生物玻璃材料

第四节生物玻璃材料4.1定义•生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅化合物。玻璃生物管•一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻璃浇注成型（板、条、块等形状），然后在适当温度进行退火处理（消除应力），即可得到玻璃。玻璃器皿玻璃管玻璃珠•1970,美Florida大学L.Hench开发45S5生物玻璃，成分：SiO2：45%，Na2O：24.5％，CaO：24.5％，P2O5：6％.•1982，日本京都大学小久保研制A-W微晶玻璃，成分：SiO2：34.2%，CaO：44.9％，P2O5：16.3％,MgO：4.6％，CaF2：0.5％.4.2生物玻璃的发展•我国生物玻璃的研究已达二十多年,现已成为材料学、生物化学以及分子生物学的交叉学科。由于生物玻璃具有人体硬或软生命组织有机联结的特点,在骨科、牙科、中耳等方面,对人体的伤害部位可进行修护治疗以至康健,其前景可观。骨修复牙修复•生物玻璃主要由si、Na、Ca以及P的氧化物组成。被发现具有生物活性的玻璃已有一系列组成,并且对这些系列玻瑞已积累了大量的模拟人体溶液实验数据.常用的模拟人体溶液有两种:（1）是Tris缓冲液;（2）是离子浓度与人体液体中含量相近的模拟人体溶液。•理论研究发现,当生物玻璃浸在类人体溶液中时,其表面将发生五步系列反应以及在表面建立起双电层和负的Zeta电势,从而诱导含碳的经磷灰石在生物玻璃表面的沉积和结晶,而经磷灰石被公认在与硬或软体组织连接中起关键作用;除溶液实验外,生物玻璃在动物移植实验中实际地发现了与硬或软组织的有机联结,基于这些研究成果,已有生物玻璃产品出现在市场上。磷灰石•生物玻璃在世界广泛的应用,给人类医疗健康带来又一突破性进展,将取决科学研究对无机材料怎样与有机体相联结的进一步了解,以及更为广泛的积累动物和人体的实验数据。4.3微晶玻璃•如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体（一般小于1nm），这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷。微晶玻璃凹埚微晶玻璃复合材料•微晶玻璃中通常含有50％～90％的微小晶体成分，而非晶态(玻璃态)含5％～50％，玻璃相把微小的晶粒连结起来。4.3.1微晶玻璃的特点4.3.2微晶玻璃的性质•微晶玻璃较普通玻璃的机械强度(抗压强度、抗冲击强度、抗弯强度、硬度、耐磨)有很大提高。全球生物玻璃•生物玻璃材料与生物陶瓷一样，按其与生物体组织相互作用情况分为两类：（1）非活性的近似惰性（2）生物活性的4.4生玻璃的分类4.4.1惰性生物玻璃•惰性生物玻璃在生物体中由于体液的用，只是表面组成出现少量的脱碱作用或因硅氧网络稍有溶解而产生变化，基体则未发生改变。4.4.2活性玻璃•活性玻璃则由于体液作用，玻璃中碱性离子和硅氧网络在浸蚀过程中逐渐破坏，离子溶解并进入体液中循环。总体上看，生物玻璃较降解性陶瓷降解速度慢，组织反应活性差一些，但活性高于惰性生物材料。•活性玻璃生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解—沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化学组成相关。生物活性玻璃与骨组织间的反应玻璃与骨组织形成界面键合区•生物玻璃大多是与磷酸盐有关的玻璃和混合材料，或是含磷的硅酸盐玻璃、高氟铝硅酸盐玻璃。它们一般含有氧磷双键(P＝O)、硅氟键(Si—F)或铝氟键(Al—F)。硅酸盐玻璃高氟铝硅酸盐玻璃•活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同时含有Na2O以及CaO／P2O5。与生物陶瓷一样，生物玻璃具有一定大小的孔径，维持一定的孔率是保持生物活性的关键因素之一。纯粹玻璃的成型有一个熔融过程，常用致孔剂难以有效形成多孔结构、特别是难以形成开口的孔隙；可以仿照陶瓷的烧结过程，将一些微晶玻璃原粉，通过磨细后加致孔剂静压成型，然后在高温下烧结得到多孔结构体。•作为骨组织替代物或填充材料，一定的力学强度是必须的。•生物玻璃的抗压强度以及其他主要物理性质(密度、热膨胀系数等)均与人体骨相近，但韧性较人体骨组织差，通过加入特殊组分可改善生物玻璃的韧性，甚至得到可切削的生物玻璃。例如：组成为MgO(15.5％)、Al2O3(12.6％)和SiO2(71.9％)的玻璃，当部分氧原子被F(11.2％)原子取代后，再掺杂5.2％氧化钠得到可切削玻璃；加入少量CaO、P2O5不会影响其机械性质而形成生物活性玻璃。4.5生物玻璃在医学中的应用：生物玻璃主要用于人工骨、人工牙或骨缺损部位的填充等，少数作为人工关节、断指连接材料。也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。治疗用生物玻璃。（1）人工骨用生物玻璃，它具有良好的耐酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；（2）治疗用生物玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；（3）治疗用生物玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；（4）人工齿冠用生物玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。