第二节生物活性陶瓷模板

第二节生物活性陶瓷一、概念材料的生物活性:生物医用材料在体内不仅能传导组织的生长，而且可与宿主组织之间形成化学键合的能力.生物活性材料的特点:在体内具有一定的溶解度,能释放对机体无害的一些离子(如钙、磷等),参与体内代谢,对新组织的生长起刺激和诱导作用,促进缺损组织的修复,显示生物活性.骨键合机理Themechanismofnewboneformationanbonebondingtoabioactiveceramicimplantisillustratedatleft.followingimplantation,anionexchangereactiontakesplacebetweentheimplantandthesurroundingbodyfluidduringwhichchemicalspeciesfromtheceramicdiffuseintothefluidandviceversa.Overtime,thisresultsintheformationofchemicallygradedlayersthatbecomehydrocarbonateapatite,ornewbone.BiodegradableCeramics:CalciumPhosphatesDegradationcausedby:physiologicdissolution(dependsonenvironmentpH,typeofcalciumphosphate)physicaldisintegration(grainboundaryattack)晶界崩解biologicalfactors(phagocytosis吞嗤CatygoryofCa-Pcompounds：（1）TetracalciumPhosphate(Ca4P2O9)（2）AmorphousPhosphate(Ca4P2O9)Amorphous（3）calciumPhosphate：α-(Ca3(PO4)2)andβ(Ca3(PO4)2)（4）Hydroxyapatite(Ca10(PO4)6(OH)2)AlmostallbioresorbableceramicsarevariationsofcalciumphosphateUses:drug-deliveryrepairmaterialforbonedamagedtraumaordiseasevoidfillingafterresectionofbonetumoursrepairandfusionofvertebraerepairofherniateddisksrepairofmaxillofacialanddentaldefectsocularimplants生物活性陶瓷的种类羟基磷灰石生物活性玻璃磷酸三钙Uses:drug-deliveryrepairmaterialforbonedamagedtraumaordiseasevoidfillingafterresectionofbonetumoursrepairandfusionofvertebrarepairofherniateddisksrepairofmaxillofacialanddentaldefectsocularimplants羟基磷灰石磷酸钙类陶瓷与生物矿物中对应的磷酸钙从成分和结构都是基本相同的,其中常见的是磷灰石,典型代表是羟基磷灰石.早在1790年用希腊文定义自然界的这种矿物成分为磷灰石，1926年用衍射方法证明骨中的无机矿物为磷灰石，此后有关其结构、制备方法和应用的文章很多，目前也是生物医学工程领域的研究热点之一。（1）TetracalciumPhosphate(Ca4P2O9)（2）AmorphousPhosphate(Ca4P2O9)Amorphous（3）calciumPhosphate：α-(Ca3(PO4)2)andβ(Ca3(PO4)2)（4）Hydroxyapatite(Ca10(PO4)6(OH)2)羟基磷灰石羟基磷灰石（hydroxyapatite，简称HA），化学分子式为Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P比1.67。HA晶体属P63/m空间群,六方晶系，点阵常a1=a2=a3=0.9432nm,c=0.6881nm。由10个Ca2+离子、6个PO43-离子和两个OH-离子组成一个扁六方晶胞，其晶体结构的投影图如左上图示。显然Ca2+离子有两种空间位置——Ca1和Ca2，一个可吸附大分子上的磷酸根基团或羧基基团，另一个可吸附阳离子。HAP粉末的合成：1高温固相合成法：WANTAEKIM以Ca(OH)2-P2O5与CaO-Ca(OH)2-P2O5混合,干磨30min得到羟基磷灰石,原料里含有的水蒸汽通过扩散传质机制促进了反应的进行。6H3PO4+9CaO+Ca(OH)2→6CaHPO4+4Ca(OH)2+3H2O6CaHPO4+4Ca(OH)2+3H2O→Ca10(PO4)6(OH)2+9H2O2液相合成法：包括水热合成法、溶胶-凝胶法、沉淀法、乳液剂法、超声波合成法、酸碱反应法、气溶胶分解法等等。逆相微乳液法合成羟基磷灰石纳米粒子：HongLi等用环己烷作为有机相，TX-100和戊醇作为表面活性剂，与Cacl2水溶液反应生成羟基磷灰石纳米晶。10CaCl2+6(NH4)2HPO4+8NH4OH→Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4Cl+6H2O在不同的有机相和无机相比例下,纳米粒子形貌不同。油-水乳液技术制备中空的羟基磷灰石微球Hae-HyoungLeeÆ等用有机相中的羟基磷灰石TheHAslurryinthe混入包含表面活性剂的水相形成球形粒子，溶剂的快速蒸发使微球粒子形成中空结构，热处理后成为接近363lm的生物活性HA,成骨细胞能顺利的在其表面和空穴中生长。这种结构的材料有望于运用于骨组织工程的骨架模型，和直接作为骨缺陷的填充材料。两种方法制备的HA（1）猪骨四块在蒸馏水中煮沸1小时,以除去其中的有机成分。取其中两块分别用弱酸pH=4，弱碱pH=9处理144小时,再取一块在600°C焙烧1小时。（2）采用湿化学法制备纯的羟基磷灰石HA。称取一定量的硝酸钙与磷酸氢二氨,使钙/磷原子比为1.667,分别配制成溶液,在pH为10-11的缓冲溶液中,不断搅拌,使磷酸氢二氨与硝酸钙充分反应,得到白色沉淀,静置72小时,过滤,用去离子水洗沉淀至无硝酸根离子,于烘箱中干燥,得到纯的HA。在氨性介质中,磷酸氢二氨和硝酸钙按下式反应:HA的性能ExcellentbiocompatibilityHighelasticmodulus(40-117GPa)Moduliofmineralizedtissues:Enamel:74GPaDentin:21GPaBone:12-18GPa密度比较大，为3.16g/cm3，折射率是1.64~1.65。化学性质：微溶于纯水，呈现弱碱性（pH7~9）。故易溶于酸而难溶于碱。表面性质:离子交换能力强，置换速度非常快。还可以与含有羟基的氨基酸、蛋白质、有机酸等反应，因此可用于氨基酸、蛋白质的分离和提纯。PO43-离子中的O通过氢键与水分子结合，吸附两层水分子后，吸附热降低，两层以外的吸附水分子与溶液中水分子的结合等同于它与内层水分子的结合。因此，HA在水中的表面能很低，具有很强的亲水性。羟基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2）优点：与人体骨骼晶体成份,结构基本一致HAP生物活性和相容性好,能与骨形成很强的化学结合,用作骨缺损的填充材料,能为新骨的形成提供支架,发挥骨传导作用,是理想的硬组织替代材料。缺点:本身脆性高;抗折强度低,韧性和力学性能差等缺陷的限制,应用并不广泛。近来将ＨＡＰ作为涂层材料、复合材料及纳米材料来研究开发,获得了突破性的进展，多孔羟基磷灰石生物陶瓷无压烧结和热(等静)压烧结是制备致密HAP陶瓷的主要方法,多孔羟基磷灰石陶瓷受到了重视，这主要是由骨组织的特点所决定的。如果植入骨基质的替换物为骨单位提供支持框架,则骨单位可以此为依托生长,骨缺陷可以重建和修复，如果为骨缺陷提供的骨基质替换物在孔隙形貌和结构上与骨单位及脉管连接方式相一致,则植入材料会促进骨组织的重建。1多孔生物陶瓷的制备方法：1.1有机泡沫浸渍法1.2化学发泡法:是将在较高温度能够分解产生气体或发生化学反应产生气体的化学物质与羟基磷灰石粉体浆料混合成型,在一定温度下加热处理发泡再烧结产生大孔陶瓷,此过程要求成孔剂和发泡剂的残留物不影响陶瓷的性能和组成,或残留物经简单的水洗可以除去,常用的发泡剂是过氧化氢(H2O2)，利用H2O2分解产生气体而形成多孔HAP，也可以用聚乙烯醇缩丁醛或甲基纤维素作发泡剂。DEAN-MO等利用致孔剂聚乙烯醇缩乙醛纤维(PVB)制成孔径可控的多孔羟基磷灰石材料1.3水热热压法：将化学计量的氢氧化钙和磷酸氢氨置于高压釜中,在一定的温度、压力下水热热压发生反应,产生的NH3形成多孔HAP中的大孔。1.4微波工艺法：在HAP粉体中混合无机物，如(NH4)2CO3压制成型后用微波工艺在ll50～1200℃下l～5min.可制气孔率73％的多孔HAP。1.5骨架复制法:利用珊瑚的天然多孔结构制成种植体，是将环氧树脂添入珊瑚的空隙中，然后用酸等洗掉主要成分为碳酸钙的珊瑚骨骼，得到环氧树脂骨架，然后就可以将生物材料填充进骨架,然后进行灼烧，将环氧树脂的骨架去除，再进行烧结就可以得到具有与孔珊瑚完全相同结构的种植体材料,填充进骨架的材料可以是钛、钒、等。1.6凝胶注模成型法;多孔HAP的特性1力学性能:多孔羟基磷灰石的生物力学性能取决于孔隙微气孔决定材料的降解速度,大气孔则可使骨组织长入孔。2骨结合特性：Klawitter等人的研究表明,当多孔陶瓷材料的内联直径在1501am时,纤维组织可以长入陶瓷的内部；孔径为40～1001am时,允许非矿物的骨样长入；孔径在15～401am时,已能为骨组织长入提供理想的场所。有研究表明,功能完善的羟基磷灰石植入材料的最小孔径为1001am,大于200m的孔径是骨引导的基本要求。3诱导成骨的特性较好:4生物降解性多孔HAP具有生物降解性:在人体生理环境下，多孔HAP会发生物理化学溶解,这取决于材料的溶解产物及周围环境的pH值。此外一些生理因素的影响，如吞噬作用可降低周围的pH值，也会使多孔HAP发生降解多孔羟基磷灰石的应用：1骨填充料K.A.HING等对多孔羟基磷灰石的骨内生长进行实验发现主要的骨生长发生在10天道5周内。3个月后骨的抗压强度达20MP.2药载：Min-HoHong用液氮的方法通过调整HAP粉末中的水的比例和Nacl的量制成各种孔和通道的羟基磷灰石球形颗粒。通过调整Nacl的量能制的微通道的结构可以载超分子的药，对蛋白质类的药，胶囊因其容易变形不可以载。RyanK.Roeder,GabrielL研究得出HAP增强的聚合物是很好的骨替代材料。例如外科整形，移植骨，组织工程的支架而且结构可控。骨整形3HAP生物活性材料的研究现状HAP是研究和开发较早的一种生物陶瓷材料,在应用上取得了一定的成果，但在如何提高材料的强度,韧性和力学性能等方面还有待深入的研究和探讨,特别是作为涂层材料和朝着纳米HAP材料方向的研究更加重要。P.LEALITRANQUILLI,A.MEROLLI,O.等各种对用等离子体喷雾法制的羟基磷灰石在金属上的涂层的结晶度,厚度，金属基底进行评价,发现骨的生物反应主要由涂层结构决定，涂层厚度在50-100um内没很大的区别。•PaolaFabbrid等聚己酸内酯原位加强羟基磷灰石形成的多孔支架用于组织工程。二、生物活性材料的设计设计思想：生物活性材料的设计以生物识别为原则,通过生物识别有利于替代组织的生长,同时抑制其它的不利因素,如在血管移植中,人造血管必须能通过血流,抗心血管系统的舒张、收缩及扭转力等,然而为了更好地模拟体内血管