第五章 医用陶瓷材料
生物医用陶瓷材料的制备与应用
生物医用陶瓷材料的制备与应用随着现代医疗技术的不断发展，医用材料越来越多地应用于临床治疗，生物医用陶瓷材料作为一种细胞相容性好、硬度高、耐腐蚀的无机材料，广泛应用于人工骨、牙齿修复、血管支架、人工关节等领域。
本文将介绍生物医用陶瓷材料的制备方法、特性和应用。
一、生物医用陶瓷材料的制备方法1. 烧结法：烧结法是制备生物医用陶瓷材料的主要方法之一。
该方法是将粉末压制成形状，并在高温下进行烧结，使其成为致密的陶瓷。
常用的烧结材料包括氧化铝、氧化锆、氧化钛等。
2. 溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是通过水合胶体的电解质性变化形成生物医用陶瓷材料的方法。
该方法制备的产品具有高度结晶、致密、均匀的特性。
3. 冷等静压法：冷等静压法是利用高压静态压力制造压实体而获得的一种工艺，该方法制备的材料致密度高，具有优异的力学性能。
4. 生长法：生长法一般用于制备新型生物医用陶瓷材料，该方法通过沉淀晶体生长，可以获得具有优越性能的陶瓷材料。
二、生物医用陶瓷材料的特性1. 细胞相容性好：生物医用陶瓷材料具有良好的生物惰性，不会引起体内的免疫反应和毒性反应，可以作为植入体。
2. 硬度高：生物医用陶瓷材料具有较高的硬度，可以维持长年不变的耐磨性。
3. 耐腐蚀：生物医用陶瓷材料具有很好的耐腐蚀性，能够应对各种生物体液的腐蚀。
4. 无磁性：生物医用陶瓷材料无磁性，不会对磁共振成像等检查造成干扰。
三、生物医用陶瓷材料的应用1. 人工骨：生物医用陶瓷材料具有良好的生物相容性和骨生长性，被广泛应用于修补骨折、缺损和骨移植。
2. 牙齿修复：生物医用陶瓷材料可以用于可折式义齿、全冠、桥和烤瓷牙等，由于其颜色及透明度类似自然牙齿，所以更接近自然牙齿的颜色和光学特性。
3. 血管支架：由于生物医用陶瓷材料硬度高、耐腐蚀，被广泛应用于血管支架的制造，可以治疗心脑血管疾病。
4. 人工关节：生物医用陶瓷材料制成的人工关节使用寿命长，具有特殊的生物相容性，是一种比较理想的人工材料。
《生物材料学》医用生物材料 ppt课件
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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
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
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图4-2 萤石的点阵结构
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图4-3 刚玉的点阵结构
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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。
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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。
生物医用陶瓷-精选文档
羟基磷灰石生物陶瓷材料
生物活性陶瓷中应用最多的是羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA 或HAP)，。羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成。羟基磷 灰石具有良好的生物相容性，植人体内不仅安全、无毒，还具有一 定的骨传导性。 致密HA具有一定的可加工性，在临床使用中极为方便，但因其植 入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可 作为骨形成的支架，主要用于人工齿根种植体。 多孔HA具有诱导骨形形成纤维组织和新生骨组 织交叉结合状态，能保持正常的代谢关系。多孔 HA生物陶瓷因其 强度较低，只能用于一些强度相对低的部位，在口腔医疗中主要用 于颌骨的置换及修补，在外科医疗主要用于整容。
磷酸钙生物陶瓷材料
目前广泛应用的生物降解陶瓷为p一磷酸三钙(简 称p—TCP)，属三方晶系，钙磷原子比为1．5，是磷酸钙 的一种高温相。B—TCP的最大优势就是生物相容性好， 植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎性反应及全身毒 副作用。 磷酸钙主要以结晶态的磷灰石相构成了人体硬组织的主 体，从骨的结构上看，骨是由尺寸小于100nm的磷酸钙盐 晶体弥散分布在胶原蛋白以及其他生物聚合物中构成的连 续多相复合体，因此磷酸钙盐陶瓷具有与骨骼矿化物类似 的成分和表面及体相结构,与人体组织有良好的生物相容性， 可和自然骨形成牢固的骨性结合。 磷酸钙陶瓷的主要缺点是其脆性，致密磷酸钙陶瓷可以 通过添加增强相提高它的断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷虽然 可被新生骨长入而极大增强，但是在再建骨完全形成之前， 为及早代行其功能，也必须对它进行增韧补强.磷酸钙陶瓷 基复合材料，已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一
陶瓷特性
• • • • a)生物相容性非常优良。 b)化学性能稳定，耐腐蚀性良好：长期使用表面 也不易变质和变性。 c)硬度高，耐磨性好；但破坏韧性值低，耐冲击 性差，脆性大。 • d)耐热性好，热的良好绝缘体。 • e)加工成形困难。
生物医用陶瓷材料的制备与性能研究
生物医用陶瓷材料的制备与性能研究近年来，随着生物医学领域的迅猛发展，人们对于生物医用材料的需求也日益增长。
生物医用陶瓷材料作为一种重要的材料，因其优良的生物相容性和生物活性，被广泛应用于人体组织修复和功能恢复。
本文将探讨生物医用陶瓷材料的制备与性能研究。
首先，让我们来看一下生物医用陶瓷材料的制备方法。
传统的制备方法主要包括干燥成型、高温烧结和后处理等步骤。
干燥成型是将原料制成所需形状，可以通过注模、压制等方式进行。
而高温烧结是将干燥成型后的陶瓷材料进行烧结，提高其密度和力学性能。
后处理则是在烧结后的陶瓷材料上进行表面处理，如抛光、涂层等，以改善其外观和性能。
然而，随着科技的进步，现代制备方法也逐渐涌现出来。
其中，机械化制备方法是一种常用的现代制备方法。
利用机械化手段，可以将原料进行混合、粉碎和形状调控，大大提高了制备效率和精度。
此外，还可以利用化学制备方法，通过溶胶-凝胶法、电化学沉积等手段，得到具有特定形态和结构的陶瓷材料。
这些现代制备方法不仅提高了陶瓷材料的制备效率，还能够获得更加复杂的结构和性能。
接下来，我们将讨论生物医用陶瓷材料的性能研究。
生物医用陶瓷材料具有很多优异的性能，其中最重要的是生物相容性和生物活性。
生物相容性是评价材料与生物体相容性的重要指标。
生物医用陶瓷材料的生物相容性主要包括细胞相容性、组织相容性和免疫相容性。
细胞相容性是指陶瓷材料对细胞的生长和增殖没有明显的抑制作用；组织相容性是指陶瓷材料与周围组织的相容性良好，不会引起明显的炎症反应；免疫相容性是指陶瓷材料对免疫系统没有显著的刺激作用。
此外，生物活性是生物医用陶瓷材料的另一个重要性能。
生物活性是指材料与体液接触后，能够诱导骨组织形成，促进骨再生和骨修复。
在性能研究中，还有一些其他重要的性能指标需要考虑，如力学性能、热学性能和电学性能等。
力学性能是评价材料强度和刚度的指标，对于骨修复来说尤为重要。
因此，生物医用陶瓷材料的力学性能需要具备一定的强度和刚度，以承受人体的负荷。
纳米氧化锆医用陶瓷的力学性能研究
摘要陶瓷材料因其优异的性能被誉为“未来的材料”，在口腔修复领域，陶瓷材料以其极佳的生物相容性、良好的耐磨、耐腐蚀性和类似天然牙的美学性能成为修复材料的首选。
自上世纪六十年代人们解决了金瓷匹配问题后，以金属底层冠增强的金属熔附烤瓷牙（PFM）成为口腔临床最为常用的固定修复方式，但金属底层的存在使金属烤瓷牙存在着难以克服的缺点，例如：金属离子的析出有潜在的致敏性，析出的金属离子可导致龈缘灰线影响美观，遮色层的存在阻止了光线透过使人工牙缺乏天然牙活力等。
因此能够以高强度陶瓷材料取代底层金属冠，以达到最佳美学效果和生物相容性的全瓷修复已成为近年的研究热点和口腔修复的发展方向，并相继出现了IPS Impress热压铸陶瓷、In-Ceram系列粉浆涂塑渗透铝瓷等全瓷材料，近年又与先进的计算机辅助设计/计算机辅助制作（CAD/CAM）技术相结合研制出可机械加工的In-Ceram多孔铝瓷和Procera All Ceram高铝瓷预成瓷块，大大推进了全瓷修复体在临床的应用。
但由于陶瓷材料的位错运动，这种脆性本质限制了陶瓷材料的实际应用，克服其脆性、提高其韧性一直是材料学家们努力要解决的问题。
但由于陶瓷材料的化学键大都为离子键和共价键，键结合牢固并有明显的方向性，室温下几乎不能产生滑移或位错运动，这种脆性本质限制了陶瓷材料的实际应用，克服其脆性、提高其韧性一直是材料学家们努力要解决的问题传统的陶瓷增韧方法有相变增韧、纤维增韧、晶须及颗粒韧化等，其中最为引人注目的材料之一是氧化锆相变增韧陶瓷，由于在应力作用下诱发四方相向单斜相的马氏体相变而使其断裂韧性大大提高，成为室温下韧性最好的陶瓷材料，故有“陶瓷钢”的美誉，而且其粉体还可以作为第二相颗粒填加到其它陶瓷基体中起到相变增韧作用。
近年来氧化锆陶瓷优良的力学性能也引起了口腔医学家们的关注，成为引人注目的新型牙科材料。
除了传统的增韧方法，近年来纳米科技的发展使新材料、新技术不断涌现，纳米陶瓷被认为是解决陶瓷脆性的战略途径。
医用陶瓷研究报告
医用陶瓷研究报告
医用陶瓷研究报告
一、医用陶瓷简介
医用陶瓷（Medical Ceramics），又称作医疗陶瓷或者医疗陶瓷，是一
种在医疗领域应用的高分子材料，通常由熔融和烧结的陶瓷粉末或者
微粉组合而成。
它的晶粒粒径，具有良好的结构，可以生产出熔点高、容重低、耐磨性强的陶瓷物料。
在医疗领域，医用陶瓷主要应用于手
术器械和医疗器械的制造，例如，口腔椅，头托，骨干床，外科钢针等。
二、医用陶瓷性能
1、具有良好的耐腐蚀性：由于陶瓷的结构比较致密而导致它有一定的
耐腐蚀性；
2、耐热性：陶瓷的烧结温度比较高，因此，在室温的陶瓷物料可以适
应高温的接触；
3、热失重低：陶瓷的熔融温度比较低，热失重也比较低，因此，陶瓷
物料的失重低；
4、耐磨性：医用陶瓷有较强的耐磨性；
5、导热性：陶瓷的热传导率比较高；
6、隔热性：陶瓷可以作为很好的隔热材料使用。
三、医用陶瓷的应用
1、口腔椅：口腔椅可以用医用陶瓷熔点高，耐热性强的物料进行制作，使口腔椅结构更坚固；
2、头托：在制作头托时，可以采用医用陶瓷，将耐磨性强和导热性好
的物料用于头托的制作，使头托更坚固耐用；
3、骨干床：由于骨干床受到体重的作用，因此，选择医用陶瓷制成的
骨干床，会使骨干床更耐用。
4、外科钢针：由于外科钢针会经常使用，因此，医用陶瓷的烧结后的
外科钢针，具有耐磨性好的特点。
四、结论
医用陶瓷具有优良的耐腐蚀性、耐热性、热失重低、耐磨性、导热性
和隔热性的特性，这些特性的优势使其在医疗领域得到越来越多的应用，尤其是在制作医疗器械以及手术器械方面运用广泛。
生物医用陶瓷材料
氧化锆美容前
氧化锆美容后
二氧化锆预约费用2800元每颗
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C 非氧化物陶瓷
SiC材料，硬度高，强度大，导热导电性好，是耐磨，耐腐蚀 性材料
Si3N4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
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2.生物活性陶瓷
1892年，Dreesman首次发表了利用硫酸钙(CaSO4·H2O)修复骨缺损 1920年，Albee发现磷酸三钙(Tricalcium phosphate, TCP) 可以刺激骨形成
BIOmaterials
第三代
活性、可降解 生物活性玻璃、硅酸钙
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陶瓷显微结构
由许多不规则的晶粒所组成，中间有晶界隔开
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不同化学组成的陶瓷表面及截面结构
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典型的生物陶瓷材料
1.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
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B 其它的惰性氧化物陶瓷 氧化锆陶瓷
单斜晶体(m) 1170℃ 四方晶(t) 2370℃ 立方晶(c) 2715℃ 熔体
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氧化锆，氧化镁，以及混合氧化物陶瓷 （如组成：氧化锆50-60%,氧化铝10-20%,氧化钾7-10%的陶瓷）
混合氧化物陶瓷组成，色泽，热膨胀系数可调，可用作人工牙齿
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一 AX型晶体结构
具有NaCl结构的离子晶体的晶胞
生物医用材料
生物无机与有机高分子复合材料
❖ 几乎所有的生物体组织都是由两种或两种 以上的材料构成的
例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、 多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中 的羟基磷灰石晶粒复合而成。
❖ 利用高弹性模量的无机材料增强高分子材 料的刚性，并赋予其生物活性
❖ 利用高分子材料的可塑性增进生物无机材 料的韧性。
共聚调控降解时间
聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物 可生物降解，用于药物释放载体和组织工程 多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生
物相容性、可降解性和低毒性，
聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）
POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类 经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。
料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物， 对人体有刺激性和毒性。
常用的医用金属材料
❖ 1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件 ❖ 2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋
关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种 规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人 工椎体和颅骨板等， ❖ 3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线， 可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等 ❖ 4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固 定环等。
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究 镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
关于医用陶瓷材料课件
图4-2 萤石的点阵结构
图4-3 刚玉的点阵结构
陶瓷材料的工艺特点 • 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高
温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。
• 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在
的问题是其存在一定的气孔率。
Al2O3粉末的烧结组织
ZrO2陶瓷中的气孔
5.2.2陶瓷材料的力学性能
功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。图4-1是几种常见的生 物陶瓷制品。
人工髋关节
羟磷灰石生物陶瓷人工骨 几种常见的生物陶瓷制品
全瓷牙
生物陶瓷的分类
• 根据种植材料与生物体组织的反应程度，可 将生物陶瓷分为三类:生物惰性陶瓷、生物活 性陶瓷和生物可降解（吸收）陶瓷。
• 1）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，对机体无刺激的陶瓷。
关于医用陶瓷材料
5.1概述
1）陶瓷（无机非金属材料）的基本概念及分类 ➢ 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或 非晶固体材料。陶瓷可分为 普通陶瓷（传统陶瓷）和特种 陶瓷（近代陶瓷）。传统的陶瓷都是以由硅、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)
3 气相：气孔（5％－10％）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低， 绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小
• 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。
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二维有限元法设计 40
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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。
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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、
5.1.5 其他医用金属材料
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第五章 生物医用材料
5.2 医用陶瓷材料
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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
生物医用陶瓷
生化学相关的陶瓷(生物工程类陶瓷)
与人体组织不直接接触
氧化铝生物陶瓷材料
1933年Rock首先建议将Al2O3 陶瓷用于临床； 1963年由Smith用于矫形外科。 70年代至80年代中期，世界许多国家如美国、日本、
涂层生物陶瓷材料
在诸多生物骨科材料中，生物陶瓷涂层材料由于将金属(或合 金)基材优良的机械性能和生物陶瓷涂层良好的生物学性能结 合在一起，成为临床上广泛应用的生物骨科材料之一。 作为生物陶瓷涂层材料的基体一般要求为具有高强度、高韧 性、低密度的金属及其合金，如不锈钢、钛及合金、铬钼合 金、钴铬合金等，其中钛及其合金应用最为广泛。生物医用陶瓷姓源自： 班级：09级生物医学工程 学号：
2019年10月17日
报告内容
相关介绍 特征与分类 几种医用陶瓷
陶瓷？
• 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．为区别当 今大量研究开发的不含硅酸盐成份的近代陶瓷(如氧化物陶瓷、氮 化物陶瓷、硼化物陶瓷‘、碳化物陶瓷等)。欧美各国习惯上把硅 酸盐材料通称为“陶瓷”，而把近代陶瓷称为“新型陶瓷”(New Ceramics)或“精细陶瓷”(Fine Ceramics)。
医用陶瓷发家史
生物陶瓷材料作为生物医学材料始于l8世纪初。 1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿 1871年，羟基磷灰石被人工合成。 l894年，熟石膏作为骨替换材料口。 1926年，Bassett用X 射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X 射线谱相似。 1928年，Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料。 1930年，Naray—Szabo和Mehmel独立地应用X ray衍射分析确定了氟磷灰石 的结构。 1963年Smith报告发展了一种陶瓷骨替代材料。 1971年羟基磷灰石被成功研制并扩大到临床应用的报道。 1974年，Hench寻求一种容易降解的玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体 内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的 组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨 骼和牙齿的一部分。 中国20世纪70年代初期开始研究生物陶瓷，并用于临床。
第五章医用陶瓷材料概论
5.3.1 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βCa3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，简称β-TCP)。
3 气相：气孔（5％－10％）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低， 绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小
• 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。
• 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。
100~230
弯曲强度 （MPa）
115~200
140~154
50~150
杨氏模量 （GPa）
80~110
22~90
7~30
断裂韧性
1.0
2~12
• 磷酸钙生物陶瓷材料的发展趋势 1）增韧补强。磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高
它的断裂韧性，磷酸钙陶瓷基复合材料，已经成为 磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一。
最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮 化硅陶瓷等。
生物材料学-第五章 医用生物材料
• 与DNA的缩合：cis- [Pt(NH3)2(H2O)2]2+的化学性质活泼，形成cis-
[Pt(NH3)2]/DNA缩合物，引起DNA复制障碍，抑制癌细胞分裂。
22
六、纯金属--钽（Ta）
具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其 具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂 纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组 织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。
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。
7
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。
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钛镍合金矫形拉簧对牙进行矫正 20
四、医用贵金属--金
口腔科--牙科修复。 金的延展性极好，有很好的导电性和导热性。
具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性，在任何温度 下都不会与氧或硫发生反应。对人体组织无毒 副作用、刺激小等优良的生物学性能。 除口腔科外，还应用于颅骨修复、植入电极电 子装置等方面。
生物材料学
第五章 医用生物材料
1
医用生物材料
医用金属材料 医用陶瓷材料 医用高分子材料
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。
铬钼合金的杆（仿股骨颈） 。
15
16
三、金属--钛
医用陶瓷材料
医用陶瓷材料
医用陶瓷材料是一种在医疗领域中被广泛应用的材料，它具有优异的生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性，因此在医疗器械、人工关节、牙科修复等领域得到了广泛的应用。
本文将对医用陶瓷材料的特点、应用及发展前景进行介绍。
首先，医用陶瓷材料具有优异的生物相容性。
由于其化学稳定性高，不易引起过敏反应，因此被广泛应用于人体内植入材料的制造。
比如，人工关节的制造中常常采用氧化锆陶瓷材料，它具有高强度、优异的耐磨性和生物相容性，能够有效减少人工关节植入后的排异反应和磨损，延长植入物的使用寿命。
其次，医用陶瓷材料具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。
在人工关节、牙科修复等领域，医用陶瓷材料能够承受较大的压力和摩擦，不易磨损，能够保持较长时间的稳定性。
同时，医用陶瓷材料的耐腐蚀性也很好，能够在人体内长期稳定地发挥作用，不会对人体组织产生不良影响。
此外，医用陶瓷材料的应用领域也在不断扩大。
除了人工关节、牙科修复外，医用陶瓷材料还被广泛应用于医疗器械的制造，如手术刀具、植入式医疗器械等。
随着医疗技术的不断进步，对医用陶瓷材料的需求也在逐渐增加，其在医疗领域的应用前景非常广阔。
总的来说，医用陶瓷材料具有优异的生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性，被广泛应用于医疗器械、人工关节、牙科修复等领域。
随着医疗技术的不断发展，医用陶瓷材料的应用领域也在不断扩大，其在医疗领域的发展前景十分广阔。
相信随着科技的不断进步，医用陶瓷材料将会在医疗领域发挥越来越重要的作用。
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2）生物活性陶瓷
• 材料的生物活性：即生物材料在体液环境下通过化 学键和周围活体组织紧密结合的能力。 • 生物活性陶瓷：在生理环境中可通过其表面发生的 生物化学反应与骨组织形成化学键合。
羟基磷灰石 Ca10(PO4)6(OH)2 生物活性玻璃 Na2O-CaO-P2O5-SiO2 生物活性玻璃陶瓷
制备致密磷酸钙陶瓷的主要方法是粉末烧结技术。 磷酸钙陶瓷粉末先要压制成需要的形状，然后在 1000℃～1500℃进行烧结。以Ca与P原子比为1.67
的磷灰石粉末为原料，可得到HA陶瓷；以Ca与P原
子比为1.5的磷灰石粉末为原料，可得到β-TCP陶瓷。
• 磷酸钙生物陶瓷的力学性能与应用
致密磷酸钙陶瓷的力学性能见表5-1。从力学相容 的角度来看，作为硬组织替换用的磷酸钙盐至少应 与被替换的器官有相近的强度和弹性模量。脆性是
较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。
表4-2 AmXn结构
化合物 CsCl NaCl A(或X)晶 格 BCC FCC 配位数 8 6 位置填满 全部 全部 最小值 RA/RX 0.732 0.414 其他化合物 Csl MgO、MnS
ZnS Al2O3
FCC HCP
4 6
1/2 2/3
0.225 0.414
3）生物可降解陶瓷（生物吸收陶瓷） (Biodegradable) • 这类材料在生物体内能诱导骨质生长，并 逐步降解、吸收，被新生骨取代，从而达 到修复或替换病损组织的目的 。 磷酸三钙 [Ca3(PO4)2，TCP]
三种生物陶瓷材料与骨结合的形式：
生物惰性陶瓷：植入人体后成纤维细胞在其表面增 殖，最终形成纤维组织包囊，形成纤维接触界面。
Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，简称β-TCP)。
• 磷酸钙陶瓷粉末的制备
制备块状磷酸钙陶瓷的第一步是磷酸钙陶瓷粉末的制备，主要
有湿法和固态反应法。湿法包括：水热反应法、水溶液沉淀
法以及溶胶凝胶法等等。各种制备工艺的研究目标是得到成 分均匀、粒度微细的磷酸钙粉末。
• 磷酸钙陶瓷的烧结
10Ca(NO3)2 + 6(NH4)2HPO4 + 8NH3•H2O＝ Ca10(PO4)6(OH)2 + 20NH4NO3 + 6H2O
水热法
水热法是在特制的密闭反应容器中 ( 高压釜 ) ，采用
水溶液作为反应介质，在高温高压环境中，使得原来
难溶或不溶的物质溶解并重结晶的方法。这种方法通 常以磷酸氢钙等为原料，在水溶液体系，温度为 200~400℃的高压釜中制备 HA, 使原来难溶或不溶的 物质溶解并重新结晶。 这种方法条件较易控制，反应时间较短，省略了煅 烧和研磨步骤，粉末纯度高，晶体缺陷密度低；合成
图4-3 刚玉的点阵结构
陶瓷材料的工艺特点
• 陶瓷是脆性材料，大部分陶瓷是通过粉体成型和高 温烧结来成形的，因此陶瓷是烧结体。 • 烧结体也是晶粒的聚集体，有晶粒和晶界，所存在 的问题是其存在一定的气孔率。
Al2O3粉末的烧结组织
ZrO2陶瓷中的气孔
5.2.2陶瓷材料的力学性能
•弹性
（1）弹性模量大 E值大，是金属材料的2倍以上。 ∵共价键结构有较高的抗晶格畸变、 阻碍位错运动的阻力。 晶体结构复杂，滑移系很少，位错 运动困难。 （2）弹性模量呈方向性：压缩模 量高于拉伸弹性模量。 结构不均匀性：缺陷。 （3）气孔率↑，弹性模量↓
绝 缘 子
景 德 镇 瓷 器
• 特种陶瓷原料是人工提炼的，即纯度较高 的金属氧化物、碳化物、氮化物等化合物。 这类陶瓷具有一些独特的性能,可满足工程 结构的特殊需要.属于这类陶瓷的有压电陶 瓷、高温陶瓷、高强度陶瓷、生物医用陶 瓷、半导体陶瓷、环保陶瓷，等等.
单相Al2O3陶瓷组织
• 氧化铝陶瓷
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。
5.3.1 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-
第五章 生物医用陶瓷材料 5.1 概述
5.2 陶瓷结构与性能的关系 5.3 磷酸钙陶瓷
5.4 生物活性玻璃与生物微晶玻璃
5.5 其它生物陶瓷
5.6 陶瓷材料的增韧强化
5.7 陶瓷基生物医用复合材料
5.1概述
1）陶瓷（无机非金属材料）的基本概念及分类 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或
人工髋关节
羟磷灰石生物陶瓷人工骨 几种常见的生物陶瓷制品
全瓷牙
生物陶瓷的分类
• 根据种植材料与生物体组织的反应程度，可 将生物陶瓷分为三类:生物惰性陶瓷、生物活 性陶瓷和生物可降解（吸收）陶瓷。 • 1）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，对机体无刺激的陶瓷。 如氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷、碳素材料（C）， 氮化硅（Si3N4）等
结构和性质的理想生物陶瓷，是生物陶瓷的另一个
发展方向。组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔
磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的课题。
5.3.2 羟基磷灰石
羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)是人体和动物骨
骼、牙齿的主要无机成分，在骨质中，羟基磷灰石大约
占60％，它是一种长度为200～400mm，厚度15～ 30mm的针状结晶，其周围规则地排列着骨胶原纤维。 HA由于其具有良好的生物活性和生物相容性，植入人 体后能在短时间内与人体的软硬组织形成紧密结合而成 为广泛应用的植骨代用品。但HA生物陶瓷脆性高、抗 折强度低,目前仅能应用于非承载的小型种植体 , 如人工 齿根、耳骨、充填骨缺损等,而不能在受载场合下应用。
• 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 构的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比
• 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。 陶瓷材料的线膨胀系数一般都很小，约为10-5~10-6/K。
5.3 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
•强度
抗压强度比抗拉强度高得多，10倍左右。但抗拉 强度和剪切强度却很低（由于陶瓷内部有大量空 洞，拉伸时应力集中大，为脆性材料）。 硬度高、耐蚀性高 •耐磨性高： 其耐磨性远高于金属，而且在高温、腐蚀环境下 更显示出其独特的优越性。 最重要的耐磨陶瓷材料是氧化铝、氧化锆和氮 化硅陶瓷等。 •塑性： 室温下，绝大多数陶瓷材料塑性变形极小。
生物活性陶瓷（生物反应性陶瓷）：与成骨细胞较 成纤维细胞更易在其表面增殖，从而和新生骨直接 结合，形成骨性结合，而不会在界面处产生纤维组 织包囊。 生物吸收陶瓷：存在新骨形成并伴随陶瓷材料降解 。
5.2 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（抗压强度）、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。
CdS、ZnO Cr2O3、Fe2O3
• 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）。
图4-2 萤石的点阵结构
非晶固体材料。陶瓷可分为 普通陶瓷（传统陶瓷）和特种
陶瓷（近代陶瓷）。传统的陶瓷都是以由硅、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)
• 普通陶瓷加工成型性好， 成本低，产量大。 • 除日用陶瓷、瓷器外， 大量用于电器、化工、 建筑、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。
陶瓷的组成
1.结晶相：主要组成相（如Al2O3）， 由离子键或共价键结合而成，决定陶 瓷的性能：高熔点、高耐热性、高化 学稳定性、高绝缘性、高脆性。
制约磷酸钙生物陶瓷临床应用的主要因素之一。改
善磷酸钙盐陶瓷的脆性，使其能应用到大块骨缺损
的修复及承力部位，成为这一领域中材料研究急需
解决的问题。
表5-1 磷酸钙生物陶瓷的力学性能
性能 成分 物相 密度 （g/cm3） 维氏硬度 （HV） 压缩强度 （MPa） 弯曲强度 （MPa） 杨氏模量 （GPa） 断裂韧性 烧结羟基磷 烧结β-磷酸 灰石 三钙 Ca10(OH)2(P β-Ca3(PO4)2 O4 )4 (>99.7%) （>99.2%） 磷灰石 磷钙矿 3.16 600 3.07 皮质骨
2 玻璃相：非晶态固体（如石英玻璃）， 将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑 制晶相晶粒长大和填充气孔。