生物陶瓷材料的生物力学性能

第３５卷第６期　硅　酸　盐　通　报　

２０１６年６月　ＢＵＬＬＥＴＩＮ　ＯＦ　ＴＨＥ　Ｃ　！　曼Ｅ　曼　垦！　Ｖｏ１．３５　Ｎｏ．６　Ｊｕｎｅ，２０１６　

不同烧结温度制备的双相磷酸钙生物陶瓷　

及其力学性能研究　

赵琰　

（淄博职业学院建筑工程学院，淄博２５５３１４）　

摘要：以煅烧缺钙磷灰石制备的双相磷酸钙（ＢＣＰ）粉体为原料，采用热压烧结的方法制备了一种可用于骨替代、力　学性能优良的生物陶瓷材料。研究了烧结温度对ＢＣＰ陶瓷力学性能、物相组成和微观形貌的影响。当烧结温度为　１１００℃和１１５０　ｏＥ时，ＢＣＰ陶瓷的物相组成为ＨＡ和Ｂ．ＴＣＰ，断裂方式以穿晶断裂为主；当烧结温度为１２００　ｏＣ时，　ＢＣＰ陶瓷的物相组成为ＨＡ和　－ＴＣＰ，断裂方式为穿晶和沿晶混合断裂模式。当烧结温度为１１５０℃时，ＢＣＰ陶瓷　的弯曲强度和断裂韧性最高，分别为９８　ＭＰａ和０．９９　ＭＰａ·Ｉｎ　。　关键词：双相磷酸钙；烧结温度；力学性能　中图分类号：ＴＢ３３２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—１６２５（２０１６）０６—１８９７－０５　

Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｂｉｐｈａｓｉｃ　Ｃａｌｃｉｕｍ　

Ｐｈｏｓｐｈａｔｅ　Ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ　Ｓｉｎｔｅｒｅｄ　ａｔ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　

ＺＨＡ０　Ｙａｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｉｂｏ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｚｉｂｏ　２５５３１４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｉｐｈａｓｉｃ　ｃａｌｃｉｕｍ　ｐｈｏｓｐｈａｔｅ（ＢＣＰ）ｂｉｏｃｅｒａｍｉｃｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｈｏｔ　ｐｒｅｓｓｉｎｇ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎ—ｄｅｐｔｈ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ｔｈｅ　

生物陶瓷人工骨纳通说明书

一、产品介绍

生物陶瓷人工骨纳通是一种用于骨缺损修复的人工骨材料。它由生物陶瓷材料制成，具有良好的生物相容性和生物活性，能够促进骨细胞的生长和骨组织的再生。该产品具有优异的力学性能和生物学性能，可广泛应用于骨科手术中，帮助患者恢复骨功能。

二、适应症

生物陶瓷人工骨纳通适用于各种骨缺损修复，特别适用于以下情况：

1. 骨折修复：例如骨折愈合不良、骨不连、骨缺损等。

2. 骨肿瘤切除：如骨肿瘤切除术后的骨缺损修复。

3. 骨关节疾病治疗：如骨关节炎、骨质疏松等。

三、产品特点

1. 生物相容性高：生物陶瓷人工骨纳通经过特殊处理，能够降低免疫反应，减少异物排斥，降低感染风险。

2. 生物活性好：生物陶瓷人工骨纳通富含矿物质和微量元素，能够模拟天然骨组织，促进骨细胞的生长和骨组织的再生。

3. 力学性能优异：生物陶瓷人工骨纳通具有良好的强度和韧性，能够承受骨骼的负荷，提供稳定的支撑。

4. 使用方便：生物陶瓷人工骨纳通制作成各种规格和形状，可以根据患者的需要进行裁剪和塑形，便于手术操作。

四、使用方法

1. 术前准备：手术前需进行全面的术前评估和准备，确保患者的骨质状况和手术需求。

2. 术中操作：根据患者的骨缺损情况，选择合适的生物陶瓷人工骨纳通，并进行必要的裁剪和塑形。

3. 骨缺损修复：将生物陶瓷人工骨纳通置入骨缺损区域，并固定在骨组织中，以促进骨细胞的生长和骨组织的再生。

4. 术后护理：术后需密切观察患者的伤口愈合情况，并进行相应的护理和康复训练。

五、注意事项

1. 严格遵循手术操作规范，避免手术中的污染和感染风险。

2. 根据患者的骨质状况和手术需求，选择合适的生物陶瓷人工骨纳通，以确保修复效果。

3. 术后患者需遵循医生的嘱咐，定期复诊，进行术后康复训练，以促进骨组织的愈合和功能恢复。

4. 本产品仅限医疗专业人员使用，请勿随意使用或转让给他人。

六、不良反应

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

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。