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生物陶瓷材料的現(xiàn)狀與發(fā)展,成員：任鎮(zhèn)非吳秀遷劉一璟,生物陶瓷材料的概念簡述生物材料的發(fā)展歷程生物陶瓷材料的分類生物陶瓷的特點及應用生物材料發(fā)展的熱點生物陶瓷材料的發(fā)展重點,目錄,,生物陶瓷材料的現(xiàn)狀與發(fā)展,生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關的生物、醫(yī)用、生物化學等的陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統(tǒng)稱為生物陶瓷。,生物陶瓷材料的概述,生物材料的發(fā)展歷程,當今人類社會使用的材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物,并在應用中取得了寶貴的經(jīng)驗、教訓?；仡櫄v史,可分為幾個階段。,18世紀,主要采用天然材料作為骨修復材料,如柳枝、木、麻、象牙及貴金屬等。,——人工骨研究的啟蒙階段,生物材料的發(fā)展歷程,當今人類社會使用的材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物,并在應用中取得了寶貴的經(jīng)驗、教訓?；仡櫄v史,可分為幾個階段。,約19世紀前,由于冶金技術和陶瓷制備工藝的發(fā)展,開始用純金、純銀、鉑等貴金屬。,——自然發(fā)展階段,生物材料的發(fā)展歷程,當今人類社會使用的材料可分為金屬及其合金材料、有機材料和無機非金屬材料三大類。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物,并在應用中取得了寶貴的經(jīng)驗、教訓?；仡櫄v史,可分為幾個階段。,20世紀中葉以前,由于冶金的進步,鈷鉻鋁合金年、純鈦和鈦合金年等被應用到人工骨領域,開始有目的地探索新材料,有機玻璃等高分子材料年也開始應用臨床,并在醫(yī)學種植技術與病例選擇方面積累了豐富經(jīng)驗。但基礎理論的研究還很不深人。,——探索階段,生物材料的發(fā)展歷程,20世紀60年代初,在新技術革命浪潮推動下,材料科學迅速發(fā)展。人們開始有目的、有計劃地探索、發(fā)現(xiàn)和合成新材料,其中最有代表性的生物陶瓷的研究和應用獲得了突飛猛進的發(fā)展。生物陶瓷的發(fā)展雖然還不到年,也同樣經(jīng)歷了上述時期。起初以單晶氧化鋁陶瓷為先導,隨后是多晶氧化鋁、表面呈珊瑚狀的氧化鋁等。其后是生物活性陶瓷,包括生物玻璃,經(jīng)基磷灰石和玻璃陶瓷類。自20世紀70年代起,生物陶瓷顯露頭角,世界各國相繼開展了理論和應用研究,并且不斷取得突破性進展。,——迅速發(fā)展階段,生物材料學是一個嶄新的領域，但生物材料本身卻有著古老的歷史，只是它在當代才取得了快速的發(fā)展。追溯生物材料的歷史，不得不提到人工器官．人工器官的研究實際上是個古老的命題。,生物材料的發(fā)展歷程,自20世紀70年代起,生物陶瓷顯露頭角,世界各國相繼開展了理論和應用研究,并且不斷取得突破性進展。,公元前約3500年古埃及人就利用棉花纖維、馬鬃作縫合線縫合傷口。而這些棉花纖維、馬鬃則可稱為原始的生物材料。墨西哥的印第安人使用木片修補受傷的顱骨。公元前2500年前中國、埃及的墓葬中就發(fā)現(xiàn)有假牙、假鼻、假耳。人類很早就用黃金來修復缺損的牙齒。,生物材料的發(fā)展歷程,文獻記載，1588年人們就用黃金板修復顎骨。,1775年，就有用金屬固定體內(nèi)骨折的記載。,生物材料的發(fā)展歷程,1800年有大量有關應用金屬板固定骨折的報道。,1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒。,1809年有人用黃金制成種植牙齒。,生物材料的發(fā)展歷程,1851年，報道使用硫化天然橡膠制成人工牙托和顎骨。,1871年，羥基磷灰石被人工合成。,1894年，H.Dreeman報道使用熟石膏作為骨替換材料。,1926年，Bassett用X-射線衍射分析發(fā)現(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線譜相似。,1928年，Leriche和Policard開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料。,生物材料的發(fā)展歷程,1930年，Naray-Szabo和Mehmel獨立地應用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結構。,1937年，牙科醫(yī)學中開始應用聚甲基丙烯酸甲酯。,二戰(zhàn)期間，人們開始試驗用聚乙烯塑料制造血管替代材料。1958年，外科醫(yī)生嘗試用滌綸仿造動脈血管。,1963年在生物陶瓷發(fā)展史上是重要的一年，該年Smith報告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料。由于技術方面的限制，直到1971年才有羥基磷灰石被成功研制并擴大到臨床應用。,1974年，Hench在設計玻璃成分時，曾有意識地尋求一種容易降解的玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構成新生骨骼和牙齒的一部分。這研究成果，很快得到了各國學者的高度重視。,早在1969年，Talbert就將不同孔隙率的顆粒狀Al2O3陶瓷作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗的股骨中進行實驗，發(fā)現(xiàn)多晶氧化鋁陶瓷對包括生物環(huán)境在內(nèi)的任何環(huán)境都呈現(xiàn)惰性及其優(yōu)越的耐磨損性和高的抗壓強度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應用的生物惰性陶瓷材料。,生物材料的發(fā)展歷程,生物材料的發(fā)展歷程,中國20世紀70年代初期開始研究生物陶瓷，并用于臨床。,1974年開展微晶玻璃用于人工關節(jié)的研究。,1977年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得應用。,1979年高純氧化鋁單晶用于臨床，以后又有新型生物陶瓷材料不斷出現(xiàn)，并應用于臨床。,生物陶瓷材料的分類,根據(jù)種植材料與生物體組織的反應程度，可將種植類陶瓷分為兩類：,生物惰性陶瓷材料生物活性陶瓷材料,生物陶瓷材料的分類,生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩(wěn)定，生物相容性好，在生物體內(nèi)與組織幾乎不發(fā)生反應或反應很小。如：氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、等。這類陶瓷材料的結構都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強，而且都具有較高的機械強度、耐磨性以及化學穩(wěn)定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷以及陶材組成。其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物應用最為廣泛。,1、生物惰性陶瓷材料,生物惰性陶瓷,早在1969年，Al2O3陶瓷就作為永久性可移植骨假體，植入成年雜種狗的股骨中進行實驗，發(fā)現(xiàn)多晶氧化鋁陶瓷對包括生物環(huán)境在內(nèi)的任何環(huán)境都呈現(xiàn)惰性及其優(yōu)越的耐磨損性和高的抗壓強度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化鋁陶瓷材料已經(jīng)應用于人造骨、人工關節(jié)及人造齒根的制作方面。,——氧化鋁陶瓷材料,氧化鋁陶瓷植入人體后，體內(nèi)軟組織在其表面生成極薄的纖維組織包膜，在體內(nèi)可見纖維細胞增生，界面無化學反應，多用于全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接。單晶氧化鋁陶瓷的機械性能更優(yōu)于多晶氧化鋁，適用于負重大、耐磨要求高的部位。但是由于Al2O3屬脆性材料，沖擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，可能引起骨組織的應力，從而引起骨組織的萎縮和關節(jié)松動，在使用過程中，常出現(xiàn)脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結合。,——氧化鋁陶瓷材料,生物惰性陶瓷,生物惰性陶瓷,目前，國外有關學者通過各種方法，使Al2O3陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提高。如在陶瓷表面涂上骨親和性高的陶瓷，特別是能和骨發(fā)生化學結合的磷灰石，已經(jīng)制造出更加先進的人工關節(jié)。通過相變或微裂等增韌方法，也可以提高材料的韌性。近年，氧化鋯陶瓷由于其優(yōu)良的力學性能，尤其是其遠高于氧化鋁瓷的斷裂韌性，使其作為增強增韌第二相材料在人體硬組織修復體方面取得了較大研究的進展。,——氧化鋁陶瓷材料,生物惰性陶瓷,生物惰性陶瓷在體內(nèi)被纖維組織包裹或與骨組織之間形成纖維組織界面的特性影響了該材料在骨缺損修復中的應用，因為骨與材料之間存在纖維組織界面，阻礙了材料與骨的結合，也影響材料的骨傳導性，長期滯留體內(nèi)產(chǎn)生結構上的缺陷，使骨組織產(chǎn)生力學上的薄弱。,生物惰性陶瓷缺點,生物陶瓷材料的分類,生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合。生物吸收性陶瓷的特點是：能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。,2、生物活性陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,羥基磷灰石（hydroxyapatite），簡稱HAP，化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬表面活性材料，由于生物體硬組織(牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關注。,——羥基磷灰石陶瓷材料,HAP涂層鈦基牙種植體,是一種安全、方便的聽小骨缺損替代品，適用于因炎癥(如慢性化膿性中耳炎)或外傷等病癥造成聽小骨缺損、畸形的患者作聽小骨置換手術。,HAP生物陶瓷聽小骨置換假體,生物活性陶瓷材料,羥基磷灰石的主要缺點在于本身的力學性能較差、強度低、脆性大，這一缺點影響了它在醫(yī)學臨床的廣泛應用，同時也促使人們研究HAp系列的各種復合材料，以期獲得力學性能優(yōu)良、生物活性好的生物醫(yī)學復合材料。（1）羥基磷灰石與金屬相結合。（2）羥基磷灰石與惰性生物陶瓷材料相復合。（3）羥基磷灰石與有機物相復合。,——羥基磷灰石陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,目前廣泛應用的生物降解陶瓷為β-磷酸三鈣(簡稱β-TCP)，是磷酸鈣的一種高溫相。與HAp相比，TCP最大的優(yōu)點在于更易于在體內(nèi)溶解，植入機體后與骨直接融合而被骨組織吸收，是一種骨的重建材料?？筛鶕?jù)不同部位骨性質(zhì)的不同及降解速率的要求，制成具有一定形狀和大小的中空結構構件，用于治療各種骨科疾病。,——磷酸三鈣陶瓷材料,生物活性陶瓷材料,磷酸鈣陶瓷的主要缺點是其脆性較高，難以加工成型或固定鉆孔。致密磷酸鈣陶瓷可以通過添加增強相提高它的斷裂韌性，多孔磷酸鈣陶瓷雖然可被新生骨長入而極大增強，但是在再建骨完全形成之前，為及早代行其功能，也必須對它進行增韌補強。,——磷酸三鈣陶瓷材料,生物陶瓷的特點及運用,生物陶瓷由于是高溫處理工藝所成的無機非金屬材料，因此具有金屬、高分子材料無法比擬的優(yōu)點：1）由于它是在高溫下燒結制成，其結構中包括鍵強很大的離子鍵或共價鍵，所以具有：良好的機械強度、硬度、壓縮強度高，極其穩(wěn)定。在體內(nèi)難于溶解，不易氧化、不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，便于加熱消毒、耐磨、有一定潤滑性能，不易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，和人體組織的親和性好，因此能滿足種植學要求。,生物陶瓷的特點及運用,彈性模量為20GPa，抗彎強度高達275-620MPa韌性好。,碳雙葉瓣人工心臟瓣膜,生物陶瓷的特點及運用,2）陶瓷的組成范圍比較寬，可以根據(jù)實際應用的要求設計組成，控制性能的變化。例如可降解生物陶瓷在體內(nèi)不同部位的使用中，希望能針對被置換骨的生長特點獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則，當降解速度超過骨生長速度時,就會產(chǎn)生“死區(qū)”，影響修復。如果向此類材料中添加適當比例的非降解性生物陶瓷，就能調(diào)整降解速度，滿足臨床要求。,脊柱側彎，后路矯正加生物陶瓷植入脊柱融合。上海第二軍醫(yī)大學、長征醫(yī)院骨科,生物陶瓷的特點及運用,3）陶瓷容易成型，可根據(jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺釘、骨夾板、制成牙根、關節(jié)、長骨、顱骨等。采用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨制品。,人造骨關節(jié),生物陶瓷的特點及運用,4）后加工方便。通常認為陶瓷很難加工，但隨陶瓷加工設備和技術的進步，現(xiàn)在陶瓷的切割、研磨、拋光等已是成熟的工藝。近年來又發(fā)展了可用普通金屬加工機床進行車銑、刨、鉆等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷結晶化之前的高溫流動性，可制成精密鑄造的玻璃陶瓷。5）易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真，利于整容、美容。,生物材料發(fā)展的熱點,近20年來,試圖仿制天然生物材料、利用生物學原理設計和制造仿生物的材料,已成為生物材料研究領域極為活躍的前沿研究方向。生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性,能與活性骨形成化學結合,但它是脆性材料,限制了在某些條件下的應用。近年來發(fā)展起來的仿生法模仿了自然界生理磷灰石的礦化機制,使磷灰石層在類似于人體環(huán)境條件的水溶液中自然沉積出來。,1、仿生材料,生物材料發(fā)展的熱點,納米技術在世紀年代得以迅速發(fā)展,由于納米材料具有表面效應、小尺寸效應及量子效應等獨特的性能,使納米材料呈現(xiàn)出廣闊的應用前景。近年來,納米技術在生物材料領域的應用已經(jīng)受到關注。納米陶瓷在人工骨、人工關節(jié)、人工齒等硬組織替代材料制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。英國的成功地合成了模擬骨骼亞結構的納米物質(zhì),該物質(zhì)有望取代目前骨科常用的合金材料,而且不易骨折,并能與正常骨組織連接緊密。,2、納米技術的應用,生物材料發(fā)展的熱點,傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫(yī)用材料,但是由于工藝上的原因,普通陶瓷很難避免材料的脆性等問題。由于納米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中的內(nèi)在氣孔和缺陷尺寸大大減少,材料不易造成穿晶斷裂,有利于提高材料的韌性和強度,而隨著晶粒尺寸變小同時又使晶界數(shù)量大大增加,有助于晶粒間的移動,這使納米陶瓷表現(xiàn)出獨特的超塑性。,2、納米技術的應用,生物材料發(fā)展的重點,生物醫(yī)用復合材料根據(jù)應用需要進行設計,由基體材料與增強材料或功能材料組成。常用的基體材料：有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鉆基合金等醫(yī)用金屬材料。增強材料有：碳纖維、不銹鋼或鉆基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體,另外還有氧化錯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。,3、復合材料,生物陶瓷材料的發(fā)展重點,1、提高現(xiàn)有生物陶瓷的可靠性,提高其強度,降低楊氏模量,改善韌性,最有希望的途徑是研制復合材料,如金屬一陶瓷復合,陶瓷纖維增強生物陶瓷,聚合物一陶瓷復合,骨膠原一生物陶瓷復合等。2、深入研究種植與骨界面的作用過程以及種植與骨和軟組織結合的機理,這對了解腐蝕、疲勞過程,探索預防和控制的途徑具有重要意義,也會為研制新材料提供信息。,生物陶瓷材料的發(fā)展重點,3、開展人工骨應用基礎理論研究,建立和完善材料綜合評判系統(tǒng),以尋求在實驗室條件下預測種植體變化和壽命的方法,為建立生物醫(yī)學材料標準提供可靠依據(jù)還應積極開展材料應用技術的研究,人們還沒有超越模仿天然器官的階段。這主要是材料應用技術的研究跟不上需要。這一技術應包括人體器官測量,分析、形態(tài)和結構設計,加工成型技術和評價技術。,生物陶瓷材料的發(fā)展重點,4、需要外科醫(yī)生、口腔醫(yī)生緊密合作。除材料研究、應用技術外,臨床適應癥的選擇和手術設計與實施也是種植成功的要素之一。5、非活性生物陶瓷的強度較高,但與生物無親和作用，但陶瓷活性生物陶瓷具有親和作用,可與生物體長在一起,但強度較低如磷酸鈣陶瓷。在非活性陶瓷上涂敷活性生物陶瓷,使之兼具兩者優(yōu)點。,生物陶瓷材料的發(fā)展重點,6、在移植陶瓷應用范圍不斷擴大基礎上,人造血管和人造氣管等軟組織材料的應用將是今后的重點研究課題?？傊?要以無生命的陶瓷取代人體某部位有生命的組織,共同承但人體的生命功能,是生物陶瓷工作者一項長期、艱巨的科研課題,其核心是新材料的探索。這有待于各專業(yè)學者、專家的通力合作,協(xié)同攻關,以滿足人們對生物陶瓷材料品種和數(shù)量的新要求。,