第三章-医用无机材料

第三章医用无机材料18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。第一节概述第一节概述一生物医用无机材料的基本条件：1.良好的生物相容性2.杂质元素及溶出物含量低3.有效性4.成型加工性能5.良好的耐消毒灭菌性二生物医用无机材料分类按照无机材料的成分和性质分类1.生物陶瓷材料2.生物玻璃材料3.生物玻璃陶瓷4.生物医用无机骨水泥5.生物复合无机材料生物陶瓷——主要是用于人体硬组织修复和重建的生物医学陶瓷材料。生物陶瓷的类型和特点惰性生物陶瓷材料可吸收生物材料生物活性陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷第二节生物陶瓷一生物陶瓷的发展概况及结构特点生物陶瓷材料是指与人体工程有关的可用于人体组织修复的一类陶瓷材料具有以下特点：①在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性；②材料的性能可通过成分设计进行控制；③容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸；④容易着色，是较理想的口腔材料。经过近20年的研究和发展，医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶段：生物隋性材料、生物活性及可吸收材料可再生组织的生物活性材料。结构图1陶瓷显微结构示意图由许多不规则晶粒所组成，中间有晶界隔开图2、PTC-BaTiO3半导体陶瓷鸡蛋壳就是活的生物陶瓷。蛋壳是由活细胞所构成，其中就有类似陶瓷的晶粒及晶界结构黑色或灰色为无机晶粒(长约1.0μm，宽0.3μm)，属方解石晶体(CaCO3)，有时为磷酸钙，它们构成骨架，在晶粒之间为晶界，是有机生命物质。图3鸡蛋壳中的晶粒及晶界二生物陶瓷材料的分类按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1所示：生物陶瓷活性生物陶瓷：可被吸收的生物降解陶瓷：结构稳定,具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。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、碳、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合。如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。在生物体内可被逐渐降解，被骨组织吸收，并随之为新生组织替代,是一种骨的重建材料。如：磷酸三钙等。惰性生物陶瓷：有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的化学活性和性质可分为四类：近似于惰性：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。可吸收性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的。复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。生物陶瓷血管生物陶瓷骨体三典型的生物陶瓷材料（一）惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷是一类暴露于生物环境中，与组织几乎不发生化学变化的材料，所引起的组织反应主要表现为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜。主要用于人体骨骼、关节及齿根的修复和替换，以及心脏瓣膜等1.氧化铝陶瓷生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成，主要晶相为刚玉（α-Al2O3）的陶瓷材料，有稳定的刚玉型结构，属于六方晶系，氧原子形成六方最紧密堆积，六个氧离子（离子半径为0.132nm）围成一个八面体，半径较小的铝离子（离子半径为0.057nm）则处于八面体中心的空隙，单位晶胞是面心的菱面体1.2.氧化铝陶瓷的性能A化学组成和物理性能高纯氧化铝陶瓷ISO6474标准氧化铝质量分数/%99.999.5杂志质量分数/%0.01≦0.1氧化镁/%0.1≦0.3密度（g.cm-3）3.983.9平均晶粒尺寸/μm2～67硬度HV23002000抗压强度/MPa44004000抗弯强度/MPa450400弹性模量/GPa420380B医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求基本性能重要性原因高的抗腐蚀性保证生物惰性优异的刚性及良好的表面抛光性能保证高耐磨性高杨氏模量和高抗压强度保证坚硬不变形高的机械强度保证良好的疲劳性能，以及安全性和可靠性高纯度保证长期稳定性优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大。缺点：①与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定会发生松弛；②机械强度不高；③杨氏模量过高(380GPa)；④摩擦系数、磨耗速度较大。措施：采用多孔氧化铝把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合。改善：将金属与氧化铝复合在金属表面形成多孔性氧化铝薄层缺点：降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空隙率的增加而急剧降低。只能用于不负重或负重轻的部位。致密的氧化铝生物陶瓷与机体之间会形成一种形态性结合，即依靠组织长入材料表面的凹凸不平而实现机械锁合。多孔的氧化铝陶瓷，新生组织可长入空隙内，会提高生物陶瓷与机体组织之间的结合强度。用于关节修复、牙根种植、制作骨折夹板与内固定器件，最适用于人工关节头和臼等承受摩擦力作用的部位。Al2O3-金属组合全髋关节指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料具有极好的抗血栓性，作为生物医学材料使用的主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。这三种碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。2医用碳材料(玻璃碳材、热解碳、低温气相沉积碳)优点：质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性；弹性模量和致密度与人骨大致相同；生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶的活性。在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小。主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。组织工程人耳三种主要类型的碳素材料：2.1玻璃碳材：通过加热预先成型的固态聚合物使易挥发组分挥发掉而制得。玻璃碳制品特点：密度低，耐磨性和化学稳定性好，但强度与韧性较低，只能用于力学性能要求不高的场合。2.2热解碳热解碳优良的力学特性和生物相容性是由于其有独特的结构,而含一定量硅的各向同性热解碳被证明耐久性更好,生物稳定性更好。层间堆叠是折皱无序或扭曲变形的，这种扭曲结构使得热解碳具有很好的耐久性。制备：将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，以惰性气体为载气（N2）在1000-2400℃热解、沉积而得。沉积层的厚度一般为1mm。全热解碳双叶瓣人工心脏瓣膜弹性模量为20GPa，抗弯强度高达275-620MPa，韧性好，韧性比氧化铝陶瓷高25倍。2.3低温气相沉积碳(ULTI碳)：用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源制取的各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在1μm左右。特点：高密度和高强度，但仅作为薄的涂层材料使用。UTLI涂层与金属的结合强度高，涂层的耐磨性良好，成为制造人工机械心脏瓣膜的理想材料。2.4碳纤维GB8718-88对碳纤维的定义：含碳量不低于93%的纤维状材料。属于有机物转化而成的过渡态碳的一种结构：以乱层石墨结构形式存在具有碳素材料的特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性（二）生物活性陶瓷—HAP生物活性陶瓷在生物体内与周围组织甚至软骨组织形成较强的化学键，用于骨组织修复。各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。1、羟基磷灰石(hydroxyapatite简称HAP)分子式是Ca10(PO4)6(OH)2,体积质量为3.16g/cm3,性脆,折射率为1.64～1.65,微溶于水,水溶液呈弱碱性(pH7～9),易溶于酸,难溶于碱,HAP是强离子交换剂因为HA占人体骨组成的70％-97％，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果：HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。HAP是人体内骨和齿的重要组成部分,如人骨成分中HA的质量分数约65%,人的牙齿釉质中HA的质量分数则在95%以上,具有优秀的生物相容性。HAP生物陶瓷脆性大，在生理环境中抗疲劳性能差，不用于人体承力部位的修复。因为HA占人体骨组成的70％-97％，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果：HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。生物活性陶瓷的突出特点：随着修复时间的延长，种植体表面形成与骨组织能够化学键结合的生物羟基磷灰石(HCA)。HCA在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相同，HCA结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好的耐久力和抗疲劳性能，从而在与骨的界面结合中发挥作用。HCA化学式(Ca,M)10(PO4,Co3,X)6(OH,F,Cl)2M:Mg,Na,K或Sr,Pb,BaX:HPO42-,SO42-,硼酸盐等羟基磷灰石生物陶瓷羟基磷灰石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(如慢性化脓性中耳炎)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。HA生物陶瓷听小骨置换假体2、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)：是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成键结合。在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、胯骨脊椎及骨的填充物。生物活性材料的本质：通过磷灰石层与骨结合人造磷灰石与生物骨的磷灰石的结构较为相近，使新生骨与生物活性陶瓷材料直接相连，当骨内的磷灰石与种植体表面磷灰石直接接触时，两者形成化学键，从而减少了生命材料与非生命材料之间的界面能，使界面结合良好。3.多孔HAP陶瓷人体的骨组织就是一种多孔的组织，以适应一定范围内应力的变化，多孔羟基磷灰石的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法。多孔生物陶瓷种植体而言,决定骨长入方式和数量的因素有：孔径、孔率及孔的内部连通性孔隙的大小应当满足骨单位和骨细胞生长所需的空间,孔尺寸大于200μm,是骨传导的基本要求;200～400μm最有利于新骨生长。当孔隙率超过30%后,孔隙可以相互连通,新骨组织可以从人工骨表面长入内部贯通性孔隙，孔隙率越高，越有利于新骨的长入，为满足临床应用对力学性能的要求,一般种植体孔隙率在45%～55%之间4.HAP陶瓷与骨键合的机制：HAP陶瓷植入骨内后由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质，产生一个宽为3～5μm的无定形电子密度带，胶原纤维束长入此区域和细胞之间，骨盐结晶在这个无定形带中发生。随着矿化的进行，无定形带缩小至0.05～0.2μm，HAP植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键合带实现的。HAP与骨形成键合的表现为：在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；HAP植入体-骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度（三）可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷在生物体内，被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织取代。主要以β-磷酸三钙（β-TCP）及硫酸钙生物陶瓷为代表。可吸收生物陶瓷降解效应——植人人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之，该效应称为降解效应。具有降解效应的陶瓷材料——可吸收生物陶瓷。主要应用：脸部和额部的骨缺损，填补牙周的空洞，还可作为药物的载体。石膏石膏的相容性虽好，但吸收速度太