水热法•溶胶-凝胶法、电化学沉积法、激光熔覆法、超声波合成法和微波合成法化学沉淀法•一般采用硝酸钙或醋酸钙溶液与磷酸盐溶液等作原料,通过控制在一定的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400~600℃甚至更高的温度下煅烧,可获得符合计量比的HA。•要得到结晶完好的HA,烧结温度应达到900~1200℃。•为了得到符合化学计量比、单一相的HA,常采用稀溶液慢慢滴加•优点主要是容易获得微粒基磷灰石张德正•把主要原料Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4按Ca/P=1.67的配比,在室温及一定的pH值条件下进行反应,反应后产物经分离并干燥后,在1200℃下煅烧,细磨后得HA粉料。•这种液相反应,接触均匀和反应条件容易控制,但是反应的副产品多,所得沉淀要经过加热煮沸、洗涤、脱水、锻烧和研磨等工艺,比较费事Bernard•让熟石灰Ca(OH)2的悬浮液和H3PO4在低温下起中和反应合成HA•初始石灰颗粒的物理和化学性质对生成的HA的质量有很大影响Monma•用磷酸氢钙水解并用氯化钙熟化的方法制备HA粉末•这种方法制备HA方便可靠,且不用高温煅烧。溶胶-凝胶法•以适当的前驱体配成溶胶,再转变为凝胶,得到干胶后在高温下烧结得粉体•可得到无定形、纳米尺寸和Ca/P比接近1.67的HA粉体,这些粉体具有粒度小、粒径分布范围窄和烧结活性高•可以通过蒸发及再结晶等方法纯化原料,从而可保证产品的高化学纯度及结晶度。•缺点是化学过程复杂、需采取措施避免团聚以及液体溶剂对环境的污染邬鸿彦•把硝酸钙和磷酸三甲脂以适当的配比配成溶胶液,用氨水调pH值,放入加温炉中,干燥得凝胶,逐渐升温生成干胶,在高温下烧结得样品。张大海•采用钙乙二醇化合物和具有一定活性、由P2O5和n-丁醇反应生成的PO(OH)x(OR)3-x产物为前驱体,以Ca/P=1.67的比例混合,加人醋酸从而得稳定混合溶液,制备羟基磷灰石Liu•把三乙烷基亚磷酸盐用无水乙醇稀释,加少量的蒸馏水进行水解,随后逐滴加人计量比(Ca/P=1.67)的Ca(NO3)2的无水乙醇溶液,陈化16h后在60℃下烘干直到得白色凝胶,研磨成细粉后煅烧羟基磷灰石陶瓷的制备•羟基磷灰石早就被人工合成,但直至上世纪的70年代才制备出羚基磷灰石生物陶瓷•羟基磷灰石陶瓷可采用模压成型、等静压成型等技术成型•多孔HA陶瓷可采用气体分解法、浸渍法、水热热压法、有机物添加法和微波工艺法等制备。•主要是利用一些可分解产生气体的物质和HA粉体混合,在一定条件下,产生气体,在陶瓷中形成气孔,从而制备多孔HA陶瓷羟基磷灰石涂层的制备•医用金属(如钛)表面制作HA涂层形成复合材料是目前公认最理想的人造植骨材料之一•等离子喷涂法•电化学沉积法•激光熔覆法等离子喷涂•喷涂粉料以气体为载体被送到等离子区,经高温熔融或半熔融后喷涂到金属基体上。喷涂后的涂层要经过水蒸气处理或热处理。•等离子体喷涂方法的高温过程对于材料和界面有不良作用,易引起相变和脆裂,使涂层与基体的结合强度不高。•这种技术设备昂贵,不适于喷涂多孔金属表面。电化学沉积•以Ca(NO3)2和NH4H2PO4为基本原料配制电解液,采用恒电位模式在金属基体表面上电沉积制备HA,同时生成其它形式的磷酸钙盐沉淀,在低温碱液后处理中这些磷酸钙盐可转化为HA•在低温的条件下进行，避免了高温喷徐引起的相变和脆裂,有利于增强基底与涂层之间的结合强度•电化学过程是非直线过程,可以在形状复杂和表面多孔的基底上制备均匀的生物陶瓷涂层•所需设备简单、原料便宜易得且操作方便激光熔覆法•