第三章-无机非金属生物材料讲解课件.ppt
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1、第三章第三章 无机非金属生物材料无机非金属生物材料水泥、玻璃、陶瓷 材料无机非金属材料金属材料高分子材料:塑料、合成橡胶、合成纤维3.1 3.1 概述概述 无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥三大类。三大类。陶瓷主要是以黏土为原料烧制而成的一种多晶多相陶瓷主要是以黏土为原料烧制而成的一种多晶多相(气体、液体、晶体和非晶体气体、液体、晶体和非晶体)的聚集体;的聚集体;水泥为一种细磨材料,加入适量水后成为塑性浆体,水泥为一种细磨材料,加入适量水后成为塑性浆体,能在空气中硬化,或在水中硬化,并能把其他增强材能在空气中硬化,或在水中硬化,并能把其他增强材料牢固地胶结
2、在一起的水硬性材料;料牢固地胶结在一起的水硬性材料;玻璃为熔融物冷却硬化而得到的非晶态固体。玻璃为熔融物冷却硬化而得到的非晶态固体。这些材料有史以来一直得到广泛应用,其中一部这些材料有史以来一直得到广泛应用,其中一部分因为特殊性能而用作生物材料。分因为特殊性能而用作生物材料。无机非金属材料的基本属性:无机非金属材料的基本属性:化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键;化学健主要是离于键、共价健以及它们的混合键;硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感;硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感;熔点高,具有优良的耐高温和化学稳定性;熔点高,具有优良的耐高温和化学稳定性;一般自由电子数目少、导热性和
3、导电性较小;一般自由电子数目少、导热性和导电性较小;耐化学腐蚀性好;耐化学腐蚀性好;耐磨损。耐磨损。4.1.14.1.1无机非金属生物材料的发展无机非金属生物材料的发展 无机非金属生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修无机非金属生物材料的使用可追溯列埃及金字塔的修建时期,当时用陶土进行骨缺损的填充,建时期,当时用陶土进行骨缺损的填充,18081808年开始将陶瓷作为镶牙材料,年开始将陶瓷作为镶牙材料,18921892年使用石膏填充骨缺损,年使用石膏填充骨缺损,19631963年年SmithSmith报道一种陶瓷材料,用环氧树脂浸透含报道一种陶瓷材料,用环氧树脂浸透含4848孔隙的多孔铝酸盐树料,
4、它与骨组织的物理性能相孔隙的多孔铝酸盐树料,它与骨组织的物理性能相匹配。匹配。无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十年来的事,特别是发现年来的事,特别是发现羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石陶瓷后,得到了飞后,得到了飞速发展,该类材料具有生物相容性好,甚至有些还有速发展,该类材料具有生物相容性好,甚至有些还有生物活性,抗压强度高等优点。生物活性,抗压强度高等优点。金属、高分子和无机非金属生物材料的比较:金属、高分子和无机非金属生物材料的比较:3.1.2 3.1.2 无机非金属生物材料基本条件与要求无机非金属生物材料基本条件与要求 良好的生物相容性良好
5、的生物相容性 化学稳定性化学稳定性 降解产物无毒降解产物无毒 杂质元素及溶出物含量低杂质元素及溶出物含量低 As As,CdCd、HgHg、PbPb等重金属等重金属 有效性有效性 抗压、耐磨、热膨胀抗压、耐磨、热膨胀 成型加工性能成型加工性能 脆性脆性 加工困难加工困难 不同模具不同模具 耐消毒灭菌性耐消毒灭菌性 高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌 无机非金属材料品种非常多,无机非金属材料品种非常多,考虑材料生物考虑材料生物相容性、机械性能、加工性能、成本等因素,只相容性、机械性能、加工性能、成本等因素,只有一小部分材料可用作生物材料,有一小部分材料可用作
6、生物材料,如如 陶瓷类中有氧化铝、氧化铁、低温各向同性碳、陶瓷类中有氧化铝、氧化铁、低温各向同性碳、羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙等,羟基磷灰石、磷酸钙、碳酸钙等,玻璃类主要有玻璃类主要有MgO-CaO-SiOMgO-CaO-SiO2 2-P-P2 2O O5 5、NaNa2 2O-CaO-O-CaO-SiOSiO2 2-P-P2 2O O5 5、CaO-AlCaO-Al2 2O O3 3-P-P2 2O O5 5系玻璃,系玻璃,水泥类主要有硫酸钙、磷酸钙等。水泥类主要有硫酸钙、磷酸钙等。在医学上主要用于骨组织的修复、替换,如在医学上主要用于骨组织的修复、替换,如承力骨、牙齿等替换,以及硬组织固定
7、材料。承力骨、牙齿等替换,以及硬组织固定材料。3.1.3 3.1.3 无机非金属生物材料分类无机非金属生物材料分类按成分性质分:按成分性质分:生物陶瓷材料,如单晶生物陶瓷材料,如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石多晶氧化铝、羟基磷灰石 生物玻璃,如生物玻璃,如45S545S5玻璃玻璃 生物玻璃陶瓷生物玻璃陶瓷 医用骨水泥,医用骨水泥,-TCP-TCP 复合无机材料复合无机材料,HA+,HA+-TCP-TCP,碳纤维增强无机骨水泥,碳纤维增强无机骨水泥按来源分:按来源分:天然钙化物天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠钙化的贝壳、珍珠 合成无机材料合成无机材料 如如-TCP-TCP人工骨(复合无机材料)人工骨(
8、复合无机材料)衍生材料衍生材料 冻干骨片冻干骨片按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类:按照生物环境中发生的生物化学反应水平分类:生物惰性材料生物惰性材料 氧化铝氧化铝 热解碳热解碳 氧化锆氧化锆 氧化硅氧化硅 生物活性无机材料生物活性无机材料 羟基磷灰石羟基磷灰石 生物玻璃生物玻璃 活性玻璃陶瓷活性玻璃陶瓷 生物可降解无机材料生物可降解无机材料 可溶性铝酸钙陶瓷、可溶性铝酸钙陶瓷、-TCP-TCP陶瓷陶瓷 生物医用无机纳米材料生物医用无机纳米材料 纳米氧化铁纳米氧化铁 羟基磷灰石超微粉羟基磷灰石超微粉3.2 3.2 生物陶瓷生物陶瓷两个基本概念:两个基本概念:生物惰性生物惰性 主要指材料在
9、植入人体后,长时间不发生主要指材料在植入人体后,长时间不发生物理、化学结构变化,同时不引起与之接触的组织的显物理、化学结构变化,同时不引起与之接触的组织的显著变化。生物惰性材料主要有氧化物陶瓷,如三氧化二著变化。生物惰性材料主要有氧化物陶瓷,如三氧化二铝、氧化锆;非氧化物陶瓷,加氮化硅;碳化物,如低铝、氧化锆;非氧化物陶瓷,加氮化硅;碳化物,如低温温(或超低温或超低温)各向同性碳等。各向同性碳等。生物活性生物活性 相对于生物惰性,生物活性材料广义上讲相对于生物惰性,生物活性材料广义上讲是指在生理环境的长期作用下,有新生组织长成或替代是指在生理环境的长期作用下,有新生组织长成或替代原有材料,而原
10、有材料发生了一定物理、化学变比、甚原有材料,而原有材料发生了一定物理、化学变比、甚至降解消失。而至降解消失。而狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形成的能力成的能力。4.2.1 4.2.1 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 19321932年开始临床应用年开始临床应用 19631963年氧化铝陶瓷人工骨年氧化铝陶瓷人工骨 19641964年牙科移植物年牙科移植物 19701970年氧化铝瓷球、窝和不锈钢杆制成的年氧化铝瓷球、窝和不锈钢杆制成的全髋关节人工假体全髋关节人工假体 19811981年氧化铝陶瓷全膝关节假体开始应用年氧化铝陶瓷全膝关节假体开始应用 1980s1980s
11、初,单晶氧化铝陶瓷骨螺钉在外科初,单晶氧化铝陶瓷骨螺钉在外科矫形手术中应用矫形手术中应用一、氧化铝陶瓷的组成、制备工艺一、氧化铝陶瓷的组成、制备工艺氧化铝陶瓷:氧化铝陶瓷:AlAl2 2O O3 3含量在含量在4545以上,主晶相为以上,主晶相为-AlAl2 2O O3 3 ,此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。,此外还有莫莱石晶相和硅酸盐玻璃相。陶瓷的一般制备工艺:陶瓷的一般制备工艺:原料加工(粉碎),然后加粘结剂形成配料,原料加工(粉碎),然后加粘结剂形成配料,混合后静压成坯料,通过预烧混合后静压成坯料,通过预烧-烧结形成陶瓷。烧结形成陶瓷。核心过程烧结核心过程烧结烧结:在高温作用下,粉状物
12、料自发填充颗烧结:在高温作用下,粉状物料自发填充颗粒间隙的过程,随着温度和时间的延长,粒间隙的过程,随着温度和时间的延长,过程中发生:固体颗粒相互键联,晶粒长过程中发生:固体颗粒相互键联,晶粒长大,空隙(气孔)和晶界逐渐消失,通过大,空隙(气孔)和晶界逐渐消失,通过物质传递,物料的体积收缩、密度增加,物质传递,物料的体积收缩、密度增加,最后成为坚实的整体。最后成为坚实的整体。颗粒在烧结过程中的外形变化:颗粒在烧结过程中的外形变化:氧化铝的烧结过程:包括颗粒接触、部分氧化铝的烧结过程:包括颗粒接触、部分粘连、完全粘连和烧结完成几个步骤。粘连、完全粘连和烧结完成几个步骤。氧化铝烧结过程中粉体微观结
13、构变化氧化铝烧结过程中粉体微观结构变化陶瓷烧结的微观动力学陶瓷烧结的微观动力学原始驱动力:原始驱动力:(1 1)颗粒表面能)颗粒表面能对于半径为对于半径为r r的的1mol1mol球形颗粒粉体,球形颗粒粉体,颗粒数:颗粒数:颗粒的表面积:颗粒的表面积:表面能:表面能:(2 2)化学反应能)化学反应能(3 3)外加压力做功)外加压力做功(4 4)体系外供给能量)体系外供给能量 烧结温度对材料性能的影响烧结温度对材料性能的影响(1 1)对密度和空隙率的影响)对密度和空隙率的影响(2)对机械性能的影响AlAl2 2O O3 3生物陶瓷制备工艺生物陶瓷制备工艺 氧化铝生物陶瓷的制备工艺:与普通陶瓷制作
14、工艺类似,氧化铝生物陶瓷的制备工艺:与普通陶瓷制作工艺类似,即粉体融合即粉体融合 预压成型预压成型(预打磨预打磨)烧结烧结 打磨打磨 成品。烧结温度一般为成品。烧结温度一般为17001700以上。以上。高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下:高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下:氧化铝的纯度越高,材料的力学性能如抗压、抗折强度也越高氧化铝的纯度越高,材料的力学性能如抗压、抗折强度也越高氧化铝生物陶瓷的纯度在氧化铝生物陶瓷的纯度在99.799.7以上。以上。新型生物陶瓷材料新型生物陶瓷材料-单晶生物陶瓷单晶生物陶瓷 氧化铝单晶(宝石):机械强度、硬度和耐腐蚀氧化铝单晶(宝石):机械强度、硬度和耐腐蚀性
15、优于多晶氧化铝陶瓷,其生物相容性、稳定性性优于多晶氧化铝陶瓷,其生物相容性、稳定性和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。和耐磨性也好于多晶氧化铝陶瓷。不能通过烧结制得,具体方法如下:不能通过烧结制得,具体方法如下:提拉法提拉法 导模法导模法 气相化学沉积法气相化学沉积法 焰融法:晶体生长速率快,工艺简单,焰融法:晶体生长速率快,工艺简单,成本低成本低二、氧化铝陶瓷的结构与性能二、氧化铝陶瓷的结构与性能 氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性,在生理环境下相当氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性,在生理环境下相当稳定,抗腐蚀,无溶出物,具低膨胀性能。稳定,抗腐蚀,无溶出物,具低膨胀性能。氧化铝生物陶瓷密度大于氧化铝生
16、物陶瓷密度大于3.9g3.9gcm3cm3,室温抗压强度约为,室温抗压强度约为4000MPa4000MPa、抗弯强度大于、抗弯强度大于400MPa400MPa、杨氏模量为、杨氏模量为380GPa380GPa、抗、抗冲击强度冲击强度4000J4000Jm m2 2,耐磨性和耐腐蚀性符合,耐磨性和耐腐蚀性符合ISOISO规范实验规范实验要求。要求。氧化铝生物陶瓷人工关节比金属氧化铝生物陶瓷人工关节比金属-聚乙烯构成的人工关节聚乙烯构成的人工关节的耐磨性能好得多,前者的磨损速率是后者的的耐磨性能好得多,前者的磨损速率是后者的l l1010,略,略高于人关节的磨损率。高于人关节的磨损率。陶瓷的空隙率、
17、孔径大小对材料的力学性能有很大的影陶瓷的空隙率、孔径大小对材料的力学性能有很大的影响,随着空隙率的增大,材料的密度降低,强度下降。响,随着空隙率的增大,材料的密度降低,强度下降。为了保持氧化铝陶瓷的强度,通过在为了保持氧化铝陶瓷的强度,通过在表面表面进行多孔化处进行多孔化处理。理。三、氧化铝陶瓷的应用三、氧化铝陶瓷的应用 氧化铝陶瓷强度高,目前主要用于外科矫形手氧化铝陶瓷强度高,目前主要用于外科矫形手术的承重假体,如人工髋关节、人工膝关节、人工术的承重假体,如人工髋关节、人工膝关节、人工足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎体人工骨,修补移植海绵骨
18、的充填材料、髓内固体人工骨,修补移植海绵骨的充填材料、髓内固定材料;定材料;某些骨替代物某些骨替代物(人工听小骨人工听小骨);眼科手术中的角质;眼科手术中的角质假休、固定用螺钉等。假休、固定用螺钉等。单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比,机械强度、单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比,机械强度、硬度、耐酸碱性等性能指标占优,且不易折断,硬度、耐酸碱性等性能指标占优,且不易折断,因此在需要制品强度高的场合,如用做损伤骨固因此在需要制品强度高的场合,如用做损伤骨固定的螺钉、关节柄、牙根。定的螺钉、关节柄、牙根。各种氧化铝生物陶瓷植入物各种氧化铝生物陶瓷植入物:全氧化铝陶瓷人工髋关节3.2.2 3.2.2 氧化
19、物陶瓷氧化物陶瓷 除氧化铝,惰性氧化物生物陶瓷还有:除氧化铝,惰性氧化物生物陶瓷还有:氧化锆、氧化镁、氧化硅,以及混合氧化物陶瓷氧化锆、氧化镁、氧化硅,以及混合氧化物陶瓷(如组成为氧化锆(如组成为氧化锆50506060,氧化铝,氧化铝10102020、氧化钾氧化钾7 71010的陶瓷)。的陶瓷)。氧化锆强度高,切割韧性好,常作为复合材料的氧化锆强度高,切割韧性好,常作为复合材料的增韧相。部分增韧相。部分氧化钇氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更稳定的氧化锆比氧化铝有更好的韧性,可替代氧化铝。好的韧性,可替代氧化铝。混合氧化物陶瓷组成可调,色泽、热膨胀系数,混合氧化物陶瓷组成可调,色泽、热膨胀系数,可
20、用作人工牙齿。可用作人工牙齿。其它氧化物陶瓷一般作为改性剂(玻璃组分)或其它氧化物陶瓷一般作为改性剂(玻璃组分)或涂层材料,单独作为生物材料少见。涂层材料,单独作为生物材料少见。二氧化锆全瓷冠:是用整体瓷块由计算机辅助,由铣床二氧化锆全瓷冠:是用整体瓷块由计算机辅助,由铣床半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的,又对身半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的,又对身体无毒无害,不含金属,强度却可和金属烤瓷相当。目体无毒无害,不含金属,强度却可和金属烤瓷相当。目前最理想的烤瓷修复,前牙美容修复体。由于氧化锆工前最理想的烤瓷修复,前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进,基地冠的厚度从原来的艺的改进
21、,基地冠的厚度从原来的1毫米减低为毫米减低为0.8毫米,毫米,需磨除牙体面积变小,釉质丢失率最低。适用于任何一需磨除牙体面积变小,釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况。种要求烤瓷制作的高端情况。氧化锆美容前氧化锆美容前氧化锆美容后氧化锆美容后二氧化锆预约费用为二氧化锆预约费用为2800每颗。每颗。3.2.3 3.2.3 非氧化物陶瓷非氧化物陶瓷 报道很少,主要用作硬组织的替换材料。报道很少,主要用作硬组织的替换材料。SiCSiC材料:硬度高、强度大,导热导电性好,是材料:硬度高、强度大,导热导电性好,是耐磨、耐腐蚀材料。耐磨、耐腐蚀材料。SiSi3 3N N4 4材料:可代替氧
22、化锆作关节置换假体,比氧材料:可代替氧化锆作关节置换假体,比氧化锆有更好的使用寿命。化锆有更好的使用寿命。3.3 3.3 碳质材料碳质材料 碳质材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材碳质材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料。料。自然界中的碳:金刚石、石墨和无定形层状结构(最自然界中的碳:金刚石、石墨和无定形层状结构(最多,点阵无序排列,各向同性)。多,点阵无序排列,各向同性)。碳在生理环境中化学性质稳定,也不发生疲劳破坏,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是生物相容性非常好的一类惰性材料惰性材料。它的最大优点。它的最大优点是血液相容性好,不可渗透
23、性,再加上优良的力学性是血液相容性好,不可渗透性,再加上优良的力学性能(强度、弹性模量和耐磨性),可通过不同工艺改能(强度、弹性模量和耐磨性),可通过不同工艺改变其结构进行调整,使其在医学上得到广泛使用。变其结构进行调整,使其在医学上得到广泛使用。医用碳质材料(外科植入物)类型:医用碳质材料(外科植入物)类型:热解碳:热解碳:1000100024002400 C C 热解碳氢化合物沉热解碳氢化合物沉积在石墨基体上积在石墨基体上(在医学上只用在医学上只用1500 1500 C C以下以下沉积的沉积的低温各向同性碳,厚度可达低温各向同性碳,厚度可达1mm)1mm)。玻璃碳:玻璃碳:酚醛树脂、糠醇树
24、脂等加热失去挥酚醛树脂、糠醇树脂等加热失去挥发成分而留下玻璃状的残留物。比热解碳机发成分而留下玻璃状的残留物。比热解碳机械性能差,用于不承受高机械应力部位。械性能差,用于不承受高机械应力部位。蒸汽沉积碳:蒸汽沉积碳:在真空过程中通过氩挥发,用电弧或在真空过程中通过氩挥发,用电弧或高能电子束等手段加热碳氢化合物,使其分解,升高能电子束等手段加热碳氢化合物,使其分解,升华或溅射,华或溅射,沉积在金属、陶瓷或高分子材料的表面沉积在金属、陶瓷或高分子材料的表面上,上,沉积层约沉积层约1 1 m m。另一种在低压和低温下,另一种在低压和低温下,用催化剂使含碳浓度高的气相沉积,沉积碳具有各用催化剂使含碳浓
25、度高的气相沉积,沉积碳具有各向同性、不透气、弹性好等特性,常用于聚合物、向同性、不透气、弹性好等特性,常用于聚合物、纤维织物和多孔金属植人体的涂层。纤维织物和多孔金属植人体的涂层。碳纤维:碳纤维:丙稀腈为原料,隔氧,丙稀腈为原料,隔氧,100010001500 1500 C C 培培烧,张力牵引,链状分子脱掉大部分氢、氮等小分烧,张力牵引,链状分子脱掉大部分氢、氮等小分子,留下碳原子按同一方向整齐排列。子,留下碳原子按同一方向整齐排列。碳纤维是黑色细丝,单丝直径碳纤维是黑色细丝,单丝直径7 79 9 m m ,抗,抗拉强度可达拉强度可达3040 3040 MPaMPa,耐腐蚀、耐磨损,并有自身
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