生物医用陶瓷材料1

LOGO生物医用陶瓷材料(BiomedicalCeramicMaterials)倪似愚[e-mail]一陶瓷晶体结构按组成可分为：氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷特点结合键：以离子键为主，可含有一定比例的共价键成份：确定，可用分子式表示性质：具有典型的非金属性质LOGO良好的耐消毒，灭菌性LOGO第一节生物陶瓷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在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性材料的性能可通过成份设计进行控制容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸容易着色，是较理想的口腔材料全瓷牙LOGO生物陶瓷材料的分类按其生物性能，生物陶瓷可分为三类LOGO发展经历了三个阶段材料与组织的结合第一代生物惰性材料金属、热解碳、Al2O3、ZrO2、Si3N4bioMATERIALS第二代生物活性材料羟基磷灰石、TCPBIOMATERIALS第三代活性、可降解BIOmaterials生物活性玻璃、硅酸钙LOGO陶瓷显微结构由许多不规则的晶粒所组成，中间有晶界隔开LOGO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，关节及齿根的修复与替换，以及心脏瓣膜等LOGO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弄堆积，六个氧原子（离子半径为0.132nm）围成一个八面体，半径较小的铝原子离子半径为0.057nm）则处于八面体中心的空隙，单位晶胞是面心的菱面体LOGO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LOGO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：与骨不发生化学结合，长时间后与骨固定会发生松驰机械强度不高弹性模量过高（380GPa）摩擦系数、磨耗速度较大LOGO措施：采用多孔氧化铝把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织长入其空隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合缺点：降低了陶瓷的机械强度，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低的部位改善：将金属与氧化铝复合，在金属表面形成多孔性氧化铝薄层LOGO其它的惰性氧化物陶瓷氧化锆陶瓷单斜晶体(m)四方晶(t)立方晶(c)熔体1170℃2370℃2715℃LOGO氧化锆，氧化镁，以及混合氧化物陶瓷（如组成：氧化锆50-60%,氧化铝10-20%,氧化钾7-10%的陶瓷）混合氧化物陶瓷组成，色泽，热膨胀系数可调，可用作人工牙齿LOGO二氧化锆全瓷冠，是由整体瓷块由计算机辅助，由铣床半机械制造的，强度和抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进，基地冠的厚度由原来的的1mm，减为0.8mm,需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况氧化锆美容前氧化锆美容后二氧化锆预约费用2800元每颗LOGO材料，硬度高，强度大，导热导电性好，是耐磨，耐腐蚀性材料Si3N4材料，可代替氧化锆作关节置换假体，比氧化锆有更好的使用寿命LOGO年，Dreesman首次发表了利用硫酸钙(CaSO4·H2O)修复骨缺损1920年，Albee发现磷酸三钙(Tricalciumphosphate,TCP)可以刺激骨形成1928年，Leriche和Policard就开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料，他们希望磷酸钙在体内能够释放一些钙、磷离子，促进骨的发生1969年,美国佛罗里达大学的Hench教授，成功地研究了一种生物玻璃，可用于人体硬组织的修复，能与生物体内的骨组织发生化学结合，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域—生物活性材料LOGO年，Aoki和Jarcho成功烧结了羟基磷灰石，制得了羟基磷灰石陶瓷，并在随后的几年中发现，烧结羟基磷灰石具有良好的生物活性，从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元；1973年，Driskell等报道了β-Ca3(PO4)2多孔陶瓷植入生物体后，能被迅速吸收，并发生了骨置换，称之为可吸收陶瓷(Absorbableceramics)，即生物可降解陶瓷；1976-1981年，Jarcho,Hench,Groot,Daculsi,Osborn等研究证明钙磷基骨替换材料不仅具有良好的生物相容性，而且具有骨传导性能，可与宿主骨直接形成骨键合，导致骨替换材料和骨之间的紧密结合LOGO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70年代，Hench教授提出“生物活性”的概念，从而开创了一个崭新的生物医用料研究领域——生物活性材料，也改变了“任何人造植入体在人体内都将引发异体反应并在界面形成非黏附性疤痕组织”的观点HenchLL.JBiomedMaterRes1971;36:117-141“生物活性”材料是一种在材料与组织界面诱发特异性化学反应并形成材料-组织牢固键合的材料HenchLL.AnnalsofNewYorkAcadSci:NewYork.1988;523:54-65LOGO生物活性陶瓷（钙-磷生物陶瓷）HAP是人体骨和牙齿的重要组成部分，人骨成份中HAP的质量分数约为65%，人的牙齿釉质中HAP的质量分数刚在95%以上，具有优秀的生物相容性羟基磷灰石（hydroxyapatite,简称HAP）分子式是Ca10(PO4)6(OH)2体积质量为3.16g/cm3，性脆微溶于水，水溶液呈弱碱性pH(7-9）,易溶于酸，难溶于碱HAP是强离子交换剂LOGO生物陶瓷的脆性大，在生理环境中抗疲劳性能差，不用于人体承力部位的修复材料孔隙率(%)抗压强度(MPa)抗弯强度(MPa)断裂韧性(MPa·m1/2)弹性模量(GPa)羟基磷灰石4400-91780-1950.70-1.3075-103羟基磷灰石约20约300约61约0.7042-44羟基磷灰石陶瓷的部分力学性能LOGO骨的功能与其构型密切相关。骨最显著的特性是能够沿着机械应力线产生新骨进行自身修复和调整，这些性质决定了活体骨是一种独特的结构材料，能够使健康骨保持高抗疲劳强度，因此骨缺损只发生在一些极端条件下或发生在体内某种代谢紊乱造成不健康骨存在的部位。对天然骨材料的力学性能的研究进行得比较有限，因为一般骨结构和长骨的小梁结构使骨在对应力的行为方面表现为一种各向异性材料，因此各种有关机械应力值的报道都不同，取决于各自的加载方法。其他影响骨样品上机械应力计算的因素包括试验条件、试样的新鲜程度和被采样的个体年龄骨的力学性能LOGO骨的力学性能力学性能皮质骨松质骨弹性模量(GPa)14-200.05-0.5弯曲强度(MPa)50-15010-20抗压强度(MPa)170-1932-12断裂韧性(MPam1/2)2-120.1LOGO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HAP的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法对于多孔生物陶瓷种植体，决定骨长入方式和数量的因素有：孔径，孔隙率及孔内部的连通性LOGO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最有利于新骨生长多孔HAP陶瓷当孔隙率超过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%LOGO陶瓷与骨键合的机制随着矿化的进行，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这个很窄的键合带实现的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的无定形的电子密度带，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HAP陶瓷与骨形成键合的表现在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上无直接接触，其间无纤维组织存在HAP植入体和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LOGO涂层钛基牙种植体是一