第三章-無機(jī)非金屬生物材料講解

無機(jī)非金屬材料主要有陶瓷、玻璃、水泥三大類。陶瓷主要是以黏土為原料燒制而成的一種多晶多相(氣體、液體、晶體和非晶體)的聚集體；水泥為一種細(xì)磨材料，加入適量水后成為塑性漿體，能在空氣中硬化，或在水中硬化，并能把其他增強(qiáng)材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性材料；玻璃為熔融物冷卻硬化而得到的非晶態(tài)固體。這些材料有史以來一直得到廣泛應(yīng)用，其中一部分因?yàn)樘厥庑阅芏米魃锊牧稀５谝豁摰诙?，?0頁。無機(jī)非金屬材料的基本屬性：

●化學(xué)健主要是離于鍵、共價健以及它們的混合鍵；

●硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感；

●熔點(diǎn)高，具有優(yōu)良的耐高溫和化學(xué)穩(wěn)定性；

●一般自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較小；

●耐化學(xué)腐蝕性好；

●耐磨損。

第二頁第三頁，共70頁。4.1.1無機(jī)非金屬生物材料的發(fā)展無機(jī)非金屬生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修建時期，當(dāng)時用陶土進(jìn)行骨缺損的填充，1808年開始將陶瓷作為鑲牙材料，1892年使用石膏填充骨缺損，1963年Smith報道一種陶瓷材料，用環(huán)氧樹脂浸透含48％孔隙的多孔鋁酸鹽樹料，它與骨組織的物理性能相匹配。無機(jī)生物材料在生物醫(yī)學(xué)上廣泛研究應(yīng)用還是近三十年來的事，特別是發(fā)現(xiàn)羥基磷灰石陶瓷后，得到了飛速發(fā)展，該類材料具有生物相容性好，甚至有些還有生物活性，抗壓強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。第三頁第四頁，共70頁。金屬、高分子和無機(jī)非金屬生物材料的比較：第四頁第五頁，共70頁。3.1.2無機(jī)非金屬生物材料基本條件與要求良好的生物相容性化學(xué)穩(wěn)定性降解產(chǎn)物無毒雜質(zhì)元素及溶出物含量低As，Cd、Hg、Pb等重金屬有效性抗壓、耐磨、熱膨脹成型加工性能脆性加工困難不同模具耐消毒滅菌性高壓蒸汽消毒、輻射滅菌和環(huán)氧乙烷滅菌第五頁第六頁，共70頁。

無機(jī)非金屬材料品種非常多，考慮材料生物相容性、機(jī)械性能、加工性能、成本等因素，只有一小部分材料可用作生物材料，如陶瓷類中有氧化鋁、氧化鐵、低溫各向同性碳、羥基磷灰石、磷酸鈣、碳酸鈣等，玻璃類主要有MgO-CaO-SiO2-P2O5、Na2O-CaO-SiO2-P2O5、CaO-Al2O3-P2O5系玻璃，水泥類主要有硫酸鈣、磷酸鈣等。在醫(yī)學(xué)上主要用于骨組織的修復(fù)、替換，如承力骨、牙齒等替換，以及硬組織固定材料。第六頁第七頁，共70頁。3.1.3無機(jī)非金屬生物材料分類按成分性質(zhì)分：生物陶瓷材料，如單晶/多晶氧化鋁、羥基磷灰石生物玻璃，如45S5玻璃生物玻璃陶瓷醫(yī)用骨水泥，

-TCP復(fù)合無機(jī)材料,HA+-TCP，碳纖維增強(qiáng)無機(jī)骨水泥按來源分：天然鈣化物鈣化的貝殼、珍珠合成無機(jī)材料如-TCP人工骨（復(fù)合無機(jī)材料）衍生材料凍干骨片第七頁第八頁，共70頁。按照生物環(huán)境中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)水平分類：生物惰性材料氧化鋁熱解碳氧化鋯氧化硅生物活性無機(jī)材料羥基磷灰石生物玻璃活性玻璃陶瓷生物可降解無機(jī)材料可溶性鋁酸鈣陶瓷、β-TCP陶瓷生物醫(yī)用無機(jī)納米材料納米氧化鐵羥基磷灰石超微粉第八頁第九頁，共70頁。3.2生物陶瓷兩個基本概念：生物惰性主要指材料在植入人體后，長時間不發(fā)生物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，同時不引起與之接觸的組織的顯著變化。生物惰性材料主要有氧化物陶瓷，如三氧化二鋁、氧化鋯；非氧化物陶瓷，加氮化硅；碳化物，如低溫(或超低溫)各向同性碳等。生物活性相對于生物惰性，生物活性材料廣義上講是指在生理環(huán)境的長期作用下，有新生組織長成或替代原有材料，而原有材料發(fā)生了一定物理、化學(xué)變比、甚至降解消失。而狹義上講生物活性是指材料誘導(dǎo)組織形成的能力。

第九頁第十頁，共70頁。4.2.1氧化鋁陶瓷1932年開始臨床應(yīng)用1963年氧化鋁陶瓷人工骨1964年牙科移植物1970年氧化鋁瓷球、窩和不銹鋼桿制成的全髖關(guān)節(jié)人工假體1981年氧化鋁陶瓷全膝關(guān)節(jié)假體開始應(yīng)用1980’s初，單晶氧化鋁陶瓷骨螺釘在外科矯形手術(shù)中應(yīng)用第十頁第十一頁，共70頁。一、氧化鋁陶瓷的組成、制備工藝氧化鋁陶瓷：Al2O3含量在45％以上，主晶相為

-Al2O3

，此外還有莫萊石晶相和硅酸鹽玻璃相。陶瓷的一般制備工藝：原料加工（粉碎），然后加粘結(jié)劑形成配料，混合后靜壓成坯料，通過預(yù)燒-燒結(jié)形成陶瓷。第十一頁第十二頁，共70頁。核心過程－－燒結(jié)燒結(jié)：在高溫作用下，粉狀物料自發(fā)填充顆粒間隙的過程，隨著溫度和時間的延長，過程中發(fā)生：固體顆粒相互鍵聯(lián)，晶粒長大，空隙（氣孔）和晶界逐漸消失，通過物質(zhì)傳遞，物料的體積收縮、密度增加，最后成為堅(jiān)實(shí)的整體。第十二頁第十三頁，共70頁。顆粒在燒結(jié)過程中的外形變化：第十三頁第十四頁，共70頁。氧化鋁的燒結(jié)過程：包括顆粒接觸、部分粘連、完全粘連和燒結(jié)完成幾個步驟。氧化鋁燒結(jié)過程中粉體微觀結(jié)構(gòu)變化第十四頁第十五頁，共70頁。陶瓷燒結(jié)的微觀動力學(xué)原始驅(qū)動力：（1）顆粒表面能對于半徑為r的1mol球形顆粒粉體，顆粒數(shù)：顆粒的表面積：表面能：（2）化學(xué)反應(yīng)能（3）外加壓力做功（4）體系外供給能量第十五頁第十六頁，共70頁。燒結(jié)溫度對材料性能的影響（1）對密度和空隙率的影響第十六頁第十七頁，共70頁。（2）對機(jī)械性能的影響第十七頁第十八頁，共70頁。Al2O3生物陶瓷制備工藝氧化鋁生物陶瓷的制備工藝：與普通陶瓷制作工藝類似，即粉體融合預(yù)壓成型(預(yù)打磨)燒結(jié)打磨成品。燒結(jié)溫度一般為1700℃以上。高純氧化鋁人工骨的生產(chǎn)工藝過程如下：氧化鋁的純度越高，材料的力學(xué)性能如抗壓、抗折強(qiáng)度也越高氧化鋁生物陶瓷的純度在99.7％以上。第十八頁第十九頁，共70頁。新型生物陶瓷材料-單晶生物陶瓷氧化鋁單晶（寶石）：機(jī)械強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷，其生物相容性、穩(wěn)定性和耐磨性也好于多晶氧化鋁陶瓷。不能通過燒結(jié)制得，具體方法如下：提拉法導(dǎo)模法氣相化學(xué)沉積法焰融法：晶體生長速率快，工藝簡單，成本低第十九頁第二十頁，共70頁。二、氧化鋁陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性，在生理環(huán)境下相當(dāng)穩(wěn)定，抗腐蝕，無溶出物，具低膨脹性能。氧化鋁生物陶瓷密度大于3.9g／cm3，室溫抗壓強(qiáng)度約為4000MPa、抗彎強(qiáng)度大于400MPa、楊氏模量為380GPa、抗沖擊強(qiáng)度4000J／m2，耐磨性和耐腐蝕性符合ISO規(guī)范實(shí)驗(yàn)要求。氧化鋁生物陶瓷人工關(guān)節(jié)比金屬-聚乙烯構(gòu)成的人工關(guān)節(jié)的耐磨性能好得多，前者的磨損速率是后者的l／10，略高于人關(guān)節(jié)的磨損率。陶瓷的空隙率、孔徑大小對材料的力學(xué)性能有很大的影響，隨著空隙率的增大，材料的密度降低，強(qiáng)度下降。為了保持氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度，通過在表面進(jìn)行多孔化處理。第二十頁第二十一頁，共70頁。三、氧化鋁陶瓷的應(yīng)用氧化鋁陶瓷強(qiáng)度高，目前主要用于外科矯形手術(shù)的承重假體，如人工髖關(guān)節(jié)、人工膝關(guān)節(jié)、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及能負(fù)重的骨桿和椎體人工骨，修補(bǔ)移植海綿骨的充填材料、髓內(nèi)固定材料；某些骨替代物(人工聽小骨)；眼科手術(shù)中的角質(zhì)假休、固定用螺釘?shù)取尉а趸X與多晶氧化鋁陶瓷相比，機(jī)械強(qiáng)度、硬度、耐酸堿性等性能指標(biāo)占優(yōu)，且不易折斷，因此在需要制品強(qiáng)度高的場合，如用做損傷骨固定的螺釘、關(guān)節(jié)柄、牙根。第二十一頁第二十二頁，共70頁。各種氧化鋁生物陶瓷植入物：第二十二頁第二十三頁，共70頁。全氧化鋁陶瓷人工髖關(guān)節(jié)第二十三頁第二十四頁，共70頁。3.2.2氧化物陶瓷除氧化鋁，惰性氧化物生物陶瓷還有：氧化鋯、氧化鎂、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷（如組成為氧化鋯50－60％，氧化鋁10－20％、氧化鉀7－10％的陶瓷）。氧化鋯強(qiáng)度高，切割韌性好，常作為復(fù)合材料的增韌相。部分氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯比氧化鋁有更好的韌性，可替代氧化鋁?；旌涎趸锾沾山M成可調(diào)，色澤、熱膨脹系數(shù)，可用作人工牙齒。其它氧化物陶瓷一般作為改性劑（玻璃組分）或涂層材料，單獨(dú)作為生物材料少見。第二十四頁第二十五頁，共70頁。二氧化鋯全瓷冠：是用整體瓷塊由計(jì)算機(jī)輔助，由銑床半機(jī)械制造的強(qiáng)度抗脆性可與金屬烤瓷媲美的，又對身體無毒無害，不含金屬，強(qiáng)度卻可和金屬烤瓷相當(dāng)。目前最理想的烤瓷修復(fù)，前牙美容修復(fù)體。由于氧化鋯工藝的改進(jìn)，基地冠的厚度從原來的1毫米減低為0.8毫米，需磨除牙體面積變小，釉質(zhì)丟失率最低。適用于任何一種要求烤瓷制作的高端情況。

氧化鋯美容前

氧化鋯美容后

二氧化鋯預(yù)約費(fèi)用為2800每顆。

第二十五頁第二十六頁，共70頁。3.2.3非氧化物陶瓷報道很少，主要用作硬組織的替換材料。SiC材料：硬度高、強(qiáng)度大，導(dǎo)熱導(dǎo)電性好，是耐磨、耐腐蝕材料。Si3N4材料：可代替氧化鋯作關(guān)節(jié)置換假體，比氧化鋯有更好的使用壽命。第二十六頁第二十七頁，共70頁。3.3碳質(zhì)材料碳質(zhì)材料指作為生物醫(yī)學(xué)使用的各種碳素及其復(fù)合材料。自然界中的碳：金剛石、石墨和無定形層狀結(jié)構(gòu)（最多，點(diǎn)陣無序排列，各向同性）。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。它的最大優(yōu)點(diǎn)是血液相容性好，不可滲透性，再加上優(yōu)良的力學(xué)性能（強(qiáng)度、彈性模量和耐磨性），可通過不同工藝改變其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使其在醫(yī)學(xué)上得到廣泛使用。第二十七頁第二十八頁，共70頁。醫(yī)用碳質(zhì)材料（外科植入物）類型：熱解碳：1000－2400C熱解碳?xì)浠衔锍练e在石墨基體上(在醫(yī)學(xué)上只用1500C以下沉積的低溫各向同性碳，厚度可達(dá)1mm)。玻璃碳：酚醛樹脂、糠醇樹脂等加熱失去揮發(fā)成分而留下玻璃狀的殘留物。比熱解碳機(jī)械性能差，用于不承受高機(jī)械應(yīng)力部位。第二十八頁第二十九頁，共70頁。蒸汽沉積碳：在真空過程中通過氬揮發(fā)，用電弧或高能電子束等手段加熱碳?xì)浠衔?，使其分解，升華或?yàn)R射，沉積在金屬、陶瓷或高分子材料的表面上，沉積層約1

m。另一種在低壓和低溫下，用催化劑使含碳濃度高的氣相沉積，沉積碳具有各向同性、不透氣、彈性好等特性，常用于聚合物、纖維織物和多孔金屬植人體的涂層。碳纖維：丙稀腈為原料，隔氧，1000～1500C培燒，張力牽引，鏈狀分子脫掉大部分氫、氮等小分子，留下碳原子按同一方向整齊排列。碳纖維是黑色細(xì)絲，單絲直徑7～9m

，抗拉強(qiáng)度可達(dá)3040MPa，耐腐蝕、耐磨損，并有自身潤滑能力。但仍屬于脆性材料，抗彎強(qiáng)度較低。第二十九頁第三十頁，共70頁。碳質(zhì)材料應(yīng)用：主要用于制造心血管修復(fù)體的重要材料、人工骨、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。第三十頁第三十一頁，共70頁。3.4羥基磷灰石陶瓷羥基磷灰石（HA）是人體骨組織的主要無機(jī)成分，占90％，碳酸鈣等其它成分占10％。羥基磷灰石具有很好的生物相容性第三十一頁第三十二頁，共70頁。3.4.1羥基磷灰石的原粉的合成和制品成型一、原粉的合成化學(xué)共沉淀法典型的方法：酸堿中和反應(yīng)、鈣鹽和磷酸鹽的反應(yīng)。此法易制得大量微晶狀態(tài)或非晶態(tài)的HA粉末。第三十二頁第三十三頁，共70頁。濕法制備HA裝置圖：第三十三頁第三十四頁，共70頁。Ca/P隨pH值的變化情況第三十四頁第三十五頁，共70頁。第三十五頁第三十六頁，共70頁。（2）固相反應(yīng)法（干法）此法與普通陶瓷得制備方法基本相同，原料粉磨細(xì)混合，在1000－1300C下高溫合成結(jié)晶性HA。此法合成的HA純度高，結(jié)晶性好。第三十六頁第三十七頁，共70頁。（3）水熱合成法以CaCl2或Ca(NO3)2與NH4H2PO4為原料，以鈦網(wǎng)為陰極、石墨為陽極，控制一定的pH和沉積時間，得到CaHPO4.2H2O.隨后經(jīng)120～200C水蒸汽處理，即得HA.此法適合制備完整的HA單晶第三十七頁第三十八頁，共70頁。二、羥基磷灰石制品的成型HA粉末合成后，還必須通過成型－燒結(jié)工藝提高其強(qiáng)度，同時根據(jù)需要調(diào)節(jié)孔度和形狀。一般工藝過程為：原料粉碎（球磨/干燥）粘結(jié)劑（如需可加致孔劑）等靜壓/熱壓成型修邊燒結(jié)成品修飾產(chǎn)品粘結(jié)劑：水；聚乙烯醇水溶液；石蠟、蜂蠟致孔劑：雙氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、PTFE球；也可將HA漿料注入多孔泡沫塑料，然后燒結(jié)制成多孔材料第三十八頁第三十九頁，共70頁。三、羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與性能羥基磷灰石的化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：Ca10(PO4)6(OH)2,Ca/P比為1.67,密度3.16g/cm3,呈弱堿性(pH=7～9).多晶的羥基磷灰石具有很高的彈性模量（40～117GPa),人牙釉質(zhì)為74GPa。合成過程中，微量元素的加入：

La的加入，改善降解特性，HA表面均勻降解；

F的加入，改善HA的韌性，形成可切削陶瓷。但作為骨組織替代物，F(xiàn)含量過高會影響骨組織的再生和一定抗壓強(qiáng)度的維持。第三十九頁第四十頁，共70頁。四、羥基磷灰石的應(yīng)用可應(yīng)用于骨缺損的填充修補(bǔ)（或替換），例如：鼻梁骨、頜骨替換；軟骨、承力骨缺損（骨結(jié)核、骨瘤病灶的切除）的填充；承力骨（脛骨）的替換；義眼球、人工聽骨等；或者作為活性物質(zhì)噴涂在其它材料表面。一般地，多孔HA或粉末：強(qiáng)度低，適合做填充或藥物載體；多孔、質(zhì)輕，適合做義眼球；致密HA或空隙較少：承力骨的修復(fù)和替代第四十頁第四十一頁，共70頁。3.5磷酸鈣陶瓷磷酸鈣有

-磷酸鈣和-磷酸鈣兩種化學(xué)結(jié)構(gòu)，與羥基磷灰石有一定結(jié)構(gòu)相似性。以-磷酸鈣最為常用，有較快的降解速度，可做骨填充物。-磷酸鈣有自固化性質(zhì)，可做骨水泥。第四十一頁第四十二頁，共70頁。3.5.1磷酸鈣陶瓷制備與羥基磷灰石制備工藝相似，以Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4為原料，首先合成Ca10(PO4)6(OH)2,然后在較高溫度下依次脫除氫原子和氧原子得到磷酸鈣。在1400C以上，-磷酸鈣轉(zhuǎn)化為-磷酸鈣第四十二頁第四十三頁，共70頁。3.5.2磷酸鈣的結(jié)構(gòu)與性能

-磷酸鈣的獨(dú)特性質(zhì)－水硬性：

-磷酸鈣的生理鹽水溶液中加入適當(dāng)添加劑，37

C時凝膠化時間16分鐘，室溫放置5天后抗壓強(qiáng)度為30MPa，固化10天后，生成羥基磷灰石。

-磷酸鈣：半晶或無定形的，力學(xué)強(qiáng)度不及HA，但降解速度比HA快的多，多孔-磷酸鈣幾個月（9個月）內(nèi)可完全降解。第四十三頁第四十四頁，共70頁。3.5.3磷酸鈣的應(yīng)用良好的生物相容性。由于強(qiáng)度較低，一般作填充物用，用于不承載較大負(fù)荷的部位，或作生物涂層用；自固化的磷酸鈣可作骨水泥用于齒科材料或頜面整形、人工關(guān)節(jié)部件固定。第四十四頁第四十五頁，共70頁。3.6珊瑚

珊瑚(指石珊瑚而非軟珊瑚)為海洋內(nèi)腔腸動物珊瑚蟲分泌的外骨骼沉積而成，其殼體主要成分為碳酸鈣，含量高達(dá)95％．由于其良好的生物相容性、機(jī)械性能好，以及有合適的降解性能，在人骨修復(fù)方面得到了應(yīng)用。第四十五頁第四十六頁，共70頁。

3.6.1珊瑚的制備、結(jié)構(gòu)與性能珊瑚分天然珊瑚、人工合成珊瑚以及改性產(chǎn)物等。一、天然珊瑚天然珊瑚為一種多孔性結(jié)構(gòu)體，是在海水中長期沉積(鈣離于和含磷離子)作用形成的。其主要成分碳酸鈣為無定形結(jié)構(gòu)，孔率介于30％一60％，孔徑在100m到幾百微米之間．它由于含有其他元素及有機(jī)物，與純碳酸鈣的性能有所不同。另外，在孔隙率很大(60％)的情況下能保持一定的強(qiáng)度。作為人工骨材料其抗壓強(qiáng)度(約18.6MPa)不足，彈性模量（49.7GPa）與人骨相比偏高。珊瑚的處理主要是去除有機(jī)質(zhì)，可采用超聲法和化學(xué)法，并在高壓滅菌器消毒即可使用。第四十六頁第四十七頁，共70頁。二、人工珊瑚人工珊瑚主要通過化學(xué)或模仿生物沉積方法得到多孔碳酸鈣．但無論從強(qiáng)度還是多孔性方面都無法與天然珊瑚相比。三、改性珊瑚將天然珊瑚的碳酸鈣中的碳酸根換成磷酸根，則得到珊瑚羥基磷灰石，基本工藝為珊瑚在高溫、高壓下與磷酸二氫銨長時間反應(yīng)，得到珊瑚羥基磷灰石。該材料除保持珊瑚的孔結(jié)構(gòu)外，還提高了珊瑚的硬度(一般莫氏硬度為5，而珊瑚一般為3-4)．而基磷灰石是骨組織的主要無機(jī)成分，與組織的相容性更好。第四十七頁第四十八頁，共70頁。珊瑚中的CaCO3在體內(nèi)可離解成Ca2+、HCO3-，其中HCO3-參與體液的HCO3-/CO2緩沖體系，而Ca2+則可參與植入體表面的鈣、磷離子交換，促進(jìn)新骨的形成。珊瑚的降解主要是破骨細(xì)胞的吞噬作用及碳酸酐酶(CA)對珊瑚的吸收。珊瑚不改變機(jī)體正常的免疫狀況，具有良好的生物相容性和骨親和性；同時其孔結(jié)構(gòu)有利于骨組織的長入和替代，有一定的骨傳導(dǎo)作用。第四十八頁第四十九頁，共70頁。3.6.2珊瑚在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

珊瑚可用于口腔頜面部整形，鼻畸形患者，鼻小柱內(nèi)植入珊瑚，以提起鼻尖。珊瑚粉末與抗菌素膏混合后植入牙周以修復(fù)骨缺損。用于顱腦手術(shù)，如顱骨創(chuàng)傷后畸形患者，珊瑚植入之后恢復(fù)形態(tài)。珊瑚還用于顱骨蓋髓術(shù)、顴弓骨折、人工全髖關(guān)節(jié)缺損、人工股骨頭、人工骨義眼臺等。第四十九頁第五十頁，共70頁。3.7生物玻璃生物玻璃是經(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），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（一般小于1nm），這樣的玻璃稱為微晶玻璃、結(jié)晶化玻璃或玻璃陶瓷。第五十頁第五十一頁，共70頁。微晶玻璃中通常含有50％～90％的微小晶體成分，而非晶態(tài)(玻璃態(tài))含5％～50％，玻璃相把微小的晶粒連結(jié)起來。微晶玻璃較普通玻璃的機(jī)械強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、硬度、耐磨)有很大提高。第五十一頁第五十二頁，共70頁。1970,美Florida大學(xué)L.Hench開發(fā)45S5生物玻璃，成分：SiO2：45%，Na2O：24.5％，CaO：24.5％，P2O5：6％.1982，日本京都大學(xué)小久保研制A-W微晶玻璃，成分：SiO2：34.2%，CaO：44.9％，P2O5：16.3％,MgO：4.6％，CaF2：0.5％.第五十二頁第五十三頁，共70頁。生物玻璃材料與生物陶瓷一樣，按其與生物體組織相互作用情況分為兩類：非活性的近似惰性的和生物活性的。惰性生物玻璃在生物體中由于體液的作用，只是表面組成出現(xiàn)少量的脫堿作用或因硅氧網(wǎng)絡(luò)稍有溶解而產(chǎn)生變化，基體則未發(fā)生改變?；钚圆Ａt由于體液作用，玻璃中堿性離子和硅氧網(wǎng)絡(luò)在浸蝕過程中逐漸破壞，離子溶解并進(jìn)入體液中循環(huán)?？傮w上看，生物玻璃較降解性陶瓷降解速度慢，組織反應(yīng)活性差一些，但活性高于惰性生物材料。第五十三頁第五十四頁，共70頁。活性玻璃生物相容性好，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)。第五十四頁第五十五頁，共70頁。生物活性玻璃與骨組織間的反應(yīng)玻璃與骨組織形成界面鍵合區(qū)第五十五頁第五十六頁，共70頁。生物玻璃大多是與磷酸鹽有關(guān)的玻璃和混合材料，或是含磷的硅酸鹽玻璃、高氟鋁硅酸鹽玻璃。它們一般含有氧磷雙鍵(P＝O)、硅氟鍵(Si—F)或鋁氟鍵(Al—F)?；钚陨锊ＡЪ吧锊Ａ沾?，通常要求SiO2的含量低于60%，同時含有Na2O以及CaO／P2O5。

第五十六頁第五十七頁，共70頁。與生物陶瓷一樣，生物玻璃具有一定大小的孔徑，維持一定的孔率是保持生物活性的關(guān)鍵因素之一。純粹玻璃的成型有一個熔融過程，常用致孔劑難以有效形成多孔結(jié)構(gòu)、特別是難以形成開口的孔隙；可以仿照陶瓷的燒結(jié)過程，將一些微晶玻璃原粉，通過磨細(xì)后加致孔劑靜壓成型，然后在高溫下燒結(jié)得到多孔結(jié)構(gòu)體。第五十七頁第五十八頁，共70頁。作為骨組織替代物或填充材料，一定的力學(xué)強(qiáng)度是必須的。生物玻璃的抗壓強(qiáng)度以及其他主要物理性質(zhì)(密度、熱膨脹系數(shù)等)均與人體骨相近，但韌性較人體骨組織差，通過加入特殊組分可改善生物玻璃的韌性，甚至得到可切削的生物玻璃。

第五十八頁第五十九頁，共70頁。例如：組成為MgO(15.5％)、Al2O3(12.6％)和SiO2(71.9％)的玻璃，當(dāng)部分氧原子被F(11.2％)原子取代后，再摻雜5.2％氧化鈉得到可切削玻璃；加入少量CaO、P2O5不會影響其機(jī)械性質(zhì)而形成生物活性玻璃。第五十九頁第六十頁，共70頁。生物玻璃在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：生物玻璃主要用于人工骨、人工牙或骨缺損部位的填充等，少數(shù)作為人工關(guān)節(jié)、斷指連接材料。也可作為鈦合金牙種植體的表面涂層。治療用生物玻璃，人工骨用生物玻璃，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)。第六十頁第六十一頁，共70頁。3.8骨水泥水泥實(shí)際上一類無機(jī)或有機(jī)及其混合物粉末材料，在常溫下當(dāng)它與水或水溶液拌和后所形成的漿體，經(jīng)過一系列化學(xué)、物理作用后，能夠逐漸硬化并形成具有一定強(qiáng)度的人造石。水泥與玻璃和陶瓷相比具有易塑形自硬化作為骨水泥，除了易塑形和凝固后一定的強(qiáng)度，同時還必須具有生物相容性。第六十一頁第六十二頁，共70頁。3.8.1硫酸鈣骨水泥硫酸鈣(俗稱石膏)，早在1894年就用做人工骨材料，主要特性是降解速度快(在很大程度上是硫酸鈣微溶于水)，自硬性強(qiáng)度高，在短時間內(nèi)達(dá)到較高強(qiáng)度．因此在醫(yī)學(xué)上主要用于骨外固定材料、矯形外科、骨缺損填充。由于降解