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1、生物陶瓷材料的现状与发展,成 员：任镇非 吴秀迁 刘一璟,生物陶瓷材料的概念简述生物材料的发展历程生物陶瓷材料的分类生物陶瓷的特点及应用生物材料发展的热点生物陶瓷材料的发展重点,目 录,生物陶瓷材料的现状与发展,生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程的陶瓷材料统称为生物陶瓷。,生物陶瓷材料的概述,生物材料的发展历程,当今人类社会使用的材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物,并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历
2、史,可分为几个阶段。,18世纪,主要采用天然材料作为骨修复材料,如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。,人工骨研究的启蒙阶段,生物材料的发展历程,当今人类社会使用的材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物,并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史,可分为几个阶段。,约19世纪前,由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展,开始用纯金、纯银、铂等贵金属。,自然发展阶段,生物材料的发展历程,当今人类社会使用的材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物,并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史,
3、可分为几个阶段。,20世纪中叶以前,由于冶金的进步,钴铬铝合金年、纯钛和钛合金年等被应用到人工骨领域,开始有目的地探索新材料,有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床,并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深人。,探索阶段,生物材料的发展历程,20世纪60年代初,在新技术革命浪潮推动下,材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料,其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。生物陶瓷的发展虽然还不到年,也同样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导,随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷,包括生物玻璃,经基磷灰
4、石和玻璃陶瓷类。自20世纪70年代起,生物陶瓷显露头角,世界各国相继开展了理论和应用研究,并且不断取得突破性进展。,迅速发展阶段,生物材料学是一个崭新的领域，但生物材料本身却有着古老的历史，只是它在当代才取得了快速的发展。追溯生物材料的历史，不得不提到人工器官人工器官的研究实际上是个古老的命题。,生物材料的发展历程,自20世纪70年代起,生物陶瓷显露头角,世界各国相继开展了理论和应用研究,并且不断取得突破性进展。,公元前约3500年古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称为原始的生物材料。墨西哥的印第安人使用木片修补受伤的颅骨。公元前2500年前中国、埃及的墓葬
5、中就发现有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损的牙齿。,生物材料的发展历程,文献记载，1588年人们就用黄金板修复颚骨。,1775年，就有用金属固定体内骨折的记载。,生物材料的发展历程,1800年有大量有关应用金属板固定骨折的报道。,1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿。,1809年有人用黄金制成种植牙齿。,生物材料的发展历程,1851年，报道使用硫化天然橡胶制成人工牙托和颚骨。,1871年，羟基磷灰石被人工合成。,1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料。,1926年，Bassett 用X-射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。,1928年，Le
6、riche 和 Policard 开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料。,生物材料的发展历程,1930年，Naray-Szabo 和 Mehmel 独立地应用 X-ray 衍射分析确定了氟磷灰石的结构。,1937年，牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲酯。,二战期间，人们开始试验用聚乙烯塑料制造血管替代材料。1958年，外科医生尝试用涤纶仿造动脉血管。,1963 年在生物陶瓷发展史上是重要的一年，该年Smith 报告发展了一种陶瓷骨替代材料。由于技术方面的限制，直到1971年才有羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用。,1974年，Hench 在设计玻璃成分时，曾有意识地寻求一种容易降解的玻璃，当把这
7、种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨骼和牙齿的一部分。这研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。,早在1969年，Talbert就将不同孔隙率的颗粒状Al2O3陶瓷作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境在内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。,生物材料的发展历程,生物材料的发展历程,中国20世纪70年代初期开始研究生物陶瓷，并用于临床。,1974年开展微晶玻璃用
8、于人工关节的研究。,1977年氧化铝陶瓷在临床上获得应用。,1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不断出现，并应用于临床。,生物陶瓷材料的分类,根据种植材料与生物体组织的反应程度，可将种植类陶瓷分为两类：,生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料,生物陶瓷材料的分类,生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小。如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度、耐磨性以及化学稳定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr 的氧化物应用最为广泛。,1
9、、生物惰性陶瓷材料,生物惰性陶瓷,早在1969 年，Al2O3 陶瓷就作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境在内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化铝陶瓷材料已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面。,氧化铝陶瓷材料,氧化铝陶瓷植入人体后，体内软组织在其表面生成极薄的纤维组织包膜，在体内可见纤维细胞增生，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，适用于负重大、耐磨要求高的部位。但是由于Al2O3属脆性材
10、料，冲击韧性较低，且弹性模量和人骨相差较大，可能引起骨组织的应力，从而引起骨组织的萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤，且不能直接与骨结合。,氧化铝陶瓷材料,生物惰性陶瓷,生物惰性陶瓷,目前，国外有关学者通过各种方法，使Al2O3 陶瓷在韧性和相容性方面取得了显著提高。如在陶瓷表面涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关节。通过相变或微裂等增韧方法，也可以提高材料的韧性。近年，氧化锆陶瓷由于其优良的力学性能，尤其是其远高于氧化铝瓷的断裂韧性，使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修复体方面取得了较大研究的进展。,氧化铝陶瓷材料,生物惰性
11、陶瓷,生物惰性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。,生物惰性陶瓷缺点,生物陶瓷材料的分类,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羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合。生物吸收性陶瓷的特点是：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。,2、生
12、物活性陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,羟基磷灰石（hydroxyapatite），简称HAP，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。,羟基磷灰石陶瓷材料,HAP涂层钛基牙种植体,是一种安全、方便的听小骨缺损替代品，适用于因炎症(如慢性化脓性中耳炎)或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形的患者作听小骨置换手术。,HAP生物陶瓷听小骨置换假体,生物活性陶瓷材
13、料,羟基磷灰石的主要缺点在于本身的力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用，同时也促使人们研究HAp 系列的各种复合材料，以期获得力学性能优良、生物活性好的生物医学复合材料。（1）羟基磷灰石与金属相结合。（2）羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合。（3）羟基磷灰石与有机物相复合。,羟基磷灰石陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,目前广泛应用的生物降解陶瓷为-磷酸三钙(简称-TCP)，是磷酸钙的一种高温相。与HAp 相比，TCP 最大的优点在于更易于在体内溶解，植入机体后与骨直接融合而被骨组织吸收，是一种骨的重建材料。可根据不同部位骨性质的不同及降解速率的要求，制成具有一定形状和大
14、小的中空结构构件，用于治疗各种骨科疾病。,磷酸三钙陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,磷酸钙陶瓷的主要缺点是其脆性较高，难以加工成型或固定钻孔。致密磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷虽然可被新生骨长入而极大增强，但是在再建骨完全形成之前，为及早代行其功能，也必须对它进行增韧补强。,磷酸三钙陶瓷材料,生物陶瓷的特点及运用,生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料，因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点：1）由于它是在高温下烧结制成，其结构中包括键强很大的离子键或共价键，所以具有：良好的机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳定。在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好
15、，便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能，不易产生疲劳现象，和人体组织的亲和性好，因此能满足种植学要求。,生物陶瓷的特点及运用,弹性模量为20GPa，抗弯强度高达275-620MPa韧性好。,碳双叶瓣人工心脏瓣膜,生物陶瓷的特点及运用,2）陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。例如可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中，希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则，当降解速度超过骨生长速度时,就会产生“死区”，影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷，就能调整降解速度，满足临床要求。,脊柱侧弯，后路矫正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二军
16、医大学、长征医院骨科,生物陶瓷的特点及运用,3）陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。,人造骨关节,生物陶瓷的特点及运用,4）后加工方便。通常认为陶瓷很难加工，但随陶瓷加工设备和技术的进步，现在陶瓷的切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。5）易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。,生物材料发展的热点,近20年来,试
17、图仿制天然生物材料、利用生物学原理设计和制造仿生物的材料,已成为生物材料研究领域极为活跃的前沿研究方向。生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性,能与活性骨形成化学结合,但它是脆性材料,限制了在某些条件下的应用。近年来发展起来的仿生法模仿了自然界生理磷灰石的矿化机制,使磷灰石层在类似于人体环境条件的水溶液中自然沉积出来。,1、仿生材料,生物材料发展的热点,纳米技术在世纪年代得以迅速发展,由于纳米材料具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能,使纳米材料呈现出广阔的应用前景。近年来,纳米技术在生物材料领域的应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领
18、域有广阔的应用前景。英国的成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质,该物质有望取代目前骨科常用的合金材料,而且不易骨折,并能与正常骨组织连接紧密。,2、纳米技术的应用,生物材料发展的热点,传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医用材料,但是由于工艺上的原因,普通陶瓷很难避免材料的脆性等问题。由于纳米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中的内在气孔和缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的韧性和强度,而随着晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的移动,这使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。,2、纳米技术的应用,生物材料发展的重点,生物医用复合材料根据应用需要进行设计,由基体材料与增强材料或功能材料
19、组成。常用的基体材料：有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷、医用不锈钢、钻基合金等医用金属材料。增强材料有：碳纤维、不锈钢或钻基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体,另外还有氧化错、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。,3、复合材料,生物陶瓷材料的发展重点,1、提高现有生物陶瓷的可靠性,提高其强度,降低杨氏模量,改善韧性,最有希望的途径是研制复合材料,如金属一陶瓷复合,陶瓷纤维增强生物陶瓷,聚合物一陶瓷复合,骨胶原一生物陶瓷复合等。2、深入研究种植与骨界面的作用过程以及种植与骨和软组织结合的机理,这对了解腐蚀、疲劳过程,探索预防和控制的途径具有重要意义,也
20、会为研制新材料提供信息。,生物陶瓷材料的发展重点,3、开展人工骨应用基础理论研究,建立和完善材料综合评判系统,以寻求在实验室条件下预测种植体变化和寿命的方法,为建立生物医学材料标准提供可靠依据还应积极开展材料应用技术的研究,人们还没有超越模仿天然器官的阶段。这主要是材料应用技术的研究跟不上需要。这一技术应包括人体器官测量,分析、形态和结构设计,加工成型技术和评价技术。,生物陶瓷材料的发展重点,4、需要外科医生、口腔医生紧密合作。除材料研究、应用技术外,临床适应症的选择和手术设计与实施也是种植成功的要素之一。5、非活性生物陶瓷的强度较高,但与生物无亲和作用，但陶瓷活性生物陶瓷具有亲和作用,可与生物体长在一起,但强度较低如磷酸钙陶瓷。在非活性陶瓷上涂敷活性生物陶瓷,使之兼具两者优点。,生物陶瓷材料的发展重点,6、在移植陶瓷应用范围不断扩大基础上,人造血管和人造气管等软组织材料的应用将是今后的重点研究课题。总之,要以无生命的陶瓷取代人体某部位有生命的组织,共同承但人体的生命功能,是生物陶瓷工作者一项长期、艰巨的科研课题,其核心是新材料的探索。这有待于各专业学者、专家的通力合作,协同攻关,以满足人们对生物陶瓷材料品种和数量的新要求。,
