生物医用复合材料医学知识
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2. 性能特点
– 比强度、比模量 – 抗疲劳性能好 – 抗生理腐蚀性好 – 力学相容性能好
第五章 生物医用复合材料
6
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
3. 生物医用复合材料的界面
– 界面侵润性：增强体与基体侵润与否是制备 性能良好的复合材料的必要条件
– 界面结合力：机械结合力、物理结合力、化 学结合力
生物医用复合材料的分类和应用
类别
例材
用途
基材
增强体或填料
近 惰 聚乙烯等
碳纤维
人工关节臼、骨水
性生
泥、人工骨
物 医 环氧树脂
碳纤维、氧化铝/不锈钢 骨水泥、人工骨
用 复 聚酯等膜
LTIC、ULTIC 涂层
人工血管
合 材 不锈钢、钛合金 LTIC、氧化铝、氧化锆 人工心瓣膜、人工
料
等涂层
关节股骨头和柄
相组成（%质量）
HA
β-TCP
100
0
95
5
35
65
30
70
0
100
0
100
5
95
第五5章 生物医用复9合5材料
密度 抗弯强度
（g/cm3） （MPa）
3.05 142±15
3.07 125±14
3.08
128±9
3.09 131±11
3.08 116±13
3.07
128±7
3.07 130±12
3.06
1、HA-TCP复合材料的组成与性能
试样 A100 A95 A35 A30 A5
Ca/P 摩尔比
1.68 1.66 1.56
1.55
1.51
烧结温度 （℃）
1150 1200 1250 1300 1250 1300 1150 1200 1250 1300 1150 1200 1250 1300 1150 1200 1250 1300
界面结合类型
反应结合：
–基体与增强体之间发生化学反应，在截面形成牢固的化学 结合。
–借助偶联剂（既有与基体反应的官能团又有与增强体反应 的官能团），把两种性质差异很大的材料牢固的结合起来。
混合结合：
–是实际的复合材料中最普遍的结合形式
第五章 生物医用复合材料
9
第一节
生物无机与无机复合材 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。 料
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
2、HA-HA晶须复合材料：
– HA晶须增韧效果与材料的气孔率有关
无压烧结的HA-HA晶须复合材料，气孔率较高，无 明显增韧效果
如含0-30% HA晶须（Ca/P=1.66）的复合材料， 1000-1100OC，30MPa，1-2h热压烧结，断裂韧 性提高40%，
性
骨髓细胞
复 羟基磷灰石/胶原 明胶/对苯二酚/甲醛
注入固化骨填料
合 聚乙烯、胶原
羟基磷灰石颗粒
人工骨、骨填料
材 聚甲基丙烯酸甲酯 磷酸盐/硅酸盐/磷灰石/ 骨水泥
料
玻璃纤维Hale Waihona Puke Baidu
钛合金、钴合金、 羟基磷灰石/生物活性玻 人工关节、人工
不锈钢
璃陶瓷涂层
种植牙、接骨板
第五章 生物医用复合材料
4
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻 璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，
引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。
一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料
二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料
三、生物活性涂层无机复合材料
第五章 生物医用复合材料
10
一、生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复合材料 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
机械结合：
–基体与增强体之间纯机械性连接的结合方式。 –存在于所有复合材料中。
溶解和润湿结合：
–基体与增强体之间溶解并伴随一定程度的相互溶解（基体 与增强体之一溶入另一种之中）而产生的结合方式。
–靠原子间的电子相互作用实现。 –可利用无机材料中的玻璃相实现该结合。
第五章 生物医用复合材料
8
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医用生物碳
碳纤维、碳化硅晶须 人工骨、人工牙根
第五章 生物医用复合材料
3
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
生物医用复合材料的分类和应用
类
例材
用途
别 基材
增强体或填料
生 生物玻璃
不锈钢纤维、钛纤维
人工骨
物 生物活性玻璃陶瓷 氧化锆颗粒、碳化硅晶须 人工骨、骨填料
活 HA 生物活性陶瓷 聚乳酸、胶原、氨基酸、 人工骨
147±9
3.06 150±13
3.07
140±9
155±14
3.07
151±18 133±14
145±11
3.03 138±11
3.05 119±12
3.06 153±10
3.07 137±10
弹性模量 （GPa）
80.63±.8 70.3±4.1 76.4±4.4 79.6±3.1 63.8±4.3 64.2±2.1 79.8±4.0 84.5±4.2 83.9±3.6 79.7±3.7 81.7±3.2 80.9±2.6 80.4±1.2 81.4±1.8 89.2±5.3 72.7±6.2 84.6±6.1 83.5±51.19
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概述
生物医用复合材料——是由两种或两种以上 不同材料复合而成的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材 料组成
– 按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
– 按组织反应：生物惰性医用复合材料、生物 活性医用复合材料、可吸收医用复合材料
– HA晶须具有明显增韧效果，但其相对密度随晶 须含量增加而降低（92.5-95%）
生物医用复合材料的分类和应用
类别
例材
用途
基材
增强体或填料
可 吸 收 聚乳酸
碳纤维
人工韧带、肌腱
生 物 医 聚乳酸/乙醇酸 聚乳酸/乙醇酸纤维、 骨填料等
用复合
羟基磷灰石
材料 明胶/水杨酸盐 β-磷酸三钙
骨水泥
硫酸钙（石膏） 羟基磷灰石
骨填料
第五章 生物医用复合材料
5
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第五章 生物医用复合材料
1
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按增强体的形态和性质
纤维增强医用复合材料
–碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高 分子纤维
颗粒增强医用复合材料
–氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物颗粒 –羟基磷灰石（HA）等生物活性颗粒
第五章 生物医用复合材料
2
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机械结合力——摩擦力：存在于所有复合材料 中。决定于增强体的比面积和粗糙度以及基体 的收缩。比面积和粗糙度越大，基体的收缩越 大，摩擦力越大。
物理结合力——范德华力和氢键力：存在于所 有复合材料中。
化学结合力——化学键力
第五章 生物医用复合材料
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界面结合类型
– 比强度、比模量 – 抗疲劳性能好 – 抗生理腐蚀性好 – 力学相容性能好
第五章 生物医用复合材料
6
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3. 生物医用复合材料的界面
– 界面侵润性：增强体与基体侵润与否是制备 性能良好的复合材料的必要条件
– 界面结合力：机械结合力、物理结合力、化 学结合力
生物医用复合材料的分类和应用
类别
例材
用途
基材
增强体或填料
近 惰 聚乙烯等
碳纤维
人工关节臼、骨水
性生
泥、人工骨
物 医 环氧树脂
碳纤维、氧化铝/不锈钢 骨水泥、人工骨
用 复 聚酯等膜
LTIC、ULTIC 涂层
人工血管
合 材 不锈钢、钛合金 LTIC、氧化铝、氧化锆 人工心瓣膜、人工
料
等涂层
关节股骨头和柄
相组成（%质量）
HA
β-TCP
100
0
95
5
35
65
30
70
0
100
0
100
5
95
第五5章 生物医用复9合5材料
密度 抗弯强度
（g/cm3） （MPa）
3.05 142±15
3.07 125±14
3.08
128±9
3.09 131±11
3.08 116±13
3.07
128±7
3.07 130±12
3.06
1、HA-TCP复合材料的组成与性能
试样 A100 A95 A35 A30 A5
Ca/P 摩尔比
1.68 1.66 1.56
1.55
1.51
烧结温度 （℃）
1150 1200 1250 1300 1250 1300 1150 1200 1250 1300 1150 1200 1250 1300 1150 1200 1250 1300
界面结合类型
反应结合：
–基体与增强体之间发生化学反应，在截面形成牢固的化学 结合。
–借助偶联剂（既有与基体反应的官能团又有与增强体反应 的官能团），把两种性质差异很大的材料牢固的结合起来。
混合结合：
–是实际的复合材料中最普遍的结合形式
第五章 生物医用复合材料
9
第一节
生物无机与无机复合材 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。 料
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2、HA-HA晶须复合材料：
– HA晶须增韧效果与材料的气孔率有关
无压烧结的HA-HA晶须复合材料，气孔率较高，无 明显增韧效果
如含0-30% HA晶须（Ca/P=1.66）的复合材料， 1000-1100OC，30MPa，1-2h热压烧结，断裂韧 性提高40%，
性
骨髓细胞
复 羟基磷灰石/胶原 明胶/对苯二酚/甲醛
注入固化骨填料
合 聚乙烯、胶原
羟基磷灰石颗粒
人工骨、骨填料
材 聚甲基丙烯酸甲酯 磷酸盐/硅酸盐/磷灰石/ 骨水泥
料
玻璃纤维Hale Waihona Puke Baidu
钛合金、钴合金、 羟基磷灰石/生物活性玻 人工关节、人工
不锈钢
璃陶瓷涂层
种植牙、接骨板
第五章 生物医用复合材料
4
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻 璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，
引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。
一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料
二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料
三、生物活性涂层无机复合材料
第五章 生物医用复合材料
10
一、生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复合材料 资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
机械结合：
–基体与增强体之间纯机械性连接的结合方式。 –存在于所有复合材料中。
溶解和润湿结合：
–基体与增强体之间溶解并伴随一定程度的相互溶解（基体 与增强体之一溶入另一种之中）而产生的结合方式。
–靠原子间的电子相互作用实现。 –可利用无机材料中的玻璃相实现该结合。
第五章 生物医用复合材料
8
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
医用生物碳
碳纤维、碳化硅晶须 人工骨、人工牙根
第五章 生物医用复合材料
3
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
生物医用复合材料的分类和应用
类
例材
用途
别 基材
增强体或填料
生 生物玻璃
不锈钢纤维、钛纤维
人工骨
物 生物活性玻璃陶瓷 氧化锆颗粒、碳化硅晶须 人工骨、骨填料
活 HA 生物活性陶瓷 聚乳酸、胶原、氨基酸、 人工骨
147±9
3.06 150±13
3.07
140±9
155±14
3.07
151±18 133±14
145±11
3.03 138±11
3.05 119±12
3.06 153±10
3.07 137±10
弹性模量 （GPa）
80.63±.8 70.3±4.1 76.4±4.4 79.6±3.1 63.8±4.3 64.2±2.1 79.8±4.0 84.5±4.2 83.9±3.6 79.7±3.7 81.7±3.2 80.9±2.6 80.4±1.2 81.4±1.8 89.2±5.3 72.7±6.2 84.6±6.1 83.5±51.19
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
概述
生物医用复合材料——是由两种或两种以上 不同材料复合而成的生物医用材料
1. 分类：复合材料一般有基体材料和增强材 料组成
– 按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医 用复合材料、金属基医用复合材料
– 按组织反应：生物惰性医用复合材料、生物 活性医用复合材料、可吸收医用复合材料
– HA晶须具有明显增韧效果，但其相对密度随晶 须含量增加而降低（92.5-95%）
生物医用复合材料的分类和应用
类别
例材
用途
基材
增强体或填料
可 吸 收 聚乳酸
碳纤维
人工韧带、肌腱
生 物 医 聚乳酸/乙醇酸 聚乳酸/乙醇酸纤维、 骨填料等
用复合
羟基磷灰石
材料 明胶/水杨酸盐 β-磷酸三钙
骨水泥
硫酸钙（石膏） 羟基磷灰石
骨填料
第五章 生物医用复合材料
5
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
第五章 生物医用复合材料
1
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
按增强体的形态和性质
纤维增强医用复合材料
–碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高 分子纤维
颗粒增强医用复合材料
–氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物颗粒 –羟基磷灰石（HA）等生物活性颗粒
第五章 生物医用复合材料
2
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
机械结合力——摩擦力：存在于所有复合材料 中。决定于增强体的比面积和粗糙度以及基体 的收缩。比面积和粗糙度越大，基体的收缩越 大，摩擦力越大。
物理结合力——范德华力和氢键力：存在于所 有复合材料中。
化学结合力——化学键力
第五章 生物医用复合材料
7
资料仅供参考,不当之处，请联系改正。
界面结合类型