新型陶瓷材料AdvancedCeramics12/20/20221第九章

生物陶瓷及其復(fù)合材料12/20/20222參考書欽征騎，新型陶瓷材料手冊，江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1996鄭昌瓊，冉均國，新型無機(jī)材料，北京：科學(xué)出版社，200312/20/20223構(gòu)成材料的物質(zhì)，以離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合為主。耐壓強(qiáng)度高、硬度高、耐磨損等；化學(xué)穩(wěn)定性好，在體內(nèi)不易溶解、不易氧化、不易磨蝕；熱穩(wěn)定性好，易于滅菌消毒；與人體組織親和性好，幾乎看不到人體組織對其的排斥作用。(2)

材料制品的組成范圍較寬，可以靈活地設(shè)計(jì)組成和調(diào)制性能。如降解生物陶瓷，可根據(jù)在體內(nèi)不同部位的應(yīng)用調(diào)節(jié)降解速度，使之與骨生長速度匹配，滿足臨床要求。(3)

成型方法多，可根據(jù)需要制成各種形狀和尺寸，致密或多孔結(jié)構(gòu)等。(4)

易于著色，如陶瓷牙冠與天然牙齒外觀逼真，利于整容、美容手術(shù)。12/20/2022512/20/20226人體器官和組織往往因疾患、受傷、老化或先天畸形等損傷或缺損而喪失原有或應(yīng)有的功能，需修復(fù)、再造人體損傷器官和組織，有效地醫(yī)治人類疾病、維持人類的健康和延長人類壽命。生物相容性角度：采用患者自身的同種組織作修復(fù)材料最為理想，但這增加了患者的痛苦和感染機(jī)會，且材料源受到很大的限制。采用異體材料(如動物骨)，雖材料源不受限制，但有抗原性。研制具有修復(fù)功能的人工替換材料，十分重要9.2生物功能性和生物相容性12/20/20227生物功能性代替患病、缺損或衰老的硬組織矯治先天畸形恢復(fù)硬組織的形態(tài)和功能整容和美容12/20/202289.3惰性生物醫(yī)用陶瓷氧化鋁陶瓷氧化鋯陶瓷碳材料12/20/202210生物活性玻璃材料于二十世紀(jì)七十年代研制出來。1、

Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物醫(yī)用玻璃成分是：45％SiO2，24.5％Na2O，24.5％CaO，6％P2O5，命名為45S5。玻璃埋入骨的缺損部，一個(gè)月內(nèi)玻璃與骨之間可形成牢固的生物化學(xué)結(jié)合。9.4.1生物活性玻璃和玻璃陶瓷這類生物玻璃抗折強(qiáng)度較低，約為70~80MPa，不能用于強(qiáng)度要求高的人工骨和關(guān)節(jié)植入，可以埋人拔牙后的齒槽孔內(nèi)，防止齒槽孔萎縮，也可用于中耳的錘骨等。12/20/2022123、MgO-CaO-SiO2-P2O5系玻璃陶瓷這類玻璃陶瓷不僅含有磷灰石結(jié)晶，而且還含有子CaSiO3晶體析出，而且不含Na、K成分。代表成分：MgO4.6％、CaO44.9％、SiO234.2％、P2O516.3％、外加CaF20.5％，稱為A-W微晶玻璃陶瓷。這種材料一般是在白金坩堝中1450℃熔融，然后將熔體倒在不銹鋼板上急冷。析晶處理按60℃/h，加熱至1050℃，保溫4h。有更好的機(jī)械性能，其抗折強(qiáng)度為178MPa，抗壓強(qiáng)度為1040MPa，斷裂韌性KIC為2.0MPa·m1/2?？梢郧邢骷庸こ筛鞣N形狀，便于應(yīng)用，可用做承受很大彎曲應(yīng)力的長管骨、椎骨等的置換材料。12/20/202214磷酸鈣陶瓷:

具有不同鈣磷比的一類系列陶瓷材料，其中對磷灰石的研究最多。自然骨和牙齒是由無機(jī)材料和有機(jī)材料巧妙地結(jié)合在一起的復(fù)合材料。無機(jī)相：大部分是羥基磷灰石(HAp)結(jié)晶，還含有CO2-、Mg2+、Na+、Cl-、F-—等微量元素。有機(jī)相：大部分是纖維性蛋白骨膠原。在骨質(zhì)中，羥基磷灰石大約占60％~70％，它是一種長度為20~40nm，厚度為1.5~3nm的針狀結(jié)晶，其周圍規(guī)則地排列著骨膠原纖維。齒骨的結(jié)構(gòu)也類似于自然骨，但齒骨中羥基磷灰石的含量可高達(dá)97％。磷酸鈣生物醫(yī)用材料研究與應(yīng)用還包括磷酸三鈣、磷酸四鈣、磷酸八鈣等。9.4.2磷酸鈣生物陶瓷12/20/2022151、羥基磷灰石材料磷灰石：化學(xué)式M10(XO4)6Z2表示，其在M2+、XO43-和Z-位置上不同的離子替換可形成一系列固溶體。醫(yī)用磷灰石類陶瓷:最常見的是羥基磷灰石(HAp)，晶體結(jié)構(gòu)在(001)面的平面投影屬于P63/m空間群的六方結(jié)構(gòu)，晶胞尺寸:

a=b=0.942nm，c=0.688nm，密度:3.1~3.2g/cm3。12/20/202216羥基磷灰石的人工制備主要有如下幾種方法:

(1)水溶液反應(yīng)法(2)固相反應(yīng)法(3)水熱法12/20/202217HAp在結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)及組成上的差異：主要源于材料制備處理技術(shù)、時(shí)間、溫度以及環(huán)境條件等的不同。對化學(xué)計(jì)量配比的羥基磷灰石從室溫加熱，材料將逐漸脫水。在25~200℃之間，可逆性地失去吸附水；在200~400℃之間，晶格結(jié)合水不可逆地失去并引起晶格收縮，這種結(jié)晶水一般僅存在于從水溶液系統(tǒng)制備出的磷灰石。溫度超過850℃以后，出現(xiàn)可逆的失重，形成了氧羥基磷灰石。超過1050℃，HAp將分解成為-磷酸三鈣(-TCP)和磷酸四鈣。溫度高于1350℃，-TCP轉(zhuǎn)化為-TCP，冷卻后-TCP將被保持下來12/20/202218HAp具有吸收、聚集體液中鈣離子的作用，參與體內(nèi)鈣代謝，其作用與骨組織作用相似。HAp具有優(yōu)良的生物相容性，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用，即“骨引導(dǎo)”作用，但其不具有誘發(fā)成骨的能力，即不具有“骨誘導(dǎo)”作用。HAp和骨組織之間的結(jié)合生長，是一個(gè)較為復(fù)雜的生化過程，人工合成的HAp由于合成工藝方法、熱變化等過程不同，使材料的成分、結(jié)構(gòu)、物化性能有所不同，這對骨組織結(jié)合生長會帶來很大的影響。由于HAp的脆性和生理環(huán)境中的疲勞破壞，不能用做承載力大的骨替代材料。而主要用于如口腔種植、頜面骨缺損修復(fù)、耳小骨替換、脊椎骨等機(jī)械強(qiáng)度要求不高的替換部件。12/20/202220作為生物醫(yī)用材料，金屬材料的優(yōu)點(diǎn):是高強(qiáng)度、高韌性、易于機(jī)械加工等，其缺點(diǎn):則是生物相容性較差，耐磨蝕性能不理想，在體液中金屬離子易釋放和遷移，對人體組織和器官產(chǎn)生不良影響。生物陶瓷材料：恰好相反，其具有良好的耐蝕性，優(yōu)異的生物相容性，但其最大的缺點(diǎn)：脆性，抗機(jī)械沖擊性能差。在金屬基體或其他高承載能力的材料表面加涂各種生物陶瓷涂層或薄膜，可以兼顧各種材料的優(yōu)點(diǎn)，揚(yáng)長避短。研究和應(yīng)用的各種無機(jī)生物材料涂層。9.5涂層和復(fù)合材料9.5.1涂層材料12/20/202221

生物醫(yī)用復(fù)合材料是針對單一相材料性能上的局限性而設(shè)計(jì)制造的，由于其兼顧了各種材料間的性能，因而可以說生物醫(yī)用復(fù)合材料比單一組分材料有更大的優(yōu)越性。自然骨材料也是一種復(fù)合材料，不過其各相成分在結(jié)晶形態(tài)、有序取向、空間分布有更精細(xì)的組織結(jié)構(gòu)。生物醫(yī)用復(fù)合材料大致可歸納為三種不同類型的設(shè)計(jì)目標(biāo)：①

利用生物陶瓷第二相組分有利的組織反應(yīng)；②利用生物陶瓷材料作為第二相獲得滿意的強(qiáng)度和剛度；③為組織修復(fù)再生合成非永久性支架材料。9.5.2復(fù)合材料12/20/202223生物醫(yī)用復(fù)合材料的復(fù)合系統(tǒng)①羥基磷灰石—生物玻璃系統(tǒng)用于改善與骨組織間的結(jié)合強(qiáng)度；②羥基磷灰石—高強(qiáng)惰性生物陶瓷系統(tǒng)用于改善材料的機(jī)械性能；③磷酸三鈣—