第三章-无机非金属生物材料讲解

核心过程－－烧结 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， 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 物质传递，物料的体积收缩、密度增加， 最后成为坚实的整体。
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 粘连、完全粘连和烧结完成几个步骤。
金属、高分子和无机非金属生物材料的比较：
3.1.2 无机非金属生物材料基本条件与要求
良好的生物相容性 化学稳定性 降解产物无毒 杂质元素及溶出物含量低 As，Cd、Hg、Pb等重金属 有效性 抗压、耐磨、热膨胀 成型加工性能 脆性 加工困难 不同模具 耐消毒灭菌性 高压蒸汽消毒、辐射灭菌和环氧乙烷灭菌
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
原始驱动力： （1）颗粒表面能 对于半径为r的1mol球形颗粒粉体， 颗粒数： 颗粒的表面积： 表面能：
（2）化学反应能 （3）外加压力做功 （4）体系外供给能量
烧结温度对材料性能的影响
（1）wk.baidu.com密度和空隙率的影响
（2）对机械性能的影响
Al2O3生物陶瓷制备工艺 氧化铝生物陶瓷的制备工艺：与普通陶瓷制作工艺类似， 即粉体融合 预压成型(预打磨) 烧结 打磨 成品。烧结温度一般为1700℃以上。 高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下：
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 氧化铝 热解碳 氧化锆 氧化硅 生物活性无机材料 羟基磷灰石 生物玻璃 活性玻璃陶瓷 生物可降解无机材料 可溶性铝酸钙陶瓷、β-TCP陶瓷 生物医用无机纳米材料 纳米氧化铁 羟基磷灰石超微粉
3.2 生物陶瓷
两个基本概念： 生物惰性 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 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 温(或超低温)各向同性碳等。 生物活性 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 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。而狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形 成的能力。
第三章 无机非金属生物材料
3.1 概述
水泥、玻璃、陶瓷
无机非金属材料 材料 金属材料 高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维
无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥 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 (气体、液体、晶体和非晶体)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， 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。
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。
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； 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； 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； 耐磨损。
无机非金属材料品种非常多，考虑材料生物 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，如 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， 玻璃类主要有MgO-CaO-SiO2-P2O5、Na2O-CaOSiO2-P2O5、CaO-Al2O3-P2O5系玻璃， 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 承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。
4.1.1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 建时期，当时用陶土进行骨缺损的填充， 1808年开始将陶瓷作为镶牙材料， 1892年使用石膏填充骨缺损， 1963年Smith报道一种陶瓷材料，用环氧树脂浸透含48 ％孔隙的多孔铝酸盐树料，它与骨组织的物理性能相 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 年来的事，特别是发现羟基磷灰石陶瓷后，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 生物活性，抗压强度高等优点。
3.1.3 无机非金属生物材料分类
按成分性质分： 生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石 生物玻璃，如45S5玻璃 生物玻璃陶瓷 医用骨水泥，-TCP 复合无机材料, HA+ -TCP，碳纤维增强无机骨水泥 按来源分： 天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠 合成无机材料 如-TCP人工骨（复合无机材料） 衍生材料 冻干骨片
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99.7％以上。
新型生物陶瓷材料-单晶生物陶瓷 氧化铝单晶（宝石）：机械强度、硬度和耐腐蚀 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。
不能通过烧结制得，具体方法如下： 提拉法 导模法 气相化学沉积法 焰融法：晶体生长速率快，工艺简单， 成本低
4.2.1 氧化铝陶瓷
1932年开始临床应用 1963年氧化铝陶瓷人工骨 1964年牙科移植物 1970年氧化铝瓷球、窝和不锈钢杆制成的 全髋关节人工假体 1981年氧化铝陶瓷全膝关节假体开始应用 1980’s初，单晶氧化铝陶瓷骨螺钉在外科 矫形手术中应用
一、氧化铝陶瓷的组成、制备工艺 氧化铝陶瓷：Al2O3含量在45％以上，主晶相为Al2O3 ，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： 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-烧结形成陶瓷。
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 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3.9g／cm3，室温抗压强度约为 4000MPa、抗弯强度大于400MPa、杨氏模量为380GPa、抗 冲击强度4000J／m2，耐磨性和耐腐蚀性符合ISO规范实验 要求。 氧化铝生物陶瓷人工关节比金属-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l／10，略 高于人关节的磨损率。 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。 为了保持氧化铝陶瓷的强度，通过在表面进行多孔化处 理。