第五章生物功能玻璃

1、第五章第五章 生物功能玻璃生物功能玻璃5.1 5.1 概述概述 生物功能玻璃是指能夠滿足或達(dá)到特定生物、生理功能的特種玻璃。 生物功能玻璃的研究已達(dá)二十多年，現(xiàn)已成為材料學(xué)、生物化學(xué)以及分子生物學(xué)的交叉學(xué)科。由于生物玻璃具有人體硬或軟生命組織有機聯(lián)結(jié)的特點，在骨科、牙科、中耳等方面，對人體的傷害部位可進行修護治療以至康復(fù)，其前景可觀。 用作生物體材料的條件1、無毒，對人體組織無刺激、無致癌性、不造成血栓、對人體無其它有害的副作用；2、與生物體組織具有親和性，即相容性較好；3、與周圍的骨骼及其它組織能夠牢固地相結(jié)合（希望形成化學(xué)鍵合）；4、抗張、抗彎、抗壓以及抗剪切等強度比自然骨骼大，在人體中各

2、種強度的疲勞（強度隨時間降低的現(xiàn)象）較??；5、耐磨損性較強；6、硬度與彈性要與自然骨骼相同；7、易于加工成型；8、消毒方便。 可以說1、2、3都是生物學(xué)條件，4、5、6都是力學(xué)條件，而7、8是便于使用的條件。 含有CaO、P2O5兩種成分的羥基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2晶體，是構(gòu)成生物體的自然骨骼的重要無機物質(zhì)。即在骨骼中，直徑為數(shù)10nm以下的羥基磷灰石微晶約占77，纖維蛋白骨膠原約占23。 5.2 生物玻璃的分類、組成及制備5.2.1 5.2.1 分類分類 第一類 可相容的生物玻璃，以Na2OCaOSiO2 P2O5系統(tǒng)的45S5為代表，其表面能夠在生物體溶液作用下出現(xiàn)溶解或生產(chǎn)

3、離子交換，或與生物的骨骼、牙齒等相互結(jié)合，但它本身卻不能全部出現(xiàn)替換。 第二類 相容性與活性結(jié)合良好的生物玻璃，主要是以以CaOP2O5系統(tǒng)為基礎(chǔ)的玻璃和微晶玻璃。這種玻璃既無毒性也呈生物活性既無毒性也呈生物活性，其組分與生物體本身的組織如骨骼和牙齒的組成較為相近，材料將與人體組織成鍵聯(lián)結(jié)，生物親和性好，可以參與新陳代謝，是較為理想的生物材料。 第三類 可相容但無活性的生物玻璃，一般不與生物體組織完全結(jié)合，以MgOAl2O3 SiO2系堇青石微晶玻璃為代表。 5.2.2 生物玻璃的化學(xué)組成及制備 生物玻璃由鈉、鈣、硅、磷的氧化物組成，其制備工藝有兩種：1、經(jīng)高溫熔制、成型再退火，成分范圍為（w

4、t%）： SiO2 42.165.7 ； Na2O 1526.3 ；CaO 11.7626.9 ； CaF2 010.8 P2O5 1.73.0 ； B2O3 01.8 ；Al2O3 00.6（如生物玻璃45S5：SiO2 45 ；Na2O 24.5；CaO 24.5 ； P2O56； ） 2、用溶膠凝膠法，有利于制備形狀較為復(fù)雜的產(chǎn)品。 成分范圍為（wt%）： SiO2 5090 ； CaO 646 ； P2O5 4 5.3 生物玻璃的物理與化學(xué)性質(zhì) 生物玻璃的孔隙率、比表面積、孔徑大小和分布、機械強度和硬度以及化學(xué)吸附性、化學(xué)穩(wěn)定性和表面離子交換性質(zhì)是很重要的性質(zhì)。 幾種材料的性能對比 材

5、料性能天然牙齒天然骨一般瓷牙生物微晶玻璃硬度（Knoop）360360390390 460460360360370370耐壓強度/MPa） 410410170170180180350350膨脹系數(shù)/11.411.410106 68 8111110106 64.14.110106 610.110.110106 6密度/g/cm32.92.93.03.01.71.72.42.42.72.7結(jié)晶程度 - 5050707050505.3.1 生物玻璃的氣孔分布與強度1、影響強度的因素： 生物玻璃或微晶玻璃的氣孔率對強度有顯著的影響。當(dāng)材料氣孔率較高時強度較低，若材料燒結(jié)得很致密，氣孔率低，則強度較高。

6、但強度大小并不是由氣孔率決定的，影響強度的重要因素還有晶相性質(zhì)、晶相尺寸、晶相和玻璃相的比例以及它們之間的分布結(jié)合情況。（若不采用燒結(jié)法，通常是沒有氣孔的。） 2、氣孔對材料生物活性的影響 有關(guān)醫(yī)學(xué)試驗表明，當(dāng)材料中存在100um的氣孔，對新骨組織的形成是有利的。因此，按實際應(yīng)用時的活性作比較，多孔玻璃比無孔玻璃要好些。但是，多孔材料的強度較差。從各方面權(quán)衡利弊，目前似乎一致認(rèn)為，如果材料活性好，在較短時間內(nèi)可與生物本身組織長合在一起，則原始強度稍差也沒有關(guān)系，特別是植入受力影響小的部位，更是無礙。 有些材料即使強度很高，而生物活性不好，甚至是惰性的（如氧化鋁瓷），則植入后只能讓活組織包覆于其

7、上，雖說材料是生物相容的，實際上并不能互相合一，所以結(jié)合面上的強度不會有所提高，本質(zhì)上反而不如初始強度低而活性好的材料能夠在植入后期產(chǎn)生高的強度。 5.3.2 5.3.2 生物玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和活性生物玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和活性 生物玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性不僅是指材料本身在化學(xué)介質(zhì)中耐受侵蝕的問題，同時也是同活性相關(guān)的。一般來講，具有生物相容性的玻璃，它們的化學(xué)穩(wěn)定性可能表現(xiàn)極好（如MgOAl2O3 TiO2SiO2系統(tǒng)微晶玻璃，幾乎是惰性材料，無活性）；或者表現(xiàn)較差；或易于溶解吸收讓組成物參與新陳代謝，但在生物活性上表現(xiàn)出一定的差別（45S5玻璃中的SiO2含量較低，不足以形成連續(xù)堅強的網(wǎng)架，玻璃中的

8、Na離子容易瀝濾掉，同時，鈣、磷組分便容易參與生物體內(nèi)的代謝，并使新生骨基質(zhì)存在依附的處所）。1、CaOP2O5系統(tǒng)玻璃 該系統(tǒng)玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性受玻璃組成中CaO/P2O5比影響很大，尤其是玻璃中如果發(fā)生了分相，化學(xué)穩(wěn)定性的表現(xiàn)更為復(fù)雜?？偟膩碚f，CaOP2O5系統(tǒng)玻璃或微晶玻璃對生物體的相容性和活性是良好的。如果CaO/P2O5越高，則材料與天然骨組成越接近，材料的化學(xué)穩(wěn)定性越差，也就越容易降解或轉(zhuǎn)化；但是CaO/P2O5比太高，則形成玻璃有困難。 在某些情況下，CaO/P2O5比較低的玻璃會分相：在分出的富鈣相中，CaO/P2O5比例明顯增高，導(dǎo)致該相組成向天然骨組成靠攏，即使一旦析晶，其

9、晶相與生物體骨質(zhì)也易互相配合，且又伴隨著分出玻璃相化學(xué)穩(wěn)定性的下降，該相的生物活性將有所提高。在分出的富磷相中，由于玻璃結(jié)構(gòu)中PO4存在著一個雙鍵氧，結(jié)構(gòu)比較疏松，化學(xué)穩(wěn)定性也不好，因此，這種富磷玻璃相或晶相，也可參與代謝而得到轉(zhuǎn)化。 2、CaOMgOSiO2P2O5系統(tǒng)微晶玻璃 析出的晶相有磷灰石和硅灰石。雖然這兩種晶體的化學(xué)穩(wěn)定性比CaOP2O5系統(tǒng)分出的玻璃相好，與生物體骨骼的結(jié)合也不差，但降解取代作用有所減弱。 3、CaOCaF2Al2O3SiO2系統(tǒng)玻璃 主要作為玻璃離子體粘固粉在口腔醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，與聚合酸（起調(diào)合作用）作用后較穩(wěn)定。這類玻璃中SiO2含量較低，堿土金屬離子和鋁離子含量

10、較高，而且有大量的F離子或一定量的P2O5。玻璃結(jié)構(gòu)中可能包含SiO4、SiO3F、PO4等四面體基團，在二價和三價陽離子的配入聯(lián)結(jié)下，玻璃結(jié)構(gòu)內(nèi)部將存在許多孤立四面體或聚集程度較小的四面體結(jié)構(gòu)基團。 在冷卻時，玻璃粘度增大很快，質(zhì)點無序排列，且該組成的玻璃具有很大的分相析晶能力，水淬玻璃出現(xiàn)組成局部不均勻，其中富鈣相化學(xué)穩(wěn)定性較差，易被酸性溶液所浸析，與聚合酸重新鍵合而粘固成一個整體。也就是說，玻璃離子體粘固粉與聚丙烯酸調(diào)合凝固后，生成一些復(fù)雜的無機和有機高分子共聚物，它們與表面受過侵蝕的玻璃顆粒以及新生的硅酸凝膠混合物，最終結(jié)成一個牢固的整體。 5.4 生物功能玻璃的應(yīng)用1、人造骨 不銹鋼

11、或鈦鋁合金的生物玻璃涂層和復(fù)合材料理想的人造骨既具有結(jié)構(gòu)強度又要具有生物活性，可惜目前結(jié)構(gòu)強度附合要求的人造骨材料都不具有生物活性，而包括生物玻璃在內(nèi)的生物陶瓷材料，雖具有生物活性，但由于其脆性，本身并不能作人骨材料。 而在不銹鋼、Co-Cr合金、Ti-Al合金上涂以生物玻璃涂層或?qū)⒉讳P鋼、鈦纖維與生物玻璃以4：6到6：4的體積比進行復(fù)合，使其在硬度、韌性以及彈性模量上與人骨匹配。此外，生物玻璃粉與某些特殊的溶劑混合配制成粘合劑，能使骨骼破裂損傷處合縫相聯(lián)。 2、中耳骨 是生物玻璃最早的產(chǎn)品，移植在人耳中，能使某些耳聾患者恢復(fù)不同程度的聽力，特別是輔以一些微電子裝置（助聽器），患者能恢復(fù)較理想

12、的聽力。 3、新型牙齒修補材料 要求：高強度、耐磨、耐沖擊；體積變化?。煌该骰虬胪该?；色彩穩(wěn)定、與口腔液體無反應(yīng)；與人體組織相容，無毒、無過敏；易操作、價格低。 補牙玻璃粉組成： SiO2 28.5 ；Al2O331.1；CaO11.0； Na2O8.7；P2O59.5；F18.3。 人工牙齒 以Corning公司的Dicor為代表，其典型化學(xué)成分為(wt%)： SiO2 54 56 ；Al2O3 0 2； MgO1520；K2O1218；F49； ZrO215；CeO20.05.4、藥物治療載體 藥物治療載體是生物玻璃最有前景的應(yīng)用之一。各種各樣的藥物儲存在多孔的生物玻璃中，然后植入人體的有

13、關(guān)關(guān)鍵部位，隨著生物玻璃表面反應(yīng)的進行，藥物將釋放，達(dá)到有的放矢的治病目的，此方法與傳統(tǒng)的注射方法相比，有均勻、長時間治療等優(yōu)點，有最大效率的療效。 近年來，利用玻璃治療癌癥方面有了新的突破。將玻璃送到癌腫器官附近，利用玻璃中的放射線或發(fā)熱而殺死癌細(xì)胞，前者如Day等發(fā)明YAS玻璃，這是一種由釔鋁硅酸鹽制成的比重很輕的玻璃微球，通過中子激活使釔成為能發(fā)射射線的Y90同位素。若將這些微球送到肝癌腫塊附近即可由射線輻射而殺死肝癌。后者為含F(xiàn)e2O3高達(dá)40wt的CaOSiO2微晶玻璃，將這些小粒狀玻璃放在骨癌周圍，它能與骨骼連結(jié)，通過磁場變換，使玻璃溫度處于43以上，即能有效地殺死癌細(xì)胞。 由于生物醫(yī)學(xué)玻璃對人體骨骼損傷的修復(fù)及對癌癥的治療具有獨特的療效,必將越來越受到人們的青睞，生物醫(yī)學(xué)玻璃具有廣闊的發(fā)