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1、5.1 概述5.2 陶瓷结构与性能的关系5.3 磷酸钙陶瓷5.4 生物活性玻璃与生物微晶玻璃5.5 其它生物陶瓷5.6 陶瓷材料的增韧强化5.7 陶瓷基生物医用复合材料,第五章 生物医用陶瓷材料,5.1概述,1）陶瓷（无机非金属材料）的基本概念及分类陶瓷是指用天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶或非晶固体材料。陶瓷可分为 普通陶瓷（传统陶瓷）和特种陶瓷（近代陶瓷）。传统的陶瓷都是以由硅、铝、氧三种主要元素形成的天然硅酸盐矿物为主要原料(如粘土、长石、硅石)制成的材料。而把近代陶瓷称为“新型陶瓷”(New Ceramics)或“精细陶瓷”(
2、Fine Ceramics),普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。,特种陶瓷原料是人工提炼的，即纯度较高的金属氧化物、碳化物、氮化物等化合物。这类陶瓷具有一些独特的性能,可满足工程结构的特殊需要.属于这类陶瓷的有压电陶瓷、高温陶瓷、高强度陶瓷、生物医用陶瓷、半导体陶瓷、环保陶瓷，等等.,氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分,含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝陶瓷。,单相Al2O3陶瓷组织,氧化锆陶瓷,2）生物陶瓷的基本概念及分类生物陶瓷是通过植入人体或是与人体组织直接接触，使机体功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。图4-1是几种
3、常见的生物陶瓷制品。,人工髋关节,羟磷灰石生物陶瓷人工骨,全瓷牙,几种常见的生物陶瓷制品,生物陶瓷的分类,根据种植材料与生物体组织的反应程度，可将生物陶瓷分为三类:生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解（吸收）陶瓷。1）生物惰性陶瓷在生物体内化学性质稳定，生物相容性好，无组成元素溶出，对机体无刺激的陶瓷。如氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷、碳素材料（C），氮化硅（Si3N4）等,2）生物活性陶瓷材料的生物活性：即生物材料在体液环境下通过化学键和周围活体组织紧密结合的能力。生物活性陶瓷：在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与骨组织形成化学键合。,羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2生物活性玻璃
4、 Na2O-CaO-P2O5-SiO2生物活性玻璃陶瓷,3）生物可降解陶瓷（生物吸收陶瓷）(Biodegradable)这类材料在生物体内能诱导骨质生长，并逐步降解、吸收，被新生骨取代，从而达到修复或替换病损组织的目的。磷酸三钙 Ca3(PO4)2，TCP,三种生物陶瓷材料与骨结合的形式：生物惰性陶瓷：植入人体后成纤维细胞在其表面增殖，最终形成纤维组织包囊，形成纤维接触界面。生物活性陶瓷（生物反应性陶瓷）：与成骨细胞较成纤维细胞更易在其表面增殖，从而和新生骨直接结合，形成骨性结合，而不会在界面处产生纤维组织包囊。生物吸收陶瓷：存在新骨形成并伴随陶瓷材料降解。,5.2 陶瓷结构与性能的关系,陶瓷
5、材料是由共价键或离子键结合，含有金属与非金属元素的复杂化合物和固溶体。陶瓷材料的晶体结构比金属材料复杂且表面能小。因此其强度（抗压强度）、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性要优于金属。但陶瓷的最大缺点是韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展能力很低，所以容易发生脆性断裂。,5.2.1 陶瓷的结构 一般来说，陶瓷是一种多晶材料，它是由晶粒和晶界所组成的烧结体，显微组织由晶体相，玻璃相和气相组成。由于各相的相对量变化很大，分布也不均匀，所以使各相的组成，结构，数量，几何形状及分布状况都不相同，直接影响陶瓷材料的性能。,陶瓷的组成,1.结晶相：主要组成相（如Al2O3），由离子键或共价键结合而成，决
6、定陶瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。,2 玻璃相：非晶态固体（如石英玻璃），将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。,气相：气孔（510）。对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小,陶瓷的结构类型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金属元素；X代表非金属元素；m和n代表整数。最简单的陶瓷化合物为AX型陶瓷晶体。AX化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果RA/RX0.732则为一简单的立方体结构，如CsCl结构，A原子（或离子）位于8个X原子的中心。如果离子的半径比
7、率完全不同，则呈现出面心立方体结构，如NaCl、KCl、LiF、MgO、CaO、MnO等化合物，这类结构以阴离子为面心立方点阵，阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结构的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。,表4-2 AmXn结构,当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型结构或刚玉型结构。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2等（图4-2）。刚玉（Al2O3）型结构的氧化物有Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、Ca2O3等（图4-3）。,图4-2 萤石的点阵结构,图4-3 刚玉的点阵结构,陶瓷材料的工艺特点陶瓷是脆性材料
8、，大部分陶瓷是通过粉体成型和高温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在的问题是其存在一定的气孔率。,5.2.2陶瓷材料的力学性能,弹性（1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。共价键结构有较高的抗晶格畸变、阻碍位错运动的阻力。晶体结构复杂，滑移系很少，位错运动困难。（2）弹性模量呈方向性：压缩模量高于拉伸弹性模量。结构不均匀性：缺陷。（3）气孔率，弹性模量,强度抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。但抗拉强度和剪切强度却很低（由于陶瓷内部有大量空洞，拉伸时应力集中大，为脆性材料）。硬度高、耐蚀性高耐磨性高：其耐磨性远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下更
9、显示出其独特的优越性。最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮化硅陶瓷等。,塑性：室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。,热性能 陶瓷材料一般具有高熔点（大多在2000C以上），极好的化学稳定性和很强的抗氧化等特点。陶瓷材料的线膨胀系数一般都很小，约为10-510-6/K。,在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶瓷占有很大的比重，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合。,5.3 磷酸钙陶瓷,5.3.1 概述 磷酸钙生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三钙，作为生物材料使用的磷灰石一般是C
10、a与P原子比为1.67的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapatite，简称HA)，磷酸三钙是Ca与P原子比为 1.5的-磷酸三钙-Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，简称-TCP)。,磷酸钙陶瓷粉末的制备制备块状磷酸钙陶瓷的第一步是磷酸钙陶瓷粉末的制备，主要有湿法和固态反应法。湿法包括：水热反应法、水溶液沉淀法以及溶胶凝胶法等等。各种制备工艺的研究目标是得到成分均匀、粒度微细的磷酸钙粉末。,磷酸钙陶瓷的烧结 制备致密磷酸钙陶瓷的主要方法是粉末烧结技术。磷酸钙陶瓷粉末先要压制成需要的形状，然后在10001500进行烧结。以Ca与P原子比为1.
11、67的磷灰石粉末为原料，可得到HA陶瓷；以Ca与P原子比为1.5的磷灰石粉末为原料，可得到-TCP陶瓷。,磷酸钙生物陶瓷的力学性能与应用 致密磷酸钙陶瓷的力学性能见表5-1。从力学相容的角度来看，作为硬组织替换用的磷酸钙盐至少应与被替换的器官有相近的强度和弹性模量。脆性是制约磷酸钙生物陶瓷临床应用的主要因素之一。改善磷酸钙盐陶瓷的脆性，使其能应用到大块骨缺损的修复及承力部位，成为这一领域中材料研究急需解决的问题。,表5-1 磷酸钙生物陶瓷的力学性能,磷酸钙生物陶瓷材料的发展趋势1）增韧补强。磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性，磷酸钙陶瓷基复合材料，已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一
12、。2）基于仿生原理，制备类似于自然组织的组成、结构和性质的理想生物陶瓷，是生物陶瓷的另一个发展方向。组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的课题。,5.3.2 羟基磷灰石 羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是人体和动物骨骼、牙齿的主要无机成分，在骨质中，羟基磷灰石大约占60，它是一种长度为200400mm，厚度1530mm的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。HA由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植入人体后能在短时间内与人体的软硬组织形成紧密结合而成为广泛应用的植骨代用品。但HA生物陶瓷脆性高、抗折强度低,目前仅能应用于非承载的小型种植体,如人工齿根
13、、耳骨、充填骨缺损等,而不能在受载场合下应用。,图4-4 骨质中HA的扫描电子显微镜照片,羟基磷灰石的晶体结构,羟基磷灰石理论组成为Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P为1.67。HA晶体为六方晶系，单位晶胞含有10个Ca2+、6个PO43和2个OH-。,沉淀法 通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌，控制在一定的pH值和温度条件下，使溶液中发生化学反应生成HA沉淀，沉淀物在400600甚至更高的温度下煅烧，可获得符合一定比例的HA晶体粉末。10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3H2O Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O,羟基磷灰石粉末的制备,水热法 水
14、热法是在特制的密闭反应容器中(高压釜)，采用水溶液作为反应介质，在高温高压环境中，使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。这种方法通常以磷酸氢钙等为原料，在水溶液体系，温度为200400的高压釜中制备HA,使原来难溶或不溶的物质溶解并重新结晶。这种方法条件较易控制，反应时间较短，省略了煅烧和研磨步骤，粉末纯度高，晶体缺陷密度低；合成温度相对较低，反应条件适中，设备较简单，耗电低。,水热法制备羟基磷灰石的反应式6CaHPO4+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O,35,Chapter7 Non-metallic Inorganic Materials,高压釜,羟基
15、磷灰石涂层的制备由于HA的力学性能较差，抗弯强度和断裂韧性指标均低于人体致密骨，限制了它们单独在人体负重部位的使用。采用有效方法在生物惰性材料表面涂覆生物活性HA涂层，既可使材料骨界面达到生理结合又可有效地利用生物惰性材料优良的力学性能。,（a）涂覆HA涂层的股骨柄；（b）近部涂覆HA涂层的骨柄,HA涂层的制备方法有等离子喷涂法、溶胶-凝胶法、仿生溶液生长法、激光熔覆法、电化学法、水热法、涂覆-烧结法等。等离子喷涂法 等离子喷涂法是采用燃烧能或电能将喷镀材料(粉末或颗粒)熔化或雾化造成熔融态或半熔融态的粒子流并高速喷射到底材上而堆积成涂层的方法。等离子焰热量高度集中可以获很高的温度足以熔化任何
16、一种难熔材料；等离子流速较高使喷涂粒子以较大速度撞击到基体上形成的涂层与基体间结合强度较大；对基体热影响小可以对已加工成形的工件进行表面喷涂；易于实现自动化且成本适中。,仿生溶液生长法 该法模仿了自然界生理磷灰石的矿化机制，先配制一种与人体体液组成几乎相同的溶液SBF（simulated body fluid）,然后将金属基板置于此溶液中以模仿生物环境，在金属基板表面上生长出HA涂层。仿生溶液生长法与传统的涂层方法相比有以下几个优点：低温下(低于100)操作,可避免高温喷涂引起的相变和脆裂,且低温条件为共沉积蛋白质等生物大分子提供了可能性；,由于是在类似于人体环境条件的水溶液中自然沉积出来的,
17、因此成分更接近于人体骨无机质,可望具有高的生物相容性和骨结合能力;可在形状复杂和表面多孔的基底上制备均匀的涂层;所需设备投资少,工艺简单,易于操作。因此,该技术在制备金属-生物活性物质涂层材料方面有着广阔的应用前景。,羟基磷灰石的性能物理化学性能 羟基磷灰石的理论密度为3.156 g/cm2，折射率为1.641.65，莫氏硬度为5，微溶于水，呈弱碱性(pH=79)，易溶于酸而难溶于碱。HA是强离子交换剂，分子中的Ca2+容易被Cd2+、Hg2+等有害金属离子和Sr2+、Ba2+、Pd2+等重金属离子交换，还可与含有羧基的氨基酸、蛋白质及有机酸等发生交换反应。,机械性能 HA致密体的机械强度与制
18、作工艺有很大关系。要获得高强度的烧结体，必须对原料合成、粉体成型和烧成制度等工艺条件进行最佳选择。表4-5为HA致密体和人体硬组织的部分机械强度数值。HA材料具有普通陶瓷材料的共同弱点：脆性大，耐冲击强度低。因此作为人工骨置换材料在承受较大张应力的部位应用时需要慎重。,表4-5 羟基磷灰石和人体硬组织机械性能对照,生物学性能 HA陶瓷由于分子结构和钙磷比与正常骨的无机成分非常近似，其生物相容性十分优良，对生物体组织无刺激性和毒性。大量的体外和体内实验表明，HA在与成骨细胞共同培养时。HA表面有成骨细胞聚集；植入骨缺损时，骨组织与HA之间无纤维组织界面。植入体内后表面也有磷灰石样结构形成，骨组织
19、与植入材料之间无纤维组织间隔，与骨的结合性好。,HA种植体可以模仿人体骨组织中的网状多孔结构（图4-8），有利于加强种植体和骨组织之间的结合。对于生物惰性材料，要形成新骨长人多孔体的孔径应不小于100m；而对于HA多孔体，50m孔径的气孔内，就可有新骨生成。平均孔径90m的多孔体则显示最佳的骨形成姿态。HA对软组织也同样具有良好的相容性。,图4-8 人体骨组织的SEM照片（a）致密骨的抛光横截面；（b）致密骨纵截面中能看到相互连通的孔道,HA材料在医学领域的应用 HA材料最早的应用主要在口腔科和骨科方面。HA人工牙根曾风靡一时，其与骨组织和粘膜组织的结合状态比氧化铝牙根来得好，但由于其耐冲击强
20、度较低，所以在结构上不能制成较细或较复杂的形状，使临床适应范围要比氧化铝牙根小。为了弥补HA强度不足之欠缺，目前常用的人工牙根多采用金属与HA复合的工艺制造。内芯为纯钛金属，埋入骨组织部分的钛表面通过等离子方法喷涂一层HA，这样既大大提高了人工牙根的机械性能，又保持了与骨组织形成紧密结合的良好生物学性能。,HA多孔体常用于骨置换和骨缺损修复，如下颌骨重建，牙槽嵴增高、颅颌骨缺损充填等。HA材料具有骨传导能力这一点已为各国学者所承认。多孔体结构与致密体相比表面积大幅度增大，这对于加速早期骨生长，促进植入材料与周围骨一体化是十分有利的。另外在眼科，目前已开始大量采用HA多孔体来制作义眼座。,5.3
21、.3 磷酸三钙 目前广泛应用的生物降解陶瓷是一系列磷酸钙基陶瓷，包括-磷酸三钙、-磷酸三钙(-TCP)、磷酸氧四钙等。其中-TCP具有良好的生物降解性、生物相容性和生物无毒性，当其植入人体后，降解下来的Ca、P能进入活体循环系统形成新生骨，因此它作为理想的骨替代材料己成为世界各国学者研究的重点之一。,-TCP陶瓷的制备工艺-TCP陶瓷的制备一般分三个步骤：粉末制备、成型和烧结。粉末制备方法同羟基磷灰石相似，分为湿法和干法。,-TCP陶瓷的生物相容性-TCP陶瓷具有良好的细胞相容性，动物或人体细胞可以在材料上正常生长、分化及繁殖。由于其组织成分与骨组织无机成分相同，故植入体内无明显异物反应，局部
22、无明显炎症反应。,-TCP陶瓷在骨科中的应用 作为一种与生物具有良好亲和性的生物陶瓷材料，-TCP 安全、无毒、无副作用，作为植入材料可引导新骨的生长；其作为人工齿根、人工骨、生物骨水泥等已得到广泛应用。目前，其应用主要集中在-TCP陶瓷人工骨、-TCP复合人工骨、-TCP药物载体等三个方面。,HA/TCP骨植入物多孔块状物体的外观,孔径：1mm，300-500m,HA/TCP支架的形貌,支架的表面形貌,泡沫的表面形貌,5.4 生物活性玻璃与生物微晶玻璃,长久以来，玻璃一直被认为是一种惰性材料，在医学方面主要用做实验室器皿、试管和医用安瓿等容器。事实上玻璃不仅能参与血凝反应,而且能加速凝血,这
23、说明玻璃表面不是惰性的,而是活性的。1971年，佛罗里达大学的Lary Hench教授偶然发现将Na2O-CaO-SiO2-P2O5系统的玻璃材料植入生物体内，作为骨骼或牙齿的替代物，材料中的组分可以同生物体内的组分相互交换或反应，最终形成与生物体本身相容的物质，构成新生骨骼或牙齿的一部分。Hench教授将这种能与人体骨或软组织形成生理结合的生物陶瓷称为生物活性玻璃。自此之后，不断有新型的生物活性玻璃被开发研制出来。,目前商品化的生物活性玻璃已经在临床上得到了广泛的应用（表4-6）。,表4-6 生物活性玻璃及玻璃陶瓷的化学成分（质量分数）和相组成,5.4.1生物活性玻璃的结构和特性 生物活性玻
24、璃一般为CaO-SiO2-P2O5系统，部分含有MgO、K2O、Na2O、A12O3、B2O3、TiO2等，玻璃网络中非桥氧所连接的碱金属和碱土金属离子在水相介质存在时，易溶解释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有溶解性，即为玻璃具有生物活性的基本原因。,相对于其他生物材料，生物活性玻璃和微晶玻璃具有以下特征：生物活性高。生物玻璃植人人体后骨增殖速度大于或等于自体骨，其主要原因在于生物玻璃具有促进原始细胞增殖和分裂的显著特征。,组成的可设计性和性能的可调节性。与单组分材料相比，生物玻璃可通过改变其成分或微晶玻璃中晶相的种类和含量来调节生物活性、降解性和机械性能等，以满足不同的临床需求。,5
25、.4.2 生物玻璃的活性生物玻璃的表面反应机理 生物玻璃植入体内后，表面溶解并形成与类骨磷灰石层是其与骨形成结合的根本原因，这一过程本质上是一个发生在植入体表上的依赖时间的动力学过程。生物活性玻璃与骨结合过程大致包含11步反应，如下所示。其中前5步反应并不需要人体组织的参与，可以发生在模拟体液、三羟甲基氨基甲烷缓冲液甚至是蒸馏水中；而随后的反应则是细胞与玻璃的协同作用。,（1）玻璃中Na+和K+离子等与溶液中H+以及H3O+迅速交换：Si-O-Na+H+OH-Si-OH+Na+OH-（2）)Si-O-Si键被溶解打断，在界面处形成许多Si-OH；,+Si-OH在界面处形成缩聚反应 Si-OH+
26、Si-OHSi-O-Si形成无定形相Ca2+PO43-+CO32-碳酸羟基磷灰石（HCA）晶体HCA层表面吸附生物基团巨噬细胞作用干细胞吸附干细胞分化生成基体11基体结晶化,生物玻璃与细胞的协同作用 生物玻璃植入后与骨的融合依靠骨原细胞的粘附和增殖以及细胞间质的形成与矿化，而体内的生物分子和细胞影响着玻璃的表面反应。不少研究发现，在体外实验中加入血清会减缓结晶磷灰石层的生成速度；许多生物分子，包括氨基酸、糖类和体内物质(如焦磷酸盐)都会减缓HCA层的形成并影响矿化。,5.4.3 常见的生物活性玻璃Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃(Bioglass)Bioglass是第一种能在生物体内
27、与自然骨牢固结合的玻璃,该玻璃在组成上的特点有:高钙磷比,SiO2的摩尔含量少于60%,Na2O和CaO含量较高,所以该类生物玻璃接触水相介质如模拟体液时具有相当高的反应活性。,图4-10表示的是Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃的生物活性（用IB表示）与组成成分之间的关系。其中P2O5的质量分数固定为6%不变。A区域组分对应的玻璃能与骨进行良好的结合；B区域组分对应的玻璃是生物惰性材料，在植入体和组织的界面上会产生纤维状的包膜；C区域中的玻璃会在1030天内被人体组织吸收；D区域中的玻璃没有实用价值。,图4-10 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃的成分与生物活性的关系（）4
28、5S5Bioglass、（）Ceravital、（）55S4.3 Bioglass,MgO-CaO-SiO2-P2O5系微晶玻璃（A-W微晶玻璃）该微晶玻璃的代表组成为(质量%):MgO 4.65，CaO 44.9，SiO2 34.2，P2O5 16.3，CaF2 0.5。熔成玻璃后将其粉碎,然后成形压制成所需的形状后,在烧结过程中形成氧-氟磷灰石Ca10(PO4)6(O,F9)以及-硅灰石结晶，成为气孔率为0.7%的致密微晶玻璃(A-W微晶玻璃)。将A-W微晶玻璃继续升温后，-硅灰石晶体量增加,而氧-氟磷灰石的一部分与玻璃相反应转变为-3CaOP2O5晶体(A-W-CP微晶玻璃)。应用试验表
29、明,A-W微晶玻璃可用于制造人工脊椎骨、肋骨等。,Na2O-K2O-MgO-CaO-SiO2系微晶玻璃(Ceravital)Ceravital微晶玻璃既具有Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃与骨结合的特点,又可避免较多的 Na+和Ca2+长时期溶出后形成强度低的SiO2凝胶层。组成中Na2O含量低,但经过热处理后玻璃中含较多的磷灰石晶体,这既使玻璃提高了机械强度,又具有生物活性。将其植入动物体后,与骨缺损部位形成牢固的化学结合。Ceravital可用于不承受或少承受弯曲应力的牙根、颚骨等部位。,多孔生物玻璃或微晶玻璃 多孔材料的高孔隙率和较大的孔径导致材料表面积增大，进而提高了材料与人
30、体体液或组织的作用范围，增强了材料与组织的界面结合强度，这种结合被称之为生物固定，相对于密实植入体的形态固定能够承受更大和更复杂的应力，但是为了维持组织的正常生长，对长入多孔生物材料中的联接组织需提供充分的血液。而血管组织不长入孔径小于100m的孔隙中。所以植人材料的孔径必须大于l00150m。比较不同孔隙率的A/W-GC颗粒对骨传导性的影响表明，骨组织日在孔径较大(5500m)的颗粒孔腺内形成，而在孔径较小(150m)的孔隙内刚无骨组织形成。,5.4.4 展望虽然生物活性玻璃有众多优点及应用，但是其在生物材料领域的应用却不及磷酸钙陶瓷，一方面是生物玻璃中多数含有硅的成分，硅在体内不能降解并且
31、其代谢机理目前不是很清楚，不论生物玻璃在人体内植入时间的长短，其最终不可能转化为与人体骨组织类似的物质；另一方面可溶解的磷酸盐玻璃体系一般含钠，溶解使得局部离子浓度和pH值发生较大变动，影响周边细胞和组织的功能，并有可能影响体内的离子平衡。,下一代生物活性材料要求能在分子水平上刺激特定的细胞反应而加速组织再生，要求生物材料能为人体所吸收，其降解的速度应与组织生成的速度一致，并且在骨重建过程中始终能保持足够的强度。因此生物玻璃的研究应同组织工程和基因工程结合起来，模糊材料制备和生物学评价间的界限，充分利用生物玻璃和微晶玻璃的组分与性能可设计性，以实际应用需求指导材料的设计。未来生物玻璃制备的重要
32、手段是利用溶胶-凝胶法制备大表面积的玻璃，调控降解速度并激活成骨细胞基因，达到加速组织再生的目的。,5.5 其他生物陶瓷,5.5.1 氧化铝生物陶瓷 氧化铝（Al2O3）也称刚玉，具有多种结晶形态，红宝石和蓝宝石分别就是自然界中含有一定量Cr和Fe元素的刚玉。作为陶瓷家族中的典型代表，氧化铝具有良好的电、热绝缘性能和高温下的化学稳定性。自1969年首次将氧化铝陶瓷用于医学领域以来，已经有超过2亿个氧化铝关节头和30万个氧化铝髋臼内衬用于髋关节置换手术（THR）。,目前的医用氧化铝陶瓷为主要含-Al2O3的单相材料。而且氧化铝的化学性质、力学性能和物理性能都要达到ISO 64749和ASTMF
33、60310的相应标准。表4-7列出了医用氧化铝陶瓷的主要性能。,表4-7 医用氧化铝陶瓷的主要性能,制备方法 由天然矿物铝凡土(Al2O3nH2O)经化学方法分离、精制、煅烧和粉碎等多道工序处理后，可制得粒径0.31m，纯度达99.3以上的氧化铝粉末。粉末中加入粘结剂或发泡剂经成型后在17001800C温度下烧成，可制得多晶氧化铝致密体或多孔体。如果用纯净的氧化铝通过焰熔法经特殊的熔炉可制备出无色透明，纯洁无暇的氧化铝单晶。这种氧化铝单晶具有优良的热学、电学、光学和力学性能，因此人们也往往把氧化铝单晶称为人造宝石。,生物学性能 植入动物体内后软组织对氧化铝陶瓷的反应主要是纤维组织包膜的形成，在
34、体内可见成纤维细胞增生。氧化铝陶瓷在动物骨组织中不是骨结合材料而是骨接触材料，植入骨组织后，在负重区与骨组织接触，但非负重区有纤维组织形成。氧化铝陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。,氧化铝的生物学性能可大致归纳为以下几个特点：(1)氧化铝在体液中完全稳定，在生物体内不会发生溶解和变性。(2)氧化铝对周围机体组织呈惰性反应。对骨组织生长无抑制作用，生物相容性比金属和有机高分子材料好。(3)孔径大于l00m
35、的多孔体植入骨组织后。可看到新骨很快长人气孔中。,5.5.2 氧化锆生物陶瓷 氧化锆陶瓷是指以ZrO2为主要成分的陶瓷材料，它不但具有普通陶瓷材料耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高强度等优点，而且其韧性也是陶瓷材料中最高的(与铁及硬质合金相当)。高纯氧化锆为白色粉末，密度为5.49g/cm，熔点高达2715C。单纯氧化锆具有两种晶体结构，低温型和高温型。低温型属单斜晶系，在1000C以下稳定，到更高的温度就转变成较致密的四方晶系的高温形态。,制备方法 烧结体用的氧化锆粉末通常是以氯化锆为原料，经化学沉淀法或加水分解法制取粉末粒径大小和结晶程度与溶液的初始浓度、PH值、温度等因素有关。如果在溶液中预先加
36、入含有稳定剂元素的化合物，控制工艺条件，那么就可以直接合成出已稳定化的氧化锆粉末。氧化锆的烧成温度一般在1300160C范围。,性能 部分稳定氧化锆在常温下的机械强度是所有陶瓷材料中最高的，其断裂韧性和挠曲强度约是氧化铝陶瓷的2倍，远远高于其他结构陶瓷因而有人把部分稳定氧化锆称之为“陶瓷钢”(Ceramic steel)。氧化锆是一种生物惰性陶瓷，具有良好耐腐蚀性，其生物相容性以及与骨组织的结合状况大体与氧化铝相似。,应用氧化锆陶瓷的应用范围也大体与氧化铝相似，曾用作人工牙根、人工关节和骨折固定用螺钉等。也有人利用氧化锆具有高强度，高韧性的特性采取氧化锆与生物活性陶瓷复合烧结的方法来提高生物活
37、性陶瓷种植体的强度。氧化锆材料由于其优异的机械性能因此已成为口腔修复领域重要的应用材料之一。首先它强度非常高，其抗弯强度超过900MPa。其次它的极限负载能力强，在三单位冠桥上的承受力大约为2000牛顿。第三是它高的抗断裂能力。该材料可被用于制备侧牙区的修复体，它的抗断裂韧性(K)值超过7。,此外氧化锆也是作为强化增韧陶瓷材料的有效添加剂其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷是目前较成熟的氧化锆弥散陶瓷。采用普通陶瓷代替成本较高的氧化锆陶瓷作为基质，用部分稳定的氧化锆纳米颗粒弥撒分布于氧化铝基质中，可有效抑制基质晶粒的长大 另方面由于基质相的氧化铝的热膨胀性能与氧化锆比较匹配，也有利于四方ZrO2亚稳定相的
38、存在及相变增韧效应的充分发挥。,5.6 陶瓷材料的增韧强化 陶瓷材料具有强度高、硬度大、耐高温、抗氧化、高温下抗磨损好、耐化学腐蚀性优良等优点，这些优异的性能是一般常用金属材料、高分子材料等所不具备的。因此越来越受到人们的重视。但由于陶瓷材料本身脆性的弱点，作结构材料使用时缺乏足够的可靠性。因而改善陶瓷材料的脆性已成为陶瓷材料领域亟待解决的问题之一。,5.6.1 增韧机制微裂纹增韧 微裂纹增韧是较早被提出的在多种材料当中都存在的一种增韧机理。它主要利用某些机制使得主裂纹进人微裂纹作用区后，分裂成为一系列小裂纹，产生新的裂纹表面，从而吸收裂纹扩展的能量。微裂纹增韧在增韧的同时会伴随着强度的降低，
39、因此关键是控制微裂纹的尺寸使之不能超过材料允许的临界裂纹尺寸(Critical cracksize)，否则就会成为宏观裂纹(Macrocrack)而严重损害材料的强度。,相变增韧 相变增韧机制是一种相对而言较新的增韧模型，并且是限于那些一定条件下某相可发生相变的复合材料，而这种相变往往是马氏体相变(Martenslit transformation)。该相变有如下特征：无热相变(Athermal);热滞现象(Thermal hysteresis)即相变发生在一定温度范围内;相变伴随35%体积效应和相当的剪切应变;相变无扩散反应发生;具有颗粒尺寸效应;添加稳定性可以抑制相变;相变受力学约束状态影
40、响。而当材料承载时由应力诱发产生相变，由于相变产生的体积效应和形状效应而吸收大量的能量，从而表现出异常高的韧性。,5.7 陶瓷基生物医用复合材料,5.7.1 概述 复合材料是一种多相材料，一般由连续相的基体和被基体包容的增强相复合而成。复合材料不仅保持了原组分的优点，还能使得原组分在性能上取长补短，产生“协同效应”，获得原本不具备的特性。,尽管陶瓷植入材料在生物相容性等方面较传统的金属材料和高分子材料有较大的优势，但其本身也存在着脆性大、缺乏骨诱导性等缺点。因此，单一组分的陶瓷植入材料已经难以完全满足临床应用的需要了。陶瓷基医用生物复合材料能够在陶瓷植入材料的基础上获得新的性能，它的出现为生物
41、医用材料的发展开辟了新的道路，陶瓷基医用生物复合材料已成为陶瓷植入材料研究中最为活跃的领域。,5.7.2 生物陶瓷与陶瓷复合材料HA-TCP复合材料羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）都具有良好的生物相容性，临床上广泛应用于骨修复。具有恰当比例的HA/TCP双相陶瓷在体内早期成骨明显，甚至可以在某些生物体的软组织中也可诱导成骨，具有良好的生物相容性、骨诱导性和骨传导性。,图4-10 HA/TCP双相陶瓷的SEM照片,HA/TCP双相陶瓷的制备包括制粉、热处理和烧结等几个步骤。在氨性介质中,硝酸钙与磷酸氢二按可按下式反应：10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3H2OCa10(O
42、H)2(PO4)6+20NH4NO33Ca(NO3)2+2(NH4)2HPO4+2NH3H2OCa3(PO4)2+6NH4NO3 在相应的pH条件下，当Ca/P原子比为1.667时，在一定的条件下,硝酸钙与磷酸氢二氨按反应生成HA；当钙磷原子比为1.5时,硝酸钙与磷酸氢二钱反应生成TCP，当钙磷原子比在1.51.667之间时，随反应条件不同,可以生成双相或三相磷灰石沉淀。,HA-生物活性玻璃复合材料 HA具有良好的组织相容性和骨引导性,而生物活性玻璃具有骨形成作用及较快的降解速率,可以加速新骨的形成。而且生物玻璃中的Na+、K+等离子交换和Si的渗出,会减弱HA的稳定性,促进Ca2+的溶解,故
43、多孔HA-BG具有比多孔HA更快的溶解速率。将这二者复合,可以得到既具有良好的生物相容性及降解性,又有一定机械强度的较理想的骨修复材料。,HA-ZrO2 复合材料 氧化锆(ZrO2)特别是含钇的四方氧化锆(Y-TZP)是一种具备优良室温力学性能的结构陶瓷，在复相材料受到破坏时，氧化锆可以更多地承担负荷，从而使HA的抗弯强度得以提高。Y-TZP的粉体非常细小，细小粉体的存在有效地阻碍了HA在预烧过程中生长和团聚，使HA粒子得以细小化及趋于球形化。因此，含Y-TZP的HA，基体晶粒较细，减小了初始裂纹的尺寸，从而改善了材料的力学性能。同时，Y-TZP的存在不但没延缓细胞生长，而且似乎更有利于上皮细
44、胞的生长。这表明含Y-TZP的HA陶瓷有望成为良好生物相容性的复相陶瓷。,5.7.3 生物陶瓷与高分子复合材料 目前几乎所有的生物体组织都是由两种或者两种以上的材料所组成。比如人体的骨骼、牙齿就可以看做是由胶原蛋白、多糖基质等天然高分子构成的连续相和弥散于基质中的羟基磷灰石复合而成的复合材料。生物陶瓷与高分子复合材料一方面利用高弹性模量的生物无机材料增强高分子材料的刚性，并赋予其生物活性；另一方面又利用高分子材料的可塑性改善陶瓷材料的韧性。,HA-胶原复合材料 由于羟基磷灰石和胶原蛋白是天然骨中最主要的无机和有机成分，且从仿生角度出发，合成的材料与天然骨的成分越相似，越有利于细胞在材料上的粘附
45、和增殖。所以，合成成分和结构与天然骨类似的羟基磷灰石/胶原复合材料最近几年成为国内外生物材料学家研究的热点。把HA-胶原复合材料切割成直径为5mm、厚度为2mm的薄片置于载玻片上，并加入1 mL细胞密度为7104mL-1的DMEM培养基进行成骨细胞培养。培养4天后材料表面上的成骨细胞非常稀少；培养11天后细胞迅速增值，覆盖了复合材料的部分,表面，并牢固的附着在HA颗粒（图4-11）和胶原纤维上了。胶原纤维极好的生物相容性和HA优异的骨诱导性使得复合材料成为了人体成骨细胞良好的附着和生长基体，有望成为骨传导和骨诱导的理想材料。,图4-11 培养11天后成骨细胞紧紧附着于HA颗粒上,HA-PDLL
46、A复合材料 PDLLA(聚DL-丙交酯)具有良好的生物相容性和可降解性，是一种中等强度的聚合物，已被用作控制释放药物载体材料和内固定材料，但此材料缺乏刚性和骨结合能力，对X射线具有穿透性，不便于临床上的显影观察。将PDLLA与HA颗粒复合有助于提高材料的初始硬度和刚性，延缓材料的早期降解速度，便于骨折早期愈合，还可提高材料的生物活性和骨结合能力；此外还可提高材料对X射线的阻拒作用，便于临床上的显影观察。,碳纤维增强PMMA复合材料 PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)具有生物相容性好、强度高、成本低和易成型等优点，在国内外大量应用于临床领域。但作为骨组织支撑材料，PMMA脆性较大，抗冲击性能差；在骨水
47、泥界面易形成纤维，既不能被吸收，也不利于骨骼生长。而广泛应用于航空航天领域的碳纤维具有密度低，比强度、比模量高的特点，同时它又是一种生物惰性材料，在人体中的化学稳定性好，无毒性，与人体肌肉、韧带组织的生物相容性也较好。,5.7.4 生物陶瓷复合材料的展望 生物陶瓷复合材料已经成为生物复合材料最为活跃的分支，目前生物陶瓷复合材料的发展趋势主要包括以下几个方面：仿生材料 生物体自身的组织就是最为理想的生物材料，天然生物材料经过亿万年的演变进化，形成具有结构复杂精巧的结构和千变万化的效能奇妙多彩的功能。所以遵循自然规律，从材料科学的观点对其进行观察、测试、分析、计算、归纳和抽象，找出有用的规律来指导
48、复合材料的设计与研究，制备成分、结构与天然骨组织相接近的复合材料，获得生物相容性好、具有良,好的生理效应和力学性能的人工骨替代材料。生理活化 材料生理活化研究是利用现代生物工程技术，将生物活性组元引入生物材料，加速材料与机体组织的结合，并参与正常的生命活动，最终成为机体的一部分。例如：具有诱导成骨作用的骨形态蛋白同磷酸钙生物陶瓷复合，可赋予仅具有传导骨生长作用的磷酸钙生物陶瓷以诱导成骨能力，从而为具有长寿命的新一代人工骨材料的研制展现良好的前景。,组织工程材料研究 生物材料的研究目前已从植入材料与生物组织的界面相容性、植入材料的力学相容性研究转移到组织工程材料研究。它通过建立适当的组织再生环境，调动生物组织的主动修复能力诱导组织再生。组织工程材料的研究为利用细胞培养制造生物材料和人造器官开辟了光明前景。,
