三章医用无机材料课件.ppt

1、第三章医用无机材料PPT课件n18世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。n包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。n基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。第一节 概述第一节 概述n一 生物医用无机材料的基本条件：1.良好的生物相容性 2.杂质元素及溶出物含量低 3.有效性 4.成型加工性能 5.良好的耐消毒灭菌性第二节第二节 生物陶瓷生物陶瓷n一 生物陶瓷的发展概况及结构特点 生物陶瓷材料是指与人体工程有关的可用于人体组织修复的一类陶瓷材料 具有以下特

2、点：在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性；材料的性能可通过成分设计进行控制；容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸；容易着色，是较理想的口腔材料。n经过近20 年的研究和发展，医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶段：生物隋性材料、生物活性及可吸收材料 可再生组织的生物活性材料。结构图1 陶瓷显微结构示意图由许多不规则晶粒所组成，中间有晶界隔开由许多不规则晶粒所组成，中间有晶界隔开图2、PTC-BaTiO3 半导体陶瓷n鸡蛋壳就是活的生物陶瓷。蛋壳是由活细胞所构成，其中就有类似陶瓷的晶粒及晶界结构 n黑色或灰色为无机晶粒(长约1.0 m，宽0.3 m)，属方解石晶体(CaCO3)，有时为磷酸钙，

3、它们构成骨架，在晶粒之间为晶界，是有机生命物质。图3 鸡蛋壳中的晶粒及晶界二二 生物陶瓷材料的分类生物陶瓷材料的分类n按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1 所示：生物陶瓷活性生物陶瓷：可被吸收的生物降解陶瓷：结构稳定,具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。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、碳、氧化锆 陶瓷、氮化硅陶瓷等。在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学键结合。如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻 璃，生物活性微晶玻璃。在生物体内可被逐渐降解，被骨组织吸收，并随之为新生组织替代,是一种骨的重建材料。如：磷酸三钙等。惰性生物陶瓷：n有各种不同的化学成分，根据其在生理环境

4、中的化学活性和性质可分为四类：q近似于惰性：三氧化二铝、氧化锆等氧化物生物陶瓷，Si3N4、钛酸钡等非氧化物生物陶瓷以及医用碳素等，这类材料长期暴露于生理环境下能保持稳定。q表面活性：羟基磷灰石生物活性陶瓷和生物活性玻璃陶瓷，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键性结合，起到了适合新生骨沉积的生理支架作用，也就是所谓的“骨引导”和“骨传导”作用。q可吸收性：如石膏、磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可逐渐被降解吸收，诱导骨质生长，并随之被新组织所替代，从而达到修复或替换病损组织的目的。q复合型：生物陶瓷与生物陶瓷或与其他无机材料、有机材料复合而成的复合型材料。根据临床的不同要求可以

5、制成不同类型的复合材料。n在临床上生物陶瓷主要用于肌肉一骨骼系统的修复和替换，也可用于心血管系统的修复、制作药物释放和传递的载体。复合型的生物陶瓷还可以用于制造人工腱和韧带等。生物陶瓷血管生物陶瓷血管生物陶瓷骨体生物陶瓷骨体三三 典型的生物陶瓷材料典型的生物陶瓷材料（一）惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷是一类暴露于生物环境中，与组织几乎不发生化学变化的材料，所引起的组织反应主要表现为材料周围会形成厚度不同的包裹性纤维膜。主要用于人体骨骼、关节及齿根的修复和替换，以及心脏瓣膜等 1.1.氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 n生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成，主要晶相为刚玉（-Al2O3）的陶瓷材料，有稳定的

6、刚玉型结构，属于六方晶系，氧原子形成六方最紧密堆积，六个氧离子（离子半径为0.132nm）围成一个八面体，半径较小的铝离子（离子半径为0.057nm）则处于八面体中心的空隙，单位晶胞是面心的菱面体1.2.1.2.氧化铝陶瓷的性能氧化铝陶瓷的性能 A 化学组成和物理性能B B 医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求医用氧化铝陶瓷的几个重要性能及要求 优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械强度较大。缺点：与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定 会发生松弛；机械强度不高；杨氏模量过高(380GPa)；摩擦系数、磨耗速度较大。n措施：采用多孔氧化铝 把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织 长入其孔隙而

7、使植入体固定，保证植入物 与骨头的良好结合。改善：改善：将金属与氧化铝复合将金属与氧化铝复合 在金属表面形成多孔性氧化铝薄层在金属表面形成多孔性氧化铝薄层缺点：降低陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强 度随空隙率的增加而急剧降低。只能用于不 负重或负重轻的部位。n致密的氧化铝生物陶瓷与机体之间会形成一种形态性结合，即依靠组织长入材料表面的凹凸不平而实现机械锁合。n多孔的氧化铝陶瓷，新生组织可长入空隙内，会提高生物陶瓷与机体组织之间的结合强度。n用于关节修复、牙根种植、制作骨折夹板与内固定器件，最适用于人工关节头和臼等承受摩擦力作用的部位。Al2O3-金属组合全髋关节 n指作为生物医学使用的各种碳

8、素及其复合材料n具有极好的抗血栓性，作为生物医学材料使用的主要有三种：玻璃碳、低温各向同性碳和超低温各向同性碳。n这三种碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏，是生物相容性非常好的一类惰性材料。2 2 医用碳材料医用碳材料(玻璃碳材、热解碳、低温玻璃碳材、热解碳、低温气相沉积碳气相沉积碳)优点：n质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性；n弹性模量和致密度与人骨大致相同；n生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶 的活性。n在人体内不发生反应和溶解，生物亲和性良好，耐蚀，对人体组织的力学刺激小。n主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、人工牙根、

9、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨涂层和血液净化等。尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。组织工程人耳组织工程人耳三种主要类型的碳素材料：2.1 玻璃碳材：通过加热预先成型的固态聚合物使易 挥发组分挥发掉而制得。玻璃碳制品玻璃碳制品特点：密度低，耐磨性和化学稳定性好，但强度与韧性较低，只能用于力学性能要求不高的场合。2.2 2.2 热解碳热解碳n热解碳优良的力学特性和生物相容性是由于其有独特的结构,而含一定量硅的各向同性热解碳被证明耐久性更好,生物稳定性更好。层间堆叠是折皱无序或

10、扭曲变形的，这种扭曲结构使得热解碳具有很好的耐久性。n制备：将甲烷、丙烷等碳氢化合物通入硫化床中，以惰性气体为载气（N2）在1000-2400热解、沉积而得。n沉积层的厚度一般为1mm。全热解碳双叶瓣人工心脏瓣膜弹性模量为20GPa，抗弯强度高达275-620MPa，韧性好，韧性比氧化铝陶瓷高25倍。2.3 2.3 低温气相沉积碳低温气相沉积碳(ULTI(ULTI碳碳)：用电弧等离子体溅射或电子束加热碳源制取的各向同性的碳薄膜，其膜厚一般在1m左右。特点：高密度和高强度，但仅作为薄的涂层材料使用。UTLI涂层与金属的结合强度高，涂层的耐磨性良好，成为制造人工机械心脏瓣膜的理想材料。2.4 碳纤

11、维nGB8718-88对碳纤维的定义：含碳量不低于93%的纤维状材料。n属于有机物转化而成的过渡态碳的一种n结构：以乱层石墨结构形式存在n具有碳素材料的特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性（二）生物活性陶瓷（二）生物活性陶瓷 HAPHAPn生物活性陶瓷在生物体内与周围组织甚至软骨组织形成较强的化学键，用于骨组织修复。各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料。1、羟基磷灰石(hydroxyapatite 简称HAP)分子式是Ca10(PO4)6(OH)2,体积质量为3.16g/cm3,性脆,折射率为1.641.65,微溶于水,水溶液呈弱碱性(pH79),易溶于

12、酸,难溶于碱,HAP是强离子交换剂 因为HA占人体骨组成的70-97，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果：HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。nHAP是人体内骨和齿的重要组成部分,如人骨成分中HA的质量分数约65%,人的牙齿釉质中HA的质量分数则在95%以上,具有优秀的生物相容性。nHAP生物陶瓷脆性大，在生理环境中抗疲劳性能差，不用于人体承力部位的修复。因为HA占人体骨组成的70-97，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果：HA植入骨组织后，通过外延生长和骨产生牢固的化学键结合，即骨性结合。生物活性陶瓷的突出特点：随着修复时间的延长，种植

13、体表面形成与骨组织能够化学键结合的生物羟基磷灰石(HCA)。HCA在化学组成和微观结构上与骨的无机组成相同，HCA结合层能阻挡种植体材料被腐蚀，具有极好的耐久力和抗疲劳性能，从而在与骨的界面结合中发挥作用。HCA化学式(Ca,M)10(PO4,Co3,X)6(OH,F,Cl)2M:Mg,Na,K或Sr,Pb,BaX:HPO42-,SO42-,硼酸盐等羟基磷灰石生物陶瓷羟基磷灰石生物陶瓷羟基磷灰石涂层钛基牙种植体羟基磷灰石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。HAHA生物陶瓷听小骨置换假体生物

14、陶瓷听小骨置换假体 2、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)：是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成键结合。在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、胯骨脊椎及骨的填充物。生物活性材料的本质：通过磷灰石层与骨结合人造磷灰石与生物骨的磷灰石的结构较为相近，使新生骨与生物活性陶瓷材料直接相连，当骨内的磷灰石与种植体表面磷灰石直接接触时，两者形成化学键，从而减少了生命材料与非生命材料之间的界面能，使界面结合良好。3.3.多孔多孔HAPHAP陶瓷陶瓷 n人体的骨组织就是一种多孔的组织，以适应一定范围内应力的变化

15、，多孔羟基磷灰石的设计就是出于模拟人体骨组织结构的想法。n多孔生物陶瓷种植体而言,决定骨长入方式和数量的因素 有：孔径、孔率及孔的内部连通性n孔隙的大小应当满足骨单位和骨细胞生长所需的空间,孔尺寸大于200m,是骨传导的基本要求;200400m最有利于新骨生长。n当孔隙率超过30%后,孔隙可以相互连通,新骨组织可以从人工骨表面长入内部贯通性孔隙，n孔隙率越高，越有利于新骨的长入，为满足临床应用对力学性能的要求,一般种植体孔隙率在45%55%之间 4.4.HAPHAP陶瓷与骨键合的机制：陶瓷与骨键合的机制：nHAP陶瓷植入骨内后由成骨细胞在其表面直接分化形成骨基质，产生一个宽为35m的无定形电子

16、无定形电子密度带密度带，胶原纤维束长入此区域和细胞之间，骨盐结晶在这个无定形带中发生。n随着矿化的进行，无定形带缩小至0.050.2m，HAP植入体和骨的键合就是通过这个很窄的键合带实现的。HAPHAP与骨形成键合的表现为：与骨形成键合的表现为：n在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上直接接触，其间无纤维组织存在；nHAP植入体-骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或骨自身的结合强度（三）可吸收生物陶瓷（三）可吸收生物陶瓷n可吸收生物陶瓷在生物体内，被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，最终使缺损的部位完全被新生的骨组织取代。n主要以-磷酸三钙（-TCP）及硫酸钙生物陶瓷为代表。可吸收生物陶瓷

17、可吸收生物陶瓷降解效应植人人体后材料逐渐被吸收，同时 新生骨逐渐长入而替代之，该效应 称为降解效应。具有降解效应的陶瓷材料可吸收生物陶瓷。主要应用：主要应用：脸部和额部的骨缺损，填补牙周的空 洞，还可作为药物的载体。石膏石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽而造成塌陷。-TCP移植后移植后手术后手术后8年年-磷酸三钙化学式为Ca3(PO4)2，简称-TCP。-磷酸三钙（磷酸三钙（-TCP-TCP）n在生理环境下致密的-TCP可保持稳定，而多孔型-TCP则发生生物降解和吸收，并被新骨逐步取代。n-TCP具有较好的生物相容性，植入体内后血液中钙磷比保持正常，无明显毒性反应和副

18、作用。-TCP的降解过程一般主要分为以下几个方面:材料的晶界被侵蚀，使其变成粒子被吸收。材料天然溶解形成新的表面相。新陈代谢的因素，如吞噬细胞的作用，导致材料的降解吸收。n控制-TCP的微观结构及组成可制备出不同降解速率的材料，如：随表面积增大，材料结晶度降低，晶体结晶完整性下降，晶粒减小，以及被CO32-,F-,Mg2+等离子取代而使降解加快等。n可吸收生物陶瓷的降解和吸收除受上述因素影响外还受宿主的个体差异、植入部位等影响。n要实现可吸收生物陶瓷的降解吸收与新骨替换同步进行是相当困难的，常出现溶解速度与新骨生长速度不匹配，导致局部塌陷。可吸收生物陶瓷植入体内后的可吸收生物陶瓷植入体内后的降

19、解过程降解过程：n材料先被体液溶解和组织吸收，解体成小颗粒，然后这些小颗粒不断被吞噬细胞所吞噬。n具体机制：生物化学溶解 是一种体液介导过程。溶解速率决定于多种因素，包括周围体液成分和PH、材料的比表面积、材料的相组成和结构、材料的结晶度和杂质的种类及含量以及材料的溶度积等。物理解体 是体液浸入陶瓷，导致由于烧结不完全而残留的微孔，使连接晶粒的“细颈”溶解，从而解体为微粒的过程。生物因素 主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷微粒。（四）双相生物陶瓷材料（四）双相生物陶瓷材料n羟基磷灰石陶瓷材料有着优良的生物相容性，能较快地引导骨再生，不通过中间介质直接与骨键合，然而由于烧结后的羟基磷灰

20、石晶体结晶度提高，所以在体内很难降解。n-TCP比HAP有着更好的溶解性和降解性，但研究表明，-TCP降解速度太快，不能形成良好的骨键合，且过快的降解速度不利于体内生物组织在材料上的附着，不利于诱导成骨。混合不同比例的混合不同比例的HAPHAP和和-TCP-TCP可得到双相生物陶瓷材料，通可得到双相生物陶瓷材料，通过调节单相过调节单相HAPHAP和和-TCP-TCP陶瓷的比例，有望实现材料在体内陶瓷的比例，有望实现材料在体内的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题的降解速度与骨组织生长速度的匹配问题四四 生物陶瓷材料的应用生物陶瓷材料的应用n1.作为硬组织修复、替代、填充材料。n2.用于耳鼻喉科的

21、生物陶瓷材料n3.用于治疗癌症的生物陶瓷材料各种生物陶瓷在临床上的应用：1)能承受负载的矫形材料，用在骨科、牙科及颌面上 如：Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷、具有生物活性的表面涂 层(生物微晶玻璃、生物活性玻璃)的相应材料等 2)种植齿、牙齿增高 如：Al2O3陶瓷、氟聚合物金属基复合材料、生物活性 玻璃、自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥、活性涂层材料等3)耳鼻喉代用材料 如：Al2O3陶瓷、生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃、磷酸盐陶瓷 4)人工肌腱和韧带 如：PLA-碳纤维复合材料5)人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜 如：热解碳涂层如：热解碳涂层(抗凝血，摩擦系数小抗凝血，摩擦系数小)6)可供组织长成的涂

22、层可供组织长成的涂层(心血管、矫形、牙、额面心血管、矫形、牙、额面 修复修复)如：多孔如：多孔Al2O3陶瓷陶瓷7)骨的充填料骨的充填料 如：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒如：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒8)脊椎外科脊椎外科 如：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷如：生物活性玻璃或生物活性玻璃陶瓷9)义眼义眼 如：生物玻璃、多孔羟基磷灰石如：生物玻璃、多孔羟基磷灰石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可治疗癌症的生物陶瓷可治疗癌症的生物陶瓷 如：由如：由LiFe3O

23、5和和a-Fe2O3与与Al2O5-SiO2-P2O5玻璃玻璃 体复合材料制得的高密度玻璃，具有体复合材料制得的高密度玻璃，具有热磁性热磁性。具有耐腐蚀又能发射具有耐腐蚀又能发射射线的生物陶瓷也可用射线的生物陶瓷也可用于治疗癌症。于治疗癌症。如：如：Al2O5-SiO2-P2O5玻璃体复合材料，可以玻璃体复合材料，可以 被激发或发射被激发或发射射线射线。五五 生物陶瓷材料的发展方向生物陶瓷材料的发展方向n1.大孔可吸收生物陶瓷n2.生物活性复合陶瓷n3.金属表面梯度活性陶瓷涂层n4.骨组织工程第三节第三节 生物玻璃生物玻璃n玻璃陶瓷（微晶玻璃）是指原始玻璃在成核剂作用下,经过特殊的晶化热处理,

24、物相结构从非晶态转变为晶相与玻璃相均匀分布的微晶聚集体.n晶化后,材料性能中最重要的变化是机械强度的提高,这主要是依赖于玻璃陶瓷显微结构的改变而实现的。n与普通玻璃的主要区别是具有结晶的结构而与陶瓷的主要区别是它的结晶结构要比陶瓷细得多。n玻璃相与结晶相共存。1、生物玻璃n是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧化硅氧化硅化合物。一般把原料粉末按成分要求配化合物。一般把原料粉末按成分要求配比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将融比混合均匀，将粉末在高温炉内熔化，再将融化好的玻璃浇注成型（板、条、块等形状），化好的玻璃浇注成型（板、条、块等形状），然后在

25、适当温度进行退火处理（消除应力），然后在适当温度进行退火处理（消除应力），即可得到玻璃。即可得到玻璃。n如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为玻璃中可析出大量微小晶体，这样的玻璃称为微晶玻璃、结晶化玻璃或微晶玻璃、结晶化玻璃或玻璃陶瓷玻璃陶瓷。n生物玻璃材料大致可分为两类：生物玻璃材料大致可分为两类：非活性的近似非活性的近似惰性的和生物活性的惰性的和生物活性的。n在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：在非活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷中包括：q人工骨用生物医学玻璃，它具有良好的耐酸碱腐蚀人工骨用生物医学玻璃，它具有良

26、好的耐酸碱腐蚀特性、生物相容性和耐磨性能；特性、生物相容性和耐磨性能；q治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁治疗用生物医学玻璃，可埋入肿瘤部位，通过在磁场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死场下发热的特性或其内部的同位素放出的射线杀死癌细胞，也有良好的生物相容性；癌细胞，也有良好的生物相容性；q人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、审人工齿冠用生物医学玻璃陶瓷，具有制作容易、审美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似美性高、强度高、适应性好、生物相容性好、类似天然齿等优点。天然齿等优点。n活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求活性生物玻璃及生物玻璃陶瓷，通常要求SiO2的含

27、量低于的含量低于60%，同时含有，同时含有NaO以及以及CaOP2O5。这种材料生物相容性好，植入体内后能。这种材料生物相容性好，植入体内后能在界面上通过一系列离子交换和溶解在界面上通过一系列离子交换和溶解沉淀反沉淀反应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃应，在其表面形成磷灰石晶体，残留下的玻璃被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，被巨嗜细胞侵蚀，玻璃表面被基质类物质覆盖，玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于玻璃附近的软骨芽细胞和造骨细胞的增殖趋于活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，活跃，不久就形成了骨胶原纤维和磷灰石结晶，从而和软组织及组织成骨键合，骨组织和软组从而和软组织及

28、组织成骨键合，骨组织和软组织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化织很容易在其表面生长，其生物活性主要与化学组成相关。这种材料强度低，断裂韧性差，学组成相关。这种材料强度低，断裂韧性差，主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作主要用于非承力的骨、指骨、牙齿等，也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。为钛合金牙种植体的表面涂层。一一 生物活性玻璃定义生物活性玻璃定义n包含两个方面含义：包含两个方面含义：从材料学观点看，这是具有有限溶解度的材料，从材料学观点看，这是具有有限溶解度的材料，在生理环境下能产生表面溶解或降解，通过与组织间在生理环境下能产生表面溶解或降解，通过与组织间物质交换产生骨矿物成分物质

29、交换产生骨矿物成分磷灰石富集，达到骨间磷灰石富集，达到骨间的化学结合的化学结合 从生物学角度而言，植入体能与骨直接结合，即从生物学角度而言，植入体能与骨直接结合，即在界面没有纤维组织膜或者此膜很薄，形成所谓骨性在界面没有纤维组织膜或者此膜很薄，形成所谓骨性结合界面，被视为生物活性材料的主要标志。结合界面，被视为生物活性材料的主要标志。什么是玻璃的什么是玻璃的“生物活性生物活性”？二二 结构结构n生物活性玻璃一般含有生物活性玻璃一般含有CaOCaO、P P2 2O O5 5，部分含有，部分含有SiOSiO2 2、MgOMgO、K K2 2O O、NaNa2 2O O、AlAl2 2O O3 3、

30、B B2 2O O3 3、TiOTiO2 2等等n玻璃网络结构：玻璃网络结构：n网络形成体：硅氧四面体或磷氧四面体，网络形成体：硅氧四面体或磷氧四面体，n网络调整体：碱金属及碱土金属氧化物，网络调整体：碱金属及碱土金属氧化物，n网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络网络形成体之间通过桥氧连接，非桥氧则连接网络形成体和网络调整体原子形成体和网络调整体原子生物玻璃结构特点：生物玻璃结构特点：n随着碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络随着碱金属和碱土金属氧化物含量增加，玻璃网络结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃溶结构逐渐由三维变为二维、链状甚至岛状，玻璃溶解性增强，生物活性也增强；

31、解性增强，生物活性也增强；n磷氧四面体中的磷氧四面体中的不饱和键不饱和键处于亚稳态，易吸收环境处于亚稳态，易吸收环境水转化为是导致磷酸盐玻璃粘度小、化学稳定性差、水转化为是导致磷酸盐玻璃粘度小、化学稳定性差、热膨胀系数大的主要原因热膨胀系数大的主要原因n向磷酸盐玻璃中引入Al3+、B3+、Ga3+等三价元素，可打开双键，形成不含非桥氧的连续结构群使电价平衡、结构稳定、生物活性降低。n碱金属和碱土金属在水、酸等介质存在时易被溶出，释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有有限溶解性，这是玻璃具有生物活性的基本原因。n桥氧和非桥氧的比例决定了玻璃的生物活性，非桥氧和非桥氧的比例决定了玻璃的生物活性

32、，非桥氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。桥氧原所占比例越大玻璃的生物活性越高。生物玻璃与骨键合机制：生物玻璃与骨键合机制：n植入后生物玻璃表面溶解，并生成与组织紧密结合植入后生物玻璃表面溶解，并生成与组织紧密结合的碳酸羟基磷灰石（的碳酸羟基磷灰石（HCAHCA）界面）界面n表面溶解出表面溶解出SiSi离子能为离子能为HCAHCA形成提供合适成核位置，形成提供合适成核位置，而体液中的而体液中的HPOHPO4 42-2-和溶解产生的和溶解产生的CaCa2+2+则沉积生成富则沉积生成富CaCa、P P无定形层，并最终转化为结晶无定形层，并最终转化为结晶HCAHCA。n成骨细胞较纤维细胞更易在成骨细

33、胞较纤维细胞更易在HCAHCA层表面增殖，从而和层表面增殖，从而和新骨直接结合而不会在界面处产生纤维组织包囊。新骨直接结合而不会在界面处产生纤维组织包囊。生物活性玻璃的表面反应与周围环境的酸碱度有关：n研究显示只有在研究显示只有在PH=8PH=8时玻璃表面才会发生适当的化时玻璃表面才会发生适当的化学改变，形成硅胶层和富钙磷层；学改变，形成硅胶层和富钙磷层；nPHPH增大，钙磷的迅速沉积，活性玻璃有选择的溶出增大，钙磷的迅速沉积，活性玻璃有选择的溶出受到限制受到限制nPHPH降低，活性玻璃会迅速分解，表面难以形成钙磷降低，活性玻璃会迅速分解，表面难以形成钙磷沉积。沉积。活性生物玻璃陶瓷发展概况n

34、1.45S5生物玻璃Bioglassn成分：SiO2 45%、Na2O 24.5%、CaO 24.5%、P2O5 6%n组成上三个特点：SiO2质量分数小于60%，高Na2O和CaO成分、高钙磷比n碱金属含量高在体内溶解出碱金属，有可能扰乱人体生理环境n玻璃的生物学活性与其成分含量有关2.Ceravital微晶玻璃 将原料混合熔化制成玻璃后再经热处理析出一部分磷灰石晶体而形成微晶玻璃n成分：Na2O 4.8%、K2O 0.4%、MgO 2.9%、CaO 34%、P2O5 11.7%、SiO2 46.2%特点：碱金属含量降低，机械强度提高 研究表明玻璃微晶化处理后虽然能够提高玻璃的机械性能，但生

35、物活性玻璃净化后活性降低甚至会变成惰性材料。3.A-W微晶玻璃n在玻璃相中析出磷灰石（A）和-硅灰石（W）两种晶相n成分：MgO 4.6%、CaO 44.9%、P2O5 16.3%、SiO2 34.2%、CaF2 0.5%n制备：将溶质玻璃粉碎，经加压成型后烧结，使玻璃微晶化 n 特点：机械强度高、加工性能好n微晶玻璃高的机械性能归因于：粗糙的断裂表面和-硅灰石的析出，能促使裂纹转向分支，有效抑制了裂纹扩展n析出的针状硅灰石晶体由于是无规则排列，所以机械加工性能良好HenchHench教授的生物活性玻璃与骨结合的教授的生物活性玻璃与骨结合的1212步：步：Si-OH+Na+OH-Si-O-Na

36、+H+OH-1.玻璃中的Na+和K+等与溶液中的H+离子以及H3O+离子迅速交换2.SiO2以Si(OH)4的形式溶于溶液中，导致SiOSi键被溶解打开，SiOH在界面处形成n3.SiOH的缩聚聚合反应在玻璃表面形成富多孔硅溶胶的胶体层 Si-OH +OH-Si-Si-O-Si +H2O4.玻璃中的Ca2+和体液中的PO43-在富SiO2上聚集形成富Ca、P层5.随着OH-、CO32-和HPO42-从体液中引入，富Ca、P无定形相层转变成碳酸羟基磷灰石（HCA）晶体。n6.HCA层内生物部分的吸附n7.小噬细胞反应n8.成骨细胞的源细胞附着n9.成骨细胞分化增殖n10.基质产生n11.基质晶化

37、和骨生长n12.成骨第四节第四节 骨水泥骨水泥n骨水泥作为人工合成替代材料中的重要组成部分，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的作用n发展历程：第一代PMMA骨水泥优点：易成型和粘结性能好优点：易成型和粘结性能好 缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物缺点：材料化学成份与人体骨成份完全不同，生物相容性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏相容性差；单体放热剧烈；细胞毒性；引起过敏n理想的骨水泥作为医用材料必需满足下列要求 浆体易于成型,可填充不规则的骨腔 在环境中能自行凝固,硬化时间合理 有优良的生物活性和骨再生的潜能 良好的机械性能和耐久性能 无毒和无免疫性。n第二代 磷酸钙

38、骨水泥 20世纪80年代中期，E.brown和chow发现由几种磷酸钙盐组成的混合物能在人体环境和温度下自行固化，水化硬化过程基本不放热，其水化成分最终转化为羟基磷灰石。由此可构成类似于硅酸盐水泥样的磷酸钙水泥，用与人体骨的修复，故称磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥（calcium phosphate cement.calcium phosphate cement.CPCCPC ）n一 组成和水化机制 1.化学成分 CPC由固相和液相两部分组成 固相至少包含除了HAP以外的两种磷酸钙盐，其中至少有一种偏酸性一种偏碱性 这些磷酸钙盐包括：磷酸四钙（Ca4(PO4)2O，TECP），磷酸三钙或

39、磷酸三钙（Ca3(PO4)2，TCP），无水磷酸氢钙（CaHPO4，DCPA），二水磷酸氢钙，磷酸二氢钙，磷酸八钙等n液相 即固化液多为低浓度的磷酸或磷酸盐溶液，或是蒸馏水、生理盐水或手术部位血液等n功能型的CPC会在纯CPC组成上添加药物、活性因子、抗水剂和促凝剂等以满足临床不同要求2.CPC2.CPC的水化机制的水化机制是骨水泥区别于其他生物材料（如生物陶瓷、生物玻璃等）的主要特征之一。n之所以能够固化并最终转化成HAP，其原理是基于不同磷酸钙盐在水中溶解度的差异 n当PH值在4.2-11范围内时，HAP在水中的溶解度最小，在热力学角度上是最稳定的，其他磷酸钙盐在水中会趋向于向HAP转化：

40、5CaHPO4 +H2OCa5(PO4)3OH +2H3PO43Ca4(PO4)2O +3 H2O Ca5(PO4)3OH +2Ca(OH)25Ca3(PO4)2+3 H2O 5Ca5(PO4)3OH +H3PO4nCPC粉末与固化液接触，磷酸钙盐先溶解，在颗粒间结晶出细针状的HAP，随着水化反应进行，HAP细小晶体不断长大，晶体越大接触点越多，固化体越坚硬，强度与HAP生成率成正比n水化产物不但在颗粒间生长也在颗粒表面生长形成包裹层，内部原料的水化取决于水通过水化产物层向内部的渗透以及内外离子的扩散。n由于单组分磷酸钙盐水化时副产物酸或碱的产生，使水化反应环境偏离中性而导致水化反应终止，因而

41、单一磷酸钙盐矿化能力相当有限。nCPC是几种磷酸钙盐的混合物，可以保持反应始终维持在中性环境。n水化产生的H+，OH-透过包裹层后水化继续进行，此时水化反应由原来的颗粒表面控制转变为扩散控制，避免PH偏移太大而损伤组织，并保持对HAP稳定的过饱和度，提高矿化能力。具体过程概括具体过程概括n在水化反应初始阶段，HAP的生成受原料表面反应控制，为零级反应，在颗粒间和颗粒表面生成的HAP加强了颗粒间的连接。HAP含量越大，接触点越多，抗压强度随HAP生成率的增大呈几乎线性增大。n当HAP在颗粒表面形成一层水化产物包裹膜后，CPC水化反应有颗粒表面反应控制转化为透过水化产物层的扩散控制。水化过程中的问

42、题水化过程中的问题 无水磷酸氢钙和HAP密度的差异，被水化产物包裹的DCPA转化为HAP时由于体积收缩产生内应力，对抗压强度不利，甚至使包裹的壳破裂，在材料内部产生的缺陷导致抗压强度不再升高，甚至小幅降低。二二 CPCCPC的材料学性能的材料学性能n与其他骨植入材料相比具有以下特点：任意塑行；自行固化；生物相容；逐步降解。凝结时间强度自行固化和任意塑形微观结构抗水性CPC材料的性能凝结时间凝结时间n指可塑浆体变成不再可塑时的时间。通常用标准稠度和凝结时间测定仪进行测定。数值大小在一定程度上取决于材料组分、固相颗粒大小和形态、固液比及环境温度等n是衡量手术操作可行性的重要指标，时间过长或过短都不

43、利于手术操作强度强度n力学强度是评价骨修复材料的一个重要指标，抗压强度是衡量CPC在体内硬化后抗负载能力的指标，其大小直接影响CPC材料的应用nCPC固化4h后可基本达到最大抗压强度，一般为30-50MPa。目前文献报道最高值为70 MPa，其临床适应证为修复非负重或低负重部位的骨缺损。自行固化和任意塑形自行固化和任意塑形nCPC粉末与固化液调和后，材料呈牙膏状，此糊状物能够自行固化，凝结时间为3-15min。在这段时间内材料的可塑性好，可根据缺损部位任意塑型，材料植入体内后能与周围骨直接黏结，没有缝隙且固化过程不放热，不会对周围组织造成灼伤n利用其固化过程温和的特性可将其作为药物缓释载体及生

44、物活性物质载体微观结构微观结构n材料的微观结构是影响其力学性能的重要因素，孔径大小和孔隙率测定能反应其内部微孔情况。n固化体微孔结构对强度影响明显：微孔孔径越大，孔隙率越高，CPC强度则越小。较小的孔径较低的孔隙率能获得较高的强度，但不利于新骨的长入。n通过调整固相组分、液相浓度以及固液比可获得不同微孔结构和强度的固化体。抗水性抗水性n抗水性指CPC在血液、生理盐水的静水压力下抗渗防水的能力，对于大量出血的外科手术，这一性能尤为重要。n抗水性不好则材料在植入后凝结前遇渗液则稀散不成形，影响固化n增强CPC抗水性的添加剂必须符合6个条件：应防止调和物在水中溃散；不影响调和物转化成HAP；不降低C

45、PC固化体强度；不影响调和物的可操作性；具有至少与磷灰石相似的良好生物相容性；应在较短时间内吸收。海藻酸钠是目前公认的优良抗水剂。作用机制是它与Ca2+所形成的不溶于水的海藻酸钙凝胶能较好地阻止CPC调和物被水侵蚀而溃散。三三 CPCCPC的生物学性能的生物学性能n1.成骨效应 骨引导活性，新骨以爬行替代的方式生长，植入体与骨组织形成骨性连接。将CPC植入猫的皮下和肌肉内，未发现新骨形成，植入物被逐渐吸收，而植入颅骨骨膜下则成骨明显，植入物逐渐被新骨替代，证实CPC不具有诱导成骨活性，而是通过骨传导作用成骨。n2.降解性能 CPC属于生物可降解材料 其显著特点在于：材料之入骨组织后，通过体液溶

46、解或被代谢系统排除体外，最终使缺损部位完全被新生骨组织取代，而植入的生物可降解材料只起到临时支架作用。CPC为磷酸钙盐的水化产物，其内部晶体发育不完整，结晶度低，其降解主要以细胞降解为主，通过体液的溶解作用来实现。n多年临床研究表明，CPC能降解但比较缓慢，通常降解植入体积的50%需要6-24个月。n正因为CPC降解较慢使得材料能与宿主骨紧密结合，材料的占位不给肿瘤细胞的生长提供空间，在一定程度上阻碍肿瘤的复发。同时可避免因材料的快速降解、新骨尚未形成而产生新的缺陷，导致出现二次病理性骨折的发生。四四 新型新型CPCCPC的研制的研制n1.药物控释骨水泥 利用CPC包埋微胶囊化药物，形成载药磷

47、酸钙骨水泥固化体，避免待植入部位感染或抑制因肿瘤细胞清创不彻底的复发 通过控制微胶囊壁材厚度、药物含量、固化体孔隙率、固液比等参数实现磷酸钙骨水泥定点可控缓释抗癌/抗炎药物，赋予材料兼具填充修复与治疗的双重功效。n将药物引入CPC，根据包埋方式不同，一般分为一下两个体系：A 均相体系 将少量药物粉末与CPC粉末混合后，用固化液调和，使药物均匀地分散在固化体中。问题：由于药物被置于骨水泥固化环境中，有可能直接参与水化反应，从而对固化过程产生影响。因此此类体系仅限于对CPC固化过程和材料性能影响小并在固化环境中能保持活性的药物。B 非均相体系 将药物粉末压片后包埋在CPC浆体中，形成非均相符合结构

48、。药物与固化体的接触有限（仅在压片体表面），药物对固化过程影响甚微，所以对使用药物的条件相对不太苛刻。问题：因药物缓释后留下较大空穴，对体系的抗压强度产生不利影响 临床应用及优点：nCPC载化疗药物及抗肿瘤基因工程药物植入后可实现定点给药，从而降低骨肿瘤切除后的复发率；nCPC载抗生素可用于骨科手术后的骨和深度软组织感染预防，以及慢性骨髓炎的治疗。n药物直接作用于患处，其缓释功能可延长药物作用时间，减少药物对全身其他部位的毒性反应和副作用，增加局部有效药物浓度，提高治疗效果。n2.注射型骨水泥注射型骨水泥 在某些特殊场合要求可注射型CPC材料在相当长的时间内保持稳定性和可塑性，只有在注射到缺损

49、处后才开始固化。制备具有这种特点的CPC材料的一种方法是选择一种非水性溶剂作为该材料的液相，从而使材料在无水状态下保持较长时间的稳定性，一旦材料被注射到患处后其非水溶剂逐步被周围组织的体液取代，进而才在有水状态下开始固化。临床应用：n水相可注射型CPC在临床上用于血管瘤、骨质疏松症中椎体压缩、脊椎转移性肿瘤等的治疗；n非水相水相可注射型CPC在临床上用于牙根管的注射填充等治疗 3.生物活性骨水泥生物活性骨水泥nCPC材料降解慢，只有引导骨形成的能力，不具有诱导成骨活性。诱导和促进骨生长的细胞因子骨形态发生蛋白（骨形态发生蛋白（BMPBMP）是发现最早、研究最多和促进成骨作用最明确 的细胞因子 BMP作用：诱导间充质细胞向成软骨细胞和成骨 细胞分化，随后开始骨形成。首先诱导软骨形成，随后发生矿化，并被矿化骨替代 单纯的BMP在体内溶解或降解太快易被蛋白酶分解，难以发挥有效作用。n制造CPC的多孔结构，为BMP靶细胞的黏附、增殖吸附提供良好的三维空间环境，为其成为BMP优良载体和缓释场所提供条件。n利用磷酸钙骨水泥固化过程温和的特性，将BMP与CPC均相复合，使材料在填充修复的同时又具有诱导加速成骨作用，促进骨愈合。生物活性骨水泥生物活性骨水泥