关于医用无机材料课件
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关于医用无机材料
第一节 概述
18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。
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。
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。
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。
改善：将金属与氧化铝复合 在金属表面形成多孔性氧化铝薄层
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。
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。
生物陶瓷骨体
生物陶瓷血管
三 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.氧化铝陶瓷
生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成，主要晶相 为刚玉（α- Al2O3 ）的陶瓷材料，有稳定的刚 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
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 。
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 床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。
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。
是一种
如：磷酸三钙等。
有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的 化学活性和性质可分为四类：
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。
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。
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
图2、PTC-BaTiO3 半导体陶瓷
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
1.2.氧化铝陶瓷的性能
A 化学组成和物理性能
B 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： ①与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定
会发生松弛； ②机械强度不高； ③杨氏模量过高(380GPa)； ④摩擦系数、磨耗速度较大。
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 长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物 与骨头的良好结合。
第一节 概述
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
二 生物医用无机材料分类
按照无机材料的成分和性质分类
1.生物陶瓷材料 2.生物玻璃材料 3.生物玻璃陶瓷 4.生物医用无机骨水泥 5.生物复合无机材料
主要用于制造心血管修复体的重要材料、人 工骨、人工牙根、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。
生物陶瓷——主要是用于人体硬组织修 复和重建的生物医学陶瓷材料。
➢生物陶瓷的类型和特点 ➢惰性生物陶瓷材料 ➢可吸收生物材料 ➢生物活性陶瓷 ➢可治疗癌症的生物陶瓷
第二节 生物陶瓷
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
具有以下特点： ①在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性； ②材料的性能可通过成分设计进行控制； ③容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸； ④容易着色，是较理想的口腔材料。
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
2 医用碳材料(玻璃碳材、热解碳、低温 气相沉积碳)
指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料
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。
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。
优点： ➢ 质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性； ➢ 弹性模量和致密度与人骨大致相同； ➢ 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。 ➢ 在人体内ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
生物 陶瓷
活性生物陶瓷：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。
可被吸收的生 在生物体内可被逐渐降解，被骨组织
物降解陶瓷：
吸收，并随之为新生组织替代, 骨的重建材料。
黑色或灰色为无机晶粒(长 约1.0 μm，宽0.3 μm)， 属方解石晶体(CaCO3)，有 时为磷酸钙，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 生物陶瓷材料的分类
按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1 所示：
惰性生物陶瓷：结构稳定,具有较高的强度、耐磨
第一节 概述
18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。
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。
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。
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。
改善：将金属与氧化铝复合 在金属表面形成多孔性氧化铝薄层
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。
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。
生物陶瓷骨体
生物陶瓷血管
三 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.氧化铝陶瓷
生物医用氧化铝陶瓷由高纯Al2O3组成，主要晶相 为刚玉（α- Al2O3 ）的陶瓷材料，有稳定的刚 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
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 。
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 床的不同要求可以制成不同类型的复合材料。
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。
是一种
如：磷酸三钙等。
有各种不同的化学成分，根据其在生理环境中的 化学活性和性质可分为四类：
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。
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。
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
图2、PTC-BaTiO3 半导体陶瓷
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
1.2.氧化铝陶瓷的性能
A 化学组成和物理性能
B 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： ①与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定
会发生松弛； ②机械强度不高； ③杨氏模量过高(380GPa)； ④摩擦系数、磨耗速度较大。
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 长入其孔隙而使植入体固定，保证植入物 与骨头的良好结合。
第一节 概述
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
二 生物医用无机材料分类
按照无机材料的成分和性质分类
1.生物陶瓷材料 2.生物玻璃材料 3.生物玻璃陶瓷 4.生物医用无机骨水泥 5.生物复合无机材料
主要用于制造心血管修复体的重要材料、人 工骨、人工牙根、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。
生物陶瓷——主要是用于人体硬组织修 复和重建的生物医学陶瓷材料。
➢生物陶瓷的类型和特点 ➢惰性生物陶瓷材料 ➢可吸收生物材料 ➢生物活性陶瓷 ➢可治疗癌症的生物陶瓷
第二节 生物陶瓷
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
具有以下特点： ①在人体内理化性能稳定，具有良好的生物相容性； ②材料的性能可通过成分设计进行控制； ③容易成形，可按需要制成各种形状和尺寸； ④容易着色，是较理想的口腔材料。
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
2 医用碳材料(玻璃碳材、热解碳、低温 气相沉积碳)
指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材料
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。
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。
优点： ➢ 质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性； ➢ 弹性模量和致密度与人骨大致相同； ➢ 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。 ➢ 在人体内ຫໍສະໝຸດ Baidu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。
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。
生物 陶瓷
活性生物陶瓷：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。
可被吸收的生 在生物体内可被逐渐降解，被骨组织
物降解陶瓷：
吸收，并随之为新生组织替代, 骨的重建材料。
黑色或灰色为无机晶粒(长 约1.0 μm，宽0.3 μm)， 属方解石晶体(CaCO3)，有 时为磷酸钙，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 生物陶瓷材料的分类
按其生物性能,生物陶瓷可分为3类如表1 所示：
惰性生物陶瓷：结构稳定,具有较高的强度、耐磨