生物材料工程導(dǎo)論無機(jī)惰性陶瓷

1、生物材料工程導(dǎo)論無機(jī)惰性陶瓷生物陶瓷屬于無機(jī)生物材料，無機(jī)生物生物陶瓷屬于無機(jī)生物材料，無機(jī)生物材料包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材材料包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用作為齒科、骨科修復(fù)料三大類，主要用作為齒科、骨科修復(fù)和植入材料。和植入材料。無機(jī)材料無機(jī)材料n也稱無機(jī)非金屬材料也稱無機(jī)非金屬材料n傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料是由某些元素的氧化物、碳傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料是由某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物及硅酸鹽、化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物及硅酸鹽、鋁酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，其化學(xué)組成鋁酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，其化學(xué)組成主要屬于主要屬于硅酸鹽硅酸鹽范疇。范

2、疇。n無機(jī)非金屬材料種類繁多，根據(jù)材料的組成、工無機(jī)非金屬材料種類繁多，根據(jù)材料的組成、工藝及性能特點(diǎn)，具體可分為陶瓷、玻璃、水泥、藝及性能特點(diǎn)，具體可分為陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、非金屬礦物材料和耐火材料、非金屬礦物材料和復(fù)合材料復(fù)合材料等。等。2022-3-213無機(jī)材料無機(jī)材料l傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷是以粘土、長石、石英等為主要是以粘土、長石、石英等為主要原料，經(jīng)粉碎、混合、成型與燒成等工序原料，經(jīng)粉碎、混合、成型與燒成等工序而獲得的制品或材料。按胎體吸水率，陶而獲得的制品或材料。按胎體吸水率，陶瓷可分為陶器（吸水率瓷可分為陶器（吸水率8%）、炻器（吸）、炻器（吸水率在水率在0.58%）、瓷

3、器（吸水率）、瓷器（吸水率0.5%）。）。2022-3-214無機(jī)材料無機(jī)材料l狹義的陶瓷狹義的陶瓷是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物是指所有以粘土為主要原料與其它天然礦物原料經(jīng)過粉碎混煉成形煅燒等過程而制成的各種制原料經(jīng)過粉碎混煉成形煅燒等過程而制成的各種制品。品。l廣義的陶瓷廣義的陶瓷是指用傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬是指用傳統(tǒng)陶瓷生產(chǎn)方法制造的無機(jī)非金屬固體材料和制品的通稱。如氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金固體材料和制品的通稱。如氧化物陶瓷、壓電陶瓷、金屬陶瓷等各種高溫和功能陶瓷，它們的生產(chǎn)過程雖然基屬陶瓷等各種高溫和功能陶瓷，它們的生產(chǎn)過程雖然基本上還是原料處理成形煅燒這種傳統(tǒng)的陶瓷

4、生產(chǎn)方本上還是原料處理成形煅燒這種傳統(tǒng)的陶瓷生產(chǎn)方法，但采用的原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶法，但采用的原料已不再使用或很少使用粘土等傳統(tǒng)陶瓷原料，而已擴(kuò)大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅瓷原料，而已擴(kuò)大到化工原料和合成礦物，甚至是非硅酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材酸鹽、非氧化物原料，組成范圍也延伸到無機(jī)非金屬材料的范圍中。料的范圍中。l出現(xiàn)了許多新的工藝出現(xiàn)了許多新的工藝。2022-3-215無機(jī)材料無機(jī)材料l狹義的玻璃狹義的玻璃是一種在凝固時基本不結(jié)晶的無機(jī)熔融物，是一種在凝固時基本不結(jié)晶的無機(jī)熔融物，即通常所說的無機(jī)玻璃，如硅酸鹽玻璃。即通常所說的無機(jī)玻璃，如硅酸

5、鹽玻璃。l廣義的玻璃廣義的玻璃是指具有玻璃轉(zhuǎn)變特征的非晶態(tài)固體。是指具有玻璃轉(zhuǎn)變特征的非晶態(tài)固體。l水泥水泥是指加入適量水后可成塑性漿體，經(jīng)過一段時是指加入適量水后可成塑性漿體，經(jīng)過一段時間既能在空氣中硬化又能在水中硬化，且將沙、石間既能在空氣中硬化又能在水中硬化，且將沙、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性膠凝材料。等材料牢固地膠結(jié)在一起的細(xì)粉狀水硬性膠凝材料。2022-3-216無機(jī)材料無機(jī)材料l隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷出現(xiàn)許多具有特殊性能隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，不斷出現(xiàn)許多具有特殊性能和用途的新型無機(jī)非金屬材料，包括新型陶瓷、無和用途的新型無機(jī)非金屬材料，包括新型陶瓷、無機(jī)涂層、無機(jī)纖維等

6、，其化學(xué)組成、生產(chǎn)工藝、使機(jī)涂層、無機(jī)纖維等，其化學(xué)組成、生產(chǎn)工藝、使用范圍大大超出傳統(tǒng)硅酸鹽的范疇，如氧化物、碳用范圍大大超出傳統(tǒng)硅酸鹽的范疇，如氧化物、碳化物、氮化物、硼化物陶瓷等。化物、氮化物、硼化物陶瓷等。l磷酸鹽陶瓷，磷酸鹽玻璃，磷酸鹽骨水泥，生物磷酸鹽陶瓷，磷酸鹽玻璃，磷酸鹽骨水泥，生物活性玻璃等?；钚圆ＡУ取?022-3-217無機(jī)材料無機(jī)材料l耐火材料耐火材料是指耐火度不低于是指耐火度不低于1580的無機(jī)非金屬材料，的無機(jī)非金屬材料，它是輔助各種高溫技術(shù)的結(jié)構(gòu)材料。它是輔助各種高溫技術(shù)的結(jié)構(gòu)材料。l礦物材料礦物材料是以天然礦物和巖石為主要原料，并以利是以天然礦物和巖石為主要原料

7、，并以利用其物理、化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，經(jīng)一定的技術(shù)加工、用其物理、化學(xué)性質(zhì)為基礎(chǔ)，經(jīng)一定的技術(shù)加工、改性和處理后所獲得的材料或直接應(yīng)用其物理、改性和處理后所獲得的材料或直接應(yīng)用其物理、化學(xué)性質(zhì)的礦物和巖石?；瘜W(xué)性質(zhì)的礦物和巖石。l復(fù)合材料復(fù)合材料。2022-3-218無機(jī)材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展史無機(jī)材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用發(fā)展史n1808年，人們已將陶瓷用于鑲牙。年，人們已將陶瓷用于鑲牙。n1892年，年， Dreesman發(fā)表了第一例臨床報告，使用熟石膏作為骨的發(fā)表了第一例臨床報告，使用熟石膏作為骨的缺損填充材料。缺損填充材料。n1963年，年，Smith報道了一種陶瓷骨替代材料，它是一種多孔鋁報道了一種陶瓷骨替

8、代材料，它是一種多孔鋁酸鹽材料。酸鹽材料。n1969年，年，Hench成功地研究了一種生物玻璃，從而開創(chuàng)了一個嶄成功地研究了一種生物玻璃，從而開創(chuàng)了一個嶄新的生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域新的生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域生物活性材料。生物活性材料。n1982年，年，Driskell等發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn)b b-磷酸鈣多孔陶瓷植入生物體后，能被迅磷酸鈣多孔陶瓷植入生物體后，能被迅速吸收，并發(fā)生了骨置換，因此有人稱之為可吸收陶瓷或者生速吸收，并發(fā)生了骨置換，因此有人稱之為可吸收陶瓷或者生物可降解陶瓷。物可降解陶瓷。n近年來，納米生物醫(yī)用無機(jī)材料正在引起人們的重視。近年來，納米生物醫(yī)用無機(jī)材料正在引起人們的重視。2022-3-

9、219無機(jī)生物材料分類無機(jī)生物材料分類n按照無機(jī)材料的成分和性質(zhì)分類按照無機(jī)材料的成分和性質(zhì)分類l生物陶瓷材料，如單晶和多晶氧化鋁陶瓷、羥基磷灰石生物陶瓷材料，如單晶和多晶氧化鋁陶瓷、羥基磷灰石陶瓷等。陶瓷等。l生物玻璃材料，如生物玻璃材料，如45S5玻璃，已商品化的玻璃，已商品化的DICOR玻璃玻璃陶瓷和陶瓷和IPS/Empress玻璃陶瓷等。玻璃陶瓷等。l生物醫(yī)用無機(jī)骨水泥，如硫酸鈣骨水泥，生物醫(yī)用無機(jī)骨水泥，如硫酸鈣骨水泥，a a-TCP骨水泥。骨水泥。l炭素材料炭素材料l無機(jī)復(fù)合生物材料，如羥基磷灰石與無機(jī)復(fù)合生物材料，如羥基磷灰石與b b-TCP形成的復(fù)合形成的復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)無

10、機(jī)骨水泥。材料、碳纖維增強(qiáng)無機(jī)骨水泥。2022-3-2110分類分類n按照無機(jī)生物材料的來源分類按照無機(jī)生物材料的來源分類l天然生物礦物，如鈣化的貝殼及珍珠等。天然生物礦物，如鈣化的貝殼及珍珠等。l合成的生物醫(yī)用無機(jī)材料，目前研究的大部分材料屬合成的生物醫(yī)用無機(jī)材料，目前研究的大部分材料屬于這一類，如于這一類，如b b-TCP人工骨等。人工骨等。l生物衍生材料，是經(jīng)處理的天然生物礦物，無機(jī)類的生物衍生材料，是經(jīng)處理的天然生物礦物，無機(jī)類的生物衍生材料較少，如珊瑚，異種骨。生物衍生材料較少，如珊瑚，異種骨。2022-3-2111分類分類n按照臨床用途分類按照臨床用途分類l骨科、牙科使用的無機(jī)材料

11、，如磷酸鈣陶瓷、生物玻璃骨科、牙科使用的無機(jī)材料，如磷酸鈣陶瓷、生物玻璃及及A-W玻璃陶瓷等。玻璃陶瓷等。l肌肉肌肉-骨骼系統(tǒng)用的無機(jī)材料，如熱解碳纖維等。骨骼系統(tǒng)用的無機(jī)材料，如熱解碳纖維等。l藥物釋放載體材料，如藥物釋放載體材料，如b b-TCP陶瓷、磁性微珠等。陶瓷、磁性微珠等。l軟組織用無機(jī)材料，如用作跟腱的碳纖維等。軟組織用無機(jī)材料，如用作跟腱的碳纖維等。l心臟、血管使用的無機(jī)材料，如血管用碳質(zhì)材料。心臟、血管使用的無機(jī)材料，如血管用碳質(zhì)材料。l臨床診斷及生物傳感器無機(jī)材料，如陶瓷溫度傳感器材臨床診斷及生物傳感器無機(jī)材料，如陶瓷溫度傳感器材料、羥基磷灰石經(jīng)皮裝置等。料、羥基磷灰石經(jīng)皮

12、裝置等。2022-3-2112分類分類n按照生物環(huán)境中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)水平分類按照生物環(huán)境中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)水平分類l生物惰性無機(jī)材料，包括氧化鋁陶瓷、熱解碳、氧化鋯生物惰性無機(jī)材料，包括氧化鋁陶瓷、熱解碳、氧化鋯陶瓷、氧化硅陶瓷、生物惰性玻璃等。陶瓷、氧化硅陶瓷、生物惰性玻璃等。l生物活性無機(jī)材料，包括羥基磷灰石陶瓷、生物活性玻生物活性無機(jī)材料，包括羥基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃陶瓷等。璃陶瓷等。l生物可降解無機(jī)材料，包括可溶性鋁酸鈣陶瓷、生物可降解無機(jī)材料，包括可溶性鋁酸鈣陶瓷、b b-TCP陶瓷等。陶瓷等。l生物醫(yī)用無機(jī)納米材料，如納米生物醫(yī)用無機(jī)納米材料，如納米Fe2O3、羥基磷灰石

13、超、羥基磷灰石超微粉等。微粉等。2022-3-2113n在醫(yī)用無機(jī)材料中，相對于生物玻璃、骨水在醫(yī)用無機(jī)材料中，相對于生物玻璃、骨水泥等材料，生物陶瓷的研究和應(yīng)用都占了很泥等材料，生物陶瓷的研究和應(yīng)用都占了很大的比重，因此，在生物材料類文獻(xiàn)中，基大的比重，因此，在生物材料類文獻(xiàn)中，基本上以生物陶瓷概括表述。本上以生物陶瓷概括表述。n本課程分將分為生物惰性陶瓷、生物玻璃、生物本課程分將分為生物惰性陶瓷、生物玻璃、生物降解與活性陶瓷、骨水泥四個部分。降解與活性陶瓷、骨水泥四個部分。2022-3-2114一、生物惰性陶瓷一、生物惰性陶瓷一、生物惰性陶瓷一、生物惰性陶瓷n生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷 (B

14、ioinert) 主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)生物相容性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強(qiáng)，而且都具有較都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強(qiáng)，而且都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性。高的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性。n在體內(nèi)能耐氧化、耐腐蝕，不降解，不變性，也不參與體內(nèi)代謝過程，它們與骨組織不能產(chǎn)生化學(xué)結(jié)合，而是被纖維結(jié)締組織膜所包圍，形成纖維骨性結(jié)合界面。2022-3-2116生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷n生物惰性陶瓷主要有氧化鋁陶瓷、單晶陶瓷、氧生物惰性陶瓷主要有氧化鋁陶瓷、單晶陶瓷、氧化鋯陶瓷、玻璃陶瓷等。

15、使用最廣泛的惰性生物化鋯陶瓷、玻璃陶瓷等。使用最廣泛的惰性生物陶瓷是氧化鋁陶瓷。致密、高度拋光的氧化鋁陶陶瓷是氧化鋁陶瓷。致密、高度拋光的氧化鋁陶瓷在生理環(huán)境中具有高的抗壓強(qiáng)度、低的摩擦系瓷在生理環(huán)境中具有高的抗壓強(qiáng)度、低的摩擦系數(shù)和磨損率，并能長期保持穩(wěn)定。數(shù)和磨損率，并能長期保持穩(wěn)定。n生物惰性陶瓷具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性生物惰性陶瓷具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨損性能，主要用于人工關(guān)節(jié)結(jié)合部的球和臼，也能被能，主要用于人工關(guān)節(jié)結(jié)合部的球和臼，也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。 2022-3-21172022-3-21181、氧化鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷n氧

16、化鋁陶瓷是指主晶相為剛玉氧化鋁陶瓷是指主晶相為剛玉(a a-A12O3)的陶瓷材的陶瓷材料。料。a a-A12O3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使A12O3陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、生物相容性好等特度高、耐高溫、耐化學(xué)侵蝕、生物相容性好等特點(diǎn)。點(diǎn)。n氧化鋁陶瓷包括的范圍比較廣，其中氧化鋁陶瓷包括的范圍比較廣，其中A12O3含量含量在在45%以上均屬氧化鋁陶瓷。主晶相為剛玉以上均屬氧化鋁陶瓷。主晶相為剛玉(a a-A12O3)，此外還會有莫來石晶相及硅酸鹽玻璃相，此外還會有莫來石晶相及硅酸鹽玻璃相等。等。2022-3-2119氧化鋁陶瓷氧化鋁陶瓷n隨著氧化鋁含量的增加，其主晶

17、相隨著氧化鋁含量的增加，其主晶相a a-A12O3增多，增多，瓷體的物理化學(xué)性能也逐漸提高，習(xí)慣上常按瓷體的物理化學(xué)性能也逐漸提高，習(xí)慣上常按A12O3的不同質(zhì)量百分含量稱其為的不同質(zhì)量百分含量稱其為75瓷、瓷、95瓷、瓷、99瓷、瓷、99.97瓷。瓷。2022-3-2120氧化鋁陶瓷的物理性能氧化鋁陶瓷的物理性能n氧化鋁陶瓷的硬度較高，其機(jī)械性能取決于純度、氧化鋁陶瓷的硬度較高，其機(jī)械性能取決于純度、晶粒大小及工藝制度。氧化鋁陶瓷表面拋光度可晶粒大小及工藝制度。氧化鋁陶瓷表面拋光度可達(dá)達(dá)0.070.15m0.070.15mm CLA(Central Line Average)，陶，陶瓷間的摩

18、擦系數(shù)為瓷間的摩擦系數(shù)為0.10，光滑持久。，光滑持久。2022-3-2121氧化鋁陶瓷的醫(yī)學(xué)應(yīng)用氧化鋁陶瓷的醫(yī)學(xué)應(yīng)用n氧化鋁陶瓷用作生物材料是從氧化鋁陶瓷用作生物材料是從20世紀(jì)世紀(jì)70年代初期年代初期開始的，開始的，1971-1972年美國學(xué)者年美國學(xué)者Hulbert開始用氧開始用氧化鋁陶瓷做動物實(shí)驗，化鋁陶瓷做動物實(shí)驗，1972年年Boutin博士在法國博士在法國臨床應(yīng)用氧化鋁陶瓷人工關(guān)節(jié)。以后德國、瑞土、臨床應(yīng)用氧化鋁陶瓷人工關(guān)節(jié)。以后德國、瑞土、荷蘭、中國都在廣泛使用荷蘭、中國都在廣泛使用A12O3陶瓷制作的人工陶瓷制作的人工牙根、人工關(guān)節(jié)和人工骨。牙根、人工關(guān)節(jié)和人工骨。n由于氧化

19、鋁陶瓷具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、良好的由于氧化鋁陶瓷具有優(yōu)良的抗腐蝕性能、良好的生物相容性、高的強(qiáng)度和耐磨損性能，常將其應(yīng)生物相容性、高的強(qiáng)度和耐磨損性能，常將其應(yīng)用于承重、承力的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)置換體、牙科用于承重、承力的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)置換體、牙科種植體等。一些牙科種植體采用氧化鋁單晶，大種植體等。一些牙科種植體采用氧化鋁單晶，大多數(shù)部件采用氧化鋁多晶燒結(jié)體多數(shù)部件采用氧化鋁多晶燒結(jié)體2022-3-2122A12O3陶瓷人工髖關(guān)節(jié)2022-3-21232022-3-2124氧化鋁陶瓷的制造氧化鋁陶瓷的制造氧化鋁陶瓷的制造多晶氧化鋁陶瓷的制備 主要原料： 天然剛玉 鋁礬土 少量氧化鎂 粘土2022-

20、3-2125氧化鋁陶瓷的制造氧化鋁陶瓷的制造天然剛玉、鋁礬土-氧化鋁a -氧化鋁1300C 煅燒粘土、少量氧化鎂混合、成型1600C 1700C 燒結(jié)多晶氧化鋁陶瓷2022-3-2126氧化鋁陶瓷的不足氧化鋁陶瓷的不足n氧化鋁陶瓷應(yīng)用中存在的不足：氧化鋁陶瓷應(yīng)用中存在的不足：1、與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合，時間一長，與骨的固定、與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合，時間一長，與骨的固定會發(fā)生松馳；會發(fā)生松馳；2、機(jī)械強(qiáng)度不十分高；、機(jī)械強(qiáng)度不十分高；3、楊氏模量過高（、楊氏模量過高（380 GPa）；）；4、摩擦系數(shù)、磨耗速度不低；、摩擦系數(shù)、磨耗速度不低；2022-3-2127A、關(guān)于固定、關(guān)于固定nK1awitte

21、r主張人工關(guān)節(jié)的材料使用多孔鋁質(zhì)瓷，借骨組織長主張人工關(guān)節(jié)的材料使用多孔鋁質(zhì)瓷，借骨組織長入孔內(nèi)獲得固定，以代替錘擊嵌入、織絲釘或骨膠等傳統(tǒng)的入孔內(nèi)獲得固定，以代替錘擊嵌入、織絲釘或骨膠等傳統(tǒng)的固定方法。固定方法。nBowman把多孔小瓷球把多孔小瓷球(氣孔率氣孔率46.2%，平均孔徑，平均孔徑478m mm)埋入犬埋入犬骨中，組織切片證實(shí)，骨中，組織切片證實(shí)，6周后骨長入孔內(nèi)周后骨長入孔內(nèi)1100m mm，12周后骨長入周后骨長入孔內(nèi)孔內(nèi)1800m mm。nK1awitter將多孔鋁質(zhì)瓷將多孔鋁質(zhì)瓷(平均孔徑平均孔徑350m mm)埋入犬股骨中，埋入犬股骨中，8周后測定周后測定抗剪切強(qiáng)度，鋁

22、質(zhì)瓷抗剪切強(qiáng)度，鋁質(zhì)瓷-皮質(zhì)骨交界面為皮質(zhì)骨交界面為3.12MPa，鋁質(zhì)瓷，鋁質(zhì)瓷-松質(zhì)骨界松質(zhì)骨界面為面為4.67MPa。2022-3-2128關(guān)于固定關(guān)于固定nK1awitter綜合各家研究結(jié)果得出結(jié)論：孔徑大于綜合各家研究結(jié)果得出結(jié)論：孔徑大于100m mm時時“礦物化礦物化”骨的長入受限制；孔徑大于骨的長入受限制；孔徑大于250m mm時才能有時才能有“骨元骨元”長入，多孔性長入，多孔性以氣孔率以氣孔率30%-50%為宜，交界面的抗剪切強(qiáng)度在植入后為宜，交界面的抗剪切強(qiáng)度在植入后8周時已周時已達(dá)最大。達(dá)最大。n雖然多孔鋁質(zhì)瓷通過骨長入而獲得固定，但是鋁質(zhì)瓷的力學(xué)雖然多孔鋁質(zhì)瓷通過骨長入

23、而獲得固定，但是鋁質(zhì)瓷的力學(xué)性能卻因多孔性而大大降低。無孔鋁質(zhì)瓷的抗壓強(qiáng)度比性能卻因多孔性而大大降低。無孔鋁質(zhì)瓷的抗壓強(qiáng)度比50%多孔性的鋁質(zhì)瓷約高多孔性的鋁質(zhì)瓷約高27倍，抗彎強(qiáng)度高倍，抗彎強(qiáng)度高8-10倍。因此臨床很少應(yīng)用倍。因此臨床很少應(yīng)用多孔鋁質(zhì)瓷。多孔鋁質(zhì)瓷。nOsteoceram在金屬上噴涂一層氧化鋁陶瓷，形成多孔狀，經(jīng)動物試在金屬上噴涂一層氧化鋁陶瓷，形成多孔狀，經(jīng)動物試驗證明驗證明4周后植入物在骨中固定牢固。周后植入物在骨中固定牢固。2022-3-2129關(guān)于固定關(guān)于固定n采用骨水泥進(jìn)行固定。采用骨水泥進(jìn)行固定。n有機(jī)骨水泥。有機(jī)骨水泥。PMMA。n無機(jī)骨水泥。磷酸鹽骨水泥。無

24、機(jī)骨水泥。磷酸鹽骨水泥。2022-3-2130B、關(guān)于磨損、關(guān)于磨損n氧化鋁陶瓷用于人工關(guān)節(jié)時，與對磨部分之間的氧化鋁陶瓷用于人工關(guān)節(jié)時，與對磨部分之間的相對運(yùn)動產(chǎn)生磨損。相對運(yùn)動產(chǎn)生磨損。2022-3-2131關(guān)于磨損關(guān)于磨損n近期的研究集中在人工關(guān)節(jié)磨擦損耗性能方面。近期的研究集中在人工關(guān)節(jié)磨擦損耗性能方面。由聚乙烯的磨擦殘骸引起的骨質(zhì)溶解是現(xiàn)代整體由聚乙烯的磨擦殘骸引起的骨質(zhì)溶解是現(xiàn)代整體關(guān)節(jié)成型術(shù)中最大的問題。關(guān)節(jié)成型術(shù)中最大的問題。n法國和德國自法國和德國自1970年以來，年以來，A12O3全髖關(guān)節(jié)成型全髖關(guān)節(jié)成型術(shù)已在臨床上應(yīng)用。術(shù)已在臨床上應(yīng)用。1977年年Selmlitshe等

25、發(fā)現(xiàn)等發(fā)現(xiàn)A12O3關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)頭與A12O3或聚乙烯關(guān)節(jié)套之間的摩擦或聚乙烯關(guān)節(jié)套之間的摩擦損耗比損耗比Co-Cr合金關(guān)節(jié)頭與聚乙烯關(guān)節(jié)套間的要合金關(guān)節(jié)頭與聚乙烯關(guān)節(jié)套間的要小，而且，與小，而且，與A12O3摩擦所產(chǎn)生的聚乙烯殘留物摩擦所產(chǎn)生的聚乙烯殘留物比金屬的低。比金屬的低。2022-3-2132關(guān)于磨損關(guān)于磨損n大量臨床研究表明，大量臨床研究表明，A12O3陶瓷股骨頭與陶瓷股骨頭與A12O3關(guān)關(guān)節(jié)套之間的摩擦殘留物減少節(jié)套之間的摩擦殘留物減少10%。Sedel等報道等報道A12O3全能關(guān)節(jié)從未發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)溶解，用聚乙烯則全能關(guān)節(jié)從未發(fā)現(xiàn)骨質(zhì)溶解，用聚乙烯則發(fā)生過。陶瓷關(guān)節(jié)頭的斷裂在發(fā)生過。

26、陶瓷關(guān)節(jié)頭的斷裂在1970年和年和1980年曾年曾有報道，但由于陶瓷關(guān)節(jié)頭加工和設(shè)計的改進(jìn)，有報道，但由于陶瓷關(guān)節(jié)頭加工和設(shè)計的改進(jìn)，這種情況已很少發(fā)生。這種情況已很少發(fā)生。A12O3全膝關(guān)節(jié)已設(shè)計并全膝關(guān)節(jié)已設(shè)計并用于臨床。用于臨床。n材料設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，部件匹配降低磨損材料設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計，部件匹配降低磨損2022-3-2133關(guān)于磨損關(guān)于磨損nA12O3全膝關(guān)節(jié)也已設(shè)計并用于臨床。全膝關(guān)節(jié)也已設(shè)計并用于臨床。2022-3-2134關(guān)于磨損關(guān)于磨損n仿生天然動物關(guān)節(jié)的潤滑系統(tǒng)，在人工關(guān)節(jié)中引入中間介質(zhì)仿生天然動物關(guān)節(jié)的潤滑系統(tǒng)，在人工關(guān)節(jié)中引入中間介質(zhì)“復(fù)合滑液復(fù)合滑液”及其相應(yīng)存儲機(jī)構(gòu)及其

27、相應(yīng)存儲機(jī)構(gòu)“仿生關(guān)節(jié)囊仿生關(guān)節(jié)囊”，以優(yōu)化現(xiàn)有人工關(guān)節(jié)潤滑系統(tǒng)。這樣的一個包括人工關(guān)節(jié)摩擦配副、復(fù)合，以優(yōu)化現(xiàn)有人工關(guān)節(jié)潤滑系統(tǒng)。這樣的一個包括人工關(guān)節(jié)摩擦配副、復(fù)合滑液及其人造關(guān)節(jié)囊的新型人工關(guān)節(jié)潤滑系統(tǒng)，既能供應(yīng)、儲藏滑液，又能防止磨損顆粒外滑液及其人造關(guān)節(jié)囊的新型人工關(guān)節(jié)潤滑系統(tǒng)，既能供應(yīng)、儲藏滑液，又能防止磨損顆粒外卸、抑止異物反應(yīng)，為從根本上解決人工關(guān)節(jié)松動問題、延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命探索出一卸、抑止異物反應(yīng)，為從根本上解決人工關(guān)節(jié)松動問題、延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命探索出一條新途徑。條新途徑。 (a) 仿錘型仿生關(guān)節(jié): 1-仿生關(guān)節(jié)囊，2-股骨，3-脛骨，4-關(guān)節(jié)腔(b) 碗型仿生關(guān)

28、節(jié): 1-關(guān)節(jié)柄，2-仿生關(guān)節(jié)囊，3-關(guān)節(jié)腔，4-臼，5-球頭2022-3-2135提高純度提高純度n高純超細(xì)氧化鋁粉，硫酸鋁銨制高純氧化鋁粉高純超細(xì)氧化鋁粉，硫酸鋁銨制高純氧化鋁粉2022-3-2136氧化鋁陶瓷近期研究重點(diǎn)氧化鋁陶瓷近期研究重點(diǎn)n進(jìn)一步提高力學(xué)性能進(jìn)一步提高力學(xué)性能n提高表面生物活性提高表面生物活性2022-3-2137A、單晶氧化鋁陶瓷、單晶氧化鋁陶瓷n單晶氧化鋁陶瓷單晶氧化鋁陶瓷(又稱為寶石又稱為寶石)也可用作生物醫(yī)用材料。由于氧化也可用作生物醫(yī)用材料。由于氧化鋁單晶結(jié)構(gòu)更為完整，無脆弱的晶界相，在應(yīng)力作用下不易出鋁單晶結(jié)構(gòu)更為完整，無脆弱的晶界相，在應(yīng)力作用下不易出現(xiàn)

29、微裂紋和裂紋擴(kuò)展，因而表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度以及更好的耐酸現(xiàn)微裂紋和裂紋擴(kuò)展，因而表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度以及更好的耐酸性和生物相容性。性和生物相容性。n單晶氧化鋁骨釘埋入體內(nèi)單晶氧化鋁骨釘埋入體內(nèi)1年后無任何腐蝕現(xiàn)象，表面牢固附著的年后無任何腐蝕現(xiàn)象，表面牢固附著的生物組織沒有炎癥發(fā)生。生物組織沒有炎癥發(fā)生。n由于氧化鋁單晶與人體蛋白質(zhì)有良好的親和性，因此在骨折由于氧化鋁單晶與人體蛋白質(zhì)有良好的親和性，因此在骨折內(nèi)固定和齒科方面的應(yīng)用已引起了世界各國的重視。有些國內(nèi)固定和齒科方面的應(yīng)用已引起了世界各國的重視。有些國家已大量應(yīng)用于臨床，獲得了良好的療效。家已大量應(yīng)用于臨床，獲得了良好的療效。2022-3-2

30、1382022-3-2139單晶氧化鋁單晶氧化鋁n氧化鋁單晶具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度，不易折斷，氧化鋁單晶具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度，不易折斷，因此在用于人工關(guān)節(jié)柄方面，它比氧化鋁多晶陶因此在用于人工關(guān)節(jié)柄方面，它比氧化鋁多晶陶瓷更具優(yōu)勢；氧化鋁單晶可以作為損傷骨的固定瓷更具優(yōu)勢；氧化鋁單晶可以作為損傷骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺釘，比用金屬材料材料，主要用于制作人工骨螺釘，比用金屬材料制成的人工骨螺釘強(qiáng)度高；氧化鋁單晶還可以加制成的人工骨螺釘強(qiáng)度高；氧化鋁單晶還可以加工成各種尺寸小、強(qiáng)度大的牙根。工成各種尺寸小、強(qiáng)度大的牙根。n由于氧化鋁單晶與人體蛋白質(zhì)有良好的親和性，由于氧化鋁單晶與人體蛋白質(zhì)

31、有良好的親和性，結(jié)合力強(qiáng)，因此有利于牙齦粘膜與植入材料的附結(jié)合力強(qiáng)，因此有利于牙齦粘膜與植入材料的附著。著。2022-3-2140單晶氧化鋁的制備單晶氧化鋁的制備n提拉法。把原料裝入坩堝內(nèi)，將坩堝置于爐內(nèi)，加熱使原料完全熔化，提拉法。把原料裝入坩堝內(nèi)，將坩堝置于爐內(nèi)，加熱使原料完全熔化，把裝在籽晶桿上的籽晶浸漬到熔體中與液面接觸，精密調(diào)整和控制溫把裝在籽晶桿上的籽晶浸漬到熔體中與液面接觸，精密調(diào)整和控制溫度，緩緩向上提拉籽晶桿，并以一定的速率旋轉(zhuǎn)，使結(jié)晶過程在固液度，緩緩向上提拉籽晶桿，并以一定的速率旋轉(zhuǎn)，使結(jié)晶過程在固液界面上連續(xù)進(jìn)行，直到晶體生長達(dá)到預(yù)定長度為止。界面上連續(xù)進(jìn)行，直到晶體生

32、長達(dá)到預(yù)定長度為止。-氧化鋁高溫熔化提拉單晶單晶氧化鋁陶瓷2022-3-2141單晶氧化鋁的制備單晶氧化鋁的制備n焰熔法。將原料裝在料斗內(nèi)，下降通過倒裝的氫氧焰噴嘴，將焰熔法。將原料裝在料斗內(nèi)，下降通過倒裝的氫氧焰噴嘴，將其熔化后沉積在保溫爐內(nèi)的耐火材料托柱上，形成一層熔化層，其熔化后沉積在保溫爐內(nèi)的耐火材料托柱上，形成一層熔化層，在托柱下降的過程中同時結(jié)晶。用這種方法制備氧化鋁單晶，在托柱下降的過程中同時結(jié)晶。用這種方法制備氧化鋁單晶，晶體生長速率快，工藝較簡單，不需要昂貴的銥金坩堝和容器，晶體生長速率快，工藝較簡單，不需要昂貴的銥金坩堝和容器，因此成本低。因此成本低。-氧化鋁噴焰熔化移動降

33、溫結(jié)晶單晶氧化鋁陶瓷H2、O22022-3-2142單晶氧化鋁的制備單晶氧化鋁的制備n導(dǎo)模法。導(dǎo)模法簡稱導(dǎo)模法。導(dǎo)模法簡稱RFG法。在擬定生長的單晶物質(zhì)熔體中，放進(jìn)法。在擬定生長的單晶物質(zhì)熔體中，放進(jìn)與所擬生長的晶體截面形狀相同的空心模子即導(dǎo)模，模子所用材料應(yīng)與所擬生長的晶體截面形狀相同的空心模子即導(dǎo)模，模子所用材料應(yīng)能使熔體充分潤濕，而又不發(fā)生反應(yīng)。由于毛細(xì)管力的作用，熔體上能使熔體充分潤濕，而又不發(fā)生反應(yīng)。由于毛細(xì)管力的作用，熔體上升，到模子的頂端面形成一層薄的熔體面。將晶種浸饋到熔體中，便升，到模子的頂端面形成一層薄的熔體面。將晶種浸饋到熔體中，便可提拉出截面與模子頂端截面形狀相同的晶體

34、。可提拉出截面與模子頂端截面形狀相同的晶體。n氣相化學(xué)沉積法。將金屬的氫氧化物、鹵化物或金屬有機(jī)物蒸氣相化學(xué)沉積法。將金屬的氫氧化物、鹵化物或金屬有機(jī)物蒸發(fā)成氣相，或者用適當(dāng)?shù)臍怏w作為載體，輸送到使其凝聚的較發(fā)成氣相，或者用適當(dāng)?shù)臍怏w作為載體，輸送到使其凝聚的較低溫度帶內(nèi)，通過化學(xué)反應(yīng)，在一定的襯底上沉積形成薄膜晶低溫度帶內(nèi)，通過化學(xué)反應(yīng)，在一定的襯底上沉積形成薄膜晶體。體。2022-3-2143B、氧化鋁陶瓷的表面改性、氧化鋁陶瓷的表面改性nA12O3陶瓷的彈性模量和骨相差很大，陶瓷的彈性模量和骨相差很大，A12O3陶瓷陶瓷的高彈性模量，可能引起骨組織的應(yīng)力，從而引的高彈性模量，可能引起骨組

35、織的應(yīng)力，從而引起骨組織的萎縮和關(guān)節(jié)松動。起骨組織的萎縮和關(guān)節(jié)松動。n氧化鋁不具有生物活性，無法與周圍正常體組織氧化鋁不具有生物活性，無法與周圍正常體組織形成骨性結(jié)合，故長期使用也可能會出現(xiàn)松動，形成骨性結(jié)合，故長期使用也可能會出現(xiàn)松動，引發(fā)人體的不良反應(yīng)。引發(fā)人體的不良反應(yīng)。n為了使植入物更好地與宿主骨結(jié)合，近年來，有為了使植入物更好地與宿主骨結(jié)合，近年來，有些學(xué)者致力于研制和應(yīng)用羥基磷灰石涂層的些學(xué)者致力于研制和應(yīng)用羥基磷灰石涂層的A12O3生物陶瓷涂層材料。生物陶瓷涂層材料。2022-3-2144表面改性表面改性nKyuseog Hwang等人把羥基磷灰石噴涂在等人把羥基磷灰石噴涂在A1

36、2O3基體上，將涂層在基體上，將涂層在3000預(yù)燒預(yù)燒60秒，這樣重復(fù)多秒，這樣重復(fù)多次操作后，次操作后，A12O3基體上的涂層達(dá)到一定厚度時，基體上的涂層達(dá)到一定厚度時，再在再在500700的溫度下熱處理的溫度下熱處理3分鐘。分鐘。n通過通過XRD、 FTIR以及以及DSC-TG等分析表明，經(jīng)等分析表明，經(jīng)500熱處理的試樣，羥基磷灰石開始結(jié)晶化，并熱處理的試樣，羥基磷灰石開始結(jié)晶化，并且碳酸根進(jìn)入羥基磷灰石晶格內(nèi)。隨著熱處理溫且碳酸根進(jìn)入羥基磷灰石晶格內(nèi)。隨著熱處理溫度的升高，羥基磷灰石的結(jié)晶度得到提高，在度的升高，羥基磷灰石的結(jié)晶度得到提高，在700熱處理時，可獲得的結(jié)晶度較高的含碳酸根

37、熱處理時，可獲得的結(jié)晶度較高的含碳酸根的羥基磷灰石涂層。的羥基磷灰石涂層。2022-3-2145表面改性表面改性nDonglu Shi等采用多孔氧化鋁作基體，將它浸入等采用多孔氧化鋁作基體，將它浸入到羥基磷灰石懸浮液中，控制懸浮液的粘度和浸到羥基磷灰石懸浮液中，控制懸浮液的粘度和浸入時間，得到所需厚度的涂層。干燥后先預(yù)熱到入時間，得到所需厚度的涂層。干燥后先預(yù)熱到400除去有機(jī)物，再在除去有機(jī)物，再在900鍛燒，得到機(jī)械強(qiáng)鍛燒，得到機(jī)械強(qiáng)度高、生物活性好的涂層材料。度高、生物活性好的涂層材料。n實(shí)驗還表明，由于多孔氧化鋁的表面積大，有利實(shí)驗還表明，由于多孔氧化鋁的表面積大，有利于骨組織的長入，

38、它的生物活性要比以致密氧化于骨組織的長入，它的生物活性要比以致密氧化鋁陶瓷為基體所制得涂層的活性高。鋁陶瓷為基體所制得涂層的活性高。2022-3-2146表面改性表面改性nCheol Y Kim等設(shè)計了兩種熱膨脹系數(shù)不同的等設(shè)計了兩種熱膨脹系數(shù)不同的Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物玻璃，分別作為底層系生物玻璃，分別作為底層和表面層噴在和表面層噴在A12O3基體上，這樣可以緩沖由于基體上，這樣可以緩沖由于表面層生物玻璃和表面層生物玻璃和A12O3基體膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)基體膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。生的熱應(yīng)力。n該涂層經(jīng)該涂層經(jīng)1200熱處理后，浸泡在生理溶液中熱處理后，浸泡在生理溶液中

39、24小時，發(fā)現(xiàn)有羥基磷灰石在表面生成，這表明，小時，發(fā)現(xiàn)有羥基磷灰石在表面生成，這表明，A12O3基體經(jīng)表面改性后，形成了一種既有良好基體經(jīng)表面改性后，形成了一種既有良好的生物活性又具有較好力學(xué)性能的生物活性涂層的生物活性又具有較好力學(xué)性能的生物活性涂層材料。材料。2022-3-21472、氧化鋯陶瓷、氧化鋯陶瓷n在在20世紀(jì)世紀(jì)80年代后期，人們將部分燒結(jié)穩(wěn)定氧化年代后期，人們將部分燒結(jié)穩(wěn)定氧化鋯用作骨頭取代燒結(jié)氧化鋁材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化鋯用作骨頭取代燒結(jié)氧化鋁材料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氧化鋯顯示出更高的機(jī)械強(qiáng)度與抗破壞韌性。由于這鋯顯示出更高的機(jī)械強(qiáng)度與抗破壞韌性。由于這一研究成果的推廣，到一研究成果的

40、推廣，到20世紀(jì)世紀(jì)90年代中期，氧化年代中期，氧化鋯陶瓷骨也已成功地用在臨床治療上。鋯陶瓷骨也已成功地用在臨床治療上。2022-3-2148氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷n使用燒結(jié)氧化鋯陶瓷，可以使骨頭直徑變細(xì)，從使用燒結(jié)氧化鋯陶瓷，可以使骨頭直徑變細(xì)，從而使骨臼蓋變小，可以減少周圍骨骼的切削量。而使骨臼蓋變小，可以減少周圍骨骼的切削量。采用股關(guān)節(jié)模擬的牛血漿做磨損試驗，證明氧化采用股關(guān)節(jié)模擬的牛血漿做磨損試驗，證明氧化鋯陶瓷骨頭比氧化鋁陶瓷骨頭具有更高的耐磨耗鋯陶瓷骨頭比氧化鋁陶瓷骨頭具有更高的耐磨耗特性，成為新一代生物陶瓷材料。特性，成為新一代生物陶瓷材料。n作為生物惰性材料，氧化鋯在體內(nèi)基本上不

41、吸收作為生物惰性材料，氧化鋯在體內(nèi)基本上不吸收或很少吸收?；蚝苌傥铡氧化鋯具有優(yōu)良的力學(xué)性能，部分穩(wěn)定氧化鋯陶氧化鋯具有優(yōu)良的力學(xué)性能，部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的抗彎強(qiáng)度可達(dá)瓷的抗彎強(qiáng)度可達(dá)1000MP，斷裂韌性可達(dá)，斷裂韌性可達(dá)15MPa1/2。2022-3-2149氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷n氧化鋯優(yōu)秀的力學(xué)性能主要來自于它的多晶相變。氧化鋯優(yōu)秀的力學(xué)性能主要來自于它的多晶相變。氧化鋯有三種分別存在于不同溫度范圍并可相互氧化鋯有三種分別存在于不同溫度范圍并可相互轉(zhuǎn)化的晶型：單斜相轉(zhuǎn)化的晶型：單斜相(m-ZrO2)、四方相、四方相(t-ZrO2)及及立方相立方相(o-ZrO2)，其中，其中m-ZrO

42、2與與t-ZrO2之間的轉(zhuǎn)之間的轉(zhuǎn)變是馬氏體相變，相變過程中伴有變是馬氏體相變，相變過程中伴有14%的晶格切的晶格切變和變和3-5%的體積改變。的體積改變。n純氧化鋯熔點(diǎn)在純氧化鋯熔點(diǎn)在2710，通常室溫下僅以單斜相，通常室溫下僅以單斜相形式存在，但在加入適量有利于穩(wěn)定四方相的形式存在，但在加入適量有利于穩(wěn)定四方相的MgO、Y2O3、CaO及及La2O3等氧化物時，其熔點(diǎn)等氧化物時，其熔點(diǎn)可降至可降至2500左右，并可使四方相氧化鋯穩(wěn)定的左右，并可使四方相氧化鋯穩(wěn)定的存在于室溫甚至于室溫以下。存在于室溫甚至于室溫以下。2022-3-2150氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷n穩(wěn)定化的氧化鋯陶瓷穩(wěn)定化的氧化鋯

43、陶瓷(fully stabilized zirconia，F(xiàn)SZ) l為了消除體積變化的破壞作用，通常在純?yōu)榱讼w積變化的破壞作用，通常在純ZrO2中加入中加入適量立方晶型氧化物。在高溫?zé)Y(jié)時它們與適量立方晶型氧化物。在高溫?zé)Y(jié)時它們與ZrO2形成形成立方固溶體，消除了單斜相與四方相的轉(zhuǎn)變。立方固溶體，消除了單斜相與四方相的轉(zhuǎn)變。lFSZ是理想的高溫隔熱材料，可用作高溫爐內(nèi)襯和耐熱是理想的高溫隔熱材料，可用作高溫爐內(nèi)襯和耐熱涂層。其化學(xué)穩(wěn)定性好，與周期表中涂層。其化學(xué)穩(wěn)定性好，與周期表中5、6、7族元素不族元素不發(fā)生發(fā)應(yīng)，可制作熔煉這些金屬的坩堝。由于明顯的高發(fā)生發(fā)應(yīng)，可制作熔煉這些金屬的坩堝。由于明顯的高溫離子導(dǎo)電特性，可以作為發(fā)熱元件、高溫電極材料和溫離子導(dǎo)電特性，可以作為發(fā)熱元件、高溫電極材料和產(chǎn)生紫外線的燈。還可利用氧離子傳導(dǎo)特性制成氧氣傳產(chǎn)生紫外線的燈。還可利用氧離子傳導(dǎo)特性制成氧氣傳感器，進(jìn)行氧濃度檢測。感器，進(jìn)行氧濃度檢測。2022-3-2151氧化鋯陶瓷氧化鋯陶瓷n部分穩(wěn)定氧化鋯部分穩(wěn)定氧化鋯(partly stabilized zirconia，PSZ)l在在ZrO2穩(wěn)定化過程中，如果穩(wěn)定劑添加量不足，就不穩(wěn)定化過程中，如果穩(wěn)定劑添加量不足，就不會完全轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的立方相，而是形成由立方相和四