生物陶瓷

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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。
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
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
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
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。
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。
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。
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。
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。
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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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
பைடு நூலகம்
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）
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生物活性材料的本质： 通过磷灰石层与骨结合
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
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
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。
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
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
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
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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。
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
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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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