生物陶瓷

吸收性生物陶瓷的特点： •其溶解作用可由正常的新陈代谢过程控制。 •能在合适的时间内完成特定的功能要求。 •其吸收过程不会显著地妨碍被正常的健康组织所取代的过程。
可吸收生物陶瓷植入体后的降解过程 材料先被体液溶解和组织吸收，解体成小颗粒， 然后这些小颗粒不断被吞噬细胞所吞噬
具体机制
A 生物化学溶解
H A P应用
人造齿根：成功率＞95% 人造颌骨：HAP多孔体 人造鼻软骨 皮肤内移植 骨填充材料 牙膏添加剂 人工中耳通气管材料 金属种植体涂层
羟基磷灰石生物陶瓷
羟基磷灰石涂层钛基牙种植体 是一种安全、方便的听小骨缺 损替代品，适用于因炎症(如慢 性化脓性中耳炎)或外伤等病症 造成听小骨缺损、畸形的患者 作听小骨置换手术。
1 磷酸钙骨水泥人工骨(CPC)
磷酸钙骨水泥经过不同的制备, 将其植入 动物模型体内, 进行了细胞毒性、短期肌 肉内植入、骨缺损修复等实验, 证明其具 有良好的生物相容性和成骨效果, 有一定 空间结构及机械强度和生物降解性, 安全 无毒, 并可作为细胞因子、抗菌素等的理 想载体。
2
自固化磷酸钙人工骨
主要包括：羟基磷灰石陶瓷及生物活性玻璃等磷 酸盐材料。
生物活性陶瓷（钙-磷生物陶瓷）
羟基磷灰石（hydroxyapatite,简称HAP） 分子式是Ca10(PO4)6(OH)2 体积质量为3.16g/cm3，性脆 微溶于水，水溶液呈弱碱性pH(7-9）,易溶于酸，难 溶于碱 HAP是强离子交换剂 HAP是人体骨和牙齿的重要组成部分，人骨成份中 HAP的质量分数约为65%，人的牙齿釉质中HAP的质量 分数刚在95%以上，具有优秀的生物相容性

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(二)碳素材料(玻璃碳材、热解碳、低温气相沉积碳)
优点： 质轻且具有良好的润滑性和抗疲劳特性； 弹性模量和致密度与人骨大致相同； 生物相容性好，特别是抗凝血性佳，与血细胞中的 元素相容性极好，不影响血浆中的蛋白质和酶 的活性。在人体内不发生反应和溶解，生物亲和 性良好， 耐蚀，对人体组织的力学刺激小。
如：磷酸三钙等。
一、惰性生物陶瓷材料
(一)氧化铝陶瓷 优点：生物相容性良好，在人体内稳定性高，机械 强度较大。
缺点： 1、与骨不发生化学结合，长时间后与骨的固定会发生松弛； 2、杨氏模量过高(380GPa)； 3、摩擦系数、磨耗速度较大。
致密的氧化铝生物陶瓷与机体之间会 形成一种形态性结合，即依靠组织长 入材料表面凹凸不平而实现机械锁合

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生物活性玻璃
特点：
唯一能与硬组织和软组织发生键合的材料
生物活性优良 可降解 可促进细胞增殖和基因表达

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生物活性玻璃
组成：CaO-SiO2-P2O5-Na2O（K, Mg, Zn, B, F） 结构：主要是Si-O四面体和 P-O四面体形成网络框架；一、 二价离子嵌于网络之间；三、 四、五价离子可能嵌于网络之 间，也可能参于网络构建
动物实验和临床应用都证实自固化磷酸钙
人工骨具有良好的生物相容性和骨传导作
用, 能保持一定的刚度和强度。其生物降
解效应有利于骨组织的改建和塑型, 是目
前较为理想的骨移植材料, 具有良好的临
床应有用前景。
3 携载重组人骨形态发生蛋白2 ( rhBMp2) 微球的新型复合人工骨 采用复乳酸溶剂挥发方法制备携载重组人 骨形态发生蛋白2 的聚乳酸与聚( 乳酸-羟 基乙酸) 共聚物(PLGA) 微球, 并将其与 rhBMP-2/磷酸钙骨水泥(CPC)复合, 制备出 携载重组人骨形态发生蛋白2 微球的新型 复合人工骨。
缺点
碳/碳复合材料为生物惰性材料,表面疏水,与骨组 织表面仅仅是机械结合,不具有传导或诱导骨组织 再生功能,界面形成需要周期长。而且研究发现, 未经任何处理的碳/碳复合材料直接植入后在界面 处会因摩擦使部分碳粉脱落,产生一些碳碎片。
解决方法
为保证植入体的稳定性,使其能与骨组织化学键合 和加快新骨组织的生长,避免对人体产生某些未知 的影响,减少摩擦碳碎片的产生和污染周围组织, 可在其表面构筑生物活性涂层。因此,充分利用碳 /碳复合材料的生物相容性,赋予其生物活性,成为 研制新一代骨修复或替代材料的发展趋势。
HAP陶瓷与骨形成键合的表现
在光学显微镜下，新骨和HAP植入体在界面上无直接接 触，其间无纤维组织存在 HAP植入体和骨界面的结合强度等于甚至超过植入体或 骨自身的结合强度

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2、生物活性玻璃(生物活性微晶玻璃)： 是含有磷灰石微晶相的陶瓷材料。 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系列玻璃能与自然骨形成化 学键结合，这是首次发现人造材料能与自然骨形成 键结合。
二、表面活性生物陶瓷
这类生物陶瓷的表面可与生理环境发生选择 性的化学反应，所形成的界面能保护移植物并防 止降解，它们的化学成分与骨头等相似，具有良 好的化学亲和性。 特点：生物相容性优良，能与骨形成骨性结合界 面，结合强度高，稳定性好，植入骨内具有诱导 细胞生长的趋势，逐步参与代谢，甚至完全与生 物体骨和齿结合成一体
后, 与单纯rhBMP-2/ 磷酸钙骨水泥材料相
比有较高的可降解性和成骨活性。
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！
通过体内、体外实验研究证实, 携载
rhBMP-2/PLGA 微球/ 磷酸钙骨水泥新型复
合人工骨具有良好的生物相容性和活性因
子缓种功能; 而且载有重组人骨形态发生
蛋白- 2 的聚( 乳酸- 羟基乙酸) 共聚物
微球的掺入可提高rhBMP-2/磷酸钙骨水泥
材料rhBMP-2 的体外释放速度; 植入体内
二维生物活性玻璃结构图

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生物活性玻璃的活性机制
1.玻璃中Na+与K+等与溶液中的H+以及H2O+迅速交换
2. Si-O-Si键被溶解打断，在界面处形成Si-OH
3. Si-OH的聚合反应在玻璃表面形成一富Si-O的多孔的胶体层
4. 来源于玻璃或溶液中的Ca2+和PO43-，在富SiO2胶体层上聚集形成 CaO-P2O5无定形相层 5. 随着OH-、CO32-、HPO42-从溶液中引进，CaO-P2O5无定形相层转变成羟 基磷灰石
生物医用陶瓷
Biomedical ceramic
罗凯
在生物体内与组织几乎不发生反应 惰性生物陶瓷： 或反应很小。 如：氧化铝陶瓷、碳、氧化锆 陶瓷、氮化硅陶瓷等。
生物 陶瓷
活性生物陶瓷： 在生理环境下与组织界面发生作用，
形成化学键结合。 如：羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻 璃，生物活性微晶玻璃。
可被吸收的生 在生物体内可被逐渐降解，被骨组 物降解陶瓷： 织吸收，是一种骨的重建材料。
6. HCA层内生物部分的吸附

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生物活性玻璃
制备方法：熔融法（致密，活性依赖于组成）； 溶胶凝 胶法（ 多孔，活性高，活性与降解性由组成与结构共同 决定）
Байду номын сангаас

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生物活性材料的本质： 通过磷灰石层与骨结合
HA生物陶瓷听小骨置换假体
人工合成的羟基磷灰石粉末具有优良 的生物相容性和生物活性,可用来制备各种 硬组织植入材料。然而,目前这类骨植入材料因强度 偏低,尤其是脆性太大尚难应用于人体承载部位。
提高羟基磷灰石陶瓷力学性能
三、可吸收生物陶瓷 ——生物降解材料
降解效应——植人人体后材料逐渐被吸收，同时新 生骨逐渐长入而替代之，该效应称为降解效应。 具有降解效应的陶瓷材料——可吸收生物陶瓷。 主要包括：硫酸钙、磷酸三钙、各种钙磷酸盐。 以β -磷酸三钙（β -TCP）及硫酸钙生物陶瓷为代表

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骨水泥
早期的硫酸钙骨水泥降解太快
晶型结构的改造
医用硫酸钙是半水硫酸钙 (CaSO4·1/2H2O，熟石膏)， 由含两个水分子的硫酸钙经 加热及特别处理(特殊制造方 法)而成，它的晶型结构均匀 ，整个材料降解速度均匀， 与水拌合后形成一种塑性体 ，这种塑性体经过一段时间 又变成具有一定机械强度的 固体。

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HAP陶瓷与骨键合的机制
HAP陶瓷植入骨内后由成骨细胞在其表面直接分化形成 骨基质，产生一个宽为3－5μm的无定形的电子密度带， 胶原纤维束长入此区域和细胞之间，骨盐结晶在这个无 定形带中发生 随着矿化的进行，无定形带缩小至0.05－0.2μm，HAP植 入体和骨的键合就是通过这个这个很窄的键合带实现的
是一种体液介导过程，溶解速率决定于多种因素，包括周围体液 成份和pH值，材料的比表面积，材料的相组成和结构，材料的 结晶度和杂质的种类及含量以及材料的溶度积等
B 物理解体
体液侵入陶瓷，导致烧结不完全而残留的微孔，使连接晶粒的 “细颈”溶解，从而解体为微粒的过程
C 生物因素
主要是细胞介导过程，如吞噬或迁移被解体的陶瓷微粒
多孔的氧化铝陶瓷，新生组织可长 入空隙内，会提高生物陶瓷与机体 组织之间的结合强度
用于关节修复，牙根种植，制作 骨折夹板与内固定器件，最适用 于人工关节头和臼等承受摩擦力 作用的部位

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措施：采用多孔氧化铝 把氧化铝陶瓷制成多孔质形态，使骨组织长入其空 隙而使植入体固定，保证植入物与骨头的良好结合 缺点： 降低了陶瓷的机械强度，多孔氧化铝陶瓷的强度随空 隙率的增加而急剧降低，只能用于不负重或负重低的部位 改善： 将金属与氧化铝复合， 在金属表面形成多孔性氧化铝薄层
在临床实践上，生物玻璃已成功地用于做听骨、胯 骨脊椎及骨的填充物。
生物玻璃是经特别设计的化学组成可诱发生物活性的含氧 化硅化合物 一般把原料粉末按成份要求配比混合均匀，将粉末在高温 炉内熔化，再将熔化的玻璃浇注成型（板，条，块等形 状），然后在适当温度进行退火处理，（消除应力），即 可得到玻璃 如将某些玻璃在适当的高温进行晶化处理，则玻璃中可析 出大量微小晶体（一般小于1nm）,这样的玻璃称为微晶玻 璃，结晶化玻璃或玻璃陶瓷
碳/碳复合材料表面改性的方法 (生物活性涂层制备)：
涂覆烧结法 等离子喷涂法 仿生诱导法 化学气相沉积法 化学液相沉积法 溶胶-凝胶法 物理气相沉积法 其他方法
化学气相沉积法
(CVD , Chemical Vapor Deposition)
化学气相沉积是一种材料表面改性技术。它可以 利用气相间的反应,在不改变基体材料的成分和不 削弱基体材料的强度条件下,赋予材料表面一些特 殊的性能。 原理:把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反 应剂的蒸气及反应所需其它气体引入反应室,在衬 底表面发生化学反应,并把固体产物沉积到表面生 成薄膜的过程。