生物陶瓷的合成与制备

生物陶瓷的合成与制备摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。本文从生物陶瓷的发展过程、生物陶瓷的优良性能、生物陶瓷的分类、应用举例和目前存在的问题等多方面，简单的介绍生物陶瓷材料。关键词：生物陶瓷性能分类应用前景展望1.生物陶瓷材料的特性及介绍1.1生物陶瓷材料的概念1.1.1生物材料生物材料学是生命科学与材料科学的交叉学科，在医学和工程学中得到广泛应用。研究的主要目的是在分析天然生物材料的组装，生物功能及形成机理的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能材料.按照研究对象和使用目的的不同，生物材料可分为：（1）天然生物材料：生物生命过程中形成的材料，如麻，棉，蚕丝和贝壳等（2）生物医用材料：植入活体内能起某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料（3）仿生和组织工程材料：模仿生物功能的人工合成的材料1.1.2生物陶瓷在各种生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷。陶瓷作为人体材料应用早在古代就已开始，陶瓷不生绣、不燃烧，而且抗腐蚀性和强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。象目前经常在外科手术中使用的维塔利姆的钴铬钼合金材料，虽然长期植入体内很少产生特异变化，但并不能认为它是完全稳定的，有时也会引起身体异物反映和合金腐蚀现象，尤其是酵母系的酶很容易使人体产生预料不到的剧烈变化。而陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且可以制成具有优良生物活性的材料。所谓生物惰性材料，就是在人体内基本不会发生变化的材料，也不会同人体组织发生相互作用。所谓生物活性材料，就是在人体内会发生分解、吸收、反应、析出等变化的材料。varcpro_psid=u2572954;varcpro_pswidth=966;varcpro_psheight=120;这种材料能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起。生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。植入陶瓷植入生物体内，用以恢复和增强生物体机能。由于植入陶瓷直接与生物体接触，故要求其与生物体的亲和性好，不产生有毒的侵蚀、分解产物；不使生物细胞发生变异、坏死，以及引起炎症和生长肉芽等；在体内长期使用功能好，对生物体无致癌作用，本生物陶瓷的合成与制备专业：13材料化学1班姓名：金文倩学号：201310230138摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。本文从生物陶瓷的发展过程、生物陶瓷的优良性能、生物陶瓷的分类、应用举例和目前存在的问题等多方面，简单的介绍生物陶瓷材料。关键词：生物陶瓷性能分类应用前景展望1.生物陶瓷材料的特性及介绍1.1生物陶瓷材料的概念1.1.1生物材料生物材料学是生命科学与材料科学的交叉学科，在医学和工程学中得到广泛应用。研究的主要目的是在分析天然生物材料的组装，生物功能及形成机理的基础上，发展新型医用材料及仿生高性能材料.按照研究对象和使用目的的不同，生物材料可分为：（1）天然生物材料：生物生命过程中形成的材料，如麻，棉，蚕丝和贝壳等（2）生物医用材料：植入活体内能起某种生物学功能的材料，如制作各种人工器官的材料（3）仿生和组织工程材料：模仿生物功能的人工合成的材料1.1.2生物陶瓷在各种生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷。陶瓷作为人体材料应用早在古代就已开始，陶瓷不生绣、不燃烧，而且抗腐蚀性和强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。象目前经常在外科手术中使用的维塔利姆的钴铬钼合金材料，虽然长期植入体内很少产生特异变化，但并不能认为它是完全稳定的，有时也会引起身体异物反映和合金腐蚀现象，尤其是酵母系的酶很容易使人体产生预料不到的剧烈变化。而陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且可以制成具有优良生物活性的材料。所谓生物惰性材料，就是在人体内基本不会发生变化的材料，也不会同人体组织发生相互作用。所谓生物活性材料，就是在人体内会发生分解、吸收、反应、析出等变化的材料。这种材料能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起。生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。植入陶瓷植入生物体内，用以恢复和增强生物体机能。由于植入陶瓷直接与生物体接触，故要求其与生物体的亲和性好，不产生有毒的侵蚀、分解产物；不使生物细胞发生变异、坏死，以及引起炎症和生长肉芽等；在体内长期使用功能好，对生物体无致癌作用，本身不发生变质；易于灭菌。常用的植入陶瓷有氧化铝陶瓷和单晶氧化铝、磷酸钙系陶瓷、微晶玻璃、氧化锆烧结体等，它们在临床上用作人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管穿皮接头等。生物工艺学陶瓷用于分离细菌和病毒，用作固定化酶载体，以及作为生物化学反应的催化剂，使用时不直接与生物体接触。常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。前者不易被细菌侵入，环境溶液中溶媒的种类、pH值和温度不易引起孔径变化，材质坚硬、强度高，多用作固定化酶载体。后者耐碱性能好，价格低，主要用作固定化酶载体，使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。此外，控制多孔陶瓷的孔径，可用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。1.2生物陶瓷的发展历程对于生物陶瓷的应用，人们是经过了长期的摸索与研究。在18世纪前，人们就开始用柳枝、木、麻、象牙等天然材料作为骨修复材料，而生物陶瓷材料作为生物医学材料则是始于18世纪初，1788年法国人Nicholas成功地完成了瓷全口及瓷牙修复，并在1792年获得专利。1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿，而后在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．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。1963年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，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年才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用的报道。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。这种将无机材料与生物医学相联系的开创性研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。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。中国上海硅酸盐研究所、华南理工大学、北京市口腔医学研究所等单位对生物陶瓷都进行了深入的研究。目前，生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大，可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管，经皮引线可应用于体内医学监测，以及膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。生物陶瓷不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作生物硬组织的代用材料，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。1.3生物陶瓷的分类1.3.1生物陶瓷根据其用途分类广义的生物陶瓷可以分为以下两大类：（1）植入陶瓷：又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。目前已经实用的品种有：①氧化铝陶瓷和单晶氧化铝：氧化铝陶瓷由氧化铝粉料烧结制成，单晶氧化铝可用引上法或火焰熔融法制取。氧化铝陶瓷表面为亲水性，与生物体组织有良好的生物亲合性。目前，在临床实用中除做人造骨、人造关节外，还可制接骨用螺钉。②磷酸钙系陶瓷：又称磷灰石质陶瓷，如羟基磷灰石【Ca10(PO4)6·(OH)2】与其他陶瓷相比，磷酸钙陶瓷更类似于人骨和天然牙的性质和结构。在生物体内，羟基磷灰石的溶解是无害的，并且依靠从体液中补充Ca2+和PO婯离子等形成新骨，可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应，实现牢固结合。因此，各国都在积极研制，对其在生物体方面的应用寄予很大希望。羟基磷灰石可用氯化钙和磷酸通过水溶液湿法反应、水蒸气中高温固相反应或者高温高压水蒸气下反应等方法合成。目前，已制成气孔率分别为50％和90％的多孔体，气孔率在0.1％以下的致密烧结体以及供固化用的粉料。用于人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管和人造气管等。③其他陶瓷：生物稳定的碳具有很好的生物体亲和性，在较低温度炭化的碳水化合物制成的热解炭作为人造心脏瓣膜已有数十万实用病例。另外，CaO-P2O5-SiO2-Na2O系玻璃，以及微晶玻璃等也正在研制作为人造骨及人造牙。为了改进陶瓷的脆性，ZrO2烧结体及复合材料也正在研制作为人造骨等。（2）生物工艺学陶瓷：在生物工艺学和生物化学领域中，主要应用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。①多孔玻璃：利用玻璃分相现象制作的玻璃，采用适宜组成。②多孔陶瓷载体：多孔陶瓷有Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2和TiO2-Al2O3的，它们的耐碱性能都很好，价格也比多孔玻璃低。主要用作固定化酶的载体，使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。例如在食品工业中，分解蔗糖以制取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的转化酶，就适于以多孔陶瓷为载体。控制多孔陶瓷的细孔径，可以应用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。利用细孔还可以处理生活用水。1.4生物陶瓷具备的性能1.4.1与生物组织有良好的相容性这是指将生物陶瓷材料代替硬组织（牙齿、骨）植入人体内后，与机体组织（软组织、硬组织以及血液、组织液）接触时，具有良好的亲和性能。在体内正常代谢作用下，不致产生变质或变性。在机体正常发育和增生吸收过程中，材料能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。材料与机体软组织都具有良好的结合性。此外，还要求材料对周围组织无毒性、无刺激性、无致敏性、无免疫排斥性以及无致癌性。1.4.2有适当的生物力学和生物学性能材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。以口腔和领面种植学为例，要求植入的生物陶瓷应具有承受口腔内的静力和动力作用的足够强度，能发挥正常的咀嚼功能。特别是口腔硬组织的弹性模量必须相近似，以避免在功能作用下产生应力集中而造成对口腔硬组织的损伤和破坏，或造成新生骨的再吸收。1.4.3具有良好的加工性和临床操作性生物陶瓷植入的目的，是通过人工材料替代和恢复各种原因造成的天然牙和骨缺损缺失的生理外形，重建已丧失的生理功能。因此为修复这类复杂的牙、骨缺损，就要求种植的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床治疗过程中，操作简便，易于掌握。1.4.4具有耐消灭菌性能生物陶瓷材料是长期植入体内的材料，植入前须进行严格的消毒灭菌处理因此无论是高压煮沸、液体浸泡、气体（环氧乙烷）或γ射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。2.生物惰性陶瓷2.1单晶、多晶和多孔氧化铝2.1.1单晶、多晶和多孔氧化铝单晶氧化铝轴方向具有相当高的抗弯强度，耐磨性能好，耐热性好，可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈，也不会溶解出有害离子，与金属螺栓不同，勿需