第五章生物功能玻璃介绍

2、气孔对材料生物活性的影响 有关医学试验表明，当材料中存在 >100um的气孔，对新骨组织的形成是有利 的。因此，按实际应用时的活性作比较， 多孔玻璃比无孔玻璃要好些。但是，多孔 材料的强度较差。从各方面权衡利弊，目 前似乎一致认为，如果材料活性好，在较 短时间内可与生物本身组织长合在一起， 则原始强度稍差也没有关系，特别是植入 受力影响小的部位，更是无碍。
含有 CaO 、 P2O5 两种成分的羟基 磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2 晶体，是构 成生物体的自然骨骼的重要无机物 质。即在骨骼中，直径为数10nm以 下的羟基磷灰石微晶约占77％，纤 维蛋白骨胶原约占23％。
5.2 生物玻璃的分类、组成及制备
5.2.1 分类 第一类 可相容的生物玻璃，以 Na2O－CaO－SiO2 －P2O5系统的45S5 为代表，其表面能够在生物体溶液 作用下出现溶解或生产离子交换， 或与生物的骨骼、牙齿等相互结合， 但它本身却不能全部出现替换。
1、CaO－P2O5系统玻璃 该系统玻璃的化学稳定性受玻璃组成 中CaO/P2O5比影响很大，尤其是玻璃中如 果发生了分相，化学稳定性的表现更为 复杂。总的来说， CaO － P2O5 系统玻璃或 微晶玻璃对生物体的相容性和活性是良 好的。如果CaO/P2O5越高，则材料与天然 骨组成越接近，材料的化学稳定性越差， 也就越容易降解或转化；但是CaO/P2O5比 太高，则形成玻璃有困难。
5.2.2 生物玻璃的化学组成及制备
生物玻璃由钠、钙、硅、磷的氧化物组 成，其制备工艺有两种： 1 、经高温熔制、成型再退火，成分范围为 （wt%）： SiO2 42.1 ～ 65.7 ； Na2O 15 ～ 26.3 ； CaO 11.76～26.9 ； CaF2 0～10.8 P2O5 1.7～3.0 ； B2O3 0～1.8 ；Al2O3 0～0.6 （如生物玻璃45S5：SiO2 45 ；Na2O 24.5； CaO 24.5 ； P2O56； ）
用作生物体材料的条件 1、无毒，对人体组织无刺激、无致癌性、不造成血栓、对人 体无其它有害的副作用； 2、与生物体组织具有亲和性，即相容性较好； 3、与周围的骨骼及其它组织能够牢固地相结合（希望形成化 学键合）； 4、抗张、抗弯、抗压以及抗剪切等强度比自然骨骼大，在人 体中各种强度的疲劳（强度随时间降低的现象）较小； 5、耐磨损性较强； 6、硬度与弹性要与自然骨骼相同； 7、易于加工成型； 8、消毒方便。 可以说1、2、3都是生物学条件，4、5、6都是力学条件， 而7、8是便于使用的条件。
材料性能 硬度（Knoop） 天然牙齿 360～390 170
8～11×10－6
天然骨
一般瓷牙 460 180
4.1×10－6
生物微晶玻璃
360～370 350
Fra Baidu bibliotek
耐 压 强 度 /MPa ） 410
膨胀系数/℃
密度/g/cm3 结晶程度％
11.4×10－6
2.9～3.0
10.1×10－6
2.7 50
1.7
在某些情况下，CaO/P2O5比较低的玻璃会分 相： ①在分出的富钙相中， CaO/P2O5 比例明显增高， 导致该相组成向天然骨组成靠拢，即使一旦 析晶，其晶相与生物体骨质也易互相配合， 且又伴随着分出玻璃相化学稳定性的下降， 该相的生物活性将有所提高。 ②在分出的富磷相中，由于玻璃结构中[PO4]存 在着一个双键氧，结构比较疏松，化学稳定 性也不好，因此，这种富磷玻璃相或晶相， 也可参与代谢而得到转化。
第二类 相容性与活性结合良好
的生物玻璃，主要是以CaO－P2O5系 统为基础的玻璃和微晶玻璃。这种 玻璃既无毒性也呈生物活性，其组 分与生物体本身的组织如骨骼和牙 齿的组成较为相近，材料将与人体 组织成键联结，生物亲和性好，可 以参与新陈代谢，是较为理想的生 物材料。
第三类 可相容但无活性的
生物玻璃，一般不与生物体组织 完全结合，以MgO－Al2O3 －SiO2 系堇青石微晶玻璃为代表。
2、用溶胶凝胶法，有利于制备形状较为复 杂的产品。 成分范围为（wt%）： SiO2 50～90 ； CaO 6～46 ； P2O5 4
5.3 生物玻璃的物理与化学性质
生物玻璃的孔隙率、比表面积、孔径大小和分布、 机械强度和硬度以及化学吸附性、化学稳定性和表面 离子交换性质是很重要的性质。 几种材料的性能对比
2.4 50～70
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5.3.1 生物玻璃的气孔分布与强度
1、影响强度的因素： 生物玻璃或微晶玻璃的气孔率对强度 有显著的影响。当材料气孔率较高时强度 较低，若材料烧结得很致密，气孔率低， 则强度较高。但强度大小并不是由气孔率 决定的，影响强度的重要因素还有晶相性 质、晶相尺寸、晶相和玻璃相的比例以及 它们之间的分布结合情况。（若不采用烧 结法，通常是没有气孔的。）
有些材料即使强度很高，而生物 活性不好，甚至是惰性的（如氧化 铝瓷），则植入后只能让活组织包 覆于其上，虽说材料是生物相容的， 实际上并不能互相合一，所以结合 面上的强度不会有所提高，本质上 反而不如初始强度低而活性好的材 料能够在植入后期产生高的强度。
5.3.2 生物玻璃的化学稳定性和活性
生物玻璃的化学稳定性不仅是指材料本身 在化学介质中耐受侵蚀的问题，同时也是同 活性相关的。一般来讲，具有生物相容性的 玻璃，它们的化学稳定性可能表现极好（如 MgO － Al2O3 － TiO2 － SiO2 系统微晶玻璃，几 乎是惰性材料，无活性）；或者表现较差； 或易于溶解吸收让组成物参与新陈代谢，但 在生物活性上表现出一定的差别（ 45S5 玻璃 中的 SiO2 含量较低，不足以形成连续坚强的 网架，玻璃中的 Na ＋ 离子容易沥滤掉，同时， 钙、磷组分便容易参与生物体内的代谢，并 使新生骨基质存在依附的处所）。
第五章
生物功能玻璃
5.1 概述 生物功能玻璃是指能够满足或达到 特定生物、生理功能的特种玻璃。 生物功能玻璃的研究已达二十多年， 现已成为材料学、生物化学以及分子生 物学的交叉学科。由于生物玻璃具有人 体硬或软生命组织有机联结的特点，在 骨科、牙科、中耳等方面，对人体的伤 害部位可进行修护治疗以至康复，其前 景可观。