醫(yī)用無機(jī)材料

1、關(guān)于醫(yī)用無機(jī)材料第一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月18世紀(jì)初開始應(yīng)用。無毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，發(fā)展方向應(yīng)向開發(fā)復(fù)合（多相）生物材料以及在金屬基體上加涂無機(jī)生物陶瓷涂層（薄膜）材料的方面引導(dǎo)。 第一節(jié) 概述第二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 概述一 生物醫(yī)用無機(jī)材料的基本條件： 1.良好的生物相容性 2.雜質(zhì)元素及溶出物含量低 3.有效性 4.成型加工性能 5.良好的耐消毒滅菌性第三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月二 生物醫(yī)用無

2、機(jī)材料分類按照無機(jī)材料的成分和性質(zhì)分類 1.生物陶瓷材料 2.生物玻璃材料 3.生物玻璃陶瓷 4.生物醫(yī)用無機(jī)骨水泥 5.生物復(fù)合無機(jī)材料第四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物陶瓷主要是用于人體硬組織修 復(fù)和重建的生物醫(yī)學(xué)陶瓷材料。 生物陶瓷的類型和特點(diǎn)惰性生物陶瓷材料可吸收生物材料生物活性陶瓷可治療癌癥的生物陶瓷第五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 生物陶瓷一 生物陶瓷的發(fā)展概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 生物陶瓷材料是指與人體工程有關(guān)的可用于人體組織修復(fù)的一類陶瓷材料 具有以下特點(diǎn)： 在人體內(nèi)理化性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性； 材料的性能可通過成分設(shè)計(jì)進(jìn)行控制； 容易成形

3、，可按需要制成各種形狀和尺寸； 容易著色，是較理想的口腔材料。第六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月經(jīng)過近20 年的研究和發(fā)展，醫(yī)用生物陶瓷材料經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段： 生物隋性材料、 生物活性及可吸收材料 可再生組織的生物活性材料。第七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月結(jié)構(gòu)圖1 陶瓷顯微結(jié)構(gòu)示意圖由許多不規(guī)則晶粒所組成，中間有晶界隔開第八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月圖2、PTC-BaTiO3 半導(dǎo)體陶瓷第九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月雞蛋殼就是活的生物陶瓷。蛋殼是由活細(xì)胞所構(gòu)成，其中就有類似陶瓷的晶粒及晶界結(jié)構(gòu) 黑色或灰色為無機(jī)晶粒(長約1.0

4、 m，寬0.3 m)，屬方解石晶體(CaCO3)，有時(shí)為磷酸鈣，它們構(gòu)成骨架，在晶粒之間為晶界，是有機(jī)生命物質(zhì)。圖3 雞蛋殼中的晶粒及晶界第十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月二 生物陶瓷材料的分類按其生物性能,生物陶瓷可分為3類如表1 所示：第十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物陶瓷活性生物陶瓷：可被吸收的生物降解陶瓷：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性。在生物體內(nèi)與組織幾乎不發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)很小。如：氧化鋁陶瓷、碳、氧化鋯 陶瓷、氮化硅陶瓷等。在生理環(huán)境下與組織界面發(fā)生作用，形成化學(xué)鍵結(jié)合。如：羥基磷灰石等陶瓷及生物活性玻 璃，生物活性微晶玻璃。在生物體內(nèi)

5、可被逐漸降解，被骨組織吸收，并隨之為新生組織替代, 是一種骨的重建材料。如：磷酸三鈣等。惰性生物陶瓷：第十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月有各種不同的化學(xué)成分，根據(jù)其在生理環(huán)境中的化學(xué)活性和性質(zhì)可分為四類：近似于惰性：三氧化二鋁、氧化鋯等氧化物生物陶瓷，Si3N4、鈦酸鋇等非氧化物生物陶瓷以及醫(yī)用碳素等，這類材料長期暴露于生理環(huán)境下能保持穩(wěn)定。 表面活性：羥基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)與組織形成化學(xué)鍵性結(jié)合，起到了適合新生骨沉積的生理支架作用，也就是所謂的“骨引導(dǎo)”和“骨傳導(dǎo)”作用。第十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022

6、年6月可吸收性：如石膏、磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可逐漸被降解吸收，誘導(dǎo)骨質(zhì)生長，并隨之被新組織所替代，從而達(dá)到修復(fù)或替換病損組織的目的 。復(fù)合型：生物陶瓷與生物陶瓷或與其他無機(jī)材料、有機(jī)材料復(fù)合而成的復(fù)合型材料。根據(jù)臨床的不同要求可以制成不同類型的復(fù)合材料。 在臨床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系統(tǒng)的修復(fù)和替換，也可用于心血管系統(tǒng)的修復(fù)、制作藥物釋放和傳遞的載體。復(fù)合型的生物陶瓷還可以用于制造人工腱和韌帶等。第十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物陶瓷血管生物陶瓷骨體第十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月三 典型的生物陶瓷材料（一）惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷是一類暴

7、露于生物環(huán)境中，與組織幾乎不發(fā)生化學(xué)變化的材料，所引起的組織反應(yīng)主要表現(xiàn)為材料周圍會(huì)形成厚度不同的包裹性纖維膜。主要用于人體骨骼、關(guān)節(jié)及齒根的修復(fù)和替換，以及心臟瓣膜等 第十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月1.氧化鋁陶瓷 生物醫(yī)用氧化鋁陶瓷由高純Al2O3組成，主要晶相為剛玉（- Al2O3 ）的陶瓷材料，有穩(wěn)定的剛玉型結(jié)構(gòu)，屬于六方晶系，氧原子形成六方最緊密堆積，六個(gè)氧離子（離子半徑為0.132nm）圍成一個(gè)八面體，半徑較小的鋁離子（離子半徑為0.057nm）則處于八面體中心的空隙，單位晶胞是面心的菱面體第十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月1.2.氧化鋁陶瓷的性能

8、 A 化學(xué)組成和物理性能第十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月B 醫(yī)用氧化鋁陶瓷的幾個(gè)重要性能及要求第十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月 優(yōu)點(diǎn)：生物相容性良好，在人體內(nèi)穩(wěn)定性高， 機(jī)械強(qiáng)度較大。缺點(diǎn)：與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合，長時(shí)間后與骨的固定 會(huì)發(fā)生松弛；機(jī)械強(qiáng)度不高；楊氏模量過高(380GPa)；摩擦系數(shù)、磨耗速度較大。第二十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月措施：采用多孔氧化鋁 把氧化鋁陶瓷制成多孔質(zhì)形態(tài)，使骨組織 長入其孔隙而使植入體固定，保證植入物 與骨頭的良好結(jié)合。改善：將金屬與氧化鋁復(fù)合 在金屬表面形成多孔性氧化鋁薄層缺點(diǎn)：降低陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度，多孔氧

9、化鋁陶瓷的強(qiáng) 度隨空隙率的增加而急劇降低。只能用于不 負(fù)重或負(fù)重輕的部位。第二十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月致密的氧化鋁生物陶瓷與機(jī)體之間會(huì)形成一種形態(tài)性結(jié)合，即依靠組織長入材料表面的凹凸不平而實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖合。多孔的氧化鋁陶瓷，新生組織可長入空隙內(nèi)，會(huì)提高生物陶瓷與機(jī)體組織之間的結(jié)合強(qiáng)度。用于關(guān)節(jié)修復(fù)、牙根種植、制作骨折夾板與內(nèi)固定器件，最適用于人工關(guān)節(jié)頭和臼等承受摩擦力作用的部位。第二十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月 Al2O3-金屬組合全髖關(guān)節(jié) 第二十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月指作為生物醫(yī)學(xué)使用的各種碳素及其復(fù)合材料具有極好的抗血栓性，作

10、為生物醫(yī)學(xué)材料使用的主要有三種：玻璃碳、低溫各向同性碳和超低溫各向同性碳。這三種碳在生理環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，也不發(fā)生疲勞破壞，是生物相容性非常好的一類惰性材料。2 醫(yī)用碳材料(玻璃碳材、熱解碳、低溫氣相沉積碳)第二十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕且具有良好的潤滑性和抗疲勞特性；彈性模量和致密度與人骨大致相同；生物相容性好，特別是抗凝血性佳，與血細(xì)胞中的元素相容性極好，不影響血漿中的蛋白質(zhì)和酶 的活性。在人體內(nèi)不發(fā)生反應(yīng)和溶解，生物親和性良好， 耐蝕，對人體組織的力學(xué)刺激小。 第二十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月主要用于制造心血管修復(fù)體的重要材料、人工骨

11、、人工牙根、肌腱和人工韌帶等，還可用于人工軟骨、人工中耳、人工關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)磨損表面作為減磨涂層和血液凈化等。尤其是它的較高的抗血栓性、耐磨性、低比重和長期使用不劣化等性能，使碳素材料幾乎是目前唯一可選用的人工心臟瓣膜材料。 第二十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月組織工程人耳第二十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月三種主要類型的碳素材料：2.1 玻璃碳材：通過加熱預(yù)先成型的固態(tài)聚合物使易 揮發(fā)組分揮發(fā)掉而制得。玻璃碳制品特點(diǎn)：密度低，耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性好，但強(qiáng)度與韌性較低，只能用于力學(xué)性能要求不高的場合。第二十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.2 熱解碳熱解

12、碳優(yōu)良的力學(xué)特性和生物相容性是由于其有獨(dú)特的結(jié)構(gòu),而含一定量硅的各向同性熱解碳被證明耐久性更好,生物穩(wěn)定性更好。 層間堆疊是折皺無序或扭曲變形的，這種扭曲結(jié)構(gòu)使得熱解碳具有很好的耐久性。第二十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月制備：將甲烷、丙烷等碳?xì)浠衔锿ㄈ肓蚧仓校远栊詺怏w為載氣（N2）在1000-2400熱解、沉積而得。沉積層的厚度一般為1mm。 全熱解碳雙葉瓣人工心臟瓣膜彈性模量為20GPa，抗彎強(qiáng)度高達(dá)275-620MPa，韌性好，韌性比氧化鋁陶瓷高25倍。第三十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 低溫氣相沉積碳(ULTI碳)： 用電弧等離子體濺射或電子

13、束加熱碳源制取的各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在1m左右。特點(diǎn)：高密度和高強(qiáng)度，但僅作為薄的涂層材料使用。UTLI涂層與金屬的結(jié)合強(qiáng)度高，涂層的耐磨性良好，成為制造人工機(jī)械心臟瓣膜的理想材料。第三十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.4 碳纖維GB8718-88對碳纖維的定義：含碳量不低于93%的纖維狀材料。屬于有機(jī)物轉(zhuǎn)化而成的過渡態(tài)碳的一種結(jié)構(gòu)：以亂層石墨結(jié)構(gòu)形式存在具有碳素材料的特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕性第三十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）生物活性陶瓷 HAP生物活性陶瓷在生物體內(nèi)與周圍組織甚至軟骨組織形成較強(qiáng)

14、的化學(xué)鍵，用于骨組織修復(fù)。各種生物活性玻璃及羥基磷灰石等磷酸鹽材料。第三十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、羥基磷灰石(hydroxyapatite 簡稱HAP) 分子式是Ca10(PO4)6(OH)2,體積質(zhì)量為3.16g/cm3,性脆,折射率為1.641.65,微溶于水,水溶液呈弱堿性(pH79),易溶于酸, 難溶于堿,HAP是強(qiáng)離子交換劑 因?yàn)镠A占人體骨組成的70-97，所以修復(fù)骨組織HA較金屬和聚合物具有更好的效果：HA植入骨組織后，通過外延生長和骨產(chǎn)生牢固的化學(xué)鍵結(jié)合，即骨性結(jié)合。第三十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月HAP是人體內(nèi)骨和齒的重要組成部分

15、,如人骨成分中HA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約65%,人的牙齒釉質(zhì)中HA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則在95%以上,具有優(yōu)秀的生物相容性。HAP生物陶瓷脆性大，在生理環(huán)境中抗疲勞性能差，不用于人體承力部位的修復(fù)。因?yàn)镠A占人體骨組成的70-97，所以修復(fù)骨組織HA較金屬和聚合物具有更好的效果：HA植入骨組織后，通過外延生長和骨產(chǎn)生牢固的化學(xué)鍵結(jié)合，即骨性結(jié)合。第三十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物活性陶瓷的突出特點(diǎn)：隨著修復(fù)時(shí)間的延長，種植體表面形成與骨組織能夠化學(xué)鍵結(jié)合的生物羥基磷灰石(HCA)。HCA在化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)上與骨的無機(jī)組成相同， HCA結(jié)合層能阻擋種植體材料被腐蝕，具有極好的耐久力和抗疲勞性

16、能，從而在與骨的界面結(jié)合中發(fā)揮作用。HCA化學(xué)式(Ca,M)10(PO4,Co3,X)6(OH,F,Cl)2M: Mg, Na, K或Sr, Pb, BaX: HPO42-, SO42-, 硼酸鹽等第三十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月羥基磷灰石生物陶瓷羥基磷灰石涂層鈦基牙種植體是一種安全、方便的聽小骨缺損替代品，適用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造成聽小骨缺損、畸形的患者作聽小骨置換手術(shù)。 HA生物陶瓷聽小骨置換假體第三十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月 2、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)： 是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。Na2O-CaO-SiO2-

17、P2O5系列玻璃能與自然骨形成化學(xué)鍵結(jié)合，這是首次發(fā)現(xiàn)人造材料能與自然骨形成鍵結(jié)合。在臨床實(shí)踐上，生物玻璃已成功地用于做聽骨、胯骨脊椎及骨的填充物。第三十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物活性材料的本質(zhì)：通過磷灰石層與骨結(jié)合人造磷灰石與生物骨的磷灰石的結(jié)構(gòu)較為相近，使新生骨與生物活性陶瓷材料直接相連，當(dāng)骨內(nèi)的磷灰石與種植體表面磷灰石直接接觸時(shí)，兩者形成化學(xué)鍵，從而減少了生命材料與非生命材料之間的界面能，使界面結(jié)合良好。第三十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.多孔HAP陶瓷 人體的骨組織就是一種多孔的組織，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)應(yīng)力的變化，多孔羥基磷灰石的設(shè)計(jì)就是出于模

18、擬人體骨組織結(jié)構(gòu)的想法。多孔生物陶瓷種植體而言,決定骨長入方式和數(shù)量的因素 有：孔徑、孔率及孔的內(nèi)部連通性第四十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月孔隙的大小應(yīng)當(dāng)滿足骨單位和骨細(xì)胞生長所需的空間, 孔尺寸大于200m,是骨傳導(dǎo)的基本要求; 200400m最有利于新骨生長。當(dāng)孔隙率超過30%后,孔隙可以相互連通,新骨組織可以從人工骨表面長入內(nèi)部貫通性孔隙，孔隙率越高，越有利于新骨的長入，為滿足臨床應(yīng)用對力學(xué)性能的要求,一般種植體孔隙率在45%55%之間 第四十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月4.HAP陶瓷與骨鍵合的機(jī)制：HAP陶瓷植入骨內(nèi)后由成骨細(xì)胞在其表面直接分化形成骨基

19、質(zhì)，產(chǎn)生一個(gè)寬為35m的無定形電子密度帶，膠原纖維束長入此區(qū)域和細(xì)胞之間，骨鹽結(jié)晶在這個(gè)無定形帶中發(fā)生。隨著礦化的進(jìn)行，無定形帶縮小至0.050.2m，HAP植入體和骨的鍵合就是通過這個(gè)很窄的鍵合帶實(shí)現(xiàn)的。第四十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月HAP與骨形成鍵合的表現(xiàn)為：在光學(xué)顯微鏡下，新骨和HAP植入體在界面上直接接觸，其間無纖維組織存在；HAP植入體-骨界面的結(jié)合強(qiáng)度等于甚至超過植入體或骨自身的結(jié)合強(qiáng)度第四十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）可吸收生物陶瓷可吸收生物陶瓷在生物體內(nèi)，被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，最終使缺損的部位完全被新生的骨組織取代。主

20、要以-磷酸三鈣（-TCP）及硫酸鈣生物陶瓷為代表。第四十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月可吸收生物陶瓷降解效應(yīng)植人人體后材料逐漸被吸收，同時(shí) 新生骨逐漸長入而替代之，該效應(yīng) 稱為降解效應(yīng)。具有降解效應(yīng)的陶瓷材料可吸收生物陶瓷。主要應(yīng)用：臉部和額部的骨缺損，填補(bǔ)牙周的空 洞，還可作為藥物的載體。第四十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月石膏石膏的相容性雖好，但吸收速度太快，通常在新骨未長成就消耗殆盡而造成塌陷。-TCP移植后手術(shù)后8年-磷酸三鈣化學(xué)式為Ca3(PO4)2，簡稱-TCP。第四十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月-磷酸三鈣（-TCP） 在生理環(huán)境下

21、致密的-TCP可保持穩(wěn)定，而多孔型-TCP則發(fā)生生物降解和吸收，并被新骨逐步取代。 -TCP具有較好的生物相容性，植入體內(nèi)后血液中鈣磷比保持正常，無明顯毒性反應(yīng)和副作用。 第四十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月-TCP的降解過程一般主要分為以下幾個(gè)方面:材料的晶界被侵蝕，使其變成粒子被吸收。材料天然溶解形成新的表面相。新陳代謝的因素，如吞噬細(xì)胞的作用，導(dǎo)致材料的降解吸收。第四十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月控制-TCP的微觀結(jié)構(gòu)及組成可制備出不同降解速率的材料，如：隨表面積增大，材料結(jié)晶度降低，晶體結(jié)晶完整性下降，晶粒減小，以及被CO32-,F-,Mg2+等離子取

22、代而使降解加快等?？晌丈锾沾傻慕到夂臀粘苌鲜鲆蛩赜绊懲膺€受宿主的個(gè)體差異、植入部位等影響。要實(shí)現(xiàn)可吸收生物陶瓷的降解吸收與新骨替換同步進(jìn)行是相當(dāng)困難的，常出現(xiàn)溶解速度與新骨生長速度不匹配，導(dǎo)致局部塌陷。第四十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月可吸收生物陶瓷植入體內(nèi)后的降解過程：材料先被體液溶解和組織吸收，解體成小顆粒，然后這些小顆粒不斷被吞噬細(xì)胞所吞噬。具體機(jī)制： 生物化學(xué)溶解 是一種體液介導(dǎo)過程。溶解速率決定于多種因素，包括周圍體液成分和PH、材料的比表面積、材料的相組成和結(jié)構(gòu)、材料的結(jié)晶度和雜質(zhì)的種類及含量以及材料的溶度積等。 物理解體 是體液浸入陶瓷，導(dǎo)致由于燒結(jié)不完

23、全而殘留的微孔，使連接晶粒的“細(xì)頸”溶解，從而解體為微粒的過程。 生物因素 主要是細(xì)胞介導(dǎo)過程，如吞噬或遷移被解體的陶瓷微粒。第五十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）雙相生物陶瓷材料羥基磷灰石陶瓷材料有著優(yōu)良的生物相容性，能較快地引導(dǎo)骨再生，不通過中間介質(zhì)直接與骨鍵合，然而由于燒結(jié)后的羥基磷灰石晶體結(jié)晶度提高，所以在體內(nèi)很難降解。 -TCP比HAP有著更好的溶解性和降解性，但研究表明，-TCP降解速度太快，不能形成良好的骨鍵合，且過快的降解速度不利于體內(nèi)生物組織在材料上的附著，不利于誘導(dǎo)成骨。 混合不同比例的HAP和-TCP可得到雙相生物陶瓷材料，通過調(diào)節(jié)單相HAP和-TCP陶

24、瓷的比例，有望實(shí)現(xiàn)材料在體內(nèi)的降解速度與骨組織生長速度的匹配問題第五十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月四 生物陶瓷材料的應(yīng)用1.作為硬組織修復(fù)、替代、填充材料。2.用于耳鼻喉科的生物陶瓷材料3.用于治療癌癥的生物陶瓷材料第五十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月各種生物陶瓷在臨床上的應(yīng)用：1)能承受負(fù)載的矯形材料，用在骨科、牙科及頜面上 如：Al2O3陶瓷、穩(wěn)定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂 層(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相應(yīng)材料等 2)種植齒、牙齒增高 如：Al2O3陶瓷、氟聚合物金屬基復(fù)合材料、生物活性 玻璃、自固化磷酸鹽水泥和玻璃水泥、活性涂層材料等3)耳

25、鼻喉代用材料 如：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、 磷酸鹽陶瓷 4)人工肌腱和韌帶 如：PLA-碳纖維復(fù)合材料第五十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月5)人工心臟瓣膜 如：熱解碳涂層(抗凝血，摩擦系數(shù)小)6)可供組織長成的涂層(心血管、矯形、牙、額面 修復(fù)) 如：多孔Al2O3陶瓷7)骨的充填料 如：磷酸鈣及磷酸鈣鹽粉末或顆粒8)脊椎外科 如：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷9)義眼 如：生物玻璃、多孔羥基磷灰石第五十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月HAP涂層鈦基牙種植體是一種安全、方便的聽小骨缺損替代品，適用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造

26、成聽小骨缺損、畸形的患者作聽小骨置換手術(shù)。 HAP生物陶瓷聽小骨置換假體第五十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月可治療癌癥的生物陶瓷 如：由LiFe3O5和a-Fe2O3與Al2O5-SiO2-P2O5玻璃 體復(fù)合材料制得的高密度玻璃，具有熱磁性。具有耐腐蝕又能發(fā)射射線的生物陶瓷也可用于治療癌癥。如：Al2O5-SiO2-P2O5玻璃體復(fù)合材料，可以 被激發(fā)或發(fā)射射線。第五十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月五 生物陶瓷材料的發(fā)展方向1.大孔可吸收生物陶瓷2.生物活性復(fù)合陶瓷3.金屬表面梯度活性陶瓷涂層4.骨組織工程第五十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月第

27、三節(jié) 生物玻璃玻璃陶瓷（微晶玻璃）是指原始玻璃在成核劑作用下,經(jīng)過特殊的晶化熱處理,物相結(jié)構(gòu)從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫嗯c玻璃相均勻分布的微晶聚集體.晶化后,材料性能中最重要的變化是機(jī)械強(qiáng)度的提高,這主要是依賴于玻璃陶瓷顯微結(jié)構(gòu)的改變而實(shí)現(xiàn)的。與普通玻璃的主要區(qū)別是具有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)而與陶瓷的主要區(qū)別是它的結(jié)晶結(jié)構(gòu)要比陶瓷細(xì)得多。玻璃相與結(jié)晶相共存。第五十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月1、生物玻璃是經(jīng)特別設(shè)計(jì)的化學(xué)組成可誘發(fā)生物活性的含氧化硅化合物。一般把原料粉末按成分要求配比混合均勻，將粉末在高溫爐內(nèi)熔化，再將融化好的玻璃澆注成型（板、條、塊等形狀），然后在適當(dāng)溫度進(jìn)行退火處理（消除應(yīng)力）

28、，即可得到玻璃。如將某些玻璃在適當(dāng)?shù)母邷剡M(jìn)行晶化處理，則玻璃中可析出大量微小晶體，這樣的玻璃稱為微晶玻璃、結(jié)晶化玻璃或玻璃陶瓷。第五十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物玻璃材料大致可分為兩類：非活性的近似惰性的和生物活性的。在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：人工骨用生物醫(yī)學(xué)玻璃，它具有良好的耐酸堿腐蝕特性、生物相容性和耐磨性能；治療用生物醫(yī)學(xué)玻璃，可埋入腫瘤部位，通過在磁場下發(fā)熱的特性或其內(nèi)部的同位素放出的射線殺死癌細(xì)胞，也有良好的生物相容性；人工齒冠用生物醫(yī)學(xué)玻璃陶瓷，具有制作容易、審美性高、強(qiáng)度高、適應(yīng)性好、生物相容性好、類似天然齒等優(yōu)點(diǎn)。第六十張，PPT共一百零六頁，

29、創(chuàng)作于2022年6月活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含量低于60%，同時(shí)含有NaO以及CaOP2O5。這種材料生物相容性好，植入體內(nèi)后能在界面上通過一系列離子交換和溶解沉淀反應(yīng)，在其表面形成磷灰石晶體，殘留下的玻璃被巨嗜細(xì)胞侵蝕，玻璃表面被基質(zhì)類物質(zhì)覆蓋，玻璃附近的軟骨芽細(xì)胞和造骨細(xì)胞的增殖趨于活躍，不久就形成了骨膠原纖維和磷灰石結(jié)晶，從而和軟組織及組織成骨鍵合，骨組織和軟組織很容易在其表面生長，其生物活性主要與化學(xué)組成相關(guān)。這種材料強(qiáng)度低，斷裂韌性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齒等，也可作為鈦合金牙種植體的表面涂層。 第六十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月一 生

30、物活性玻璃定義包含兩個(gè)方面含義： 從材料學(xué)觀點(diǎn)看，這是具有有限溶解度的材料，在生理環(huán)境下能產(chǎn)生表面溶解或降解，通過與組織間物質(zhì)交換產(chǎn)生骨礦物成分磷灰石富集，達(dá)到骨間的化學(xué)結(jié)合 從生物學(xué)角度而言，植入體能與骨直接結(jié)合，即在界面沒有纖維組織膜或者此膜很薄，形成所謂骨性結(jié)合界面，被視為生物活性材料的主要標(biāo)志。什么是玻璃的“生物活性” ？第六十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月二 結(jié)構(gòu)生物活性玻璃一般含有CaO、P2O5，部分含有SiO2、MgO、K2O、Na2O、Al2O3、B2O3、TiO2等玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：網(wǎng)絡(luò)形成體：硅氧四面體或磷氧四面體，網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體：堿金屬及堿土金屬氧化物，網(wǎng)絡(luò)形成

31、體之間通過橋氧連接，非橋氧則連接網(wǎng)絡(luò)形成體和網(wǎng)絡(luò)調(diào)整體原子第六十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物玻璃結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：隨著堿金屬和堿土金屬氧化物含量增加，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸由三維變?yōu)槎S、鏈狀甚至島狀，玻璃溶解性增強(qiáng)，生物活性也增強(qiáng)；磷氧四面體中的不飽和鍵處于亞穩(wěn)態(tài)，易吸收環(huán)境水轉(zhuǎn)化為是導(dǎo)致磷酸鹽玻璃粘度小、化學(xué)穩(wěn)定性差、熱膨脹系數(shù)大的主要原因第六十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月向磷酸鹽玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等三價(jià)元素，可打開雙鍵，形成不含非橋氧的連續(xù)結(jié)構(gòu)群使電價(jià)平衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生物活性降低。第六十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月堿金屬和堿土

32、金屬在水、酸等介質(zhì)存在時(shí)易被溶出，釋放一價(jià)或二價(jià)金屬離子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，這是玻璃具有生物活性的基本原因。橋氧和非橋氧的比例決定了玻璃的生物活性，非橋氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。第六十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物玻璃與骨鍵合機(jī)制： 植入后生物玻璃表面溶解，并生成與組織緊密結(jié)合的碳酸羥基磷灰石（HCA）界面表面溶解出Si離子能為HCA形成提供合適成核位置，而體液中的HPO42-和溶解產(chǎn)生的Ca2+則沉積生成富Ca、P無定形層，并最終轉(zhuǎn)化為結(jié)晶HCA。成骨細(xì)胞較纖維細(xì)胞更易在HCA層表面增殖，從而和新骨直接結(jié)合而不會(huì)在界面處產(chǎn)生纖維組織包囊。第六十七張，

33、PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月生物活性玻璃的表面反應(yīng)與周圍環(huán)境的酸堿度有關(guān)：研究顯示只有在PH=8時(shí)玻璃表面才會(huì)發(fā)生適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)改變，形成硅膠層和富鈣磷層；PH增大，鈣磷的迅速沉積，活性玻璃有選擇的溶出受到限制PH降低，活性玻璃會(huì)迅速分解，表面難以形成鈣磷沉積。第六十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月活性生物玻璃陶瓷發(fā)展概況1. 45S5生物玻璃Bioglass成分：SiO2 45%、Na2O 24.5%、CaO 24.5%、P2O5 6%組成上三個(gè)特點(diǎn)：SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于60%，高Na2O和CaO成分、高鈣磷比堿金屬含量高在體內(nèi)溶解出堿金屬，有可能擾亂人體生理環(huán)境玻璃的

34、生物學(xué)活性與其成分含量有關(guān)第六十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2. Ceravital微晶玻璃 將原料混合熔化制成玻璃后再經(jīng)熱處理析出一部分磷灰石晶體而形成微晶玻璃成分：Na2O 4.8%、K2O 0.4% 、MgO 2.9%、 CaO 34%、 P2O5 11.7%、 SiO2 46.2% 特點(diǎn)：堿金屬含量降低，機(jī)械強(qiáng)度提高 研究表明玻璃微晶化處理后雖然能夠提高玻璃的機(jī)械性能，但生物活性玻璃凈化后活性降低甚至?xí)兂啥栊圆牧稀５谄呤畯?，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月3.A-W微晶玻璃在玻璃相中析出磷灰石（A）和-硅灰石（W）兩種晶相成分： MgO 4.6%、 CaO

35、44.9%、 P2O5 16.3%、 SiO2 34.2%、CaF2 0.5%制備：將溶質(zhì)玻璃粉碎，經(jīng)加壓成型后燒結(jié)，使玻璃微晶化 特點(diǎn)：機(jī)械強(qiáng)度高、加工性能好第七十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月微晶玻璃高的機(jī)械性能歸因于：粗糙的斷裂表面和-硅灰石的析出，能促使裂紋轉(zhuǎn)向分支，有效抑制了裂紋擴(kuò)展析出的針狀硅灰石晶體由于是無規(guī)則排列，所以機(jī)械加工性能良好第七十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月Hench教授的生物活性玻璃與骨結(jié)合的12步： 1. 玻璃中的Na+和K+等與溶液中的H+離子以及H3O+離子迅速交換2. SiO2以Si(OH)4的形式溶于溶液中，導(dǎo)致SiOSi

36、鍵被溶解打開，SiOH在界面處形成第七十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月3. SiOH的縮聚聚合反應(yīng)在玻璃表面形成富多孔硅溶膠的膠體層4. 玻璃中的Ca2+和體液中的PO43-在富SiO2上聚集形成富Ca、P層5. 隨著OH-、CO32-和HPO42-從體液中引入，富Ca、P無定形相層轉(zhuǎn)變成碳酸羥基磷灰石（HCA）晶體。第七十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月6. HCA層內(nèi)生物部分的吸附7. 小噬細(xì)胞反應(yīng)8. 成骨細(xì)胞的源細(xì)胞附著9. 成骨細(xì)胞分化增殖10. 基質(zhì)產(chǎn)生11.基質(zhì)晶化和骨生長12.成骨第七十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月第四節(jié) 骨水泥骨

37、水泥作為人工合成替代材料中的重要組成部分，在硬組織缺損修復(fù)和固定移植體過程中起著不可低估的作用發(fā)展歷程：第一代PMMA骨水泥優(yōu)點(diǎn)：易成型和粘結(jié)性能好 缺點(diǎn)：材料化學(xué)成份與人體骨成份完全不同，生物相容性差；單體放熱劇烈；細(xì)胞毒性；引起過敏第七十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月理想的骨水泥作為醫(yī)用材料必需滿足下列要求 漿體易于成型, 可填充不規(guī)則的骨腔 在環(huán)境中能自行凝固, 硬化時(shí)間合理 有優(yōu)良的生物活性和骨再生的潛能 良好的機(jī)械性能和耐久性能 無毒和無免疫性。第七十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二代 磷酸鈣骨水泥 20世紀(jì)80年代中期，E.brown和chow發(fā)現(xiàn)

38、由幾種磷酸鈣鹽組成的混合物能在人體環(huán)境和溫度下自行固化，水化硬化過程基本不放熱，其水化成分最終轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石。 由此可構(gòu)成類似于硅酸鹽水泥樣的磷酸鈣水泥，用與人體骨的修復(fù)，故稱磷酸鈣骨水泥第七十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月磷酸鈣骨水泥（calcium phosphate cement. CPC ）一 組成和水化機(jī)制 1. 化學(xué)成分 CPC由固相和液相兩部分組成 固相至少包含除了HAP以外的兩種磷酸鈣鹽，其中至少有一種偏酸性一種偏堿性 這些磷酸鈣鹽包括： 磷酸四鈣（ Ca4(PO4)2O ，TECP ）， 磷酸三鈣或磷酸三鈣（Ca3(PO4)2，TCP）， 無水磷酸氫鈣（ C

39、aHPO4， DCPA ）， 二水磷酸氫鈣，磷酸二氫鈣，磷酸八鈣等第七十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月液相 即固化液多為低濃度的磷酸或磷酸鹽溶液，或是蒸餾水、生理鹽水或手術(shù)部位血液等功能型的CPC會(huì)在純CPC組成上添加藥物、活性因子、抗水劑和促凝劑等以滿足臨床不同要求第八十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.CPC的水化機(jī)制自行固化是骨水泥區(qū)別于其他生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的主要特征之一。之所以能夠固化并最終轉(zhuǎn)化成HAP，其原理是基于不同磷酸鈣鹽在水中溶解度的差異 第八十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)PH值在4.2-11范圍內(nèi)時(shí)，HAP在

40、水中的溶解度最小，在熱力學(xué)角度上是最穩(wěn)定的，其他磷酸鈣鹽在水中會(huì)趨向于向HAP轉(zhuǎn)化： 第八十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月CPC粉末與固化液接觸，磷酸鈣鹽先溶解，在顆粒間結(jié)晶出細(xì)針狀的HAP，隨著水化反應(yīng)進(jìn)行，HAP細(xì)小晶體不斷長大，晶體越大接觸點(diǎn)越多，固化體越堅(jiān)硬，強(qiáng)度與HAP生成率成正比水化產(chǎn)物不但在顆粒間生長也在顆粒表面生長形成包裹層，內(nèi)部原料的水化取決于水通過水化產(chǎn)物層向內(nèi)部的滲透以及內(nèi)外離子的擴(kuò)散。第八十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月由于單組分磷酸鈣鹽水化時(shí)副產(chǎn)物酸或堿的產(chǎn)生，使水化反應(yīng)環(huán)境偏離中性而導(dǎo)致水化反應(yīng)終止，因而單一磷酸鈣鹽礦化能力相當(dāng)有限。

41、CPC是幾種磷酸鈣鹽的混合物，可以保持反應(yīng)始終維持在中性環(huán)境。水化產(chǎn)生的H+，OH-透過包裹層后水化繼續(xù)進(jìn)行，此時(shí)水化反應(yīng)由原來的顆粒表面控制轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制，避免PH偏移太大而損傷組織，并保持對HAP穩(wěn)定的過飽和度，提高礦化能力。第八十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月具體過程概括在水化反應(yīng)初始階段，HAP的生成受原料表面反應(yīng)控制，為零級反應(yīng)，在顆粒間和顆粒表面生成的HAP加強(qiáng)了顆粒間的連接。HAP含量越大，接觸點(diǎn)越多，抗壓強(qiáng)度隨HAP生成率的增大呈幾乎線性增大。當(dāng)HAP在顆粒表面形成一層水化產(chǎn)物包裹膜后，CPC水化反應(yīng)有顆粒表面反應(yīng)控制轉(zhuǎn)化為透過水化產(chǎn)物層的擴(kuò)散控制。第八十五張，

42、PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月水化過程中的問題 無水磷酸氫鈣和HAP密度的差異，被水化產(chǎn)物包裹的DCPA轉(zhuǎn)化為HAP時(shí)由于體積收縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，對抗壓強(qiáng)度不利，甚至使包裹的殼破裂，在材料內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度不再升高，甚至小幅降低。第八十六張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月二 CPC的材料學(xué)性能與其他骨植入材料相比具有以下特點(diǎn)：任意塑行；自行固化；生物相容；逐步降解。凝結(jié)時(shí)間強(qiáng)度自行固化和任意塑形微觀結(jié)構(gòu)抗水性CPC材料的性能第八十七張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月凝結(jié)時(shí)間指可塑漿體變成不再可塑時(shí)的時(shí)間。通常用標(biāo)準(zhǔn)稠度和凝結(jié)時(shí)間測定儀進(jìn)行測定。數(shù)值大小在一定程

43、度上取決于材料組分、固相顆粒大小和形態(tài)、固液比及環(huán)境溫度等是衡量手術(shù)操作可行性的重要指標(biāo)，時(shí)間過長或過短都不利于手術(shù)操作第八十八張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月強(qiáng)度力學(xué)強(qiáng)度是評價(jià)骨修復(fù)材料的一個(gè)重要指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度是衡量CPC在體內(nèi)硬化后抗負(fù)載能力的指標(biāo)，其大小直接影響CPC材料的應(yīng)用CPC固化4h后可基本達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度，一般為30-50MPa。目前文獻(xiàn)報(bào)道最高值為70 MPa，其臨床適應(yīng)證為修復(fù)非負(fù)重或低負(fù)重部位的骨缺損。第八十九張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月自行固化和任意塑形CPC粉末與固化液調(diào)和后，材料呈牙膏狀，此糊狀物能夠自行固化，凝結(jié)時(shí)間為3-15min。在

44、這段時(shí)間內(nèi)材料的可塑性好，可根據(jù)缺損部位任意塑型，材料植入體內(nèi)后能與周圍骨直接黏結(jié)，沒有縫隙且固化過程不放熱，不會(huì)對周圍組織造成灼傷利用其固化過程溫和的特性可將其作為藥物緩釋載體及生物活性物質(zhì)載體第九十張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月微觀結(jié)構(gòu)材料的微觀結(jié)構(gòu)是影響其力學(xué)性能的重要因素，孔徑大小和孔隙率測定能反應(yīng)其內(nèi)部微孔情況。固化體微孔結(jié)構(gòu)對強(qiáng)度影響明顯：微孔孔徑越大，孔隙率越高，CPC強(qiáng)度則越小。較小的孔徑較低的孔隙率能獲得較高的強(qiáng)度，但不利于新骨的長入。通過調(diào)整固相組分、液相濃度以及固液比可獲得不同微孔結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的固化體。第九十一張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月抗水性

45、抗水性指CPC在血液、生理鹽水的靜水壓力下抗?jié)B防水的能力，對于大量出血的外科手術(shù)，這一性能尤為重要?？顾圆缓脛t材料在植入后凝結(jié)前遇滲液則稀散不成形，影響固化第九十二張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月增強(qiáng)CPC抗水性的添加劑必須符合6個(gè)條件： 應(yīng)防止調(diào)和物在水中潰散； 不影響調(diào)和物轉(zhuǎn)化成HAP； 不降低CPC固化體強(qiáng)度； 不影響調(diào)和物的可操作性； 具有至少與磷灰石相似的良好生物相容性； 應(yīng)在較短時(shí)間內(nèi)吸收。 海藻酸鈉是目前公認(rèn)的優(yōu)良抗水劑。作用機(jī)制是它與Ca2+所形成的不溶于水的海藻酸鈣凝膠能較好地阻止CPC調(diào)和物被水侵蝕而潰散。第九十三張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月三

46、 CPC的生物學(xué)性能1.成骨效應(yīng) 骨引導(dǎo)活性，新骨以爬行替代的方式生長，植入體與骨組織形成骨性連接。 將CPC植入貓的皮下和肌肉內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)新骨形成，植入物被逐漸吸收，而植入顱骨骨膜下則成骨明顯，植入物逐漸被新骨替代，證實(shí)CPC不具有誘導(dǎo)成骨活性，而是通過骨傳導(dǎo)作用成骨。第九十四張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月2.降解性能 CPC屬于生物可降解材料 其顯著特點(diǎn)在于：材料之入骨組織后，通過體液溶解或被代謝系統(tǒng)排除體外，最終使缺損部位完全被新生骨組織取代，而植入的生物可降解材料只起到臨時(shí)支架作用。 CPC為磷酸鈣鹽的水化產(chǎn)物，其內(nèi)部晶體發(fā)育不完整，結(jié)晶度低，其降解主要以細(xì)胞降解為主，通過體液的溶解作用來實(shí)現(xiàn)。第九十五張，PPT共一百零六頁，創(chuàng)作于2022年6月多年臨床研究表明，CPC能降解但比較緩慢，通常降解植入體積的50%需要