生物陶瓷资料

生物陶瓷材料的应用及其发展前景

生物陶瓷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直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料,需具备如下条件:生物相容性,

力学相容性,与生物组织有优异的亲和性,抗血栓,灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。进

入21世纪,世界科技迅猛发展,生物陶瓷材料及其复合材料的应用,在生物材料更新及硬组织

工程中占据不可替代的地位。因此,对生物陶瓷材料的研究与三类植入物及硬组织工程材料

开发倍受医疗器械和生物医用材料界的重视。 1 生物陶瓷材料的发展早在18 世纪前,人们就开始用象牙、木头等材料作为骨修复材料; 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、铂等贵金属作牙修复及骨

缺损修复; 20世纪前半,由于冶金技术的进步,钴铬铝合金、纯钛和钛合金等被应用到人工骨

的领域,有机玻璃等高分子材料也开始用于临床;到20世纪60 年后,人们开始研究生物活性

陶瓷, 包括生物玻璃、羟基磷灰石等[ 1 ] 。在这同时, Hench等还开创了用表面活性材料玻璃陶瓷的研究工作 。最近生物陶瓷又有了很大的新进展,其标志是羟基磷灰石陶瓷骨诱导机

理研究进展[ 3 ]和高年增长率及大批量的成功应用[ 4 ] 。生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩

大,现可应用于人工骨,人工关节,人工齿根,骨充填材料,骨置换材料,骨结合材料,还可应用于

人造心脏瓣膜,人工肌腱,人工血管,人工气管,经皮引线可应用于体内医学监测等[ 4 ] 。 2 生物陶瓷分类 2. 1 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定、生物相溶性好的陶瓷材料。如氧化铝、氧化锆以及医

用碳素材料等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定,分子中的键合力较强,而且都具有较高的强

度、耐磨性及化学稳定性。 2. 1. 1 氧化铝陶瓷 单晶氧化铝c轴方向具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好, 耐热性好, 可以直接与骨固定。已

J I A N G S U U N I V E R S I T Y材 料 科 学 课 程 设 计

生物陶瓷材料的研究

Study on Bio-ceramic Materials

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二Ｏ一二年一月

2 目录

摘要.............................................................................................................................. 4

1. 生物陶瓷材料的特性及介绍 ................................................................................ 4

1.1 生物陶瓷材料的概念 ................................................................................... 4

1.1.1 生物材料 ............................................................................................. 4

1.1.2 生物陶瓷 ............................................................................................. 4

1.2 生物陶瓷的发展历程 ................................................................................... 5

生物陶瓷

化科院07（6） 贡瑶 08070424

摘要：本文从生物陶瓷的发展过程、生物陶瓷的优良性能、生物陶瓷的分类、应用举例和目前存在的问题等多方面，深入浅出的介绍生物陶瓷材料。

关键词：生物陶瓷；应用；性能；分类；

随着人类社会的不断发展, 陶瓷以它优异的性能已由单纯的器皿发展为结构材料、功能材料; 由日常生活进入到各行各业, 直到尖端科技领域。特别是在生物医学领域也有广泛的应用, 如人工牙、人工骨、人工关节等。这些主要用于人体内种植的陶瓷便称为“生物陶瓷”, 这是一个全球性关注的课题, 具有巨大的社会和经济效益。

生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。生物陶瓷材料作为无机非金属生物医学材料 ,没有毒副作用 ,与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀等优点 ,越来越受到人们的重视。生物材料的研究与临床应用 ,已从生物惰性材料发展到生物活性材料、降解材料及多相复合材料。

根据使用情况, 生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能, 是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂, 是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。

植入陶瓷又称生物体陶瓷, 主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。植入陶瓷要求其一要与生物体的亲和性好, 即植入的陶瓷被侵蚀、分解的产物无毒, 不使生物细胞发生变异、坏死, 不会引起炎症、生长肉芽

等。二要在体内有长期功能, 且可靠性高, 即在10 年～ 20 年的长期使用中, 不会降低强度, 不发生表面变质, 对生物体无致癌作用等。三要易于在短期内成形加工。四要容易灭菌。陶瓷不同于金属, 它具有强共价键性质, 即使在生物体内苛刻的化学条件下,

也具有良好的化学稳定性, 排异反应迟缓, 具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比, 生物体陶瓷耐热性好, 便于进行高压灭菌。

生物活性陶瓷材料

生物活性陶瓷包括表面活性玻璃、表面活性玻璃陶瓷和羟基磷灰石3种类型。它们的共同特点是：它们与原骨相结合时，在界面处无纤维状的组织，它们的表面可与生理换进发生选择性的化学反应，所形成的界面能保护移植物而防止降解。特别要指出的是它们的化学成分与动物的骨头和牙齿等硬组织相似，这类材料的组成中含有能够通过人体正常的新陈代谢途径进行置换的钙、磷等元素，或含有能与人体组织发生键合的羟基等基团。它们的表面同人体组织可通过键的结合达到完全的亲和；它们之间具有良好的化学亲和性。这类材料对动物体无毒、无害、无致癌作用，生物相容性极佳。

1 生物活性玻璃

玻璃是熔融、冷却、固化的非晶态无机物，具有良好的耐腐蚀、耐热和电学、光学性质，能够用多种成型和加工方法制成各种形状和大小的制品，亦可调整化学组成改变其性能，以适应不同的使用要求。作为生物活性玻璃，主要是指含有氧化钙和五氧化二磷的磷酸盐玻璃。

Hench研制的Na2O-CaO-SiO2-P2O5系生物玻璃组成及其与骨结合过程。

CaO-SiO2-P2O5系玻璃水泥硬化及羟基磷灰石的形成机理。

生物玻璃的活性控制

Kokubo研制的A-W生物活性玻璃陶瓷具有较高的力学强度，其与骨键合的界面结合强度均高于材料本身或者骨组织的强度。

表 1 生物活性玻璃陶瓷的应用

材料 应用

Bioglass 人工耳小骨，颚骨填充材料

Ceravital 人工耳小骨

A-W微晶玻璃 人工椎体，人工椎间板，人工肋骨，骨填充材料，人工牙根

Ilmaplant 颚骨，头盖骨修复材料

Bioglass 涂覆Fe-Co-Cr-Ni合金 人工牙根

TiO2增强微晶玻璃 人工牙根

SiC晶须微晶玻璃 人工牙根

ZrO2离子增强微晶玻璃 人工牙根

2 磷灰石

磷灰石是骨骼、牙本质和牙釉质等硬组织的主要成分。骨的成分中约65%是羟基磷灰石，其余成分为纤维蛋白胶原。研究表明，骨的纳米结构的主要基本单元是针状和柱状的磷灰石晶体，它们或定向和卷曲排列，或相互缠结，构成多种织构，不同的织构形成了骨在纳米尺寸上的功能单元，如束状结构和团聚结构适合于承受高强度，而卷曲和疏状交织结构具有很好的韧性，并有利于营养物的传递。