第五章生物功能玻璃讲述介绍
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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
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
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。
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。
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； ）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
2.4 50～70
----
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。）
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。
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。
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、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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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； ）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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。）
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。
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。
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、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。
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。
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。