第三章-无机非金属生物材料
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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。
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。
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。
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，
烧结温度对材料性能的影响
（1）对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：
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
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
羟基磷灰石（ HA）是人体骨组织的主要无 机成分，占90％，碳酸钙等其它成分占10 ％。
羟基磷灰石具有很好的生物相容性
3.4.1 羟基磷灰石的原粉的合成和制品成型
一、原粉的合成 (1) 化学共沉淀法 典型的方法：酸碱中和反应、钙盐和磷酸盐的反应。 此法易制得大量微晶状态或非晶态的HA粉末。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu的修复、替换，如 承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。
主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、 人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软 骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨 涂层和血液净化等。
尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和 长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前
唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。
3.4 羟基磷灰石陶瓷
各种氧化铝生物陶瓷植入物：
全氧化铝陶瓷人工髋关节
3.2.2 氧化物陶瓷
除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有：
氧化锆、氧化镁、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷 （如组成为氧化锆50－60％，氧化铝10－20％、 氧化钾7－10％的陶瓷）。
氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的 增韧相。部分氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更 好的韧性，可替代氧化铝。
混合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数， 可用作人工牙齿。
其它氧化物陶瓷一般作为改性剂（玻璃组分）或 涂层材料，单独作为生物材料少见。
二氧化锆全瓷冠：是用整体瓷块由计算机辅助，由铣床 半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身 体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目 前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工 艺的改进，基地冠的厚度从原来的1毫米减低为0.8毫米， 需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一 种要求烤瓷制作的高端情况。
此法适合制备完整的HA单晶
二、羟基磷灰石制品的成型
HA粉末合成后，还必须通过成型－烧结工艺提高 其强度，同时根据需要调节孔度和形状。
一般工艺过程为：
原料粉碎（球磨/干燥） 粘结剂（如需可加致孔
剂） 等静压/热压成型
修边
烧
结
成品修饰 产品
粘结剂：水；聚乙烯醇水溶液；石蜡、蜂蜡
致孔剂：双氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、 PTFE球；
氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手
术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工 足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎 体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固 定材料；
某些骨替代物(人工听小骨)；眼科手术中的角质 假休、固定用螺钉等。
单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、 硬度、耐酸碱性等性能指标占优，且不易折断， 因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固 定的螺钉、关节柄、牙根。
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
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。
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。
自然界中的碳：金刚石、石墨和无定形层状结构（最 多，点阵无序排列，各向同性）。
碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏， 是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点 是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性 能（强度、弹性模量和耐磨性），可通过不同工艺改 变其结构进行调整，使其在医学上得到广泛使用。
医用碳质材料（外科植入物）类型：
热解碳：1000－2400C 热解碳氢化合物沉 积在石墨基体上(在医学上只用1500 C以下 沉积的低温各向同性碳，厚度可达1mm)。
玻璃碳：酚醛树脂、糠醇树脂等加热失去挥 发成分而留下玻璃状的残留物。比热解碳机 械性能差，用于不承受高机械应力部位。
蒸汽沉积碳：在真空过程中通过氩挥发，用电弧或 高能电子束等手段加热碳氢化合物，使其分解，升 华或溅射，沉积在金属、陶瓷或高分子材料的表面 上，沉积层约1m。 另一种在低压和低温下， 用催化剂使含碳浓度高的气相沉积，沉积碳具有各 向同性、不透气、弹性好等特性，常用于聚合物、 纤维织物和多孔金属植人体的涂层。
氧化锆美容前 氧化锆美容后
二氧化锆预约费用为2800每颗。
3.2.3 非氧化物陶瓷
报道很少，主要用作硬组织的替换材料。 SiC材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是
耐磨、耐腐蚀材料。 Si3N4材料：可代替氧化锆作关节置换假体，比氧
化锆有更好的使用寿命。
3.3 碳质材料
碳质材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材 料。
湿法制备HA装置图：
Ca/P随pH值的变化情 况
（2）固相反应法（干法）
此法与普通陶瓷得制备方法基本相同，原料 粉磨细混合，在1000－1300C下高温合成结晶性 HA。此法合成的HA纯度高，结晶性好。
（3）水热合成法 以CaCl2或Ca(NO3)2与NH4H2PO4为原料，
以钛网为阴极、石墨为阳极，控制一定的 pH和沉积时间，得到CaHPO4.2H2O.随后经 120～200 C水蒸汽处理，即得HA.
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。
三、氧化铝陶瓷的应用
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。
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
碳纤维：丙稀腈为原料，隔氧，1000～1500 C 培 烧，张力牵引，链状分子脱掉大部分氢、氮等小分 子，留下碳原子按同一方向整齐排列。
碳纤维是黑色细丝，单丝直径7～9 m ，抗 拉强度可达3040 MPa，耐腐蚀、耐磨损，并有自身 润滑能力。但仍属于脆性材料，抗弯强度较低。
碳质材料应用：
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。
也可将HA浆料注入多孔泡沫塑料，然后烧结制成多 孔材料
三、羟基磷灰石的结构与性能
羟基磷灰石的化学结构式为： Ca10(PO4)6(OH)2, Ca/P比为1.67,密度 3.16g/cm3, 呈弱碱性(pH=7～9). 多晶的 羟基磷灰石具有很高的弹性模量（40～ 117GPa), 人牙釉质为74GPa。
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。
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
成本低
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。
合成过程中，微量元素的加入：
La的加入，改善降解特性，HA表面均匀降解；
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
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
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。
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。
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。
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，
烧结温度对材料性能的影响
（1）对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：
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
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
羟基磷灰石（ HA）是人体骨组织的主要无 机成分，占90％，碳酸钙等其它成分占10 ％。
羟基磷灰石具有很好的生物相容性
3.4.1 羟基磷灰石的原粉的合成和制品成型
一、原粉的合成 (1) 化学共沉淀法 典型的方法：酸碱中和反应、钙盐和磷酸盐的反应。 此法易制得大量微晶状态或非晶态的HA粉末。
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ຫໍສະໝຸດ Baidu的修复、替换，如 承力骨、牙齿等替换，以及硬组织固定材料。
主要用于制造心血管修复体的重要材料、人工骨、 人工牙根、肌腱和人工韧带等，还可用于人工软 骨、人工中耳、人工关节运动磨损表面作为减磨 涂层和血液净化等。
尤其是它的较高的抗血栓性、耐磨性、低比重和 长期使用不劣化等性能，使碳素材料几乎是目前
唯一可选用的人工心脏瓣膜材料。
3.4 羟基磷灰石陶瓷
各种氧化铝生物陶瓷植入物：
全氧化铝陶瓷人工髋关节
3.2.2 氧化物陶瓷
除氧化铝，惰性氧化物生物陶瓷还有：
氧化锆、氧化镁、氧化硅，以及混合氧化物陶瓷 （如组成为氧化锆50－60％，氧化铝10－20％、 氧化钾7－10％的陶瓷）。
氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的 增韧相。部分氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更 好的韧性，可替代氧化铝。
混合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数， 可用作人工牙齿。
其它氧化物陶瓷一般作为改性剂（玻璃组分）或 涂层材料，单独作为生物材料少见。
二氧化锆全瓷冠：是用整体瓷块由计算机辅助，由铣床 半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身 体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目 前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工 艺的改进，基地冠的厚度从原来的1毫米减低为0.8毫米， 需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一 种要求烤瓷制作的高端情况。
此法适合制备完整的HA单晶
二、羟基磷灰石制品的成型
HA粉末合成后，还必须通过成型－烧结工艺提高 其强度，同时根据需要调节孔度和形状。
一般工艺过程为：
原料粉碎（球磨/干燥） 粘结剂（如需可加致孔
剂） 等静压/热压成型
修边
烧
结
成品修饰 产品
粘结剂：水；聚乙烯醇水溶液；石蜡、蜂蜡
致孔剂：双氧水、聚乙二醇、聚乙烯醇水溶液、 PTFE球；
氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手
术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工 足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎 体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固 定材料；
某些骨替代物(人工听小骨)；眼科手术中的角质 假休、固定用螺钉等。
单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、 硬度、耐酸碱性等性能指标占优，且不易折断， 因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固 定的螺钉、关节柄、牙根。
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
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。
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。
自然界中的碳：金刚石、石墨和无定形层状结构（最 多，点阵无序排列，各向同性）。
碳在生理环境中化学性质稳定，也不发生疲劳破坏， 是生物相容性非常好的一类惰性材料。它的最大优点 是血液相容性好，不可渗透性，再加上优良的力学性 能（强度、弹性模量和耐磨性），可通过不同工艺改 变其结构进行调整，使其在医学上得到广泛使用。
医用碳质材料（外科植入物）类型：
热解碳：1000－2400C 热解碳氢化合物沉 积在石墨基体上(在医学上只用1500 C以下 沉积的低温各向同性碳，厚度可达1mm)。
玻璃碳：酚醛树脂、糠醇树脂等加热失去挥 发成分而留下玻璃状的残留物。比热解碳机 械性能差，用于不承受高机械应力部位。
蒸汽沉积碳：在真空过程中通过氩挥发，用电弧或 高能电子束等手段加热碳氢化合物，使其分解，升 华或溅射，沉积在金属、陶瓷或高分子材料的表面 上，沉积层约1m。 另一种在低压和低温下， 用催化剂使含碳浓度高的气相沉积，沉积碳具有各 向同性、不透气、弹性好等特性，常用于聚合物、 纤维织物和多孔金属植人体的涂层。
氧化锆美容前 氧化锆美容后
二氧化锆预约费用为2800每颗。
3.2.3 非氧化物陶瓷
报道很少，主要用作硬组织的替换材料。 SiC材料：硬度高、强度大，导热导电性好，是
耐磨、耐腐蚀材料。 Si3N4材料：可代替氧化锆作关节置换假体，比氧
化锆有更好的使用寿命。
3.3 碳质材料
碳质材料指作为生物医学使用的各种碳素及其复合材 料。
湿法制备HA装置图：
Ca/P随pH值的变化情 况
（2）固相反应法（干法）
此法与普通陶瓷得制备方法基本相同，原料 粉磨细混合，在1000－1300C下高温合成结晶性 HA。此法合成的HA纯度高，结晶性好。
（3）水热合成法 以CaCl2或Ca(NO3)2与NH4H2PO4为原料，
以钛网为阴极、石墨为阳极，控制一定的 pH和沉积时间，得到CaHPO4.2H2O.随后经 120～200 C水蒸汽处理，即得HA.
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。
三、氧化铝陶瓷的应用
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。
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
碳纤维：丙稀腈为原料，隔氧，1000～1500 C 培 烧，张力牵引，链状分子脱掉大部分氢、氮等小分 子，留下碳原子按同一方向整齐排列。
碳纤维是黑色细丝，单丝直径7～9 m ，抗 拉强度可达3040 MPa，耐腐蚀、耐磨损，并有自身 润滑能力。但仍属于脆性材料，抗弯强度较低。
碳质材料应用：
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。
也可将HA浆料注入多孔泡沫塑料，然后烧结制成多 孔材料
三、羟基磷灰石的结构与性能
羟基磷灰石的化学结构式为： Ca10(PO4)6(OH)2, Ca/P比为1.67,密度 3.16g/cm3, 呈弱碱性(pH=7～9). 多晶的 羟基磷灰石具有很高的弹性模量（40～ 117GPa), 人牙釉质为74GPa。
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。
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
成本低
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。
合成过程中，微量元素的加入：
La的加入，改善降解特性，HA表面均匀降解；
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
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