59生物陶瓷

生物陶瓷组员：1、生物陶瓷的定义与条件2、生物陶瓷的发展3、生物陶瓷的分类4、生物陶瓷的例子4.1、氧化锆（ZrO2）陶瓷4.2、羟基磷灰石(HA)4.3、磷酸三钙(TCP)5、生物陶瓷急需解决的问题与发展前景目录1.生物陶瓷定义与条件生物陶瓷(Bioceramics)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直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。生活中常见的生物陶瓷生活中常见的生物陶瓷人造骨关节生活中常见的生物陶瓷骨填充用多孔生物陶瓷β-TCP（β-磷酸三钙）2.生物陶瓷的发展生物陶瓷材料作为生物医学材料始于18世纪初。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人体骨骼的替换材料。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。2.生物陶瓷的发展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。3、生物陶瓷的分类生物陶瓷按其生物学性能可分为生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。1.生物惰性陶瓷这类陶瓷化学性能稳定，生物相容性好，如氧化铝、氧化锆等，其物理机械性能及功能特性与人体组织相匹配，主要特点是力学强度高，耐磨性强。2.生物活性陶瓷包括表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，常见的生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙、硫酸钙陶瓷等。4.1、氧化锆（ZrO2）陶瓷1.氧化锆陶瓷的特点与应用氧化锆陶瓷属于生物惰性陶瓷，它是迄今为止强度最高的牙科修复材料,也广泛用于骨科的人工髋关节。李立刚等将氧化锆材料和成骨细胞在体外共同培养，证实其具有良好的生物相容性。2.氧化锆陶瓷的改进假体磨损微粒诱导炎症反应，使假体周围出现骨溶解导致假体的松动，是影响人工髋关节寿命的主要原因，聚乙烯的磨损是微粒的主要来源。研究者通过将氧化锆-聚乙烯组合来减少磨损；将氧化铝、氧化锆、碳化硅组合制成的人工髋关节材料A1203一SiC—ZrO2(FGM)具有很强的抗压应力[(20．8±0．3)GPa]和断裂韧性[(8．O±0．1)GPa]。Jangra等证实ZrO2还具有一定的抗菌活性，其抗菌活性可能由晶体表面活性所决定。以溶胶凝胶法合成了氧化锆/聚乙二醇含吲哚美辛的药物控释系统(ZrO2/PEG)。但是氧化锆陶瓷的黏结强度不足，影响黏结稳定性。目前较多应用酸蚀、喷砂等陶瓷表面处理手段来改进陶瓷的黏结性能，有研究表明，在各种处理中，喷砂+铒Er+YAG照射处理可以获得最大的平均黏结强度。其次氧化锆陶瓷材料的脆性影响其使用，人们通常采用增韧的方法来改善。注：YAG是三价镱离子(Yb3+)掺入钇铝石榴石（YAG）基质中形成的一种产生1.03um近红外激光的激光晶体3.氧化锆陶瓷的合成氧化锆全瓷牙4.2、羟基磷灰石(HA)羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA或HAP)组成与天然磷灰石矿物相近，是脊椎动物骨和齿的主要无机成分，结构亦非常接近，呈片状微晶状态。它作为骨代替物被用于骨移植。HA有良好的生物相容性，植入体内不仅安全，无毒，还能传导骨生长。HA能使骨细胞附着在其表面,随着新骨的生长，这个连接地带逐渐萎缩，并且HA通过晶体外层成为骨的一部分,新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。1.羟基磷灰石4.2、羟基磷灰石(HA)HA是典型生物活性陶瓷，植入体内能与组织在界面上形成化学键性结合。HA生物活性陶瓷和骨键接的机制不像生物玻璃那样需要通过在其表面形成富硅层，进而形成中间键接带以实现键合。致密羟基磷灰石陶瓷植入骨内后，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。随着矿化成熟，无定形带缩小至0.05~0.2μm，羟基磷灰石植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键接带实现的。1.羟基磷灰石2.羟基磷灰石陶瓷的制造工艺4.2、羟基磷灰石(HA)a、固相反应法这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方将原料磨细混合，在高温(1000-1300℃)下进行合成，其反应方程式：6CaHPO4·2H2O+4CaCO3→Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2Ob、水热反应法将CaHPO4与CaCO3按6：4摩尔比进行配料，然后进行24h湿法球磨。将球磨好的浆料倒入容器中，加入足够的蒸馏水，在80-100℃恒温情况下进行搅拌，反应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物，其反应式如下：6CaHPO4+4CaCO3→Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O羟基磷灰石生物陶瓷是一种安全、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、畸形的患者做听小骨置换手术。HA生物陶瓷听小骨置换假体4.3、磷酸三钙(TCP)磷酸三钙具有高温相(α—TCP)和低温相(β—TCP)两种类型。α-TCP常作为骨水泥使用。2.β-磷酸三钙(β-TCP)研究较多的是β—TCP，其降解性能好，并且多孔的β-TCP陶瓷可以与骨组织直接结合，研究证实其与成骨细胞有很好的生物相容性，保证成骨细胞具有活性，可以促进新骨的形成。1.磷酸三钙（TCP）4.3、磷酸三钙(TCP)a.优点近年来β—TCP煅烧骨的研制成功，解决了化学合成人工骨在孔隙率、孔隙交通和孔径方面的难题，而且原料来源丰富，工艺简单。磷酸钙材料还是一种良好的药物载体，含万古霉素聚乳酸的β—TCP复合材料在体外证实对MRSA有作用，但需要在体内的确认。b.缺点然而β–TCP也具有一些缺点：首先其降解缓慢，有文献报道其降解速度长达0．5～5年；其次生物力学强度不佳，脆性大，不易成形，不能用于负荷部位；无诱导成骨能力。因而需要对β—TCP进行改进，探索更优良的制备方法，或以β-TCP煅烧骨为支架制备复合材料，或与其他物质复合增加其器械强度、韧性和加快降解速率。2.β-磷酸三钙(β-TCP)β-TCP移植后手术后8年5、生物陶瓷的急需解决的问题与发展前景1.急需解决的问题随着社会的进步，人类已不再满足简单模仿人体器官的形状，而是追求功能尽善尽美的新型材料。通过多年的研究摸索，我们仍有以下问题需要解决：1）提高现有生物陶瓷的可靠性，提高其强度，降低杨氏模量，改善韧性。2）目前除了喷涂羟基磷灰石（HA）的钛合金外，其余的HA生物材料还不能用于承载骨的置换，这对于材料科学是一个挑战。1.急需解决的问题3）深入研究种植体与骨界面的作用过程以及种植体与骨和软组织结合的机理，这对了解腐蚀、疲劳过程，摸索预防和控制的途径有重要意义。开展人工骨应用基础理论研究，建立和完善材料综合评判系统，以寻求在实验室条件下预测种植体变化和寿命的方法，为建立生物医学材料标准提供依据。4）提高非活性材料与生物的亲和作用及活性材料的强度。5、生物陶瓷的急需解决的问题与发展前景2.应用前景随着现代科学的飞速发展，技术上的改进不断完善,生物陶瓷的制备方法也越来越向着可行性发展。多种Ca-P陶瓷与有机材料复合作为骨组织工程支架材料在临床试验中，如TCP+胶原，纳米晶HA+胶原,，TCP+富血小板血浆等。形状记忆合金制备，自膨胀和球囊扩张式两类，主要用于晚期恶性肿瘤引起的胆道狭窄的生物医用材料应该是对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性等不良反应。因此，了解生物医用材料对人体的生物学反应就显得至关重要。这些反应主要包括组织反应、血液反应及免疫反应。通过不断的研究开发，生物陶瓷更多的优良性能将会被开发并应用。总之生物陶瓷有着很大的研究空间和广阔的发展前景。5、生物陶瓷的急需解决的问题与发展前景