生物陶瓷材料-HA省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

生物陶瓷材料之生物陶瓷材料之HA第1页生物陶瓷生物陶瓷（BioceramiesBioceramies）是指用作特定生）是指用作特定生物或生理功效一类陶瓷材料，即直接用于物或生理功效一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关生物、医用、生物化学人体或与人体相关生物、医用、生物化学等陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程陶瓷等陶瓷材料。广义讲，凡属生物工程陶瓷材料统称为生物陶瓷。材料统称为生物陶瓷。生物陶瓷材料概述生物陶瓷材料概述第2页生物材料发展历程生物材料发展历程 当今人类社会使用材料可分为金属及其合金材料、有当今人类社会使用材料可分为金属及其合金材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织代替物用作人工硬组织代替物,并在应用中取得了宝贵经验、并在应用中取得了宝贵经验、教训。回顾历史教训。回顾历史,可分为几个阶段。可分为几个阶段。18 18世纪世纪,主要采取天然材料作为骨修复材料主要采取天然材料作为骨修复材料,如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。人工骨研究启蒙阶段人工骨研究启蒙阶段第3页生物材料发展历程生物材料发展历程 约约1919世纪前世纪前,因为冶金技术和陶瓷制因为冶金技术和陶瓷制备工艺发展备工艺发展,开始用纯金、纯银、铂等贵开始用纯金、纯银、铂等贵金属。金属。自然发展阶段自然发展阶段第4页生物材料发展历程生物材料发展历程 2020世纪中叶以前世纪中叶以前,因为冶金进步因为冶金进步,钴铬铝钴铬铝合金年、纯钛和钛合金年等被应用到人工骨领合金年、纯钛和钛合金年等被应用到人工骨领域域,开始有目标地探索新材料开始有目标地探索新材料,有机玻璃等高有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床分子材料年也开始应用临床,并在医学种植技并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论研究还很不深人。论研究还很不深人。探索阶段探索阶段第5页生物材料发展历程生物材料发展历程 20 20世纪世纪6060年代初年代初,在新技术革命浪潮推进下在新技术革命浪潮推进下,材料材料科学快速发展。人们开始有目标、有计划地探索、发科学快速发展。人们开始有目标、有计划地探索、发觉和合成新材料觉和合成新材料,其中最有代表性生物陶瓷研究和应其中最有代表性生物陶瓷研究和应用取得了突飞猛进发展。用取得了突飞猛进发展。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导起初以单晶氧化铝陶瓷为先导,随即是多晶氧化铝、随即是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状氧化铝等。其后是生物活性陶瓷表面呈珊瑚状氧化铝等。其后是生物活性陶瓷,包含包含生物玻璃生物玻璃,羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。自自2020世纪世纪7070年代起年代起,生物陶瓷显露头角生物陶瓷显露头角,世界各国世界各国相继开展了理论和应用研究相继开展了理论和应用研究,而且不停取得突破性进而且不停取得突破性进展。展。快速发展快速发展阶段阶段第6页 生物材料学是一个崭新领域，但生物材料本身却生物材料学是一个崭新领域，但生物材料本身却有着古老历史，只是它在当代才取得了快速发展。追有着古老历史，只是它在当代才取得了快速发展。追溯生物材料历史，不得不提到人工器官人工器官研溯生物材料历史，不得不提到人工器官人工器官研究实际上是个古老命题。究实际上是个古老命题。生物材料发展历程生物材料发展历程 公元前约35古埃及人就利用棉花纤维、马鬃作缝合线缝合伤口。而这些棉花纤维、马鬃则可称为原始生物材料。墨西哥印第安人使用木片修补受伤颅骨。公元前25前中国、埃及墓葬中就发觉有假牙、假鼻、假耳。人类很早就用黄金来修复缺损牙齿。第7页生物材料发展历程生物材料发展历程文件记载，文件记载，15881588年人们年人们就用就用黄金板修复颚骨。黄金板修复颚骨。17751775年，就有用年，就有用金属固定金属固定体内骨折体内骨折记载。记载。第8页生物材料发展历程生物材料发展历程18有大量相关应用金属板固定骨折报道。18初成功制成了用于镶牙陶齿。18有些人用黄金制成种植牙齿。第9页生物材料发展历程生物材料发展历程18511851年，报道使用年，报道使用硫化天然橡胶硫化天然橡胶制成人工牙托和颚骨。制成人工牙托和颚骨。18711871年，年，羟基磷灰石羟基磷灰石被人工合成。被人工合成。18941894年，年，H.DreemanH.Dreeman报道使用报道使用熟石膏熟石膏作为骨替换材料。作为骨替换材料。1926 1926年，年，Bassett Bassett 用用X-X-射线衍射分析发觉骨和牙矿物射线衍射分析发觉骨和牙矿物质与质与羟基磷灰石羟基磷灰石X X射线谱相同。射线谱相同。1928 1928年，年，Leriche Leriche 和和 Policard Policard 开始研究和应用开始研究和应用磷酸磷酸钙钙作为骨替换材料。作为骨替换材料。第10页生物材料发展历程生物材料发展历程 19301930年，年，Naray-Szabo Naray-Szabo 和和 Mehmel Mehmel 独立地应用独立地应用 X-ray X-ray 衍射分析确定了衍射分析确定了氟磷灰石氟磷灰石结构。结构。19371937年，牙科医学中开始应用年，牙科医学中开始应用聚甲基丙烯酸甲酯聚甲基丙烯酸甲酯。二战期间，人们开始试验用聚乙烯塑料制造血管替换二战期间，人们开始试验用聚乙烯塑料制造血管替换材料。材料。19581958年，外科医生尝试用年，外科医生尝试用涤纶涤纶仿造动脉血管。仿造动脉血管。1963 1963 年在生物陶瓷发展史上是主要年在生物陶瓷发展史上是主要一年，该年一年，该年Smith Smith 汇报发展了一个陶汇报发展了一个陶瓷骨替换材料。因为技术方面限制，瓷骨替换材料。因为技术方面限制，直到直到19711971年才有年才有羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石陶瓷被成被成功研制并扩大到临床应用。功研制并扩大到临床应用。第11页 1974 1974年，年，Hench Hench 在设计玻璃成份时，曾有意识地寻求在设计玻璃成份时，曾有意识地寻求一个轻易降解玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作一个轻易降解玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿替换物时，发觉有些材料中组织能够和生为骨骼和牙齿替换物时，发觉有些材料中组织能够和生物体内组分相互交换或者反应，最终形成与生物体本身物体内组分相互交换或者反应，最终形成与生物体本身相容性质，组成新生骨骼和牙齿一部分。这研究结果，相容性质，组成新生骨骼和牙齿一部分。这研究结果，很快得到了各国学者高度重视。很快得到了各国学者高度重视。早在早在19691969年，年，TalbertTalbert就将不一样孔隙率颗粒状就将不一样孔隙率颗粒状AlAl2 2O O3 3陶瓷陶瓷作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗股骨作为永久性可移植骨假体，植入成年杂种狗股骨中进行试验，发觉多晶氧化铝陶瓷对包含生物环境在中进行试验，发觉多晶氧化铝陶瓷对包含生物环境在内任何环境都展现惰性及其优越耐磨损性和高抗压强内任何环境都展现惰性及其优越耐磨损性和高抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早取得临床应用生物惰度。使氧化铝陶瓷材料成为最早取得临床应用生物惰性陶瓷材料。性陶瓷材料。生物材料发展历程生物材料发展历程第12页生物材料发展历程生物材料发展历程中国中国2020世纪世纪7070年代早期开始硕士物陶瓷，并用于临床。年代早期开始硕士物陶瓷，并用于临床。19741974年开展微晶玻璃用于人工关节研究。年开展微晶玻璃用于人工关节研究。19771977年氧化铝陶瓷在临床上取得应用。年氧化铝陶瓷在临床上取得应用。1979 1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不停出现，并应用于临床。瓷材料不停出现，并应用于临床。第13页生物陶瓷特点生物陶瓷特点生物陶瓷因为是高温处理工艺所成生物陶瓷因为是高温处理工艺所成无机非金无机非金属材料属材料，所以含有金属、高分子材料无法比所以含有金属、高分子材料无法比拟优点拟优点：1 1）因为它是在高温下烧结制成因为它是在高温下烧结制成，其结构中包其结构中包含键强很大离子键或共价键含键强很大离子键或共价键，所以含有所以含有：良好机械强度、硬度、压缩强度高良好机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳极其稳定定。在体内难于溶解在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好热稳定性好，便于加热消毒、耐磨、有一定便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能润滑性能，不易产生疲劳现象不易产生疲劳现象，和人体组织亲和性好和人体组织亲和性好，所以能满足种植学要所以能满足种植学要求。求。第14页生物陶瓷特点及利用2 2）陶瓷组成范围比较宽陶瓷组成范围比较宽，能够依据实际应用要求能够依据实际应用要求设计组成设计组成，控制性能改变。控制性能改变。例例：可降解生物陶瓷在体内不一样部位使用中可降解生物陶瓷在体内不一样部位使用中，希望能针对被置换骨生长特点取得含有不一样降希望能针对被置换骨生长特点取得含有不一样降解速度陶瓷。不然解速度陶瓷。不然，当降解速度超出骨生长速度当降解速度超出骨生长速度时时,就会产生就会产生“死区死区”，影响修复。假如向这类影响修复。假如向这类材料中添加适当百分比非降解性生物陶瓷材料中添加适当百分比非降解性生物陶瓷，就能就能调整降解速度调整降解速度，满足临床要求。满足临床要求。第15页 脊柱侧弯脊柱侧弯，后路矫正加生物陶瓷植入脊柱融合。后路矫正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二军医大学、长征医院骨科上海第二军医大学、长征医院骨科第16页生物陶瓷特点及利用 3 3）陶瓷轻易成型陶瓷轻易成型，可依据需要制成各种可依据需要制成各种形态和尺寸形态和尺寸如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关也可制成骨螺钉、骨夹板、制成牙根、关节、长骨、颅骨等。采取特殊工艺还能够节、长骨、颅骨等。采取特殊工艺还能够得到尺寸精密人工骨制品。得到尺寸精密人工骨制品。第17页人造骨关节人造骨关节第18页生物陶瓷特点及利用4 4）后加工方便。后加工方便。通常认为陶瓷极难加工通常认为陶瓷极难加工，但随陶但随陶瓷加工设备和技术进步瓷加工设备和技术进步，现在陶瓷切割、研磨、现在陶瓷切割、研磨、抛光等已是成熟工艺。近年来又发展了可用普通抛光等已是成熟工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等可切割性生物金属加工机床进行车铣、刨、钻等可切割性生物陶瓷陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前高温流动性利用玻璃陶瓷结晶化之前高温流动性，可可制成精密铸造玻璃陶瓷。制成精密铸造玻璃陶瓷。5 5）易于着色。易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整利于整容、美容。容、美容。第19页生物陶瓷材料分类生物陶瓷材料分类依据种植材料与生物体组织反应程度，可依据种植材料与生物体组织反应程度，可将种植类陶瓷分为两类：将种植类陶瓷分为两类：生物惰性陶瓷材料生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料生物活性陶瓷材料第20页生物陶瓷材料分类生物陶瓷材料分类生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应性好，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小。如：很小。如：氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、等。、等。这类陶瓷材料结构都比较稳定，分子中键力较强，这类陶瓷材料结构都比较稳定，分子中键力较强，而且都含有较高机械强度、耐磨性以及化学稳定而且都含有较高机械强度、耐磨性以及化学稳定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材组成。其中，以组成。其中，以AlAl、MgMg、TiTi、Zr Zr 氧化物应用最为氧化物应用最为广泛。广泛。1 1、生物惰性陶瓷材料、生物惰性陶瓷材料第21页生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷生物惰性陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织生物惰性陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面特征影响了该材料在骨缺之间形成纤维组织界面特征影响了该材料在骨缺损修复中应用，因为骨与材料之间存在纤维组织损修复中应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，妨碍了材料与骨结合，也影响材料骨传导界面，妨碍了材料与骨结合，也影响材料骨传导性，长久滞留体内产生结构上缺点，使骨组织产性，长久滞留体内产生结构上缺点，使骨组织产生力学上微弱。生力学上微弱。生物惰性陶瓷缺点生物惰性陶瓷缺点第22页生物陶瓷材料分类生物陶瓷材料分类生物活性陶瓷包含表面生物活性陶瓷和生物吸收生物活性陶瓷包含表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔生物表面活性陶瓷通常含有羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢靠键合。性，生物组织可长入并同其表面发生牢靠键合。生物吸收性陶瓷特点是：能部分吸收或者全部吸生物吸收性陶瓷特点是：能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨生长。生物活性陶收，在生物体内能诱发新生骨生长。生物活性陶瓷有：瓷有：生物活性玻璃生物活性玻璃（磷酸钙系），（磷酸钙系），羟基磷灰石羟基磷灰石陶瓷陶瓷，磷酸三钙陶瓷磷酸三钙陶瓷等几个。等几个。2 2、生物活性陶瓷材料、生物活性陶瓷材料 第23页生物活性陶瓷材料生物活性陶瓷材料羟基磷灰石（羟基磷灰石（hydroxyapatitehydroxyapatite），简称），简称HAPHAP，化学，化学式为式为CaCa1010(PO(PO4 4)6 6(OH)(OH)2 2，属表面活性材料，因为生物，属表面活性材料，因为生物体硬组织体硬组织(牙齿、骨牙齿、骨)主要成份是羟基磷灰石，所主要成份是羟基磷灰石，所以有些人也把羟基磷灰石陶瓷称之为以有些人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨人工骨。含有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反含有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一个临床应用价值很高生物活性陶瓷材料，引是一个临床应用价值很高生物活性陶瓷材料，引发了广泛关注。发了广泛关注。羟基磷灰石陶瓷材料第24页HAPHAP涂层钛基牙种植体涂层钛基牙种植体是一个安全、方便听小骨是一个安全、方便听小骨缺损替换品，适合用于因缺损替换品，适合用于因炎症或外伤等病症造成听炎症或外伤等病症造成听小骨缺损、畸形患者作听小骨缺损、畸形患者作听小骨置换手术。小骨置换手术。HAPHAP生物陶瓷听小骨置换假体生物陶瓷听小骨置换假体第25页生物活性陶瓷材料生物活性陶瓷材料羟基磷灰石主要缺点在于本身力学性能较差、强羟基磷灰石主要缺点在于本身力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床广度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床广泛应用，同时也促使人们研究泛应用，同时也促使人们研究HAHA系列各种复合材系列各种复合材料，以期取得力学性能优良、生物活性好生物医料，以期取得力学性能优良、生物活性好生物医学复合材料。学复合材料。（1 1）羟基磷灰石与金属相结合。羟基磷灰石与金属相结合。（2 2）羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合。羟基磷灰石与惰性生物陶瓷材料相复合。（3 3）羟基磷灰石与有机物相复合。羟基磷灰石与有机物相复合。羟基磷灰石陶瓷材料第26页羟基磷灰石生物陶瓷材料制备H A 粉体制备H A 陶瓷制备H A 涂层制备H A 复合材料制备第27页H A 粉体制备干式法(固相反应)湿式法(化学沉淀法和水解法)水热法溶胶-凝胶法、电化学沉积法、激光熔覆法、超声波合成法和微波合成法第28页化学沉淀法普通采取硝酸钙或醋酸钙溶液与磷酸盐溶液等作原料,经过控制在一定pH值和温度条件下,使溶液中发生化学反应生成HA沉淀,沉淀物在400600甚至更高温度下煅烧,可取得符累计量比HA。要得到结晶完好HA,烧结温度应到达9001200。为了得到符合化学计量比、单一相HA,常采取稀溶液慢慢滴加优点主要是轻易取得微粒基磷灰石第29页张德正把主要原料Ca(NO3)2和(NH4)2HPO4按Ca/P=1.67配比,在室温及一定pH值条件下进行反应,反应后产物经分离并干燥后,在1200下煅烧,细磨后得HA粉料。这种液相反应,接触均匀和反应条件轻易控制,不过反应副产品多,所得沉淀要经过加热煮沸、洗涤、脱水、锻烧和研磨等工艺,比较费事第30页Bernard让熟石灰Ca(OH)2悬浮液和H3PO4在低温下起中和反应合成HA初始石灰颗粒物理和化学性质对生成HA质量有很大影响第31页Monma用磷酸氢钙水解并用氯化钙熟化方法制备HA粉末这种方法制备HA方便可靠,且不用高温煅烧。第32页溶胶-凝胶法以适当前驱体配成溶胶,再转变为凝胶,得到干胶后在高温下烧结得粉体可得到无定形、纳米尺寸和Ca/P比靠近1.67HA粉体,这些粉体含有粒度小、粒径分布范围窄和烧结活性高能够经过蒸发及再结晶等方法纯化原料,从而可确保产品高化学纯度及结晶度。缺点是化学过程复杂、需采取办法防止团聚以及液体溶剂对环境污染第33页邬鸿彦把硝酸钙和磷酸三甲脂以适当配比配成溶胶液,用氨水调pH值,放入加温炉中,干燥得凝胶,逐步升温生成干胶,在高温下烧结得样品。第34页张大海采取钙乙二醇化合物和含有一定活性、由P2O5 和n-丁醇反应生成PO(OH)x(OR)3-x产物为前驱体,以Ca/P=1.67百分比混合,加人醋酸从而得稳定混合溶液,制备羟基磷灰石第35页Liu把三乙烷基亚磷酸盐用无水乙醇稀释,加少许蒸馏水进行水解,随即逐滴加人计量比(Ca/P=1.67)Ca(NO3)2无水乙醇溶液,陈化16h后在60下烘干直到得白色凝胶,研磨成细粉后煅烧第36页羟基磷灰石陶瓷制备羟基磷灰石早就被人工合成,但直至上世纪70年代才制备出羚基磷灰石生物陶瓷羟基磷灰石陶瓷可采取模压成型、等静压成型等技术成型第37页多孔H A 陶瓷可采取气体分解法、浸渍法、水热热压法、有机物添加法和微波工艺法等制备。主要是利用一些可分解产生气体物质和HA粉体混合,在一定条件下,产生气体,在陶瓷中形成气孔,从而制备多孔HA陶瓷第38页羟基磷灰石涂层制备医用金属(如钛)表面制作HA涂层形成复合材料是当前公认最理想人造植骨材料之一等离子喷涂法电化学沉积法激光熔覆法第39页等离子喷涂喷涂粉料以气体为载体被送到等离子区,经高温熔融或半熔融后喷涂到金属基体上。喷涂后涂层要经过水蒸气处理或热处理。等离子体喷涂方法高温过程对于材料和界面有不良作用,易引发相变和脆裂,使涂层与基体结合强度不高。这种技术设备昂贵,不适于喷涂多孔金属表面。第40页电化学沉积以Ca(NO3)2和NH4H2PO4为基本原料配制电解液,采取恒电位模式在金属基体表面上电沉积制备HA,同时生成其它形式磷酸钙盐沉淀,在低温碱液后处理中这些磷酸钙盐可转化为HA第41页在低温条件下进行，防止了高温喷徐引发相变和脆裂,有利于增强基底与涂层之间结合强度电化学过程是非直线过程,能够在形状复杂和表面多孔基底上制备均匀生物陶瓷涂层所需设备简单、原料廉价易得且操作方便第42页激光熔覆法在基底材料表面上预先涂覆一定配比CaHPO4和CaCO3混合粉末,然后用激光器进行多道搭接熔覆处理,使合成与涂覆HA涂层一步完成制得涂层与基底结合良好、硬度高、强度较高、韧性良好涂层均匀性和稳定性较差、难控制且设备昂贵第43页结语制备HA及其复合生物陶瓷材料方法各种多样,成熟程度不一样,各有其特点和用途。含有优良性能或特殊功效HA复合生物陶瓷材料是今后医学复合材料研究热点应用纳米技术制备H A 生物陶瓷材料将是一个主要发展方第44页参考文件Liu D M,Yang Q Z,Troezynski T,et al.Biomaterials,23(7):1679-1687Weng W J,Han G R,Du P Y,et al.Materials Chemistry and Physics.,74(1):92-97赵冰,杜荣归等.功效材料.,34(2):126-132第45页