生物陶瓷材料課件

生物陶瓷材料的現(xiàn)狀與發(fā)展成員：任鎮(zhèn)非吳秀遷劉一璟生物陶瓷材料的概念簡(jiǎn)述生物材料的發(fā)展歷程生物陶瓷材料的分類(lèi)生物陶瓷的特點(diǎn)及應(yīng)用生物材料發(fā)展的熱點(diǎn)生物陶瓷材料的發(fā)展重點(diǎn)

目錄生物陶瓷材料的現(xiàn)狀與發(fā)展生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定的生物或生理功能的一類(lèi)陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統(tǒng)稱(chēng)為生物陶瓷。

生物陶瓷材料的概述生物材料的發(fā)展歷程

當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)使用的材料可分為金屬及其合金材料、有機(jī)材料和無(wú)機(jī)非金屬材料三大類(lèi)。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物,并在應(yīng)用中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)?；仡櫄v史,可分為幾個(gè)階段。約19世紀(jì)前,由于冶金技術(shù)和陶瓷制備工藝的發(fā)展,開(kāi)始用純金、純銀、鉑等貴金屬?！匀话l(fā)展階段生物材料的發(fā)展歷程

當(dāng)今人類(lèi)社會(huì)使用的材料可分為金屬及其合金材料、有機(jī)材料和無(wú)機(jī)非金屬材料三大類(lèi)。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物,并在應(yīng)用中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)?；仡櫄v史,可分為幾個(gè)階段。20世紀(jì)中葉以前,由于冶金的進(jìn)步,鈷鉻鋁合金年、純鈦和鈦合金年等被應(yīng)用到人工骨領(lǐng)域,開(kāi)始有目的地探索新材料,有機(jī)玻璃等高分子材料年也開(kāi)始應(yīng)用臨床,并在醫(yī)學(xué)種植技術(shù)與病例選擇方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。但基礎(chǔ)理論的研究還很不深人?！剿麟A段生物材料的發(fā)展歷程20世紀(jì)60年代初,在新技術(shù)革命浪潮推動(dòng)下,材料科學(xué)迅速發(fā)展。人們開(kāi)始有目的、有計(jì)劃地探索、發(fā)現(xiàn)和合成新材料,其中最有代表性的生物陶瓷的研究和應(yīng)用獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。生物陶瓷的發(fā)展雖然還不到年,也同樣經(jīng)歷了上述時(shí)期。起初以單晶氧化鋁陶瓷為先導(dǎo),隨后是多晶氧化鋁、表面呈珊瑚狀的氧化鋁等。其后是生物活性陶瓷,包括生物玻璃,經(jīng)基磷灰石和玻璃陶瓷類(lèi)。

自20世紀(jì)70年代起,生物陶瓷顯露頭角,世界各國(guó)相繼開(kāi)展了理論和應(yīng)用研究,并且不斷取得突破性進(jìn)展。

——迅速發(fā)展階段生物材料的發(fā)展歷程文獻(xiàn)記載，1588年人們就用黃金板修復(fù)顎骨。1775年，就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。生物材料的發(fā)展歷程1800年有大量有關(guān)應(yīng)用金屬板固定骨折的報(bào)道。1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒。1809年有人用黃金制成種植牙齒。生物材料的發(fā)展歷程1851年，報(bào)道使用硫化天然橡膠制成人工牙托和顎骨。1871年，羥基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman報(bào)道使用熟石膏作為骨替換材料。1926年，Bassett用X-射線(xiàn)衍射分析發(fā)現(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線(xiàn)譜相似。1928年，Leriche和Policard開(kāi)始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料。1974年，Hench在設(shè)計(jì)玻璃成分時(shí)，曾有意識(shí)地尋求一種容易降解的玻璃，當(dāng)把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼和牙齒的一部分。這研究成果，很快得到了各國(guó)學(xué)者的高度重視。早在1969年，Talbert就將不同孔隙率的顆粒狀A(yù)l2O3陶瓷作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗的股骨中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多晶氧化鋁陶瓷對(duì)包括生物環(huán)境在內(nèi)的任何環(huán)境都呈現(xiàn)惰性及其優(yōu)越的耐磨損性和高的抗壓強(qiáng)度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應(yīng)用的生物惰性陶瓷材料。生物材料的發(fā)展歷程生物材料的發(fā)展歷程中國(guó)20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研究生物陶瓷，并用于臨床。1974年開(kāi)展微晶玻璃用于人工關(guān)節(jié)的研究。1977年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得應(yīng)用。1979年高純氧化鋁單晶用于臨床，以后又有新型生物陶瓷材料不斷出現(xiàn)，并應(yīng)用于臨床。生物陶瓷材料的分類(lèi)根據(jù)種植材料與生物體組織的反應(yīng)程度，可將種植類(lèi)陶瓷分為兩類(lèi)：生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料生物惰性陶瓷早在1969年，Al2O3陶瓷就作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗的股骨中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多晶氧化鋁陶瓷對(duì)包括生物環(huán)境在內(nèi)的任何環(huán)境都呈現(xiàn)惰性及其優(yōu)越的耐磨損性和高的抗壓強(qiáng)度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應(yīng)用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化鋁陶瓷材料已經(jīng)應(yīng)用于人造骨、人工關(guān)節(jié)及人造齒根的制作方面?！趸X陶瓷材料氧化鋁陶瓷植入人體后，體內(nèi)軟組織在其表面生成極薄的纖維組織包膜，在體內(nèi)可見(jiàn)纖維細(xì)胞增生，界面無(wú)化學(xué)反應(yīng)，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及股骨和髖骨部連接。單晶氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能更優(yōu)于多晶氧化鋁，適用于負(fù)重大、耐磨要求高的部位。但是由于A(yíng)l2O3屬脆性材料，沖擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，可能引起骨組織的應(yīng)力，從而引起骨組織的萎縮和關(guān)節(jié)松動(dòng)，在使用過(guò)程中，常出現(xiàn)脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結(jié)合。

——氧化鋁陶瓷材料生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷目前，國(guó)外有關(guān)學(xué)者通過(guò)各種方法，使Al2O3陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提高。如在陶瓷表面涂上骨親和性高的陶瓷，特別是能和骨發(fā)生化學(xué)結(jié)合的磷灰石，已經(jīng)制造出更加先進(jìn)的人工關(guān)節(jié)。通過(guò)相變或微裂等增韌方法，也可以提高材料的韌性。近年，氧化鋯陶瓷由于其優(yōu)良的力學(xué)性能，尤其是其遠(yuǎn)高于氧化鋁瓷的斷裂韌性，使其作為增強(qiáng)增韌第二相材料在人體硬組織修復(fù)體方面取得了較大研究的進(jìn)展。

——氧化鋁陶瓷材料生物陶瓷材料的分類(lèi)生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長(zhǎng)入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合。生物吸收性陶瓷的特點(diǎn)是：能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長(zhǎng)。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。2、生物活性陶瓷材料

生物活性陶瓷材料羥基磷灰石（hydroxyapatite），簡(jiǎn)稱(chēng)HAP，化學(xué)式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬表面活性材料，由于生物體硬組織(牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱(chēng)之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無(wú)毒、無(wú)排斥反應(yīng)、不致癌、可降解、可與骨直接結(jié)合等特點(diǎn)，是一種臨床應(yīng)用價(jià)值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關(guān)注。

——羥基磷灰石陶瓷材料HAP涂層鈦基牙種植體是一種安全、方便的聽(tīng)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(tīng)小骨缺損、畸形的患者作聽(tīng)小骨置換手術(shù)。

HAP生物陶瓷聽(tīng)小骨置換假體生物活性陶瓷材料目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷為β-磷酸三鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)β-TCP)，是磷酸鈣的一種高溫相。與HAp相比，TCP最大的優(yōu)點(diǎn)在于更易于在體內(nèi)溶解，植入機(jī)體后與骨直接融合而被骨組織吸收，是一種骨的重建材料?？筛鶕?jù)不同部位骨性質(zhì)的不同及降解速率的要求，制成具有一定形狀和大小的中空結(jié)構(gòu)構(gòu)件，用于治療各種骨科疾病?！姿崛}陶瓷材料

生物活性陶瓷材料磷酸鈣陶瓷的主要缺點(diǎn)是其脆性較高，難以加工成型或固定鉆孔。致密磷酸鈣陶瓷可以通過(guò)添加增強(qiáng)相提高它的斷裂韌性，多孔磷酸鈣陶瓷雖然可被新生骨長(zhǎng)入而極大增強(qiáng)，但是在再建骨完全形成之前，為及早代行其功能，也必須對(duì)它進(jìn)行增韌補(bǔ)強(qiáng)?！姿崛}陶瓷材料

生物陶瓷的特點(diǎn)及運(yùn)用2）陶瓷的組成范圍比較寬，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求設(shè)計(jì)組成，控制性能的變化。例如可降解生物陶瓷在體內(nèi)不同部位的使用中，希望能針對(duì)被置換骨的生長(zhǎng)特點(diǎn)獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則，當(dāng)降解速度超過(guò)骨生長(zhǎng)速度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生“死區(qū)”，影響修復(fù)。如果向此類(lèi)材料中添加適當(dāng)比例的非降解性生物陶瓷，就能調(diào)整降解速度，滿(mǎn)足臨床要求。

脊柱側(cè)彎，后路矯正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二軍醫(yī)大學(xué)、長(zhǎng)征醫(yī)院骨科生物陶瓷的特點(diǎn)及運(yùn)用3）陶瓷容易成型，可根據(jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺釘、骨夾板、制成牙根、關(guān)節(jié)、長(zhǎng)骨、顱骨等。采用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨制品。人造骨關(guān)節(jié)生物陶瓷的特點(diǎn)及運(yùn)用4）后加工方便。通常認(rèn)為陶瓷很難加工，但隨陶瓷加工設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在陶瓷的切割、研磨、拋光等已是成熟的工藝。近年來(lái)又發(fā)展了可用普通金屬加工機(jī)床進(jìn)行車(chē)銑、刨、鉆等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷結(jié)晶化之前的高溫流動(dòng)性，可制成精密鑄造的玻璃陶瓷。5）易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真，利于整容、美容。

生物材料發(fā)展的熱點(diǎn)近20年來(lái),試圖仿制天然生物材料、利用生物學(xué)原理設(shè)計(jì)和制造仿生物的材料,已成為生物材料研究領(lǐng)域極為活躍的前沿研究方向。

生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性,能與活性骨形成化學(xué)結(jié)合,但它是脆性材料,限制了在某些條件下的應(yīng)用。近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的仿生法模仿了自然界生理磷灰石的礦化機(jī)制,使磷灰石層在類(lèi)似于人體環(huán)境條件的水溶液中自然沉積出來(lái)。

1、仿生材料生物材料發(fā)展的熱點(diǎn)納米技術(shù)在世紀(jì)年代得以迅速發(fā)展,由于納米材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子效應(yīng)等獨(dú)特的性能,使納米材料呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái),納米技術(shù)在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)受到關(guān)注。納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒等硬組織替代材料制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。英國(guó)的成功地合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)有望取代目前骨科常用的合金材料,而且不易骨折,并能與正常骨組織連接緊密。2、納米技術(shù)的應(yīng)用生物材料發(fā)展的熱點(diǎn)傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類(lèi)重要的生物醫(yī)用材料,但是由于工藝上的原因,普通陶瓷很難避免材料的脆性等問(wèn)題。由于納米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中的內(nèi)在氣孔和缺陷尺寸大大減少,材料不易造成穿晶斷裂,有利于提高材料的韌性和強(qiáng)度,而隨著晶粒尺寸變小同時(shí)又使晶界數(shù)量大大增加,有助于晶粒間的移動(dòng),這使納米陶瓷表現(xiàn)出獨(dú)特的超塑性。2、納米技術(shù)的應(yīng)用生物材料發(fā)展的重點(diǎn)生物醫(yī)用復(fù)合材料根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行設(shè)計(jì),由基體材料與增強(qiáng)材料或功能材料組成。常用的基體材料：有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鉆基合金等醫(yī)用金屬材料。增強(qiáng)材料有：碳纖維、不銹鋼或鉆基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體,另外還有氧化錯(cuò)、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。3、復(fù)合材料生物陶瓷材料的發(fā)展重點(diǎn)1、提高現(xiàn)有生物陶瓷的可靠性,提高其強(qiáng)度,降低楊氏模量,改善韌性,最有希望的途徑是研制復(fù)合材料,如金屬一陶瓷復(fù)合,陶瓷纖維增強(qiáng)生物陶瓷,聚合物一陶瓷復(fù)合,骨膠原一生物陶瓷復(fù)合等。2、深入研究種植與骨界面的作用過(guò)程以及種植與骨和軟組織結(jié)合的機(jī)理,這對(duì)了解腐蝕、疲勞過(guò)程,探索預(yù)防和控制的途徑具有重要意義,也會(huì)為研制新材料提供信息。生物陶瓷材料的發(fā)展重點(diǎn)3、開(kāi)展人工骨應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究,建立和完善材料綜合評(píng)判系統(tǒng),以尋求在實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)測(cè)種植體變化和壽命的方法,為建立生物醫(yī)學(xué)材料標(biāo)準(zhǔn)提供可靠依據(jù)還應(yīng)積極開(kāi)展材料應(yīng)用技術(shù)的研究,人們還沒(méi)有超越模仿天然器官的階段。這主要是材料應(yīng)用技術(shù)的研究跟不上需要。這一技術(shù)應(yīng)包括人體器官測(cè)量,分析、形態(tài)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加工成型技術(shù)和評(píng)價(jià)技術(shù)。生物陶瓷材料的發(fā)展重點(diǎn)4、需要外科醫(yī)生、口腔醫(yī)生緊密合作。除材料研究、應(yīng)用技術(shù)外,臨床適應(yīng)癥的選擇和手術(shù)設(shè)計(jì)與實(shí)施也是種植成功的要素之一。5、非活性生物陶瓷的強(qiáng)度較高,但與生物