《生物材料学》医用生物材料 ppt课件

ppt课件
128
陶瓷材料的强度和断裂 陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压
强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。
若设裂纹的长度为C，应力集中系数可根据Griffith公式得到：
c 2 C

r
式中，σ为垂直作用于此裂纹的平均应力；r为裂纹尖端处的曲
率半径；C为裂纹长度。由于裂纹尖端处的曲率半径很小。
5.1.5 其他医用金属材料
ppt课件
105
ppt课件
106
ppt课件
107
ppt课件
108
ppt课件
109
ppt课件
110
ppt课件
111
ppt课件
112
ppt课件
113
ppt课件
114
ppt课件
115
ppt课件
116
第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
ppt课件
117
图4-2 萤石的点阵结构
ppt课件
图4-3 刚玉的点阵结构
126
1.2 陶瓷的物理性能
• 陶瓷材料的机械性能
陶瓷材料的弹性变形 陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多，常相差数倍。
这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材 料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率 和加工工艺等因素密切相关，尤其是陶瓷的工艺过程对陶瓷 材料的弹性模量有着很重要的影响。
等），考察材料的生物相容性。
ppt课件
5
耐腐蚀性能要求
金属材料的主要缺点是腐蚀问题。
长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离 子（Na+、K+、Ca2+）、Cl-离子等构成的恒温 （37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和 细胞的作用，其环境非常复杂，会对金属材料 产生腐蚀，腐蚀的产物可能是离子、氧化物、 氯化物等。
16
ppt课件
17
ppt课件
18
ppt课件
19
ppt课件
20
ppt课件
21
ppt课件
22
ppt课件
23
ppt课件
24
缺损心脏
ppt课件
正常心脏
25
5.1.2 钴基合金
ppt课件
26
ppt课件
27
ppt课件
28
ppt课件
29
ppt课件
30
ppt课件
31
ppt课件
32
ppt课件
51
ppt课件
52
ppt课件
53
ppt课件
54
5.1.3 钛及钛合金
ppt课件
55
ppt课件
56
ppt课件
57
ppt课件
58
ppt课件
59
ppt课件
60
ppt课件
61
ppt课件
62
ppt课件
63
ppt课件
64
ppt课件
65
ppt课件
66
ppt课件
67
ppt课件
68
ppt课件
• AX化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果 RA/RX>0.732则为一简单的立方体结构，如CsCl结构，A原子 （或离子）位于8个X原子的中心。如果离子的半径比率完全 不同， 则呈现出面心立方体结构 ， 如NaCl、KCl、LiF、 MgO、CaO、MnO等化合物，这类结构以阴离子为面心立方 点阵，阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结构
璃等 121
1. 陶瓷结构与性能的关系
• 陶瓷材料是由共价键或离子键结合，含有金属与非金属元素 的复杂化合物和固溶体。陶瓷材料的晶体结构比金属材料复 杂且表面能小。因此其强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐 蚀性和耐热性要优于金属。但陶瓷的最大缺点是韧性差，脆 性极大，抵抗内部裂纹扩展能力很低，所以容易发生脆性断 裂。
陶瓷材料的热容量随着温度的升高而增加，且在温度低于 德拜温度时与T3成正比关系，温度高于德拜温度时趋于常数 25J•mol-1•K-1。
陶瓷材料的线膨胀系数一般都很小，约为10-5~10-6/K。
ppt课件
131
2 磷酸钙陶瓷
• 在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶 瓷占有很大的比重 ，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有良好的 生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用， 并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结 合。
ppt课件
127
陶瓷材料的塑性变形与蠕变 大多数陶瓷材料在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷材
料力学行为最大的特点。
高温下，陶瓷材料受恒定应力长时间作用时会发生缓慢的塑性 变形，这样的变形称为蠕变。影响蠕变的因素很多，主要包 括温度、应力、时间以及晶粒尺寸、气孔率、相分布、晶体 结构、晶体缺陷等等。
ppt课件
132
2.1 概述
磷酸钙生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三钙，作为生物材 料 使 用 的 磷 灰 石 一 般 是 Ca 与 P 原 子 比 为 1.67 的 羟 基 磷 灰 石 Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapatite ， 简 称 HA) ， 磷 酸 三 钙 是 Ca 与 P 原 子 比 为 1.5 的 β- 磷 酸 三 钙 β-Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，简称β-TCP)。
69
ppt课件
70
ppt课件
71
ppt课件
72
ppt课件
73
ppt课件
74
ppt课件
75
ppt课件
76
ppt课件
77
ppt课件
78
ppt课件
79
ppt课件
80
ppt课件
81
5.1.4 钛镍形状记忆合金
ppt课件
82
ppt课件
83
ppt课件
84
ppt课件
85
ppt课件
钴、镍，加入有毒的铍（2%）可减小毒性；加入铬
（20%），则毒性消失，且抗腐蚀性增强。
金(Au),钽(Ta),铂(Pt)未发现毒性。
化学稳定性：
抗化学性和电离性腐蚀；
可消毒性，消毒后不引起材料性能的改变。
耐久性：在使用、贮存和消毒时不破坏，不因长期植入而
丧失性能。
生物相容性评价：
利用多种检验方法（如，细胞培养、过敏试验、溶血反应
生物材料学
第五章 医用生物材料
ppt课件
1
医用生物材料
5-1 医用金属材料 5-2 医用陶瓷材料 5-3 医用高分子材料
ppt课件
2
5-1 医用金属材料
金属生物医用材料历史悠久，是人类最早使用的生物 医用材料之一。例如，公元前400-公元前300年，用 金属材料修复牙缺损，1546年纯金薄片修复缺损颅骨， 1775年用铁丝固定断骨等。
人工髋关节
羟磷灰石生物陶瓷人工骨 图4-1 几种常见的生物陶瓷制品
ppt课件
全瓷牙
120
• 陶瓷植入材料根据其与生物体组织的反应程度一般可以分为 三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。如
下表所示。
表4-1 陶瓷植入材料的分类
分类
主要特点
示例
生物惰性陶瓷
在生物体内化学性质稳定，生物 相容性好，无组成元素溶出，对
化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的 要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。 目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、 钴基合金和钛基合金三大类，另外还有TiNi记 忆合金和贵金属等。
ppt课件
4
生物相容性要求
毒性反应：
金属的毒性主要作用于细胞、可抑制酶的活动，阻止酶通
过细胞膜的扩散和破坏溶酶体。不锈钢中含有毒性的铁、
ppt课件
119
• 广义的生物陶瓷可以分为与人体相关的陶瓷(植入类陶瓷)和 与生化学相关的陶瓷(生物工程类陶瓷)二大类。所谓的与人 体相关的陶瓷就是指通过植入人体或是与人体组织直接接触， 使机体功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。一般狭义地称生 物陶瓷就是指这类陶瓷。图4-1是几种常见的生物陶瓷制品。
腐蚀不仅产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒 性，还会降低或破坏金属材料的机械性能，甚 至导致断裂引起植入失败。
ppt课件
6
力学性能要求
抗压强度、抗拉强度、屈服强度、弹性模量、 疲劳极限和断裂韧性等。
弹性模量-(定义是：应力除以应变)是生物医用 金属材料的重要物理性质之一，其值过高或过 低都会呈现出生物力学不相容性。
Al2O3
HCP
6
2/3
ppt课件
0.414 Cr2O3、Fe2O3
125
• 当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型 结构或刚玉型结构。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2 等 （ 图 4-2 ） 。 刚 玉 （ Al2O3 ） 型 结 构 的 氧 化 物 有 Fe2O3 、 Cr2O3、Ti2O3、Ca2O3等（图4-3）。
5.2 医用陶瓷材料
陶瓷结构与性能的关系
磷酸钙陶瓷
生物活性玻璃与生物微晶玻璃
其它生物陶瓷
陶瓷材料的增韧强化
陶瓷基生物医用复合材料
ppt课件
118
概述
• 陶瓷是指用天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧 结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固 体材料。陶瓷可分为传统陶瓷(普通陶瓷)和近代陶瓷(特种陶 瓷)。传统的陶瓷都是以由构成地壳的硅、铝、氧三种主要 元素形成的天然硅酸盐矿物为主要原料(如粘土、长石、硅 石)制成的材料。而把近代陶瓷称为“新型陶瓷”(New Ceramics)或“精细陶瓷”(Fine Ceramics)
所以应力集中系数（σc/ σ ）为100或1000，这就是为什么脆 性材料的实际断裂强度远低于他们的理论断裂强度。
ppt课件
129
陶瓷材料的硬度
陶瓷材料的硬度一般很高，常采用莫氏硬度（Moh's）来表示，
以反映材料硬度的相对大小，通常按硬度大小顺序分为十级
或十五级（表4-3）。
表4-3 莫氏硬度分级
机体无刺激
氧化铝陶瓷、氧化锆 陶瓷、碳素材料等
表面可与生理环境反应形成阻止 生物活性玻璃、玻璃
生物活性陶瓷 材料进一步溶解的界面，与人体 陶瓷、羟基磷灰石、
组织具有良好的化学亲和性
磷酸钙骨水泥等
生物可降解陶 暂时性的骨替代材料，最终通过
瓷
体液溶解或被代谢系统排出体外
ppt课件
磷酸钙陶瓷、硫酸钙 陶瓷、可降解生物玻
材料 10级 15级 材料 10级 15级 材料 10级 15级
滑石 1
石膏 2
方解 石
3
1 正长石 6
2
SiO2玻 璃
3 石英 7
6
熔融氧 化锆
11
7
刚玉
9 12
8 碳化硅
13
萤石 4
4
黄玉 8
9 碳化硼
14
磷灰 石
5
5 石榴石
10 金刚石 10 15
ppt课件
130
• 热性能
陶瓷材料一般具有高熔点（大多在2000°C以上），极好的 化学稳定性和很强的抗氧化等特点。
金属医用材料的弹性模量要稍高于人骨的弹性 模量。
ppt课件
7
不锈钢 钴基合金 钛及钛合金 TiNi记忆合金 其他医用金属材料
ppt课件
8
5.1.1 不锈钢
ppt课件
9
ppt课件
10
ppt课件
11
ppt课件
12
ppt课件
13
ppt课件
14
ppt课件
15
ppt课件
33
ppt课件
34
ppt课件
35
ppt课件
36
ppt课件
37
ppt课件
38ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ppt课件
39
ppt课件
二维有限元法设计 40
ppt课件
41
ppt课件
42
ppt课件
43
ppt课件
44
ppt课件
45
ppt课件
46
ppt课件
47
ppt课件
48
ppt课件
49
ppt课件
50
ppt课件
ppt课件
122
1.1 陶瓷的结构
一般来说，陶瓷是一种多晶材料，它是由晶粒和晶界所组 成的烧结体，显微组织由晶体相，玻璃相和气相组成。由于 各相的相对量变化很大，分布也不均匀，所以使各相的组成， 结构，数量，几何形状及分布状况都不相同，直接影响陶瓷 材料的性能。
ppt课件
123
• 陶瓷的结构类型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金属元 素；X代表非金属元素；m和n代表整数。最简单的陶瓷化合 物为AX型陶瓷晶体。
86
ppt课件
87
ppt课件
88
ppt课件
89
ppt课件
90
ppt课件
91
ppt课件
92
ppt课件
93
ppt课件
94
ppt课件
95
ppt课件
96
ppt课件
97
ppt课件
98
ppt课件
99
ppt课件
100
ppt课件
101
ppt课件
102
ppt课件
103
ppt课件
104
医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金。 它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗 疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性 质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、 无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 。
ppt课件
3
医用金属材料
金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料， 由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等 硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及 人工器官制造的主要材料。
的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比较复
杂，形成硬而脆的陶瓷材料pp。t课件
124
表4-2 AmXn结构
化合物
A(或X)晶 格
配位数
位置填满
最小值 RA/RX
其他化合物
CsCl
BCC
8
全部
0.732
Csl
NaCl
FCC
6
全部
0.414 MgO、MnS
ZnS
FCC
4
1/2
0.225 CdS、ZnO