生物醫(yī)用陶瓷材料ppt課件

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xx CompanyLogo 生物醫(yī)用陶瓷材料 BiomedicalCeramicMaterials 1 xx CompanyLogo 2 xx CompanyLogo 一陶瓷晶體結(jié)構(gòu) 按組成可分為 氧化物陶瓷 硅酸鹽陶瓷 特點(diǎn)結(jié)合鍵 以離子鍵為主 可含有一定比例的共價(jià)鍵成份 確定 可用分子式表示性質(zhì) 具有典型的非金屬性質(zhì) 3 xx CompanyLogo 一AX型晶體結(jié)構(gòu) 具有NaCl結(jié)構(gòu)的離子晶體的晶胞 4 xx CompanyLogo 具有CsCl結(jié)構(gòu)的離子晶體的晶胞 5 xx CompanyLogo 二AmXn型晶體結(jié)構(gòu) 具有CaF2結(jié)構(gòu)的離子晶體的晶胞 6 xx CompanyLogo 1 良好的生物相容性 二 生物醫(yī)用陶瓷材料的基本條件與要求 2 雜質(zhì)元素及溶出物含量低 3 有效性 4 成型加工性能 5 良好的耐消毒 滅菌性 7 xx CompanyLogo 第一節(jié)生物陶瓷 生物陶瓷的發(fā)展概況及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 生物陶瓷材料是指與人體工程有關(guān)的可用于人體組織修復(fù)的一類陶瓷材料 具有以下特點(diǎn) 在人體內(nèi)理化性能穩(wěn)定 具有良好的生物相容性材料的性能可通過(guò)成份設(shè)計(jì)進(jìn)行控制容易成形 可按需要制成各種形狀和尺寸容易著色 是較理想的口腔材料 全瓷牙 8 xx CompanyLogo 生物陶瓷材料的分類按其生物性能 生物陶瓷可分為三類 9 xx CompanyLogo 發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段 材料與組織的結(jié)合 10 xx CompanyLogo 陶瓷顯微結(jié)構(gòu) 由許多不規(guī)則的晶粒所組成 中間有晶界隔開 11 xx CompanyLogo 不同化學(xué)組成的陶瓷表面及截面結(jié)構(gòu) 12 xx CompanyLogo 典型的生物陶瓷材料 1 惰性生物陶瓷材料 生物惰性陶瓷是一類暴露于生物環(huán)境中 與組織幾乎不發(fā)生化學(xué)變化的材料 所引起的組織反應(yīng)主要表現(xiàn)為材料周圍會(huì)形成厚度不同的包裹性纖維膜 主要用于人體骨骼 關(guān)節(jié)及齒根的修復(fù)與替換 以及心臟瓣膜等 13 xx CompanyLogo 典型的生物陶瓷材料 A氧化鋁陶瓷 生物醫(yī)用氧化鋁陶瓷由高純Al2O3組成 主要晶相為剛玉 Al2O3 的陶瓷材料 有穩(wěn)定的剛玉型結(jié)構(gòu) 屬于六方晶系 氧原子形成六方最緊密弄堆積 六個(gè)氧原子 離子半徑為0 132nm 圍成一個(gè)八面體 半徑較小的鋁原子離子半徑為0 057nm 則處于八面體中心的空隙 單位晶胞是面心的菱面體 14 xx CompanyLogo a化學(xué)組成和物理性能 氧化鋁陶瓷的性能 15 xx CompanyLogo b幾個(gè)重要性能及要求 16 xx CompanyLogo 致密的氧化鋁生物陶瓷與機(jī)體之間會(huì)形成一種形態(tài)性結(jié)合 即依靠組織長(zhǎng)入材料表面凹凸不平而實(shí)現(xiàn)機(jī)械鎖合 多孔的氧化鋁陶瓷 新生組織可長(zhǎng)入空隙內(nèi) 會(huì)提高生物陶瓷與機(jī)體組織之間的結(jié)合強(qiáng)度 用于關(guān)節(jié)修復(fù) 牙根種植 制作骨折夾板與內(nèi)固定器件 最適用于人工關(guān)節(jié)頭和臼等承受摩擦力作用的部位 17 xx CompanyLogo 優(yōu)點(diǎn) 生物相容性良好 在人體內(nèi)穩(wěn)定性高 機(jī)械強(qiáng)度較大 缺點(diǎn) 與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合 長(zhǎng)時(shí)間后與骨固定會(huì)發(fā)生松馳機(jī)械強(qiáng)度不高彈性模量過(guò)高 380GPa 摩擦系數(shù) 磨耗速度較大 18 xx CompanyLogo 措施 采用多孔氧化鋁把氧化鋁陶瓷制成多孔質(zhì)形態(tài) 使骨組織長(zhǎng)入其空隙而使植入體固定 保證植入物與骨頭的良好結(jié)合 缺點(diǎn) 降低了陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度 多孔氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度隨空隙率的增加而急劇降低 只能用于不負(fù)重或負(fù)重低的部位 改善 將金屬與氧化鋁復(fù)合 在金屬表面形成多孔性氧化鋁薄層 19 xx CompanyLogo B其它的惰性氧化物陶瓷 氧化鋯陶瓷 20 xx CompanyLogo 氧化鋯 氧化鎂 以及混合氧化物陶瓷 如組成 氧化鋯50 60 氧化鋁10 20 氧化鉀7 10 的陶瓷 混合氧化物陶瓷組成 色澤 熱膨脹系數(shù)可調(diào) 可用作人工牙齒 21 xx CompanyLogo 二氧化鋯全瓷冠 是由整體瓷塊由計(jì)算機(jī)輔助 由銑床半機(jī)械制造的 強(qiáng)度和抗脆性可與金屬烤瓷媲美的 又對(duì)身體無(wú)毒無(wú)害 不含金屬 強(qiáng)度卻可和金屬烤瓷相當(dāng) 目前最理想的烤瓷修復(fù) 前牙美容修復(fù)體 由于氧化鋯工藝的改進(jìn) 基地冠的厚度由原來(lái)的的1mm 減為0 8mm 需磨除牙體面積變小 釉質(zhì)丟失率最低 適用于任何一種要求烤瓷制作的高端情況 氧化鋯美容前 氧化鋯美容后 二氧化鋯預(yù)約費(fèi)用2800元每顆 22 xx CompanyLogo C非氧化物陶瓷 SiC材料 硬度高 強(qiáng)度大 導(dǎo)熱導(dǎo)電性好 是耐磨 耐腐蝕性材料 Si3N4材料 可代替氧化鋯作關(guān)節(jié)置換假體 比氧化鋯有更好的使用壽命 23 xx CompanyLogo 2 生物活性陶瓷 1892年 Dreesman首次發(fā)表了利用硫酸鈣 CaSO4 H2O 修復(fù)骨缺損1920年 Albee發(fā)現(xiàn)磷酸三鈣 Tricalciumphosphate TCP 可以刺激骨形成1928年 Leriche和Policard就開始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料 他們希望磷酸鈣在體內(nèi)能夠釋放一些鈣 磷離子 促進(jìn)骨的發(fā)生1969年 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)的Hench教授 成功地研究了一種生物玻璃 可用于人體硬組織的修復(fù) 能與生物體內(nèi)的骨組織發(fā)生化學(xué)結(jié)合 從而開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的生物醫(yī)用材料研究領(lǐng)域 生物活性材料 24 xx CompanyLogo 1972年 Aoki和Jarcho成功燒結(jié)了羥基磷灰石 制得了羥基磷灰石陶瓷 并在隨后的幾年中發(fā)現(xiàn) 燒結(jié)羥基磷灰石具有良好的生物活性 從此開始了生物活性陶瓷發(fā)展的新紀(jì)元 1973年 Driskell等報(bào)道了 Ca3 PO4 2多孔陶瓷植入生物體后 能被迅速吸收 并發(fā)生了骨置換 稱之為可吸收陶瓷 Absorbableceramics 即生物可降解陶瓷 1976 1981年 Jarcho Hench Groot Daculsi Osborn等研究證明鈣磷基骨替換材料不僅具有良好的生物相容性 而且具有骨傳導(dǎo)性能 可與宿主骨直接形成骨鍵合 導(dǎo)致骨替換材料和骨之間的緊密結(jié)合 25 xx CompanyLogo 生物活性陶瓷在生物體內(nèi)與周圍組織甚至軟骨組織形成較強(qiáng)的化學(xué)鍵 用于骨組織修復(fù) 70年代 Hench教授提出 生物活性 的概念 從而開創(chuàng)了一個(gè)嶄新的生物醫(yī)用料研究領(lǐng)域 生物活性材料 也改變了 任何人造植入體在人體內(nèi)都將引發(fā)異體反應(yīng)并在界面形成非黏附性疤痕組織 的觀點(diǎn)HenchLL JBiomedMaterRes1971 36 117 141 生物活性 材料是一種在材料與組織界面誘發(fā)特異性化學(xué)反應(yīng)并形成材料 組織牢固鍵合的材料HenchLL AnnalsofNewYorkAcadSci NewYork 1988 523 54 65 26 xx CompanyLogo A生物活性陶瓷 鈣 磷生物陶瓷 HAP是人體骨和牙齒的重要組成部分 人骨成份中HAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為65 人的牙齒釉質(zhì)中HAP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)剛在95 以上 具有優(yōu)秀的生物相容性 羥基磷灰石 hydroxyapatite 簡(jiǎn)稱HAP 分子式是Ca10 PO4 6 OH 2體積質(zhì)量為3 16g cm3 性脆微溶于水 水溶液呈弱堿性pH 7 9 易溶于酸 難溶于堿HAP是強(qiáng)離子交換劑 27 xx CompanyLogo 濕法制備羥基磷灰石 28 xx 羥基磷灰石的XRD圖譜 羥基磷灰石TEM圖譜 29 xx CompanyLogo HAP生物陶瓷的脆性大 在生理環(huán)境中抗疲勞性能差 不用于人體承力部位的修復(fù) 羥基磷灰石陶瓷的部分力學(xué)性能 30 xx CompanyLogo 骨的功能與其構(gòu)型密切相關(guān) 骨最顯著的特性是能夠沿著機(jī)械應(yīng)力線產(chǎn)生新骨進(jìn)行自身修復(fù)和調(diào)整 這些性質(zhì)決定了活體骨是一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料 能夠使健康骨保持高抗疲勞強(qiáng)度 因此骨缺損只發(fā)生在一些極端條件下或發(fā)生在體內(nèi)某種代謝紊亂造成不健康骨存在的部位 對(duì)天然骨材料的力學(xué)性能的研究進(jìn)行得比較有限 因?yàn)橐话愎墙Y(jié)構(gòu)和長(zhǎng)骨的小梁結(jié)構(gòu)使骨在對(duì)應(yīng)力的行為方面表現(xiàn)為一種各向異性材料 因此各種有關(guān)機(jī)械應(yīng)力值的報(bào)道都不同 取決于各自的加載方法 其他影響骨樣品上機(jī)械應(yīng)力計(jì)算的因素包括試驗(yàn)條件 試樣的新鮮程度和被采樣的個(gè)體年齡 骨的力學(xué)性能 31 xx CompanyLogo 人工骨結(jié)構(gòu)圖 32 xx CompanyLogo 骨的力學(xué)性能 33 xx CompanyLogo 多孔HAP陶瓷 人體的骨組織就是一種多孔的組織 以適應(yīng)一定范圍內(nèi)應(yīng)力的變化 多孔HAP的設(shè)計(jì)就是出于模擬人體骨組織結(jié)構(gòu)的想法 對(duì)于多孔生物陶瓷種植體 決定骨長(zhǎng)入方式和數(shù)量的因素有 孔徑 孔隙率及孔內(nèi)部的連通性 34 xx CompanyLogo 孔隙的大小應(yīng)當(dāng)滿足骨單位和骨細(xì)胞生長(zhǎng)所需的空間 孔尺寸大于200 m 是骨傳導(dǎo)的基本要求 200 400 m最有利于新骨生長(zhǎng) 多孔HAP陶瓷 當(dāng)孔隙率超過(guò)30 后 孔隙可以相互連通 新骨組織可以從人工骨表面長(zhǎng)入內(nèi)部貫通性孔隙 孔隙率越高 越有利于新骨的長(zhǎng)入 為滿足臨床應(yīng)用對(duì)力學(xué)性能的要求 一般種植體孔隙率在45 55 35 xx CompanyLogo HAP陶瓷與骨鍵合的機(jī)制 隨著礦化的進(jìn)行 無(wú)定形帶縮小至0 05 0 2 m HAP植入體和骨的鍵合就是通過(guò)這個(gè)這個(gè)很窄的鍵合帶實(shí)現(xiàn)的 HAP陶瓷植入骨內(nèi)后由成骨細(xì)胞在其表面直接分化形成骨基質(zhì) 產(chǎn)生一個(gè)寬為3 5 m的無(wú)定形的電子密度帶 膠原纖維束長(zhǎng)入此區(qū)域和細(xì)胞之間 骨鹽結(jié)晶在這個(gè)無(wú)定形帶中發(fā)生 HAP陶瓷與骨形成鍵合的表現(xiàn) 在光學(xué)顯微鏡下 新骨和HAP植入體在界面上無(wú)直接接觸 其間無(wú)纖維組織存在 HAP植入體和骨界面的結(jié)合強(qiáng)度等于甚至超過(guò)植入體或骨自身的結(jié)合強(qiáng)度 36 xx CompanyLogo 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(shù) HAP生物陶瓷聽小骨置換假體 37 xx CompanyLogo 3 可吸收生物陶瓷 可吸收生物陶瓷在生物體內(nèi) 被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外 最終使缺損的部位完全被新生的骨組織取代 主要以 磷酸三鈣 TCP 及硫酸鈣生物陶瓷為代表 38 xx CompanyLogo TCP 在生理環(huán)境下 致密的 TCP可保持穩(wěn)定 而多孔形的 TCP則發(fā)生生物降解和吸收 并被新骨逐步取代 TCP具有較好的生物相容性 植入體內(nèi)后血液中的鈣磷比保持正常 無(wú)明顯毒性反應(yīng)和副作用 39 xx CompanyLogo TCP 控制 TCP的微觀結(jié)構(gòu)及組成 可制備出不同降解速率的材料 如 隨表面積增大 材料結(jié)晶度降低 晶體結(jié)晶完整性下降 晶粒減小 以及被CO32 F Mg2 等離子取代而使降解加快 可吸收生物陶瓷的降解和吸收除受上述因素影響外 還受宿主的人體差異 植入部位等影響 要實(shí)現(xiàn)可吸收生物陶瓷的降解吸收與新骨替換同步進(jìn)行是相當(dāng)困難的 常出現(xiàn)溶解速度與新骨生長(zhǎng)速度不匹配 導(dǎo)致局部塌陷 40 xx CompanyLogo 可吸收生物陶瓷植入體后的降解過(guò)程 材料先被體液溶解和組織吸收 解體成小顆粒 然后這些小顆粒不斷被吞噬細(xì)胞所吞噬 具體機(jī)制 A生物化學(xué)溶解是一種體液介導(dǎo)過(guò)程 溶解速率決定于多種因素 包括周圍體液成份和pH值 材料的比表面積 材料的相組成和結(jié)構(gòu) 材料的結(jié)晶度和雜質(zhì)的種類及含量以及材料的溶度積等 B物理解體體液侵入陶瓷 導(dǎo)致燒結(jié)不完全而殘留的微孔 使連接晶粒的 細(xì)頸 溶解 從而解體為微粒的過(guò)程 C生物因素主要是細(xì)胞介導(dǎo)過(guò)程 如吞噬或遷移被解體的陶瓷微粒 41 xx CompanyLogo 雙相生物陶瓷材料 羥基磷灰石陶瓷材料有著優(yōu)良的生物相容性 能較快的引導(dǎo)骨再生 不通過(guò)中間介質(zhì)直接與骨鍵合 然而由于燒結(jié)后的羥基磷灰石晶體結(jié)晶度提高 所以在體內(nèi)很難降解 TCP比HAP有著更好的溶解性和降解性 但研究表明 TCP降解速度太快 不能形成良好的骨鍵合 且過(guò)快的降解速度不利于體內(nèi)生物組織在材料上的附著 不利于誘導(dǎo)成骨 混合不同比例的 TCP和HAP 可得到雙相生物陶瓷材料 通過(guò)調(diào)節(jié)兩都之間的比例 有望實(shí)現(xiàn)材料在體內(nèi)的的降解速度與骨細(xì)胞生長(zhǎng)速度相匹配的問題 42 xx CompanyLogo 前沿進(jìn)展 雙相復(fù)合生物陶瓷材料 NiSY LinKL Chang LeeC CaSiO3 Ca3 PO4 2compositematerialsforhardtissuerepair invitrostudies JournalofBiomedicalMaterialsResearch PartA2008 85A 72 82 CaSiO3 TCP 7 3 5 5 3 7 不同復(fù)合比例的鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷的SEM圖 43 xx CompanyLogo 前沿進(jìn)展 NiSY LinKL Chang LeeC CaSiO3 Ca3 PO4 2compositematerialsforhardtissuerepair invitrostudies JournalofBiomedicalMaterialsResearch PartA2008 85A 72 82 燒結(jié)條件對(duì)鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷性能的影響 44 xx CompanyLogo 前沿進(jìn)展 不同比例及不同煅燒溫度下鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷在Tris HCl中的降解性 45 xx CompanyLogo 前沿進(jìn)展 不同比例的鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷在SBF中浸泡1天材料表面SEM圖 CaSiO3 7 3 5 5 3 7 TCP 46 xx CompanyLogo 前沿進(jìn)展 成骨細(xì)胞在不同比例的鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷表面的增殖 成骨細(xì)胞在不同比例的鈣 硅 磷復(fù)合陶瓷表面培養(yǎng)3 7天后ALP活性 47 xx CompanyLogo 鈣磷生物陶瓷的骨誘導(dǎo)性 骨誘導(dǎo)性 1965年Urist成功地用脫鈣骨 DMB 在肌肉內(nèi)誘發(fā)異位成骨并預(yù)言在DMB中含有一種特殊的蛋白 能誘導(dǎo)新骨形成 1982年從牛骨中提取了具有能誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)能力的活性蛋白 骨形態(tài)發(fā)生蛋白 Bonemorphogeneticprotein BMP 闡述了骨修復(fù)的新概念 誘導(dǎo)成骨 材料誘導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞直接分化為骨母細(xì)胞 成軟骨細(xì)胞或成骨細(xì)胞 最后形成骨組織的現(xiàn)象 并提出發(fā)生骨誘導(dǎo)必須具有三個(gè)條件 1 存在可分化為成骨細(xì)胞的間充質(zhì)細(xì)胞 即靶細(xì)胞 2 存在引導(dǎo)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞分化的生物化學(xué)信號(hào) 如骨生長(zhǎng)因子 3 適當(dāng)?shù)某晒黔h(huán)境 48 xx CompanyLogo 鈣磷生物陶瓷可傳導(dǎo)骨生長(zhǎng) 即具有骨傳導(dǎo)性 但是否可具有骨誘導(dǎo)性一直是爭(zhēng)論的問題1911年Wells在ArchivesofInternalMedicine一書中提出磷酸鈣鹽有可能對(duì)新骨的發(fā)生有誘導(dǎo)作用Piecuch研究了珊瑚轉(zhuǎn)化的羥基磷灰石植入犬的腋下的皮下 8個(gè)星期后組織學(xué)觀察 未見新骨生成Misiek等報(bào)告了光滑和粗糙的致密羥基磷灰石植入犬的口腔軟組織中 6個(gè)月后觀察到植入體被纖維組織包裹 而沒有骨組織生成1988年Heughebeart等研究發(fā)現(xiàn) 磷酸鈣陶瓷植入動(dòng)物非骨部位后 其表面形成骨樣沉積物Yamaxhaki發(fā)現(xiàn) 多孔羥基磷灰石顆粒具有骨誘導(dǎo)能力 致密體則沒有 49 xx CompanyLogo 四川大學(xué)的張興棟于1991年報(bào)道了多孔磷酸鈣生物陶瓷植入動(dòng)物的肌肉后2個(gè)月 組織學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)新骨的形成 他認(rèn)為 骨誘導(dǎo)與動(dòng)物的種類 植入時(shí)間的長(zhǎng)短及材料學(xué)因素等有關(guān) TCP只有骨傳導(dǎo)性而沒有骨誘導(dǎo)性 降解速度較快 HA則具有骨誘導(dǎo)性 降解速度較慢 因此他認(rèn)為 TCP HAP的復(fù)合材料是一種較理想的生物降解材料Yuan則認(rèn)為 TCP具有骨誘導(dǎo)性 另有一些學(xué)者則認(rèn)為HAP和 TCP都沒有骨誘導(dǎo)性 骨誘導(dǎo)性來(lái)源于BMP 對(duì)這些相互矛盾的觀點(diǎn)有待就其機(jī)理進(jìn)行深入研究不管鈣磷材料本身是否具有骨誘導(dǎo)性 其作為基體材料對(duì)于信號(hào)分子作用的有效發(fā)揮具有舉足輕重的影響 50 xx CompanyLogo 2 生物活性陶瓷 鈣 硅陶瓷 硅作為動(dòng)物和人體結(jié)締組織中的一種微量元素 在幼骨發(fā)育階段 硅在的新骨鈣化區(qū)產(chǎn)生 富集 并協(xié)同鈣促進(jìn)骨組織的早期鈣化如果通過(guò)飲食控制硅的攝入量 新生骨發(fā)生畸變 LeGerosRZ Science1970 167 279 280Nature1972 239 333 334 51 xx CompanyLogo 鈣 磷 鈣 硅基生物活性材料主要差異 HA TCP HA TCP CPC 材料在生理溶液內(nèi)誘導(dǎo)CHA的能力差 生物活性不理想CaO SiO2 MOn M P Na K Mg Ti Al A W CaSiO3 材料在生理溶液誘導(dǎo)CHA的能力強(qiáng) 生物活性優(yōu)良材料 組織之間發(fā)生鍵合存在差異 鍵合時(shí)間鍵合強(qiáng)度鍵合層厚度 HA陶瓷 組織界面 A W陶瓷 組織界面 52 xx CompanyLogo 主要有磷酸鈣 CaSiO3 Ca2SiO4 是近年來(lái)開發(fā)的新型的生物材料 Ca Si Mg系列鎂黃長(zhǎng)石 Ca2MgSi2O7 白硅鈣石 Ca7MgSi4O16 透輝石 CaMgSi2O6 Ca Si Zn系列鋅黃長(zhǎng)石 Ca2ZnSi2O7 53 xx CompanyLogo 1 大孔可吸收生物陶瓷 生物陶瓷的發(fā)展方向 2 生物活性可復(fù)合陶瓷 3 金屬表面梯度活性陶瓷涂層 4 骨組織工程 54 xx CompanyLogo 多孔生物陶瓷制備工藝的比較 55 xx CompanyLogo a 有機(jī)泡沫浸漬工藝 b 甲基纖維素造孔 c 蔗糖造孔 d 聚乙烯微球造孔 e 雙氧水發(fā)泡工藝 f 溶膠 凝膠工藝 g 快速自動(dòng)成型工藝 56 xx CompanyLogo 有機(jī)泡沫模板 涂覆體 多孔陶瓷 陶瓷漿料涂覆 排除有機(jī)泡沫 干燥 煅燒 漿料浸漬法 前沿進(jìn)展 57 xx CompanyLogo 100 m 海綿模板 多孔支架外觀 58 xx CompanyLogo CaSiO3 a CaSiO3 表面 截面 200 m 59 xx CompanyLogo CaSiO3 a CaSiO3 Ca P 1 65 Ca P 1 63 60 xx CompanyLogo 仿生納米組織工程支架 61 xx CompanyLogo 第三節(jié)生物玻璃 生物玻璃是經(jīng)特別設(shè)計(jì)的化學(xué)組成可誘發(fā)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勻 將粉末在高溫爐內(nèi)熔化 再將熔化的玻璃澆注成型 板 條 塊等形狀 然后在適當(dāng)溫度進(jìn)行退火處理 消除應(yīng)力 即可得到玻璃 如將某些玻璃在適當(dāng)?shù)母邷剡M(jìn)行晶化處理 則玻璃中可析出大量微小晶體 一般小于1nm 這樣的玻璃稱為微晶玻璃 結(jié)晶化玻璃或玻璃陶瓷 玻璃相與結(jié)晶相共存 62 xx CompanyLogo 生物活性玻璃 特點(diǎn) 生物活性優(yōu)良可降解可促進(jìn)細(xì)胞增殖和基因表達(dá) 唯一能與硬組織和軟組織發(fā)生鍵合的材料 63 xx CompanyLogo 生物活性玻璃組成 CaO SiO2 P2O5 Na2O K Mg Zn B F 結(jié)構(gòu) 主要是Si O四面體和P O四面體形成網(wǎng)絡(luò)框架 一 二價(jià)離子嵌于網(wǎng)絡(luò)之間 三 四 五價(jià)離子可能嵌于網(wǎng)絡(luò)之間 也可能參于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 二維生物活性玻璃結(jié)構(gòu)圖 64 xx CompanyLogo 生物活性玻璃制備方法 熔融法 致密 活性依賴于組成 溶膠凝膠法 多孔 活性高 活性與降解性由組成與結(jié)構(gòu)共同決定 65 前沿進(jìn)展 玻璃組分 Na2O MgO ZnO TiO2摻雜對(duì)58S生物活性玻璃性能的影響 66 CompanyLogo Na2O MgO ZnO TiO2摻雜對(duì)58S生物活性玻璃性能的影響 玻璃粉體制備工藝 67 玻璃玻璃陶瓷 玻璃 玻璃陶瓷物相組成 68 摻雜玻璃和玻璃陶瓷的孔隙率與強(qiáng)度 孔隙率強(qiáng)度 69 摻雜玻璃在Ringer溶液中的降解 70 58S生物玻璃在SBF中HA的沉積 1天 3天 3天 Ca p 1 72 71 1天 3天 58S1天 58S6N玻璃在SBF中HA的沉積 72 3天 5天 58S6M玻璃在SBF中HA的沉積 73 58S6Z玻璃在SBF中HA的沉積 5天 7天 74 3天 5天 58S6T玻璃在SBF中HA的沉積 75 討論 Na取代Ca 76 討論 Na取代Ca 77 討論 Mg取代Ca 78 討論 Zn取代Ca 79 討論 Ti取代Ca 80 結(jié)論 采用溶膠凝膠法制備的生物玻璃具有良好的生物活性和降解性 其生物活性和降解性主要由其Si O網(wǎng)絡(luò)決定Na Mg Zn Ti的摻入可對(duì)玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整 從而調(diào)節(jié)和控制生物玻璃的性能 其中Zn的作用要大于Mg與Ti 81 xx CompanyLogo JBiomedMaterRes200158A 82 xx CompanyLogo 常見的生物玻璃和微晶玻璃 1970年 美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)Hench教授 45S5生物玻璃 成份 SiO2 45 Na2O 24 5 CaO 24 5 P2O5 6 一 基于Bioglass 的生物活性玻璃系統(tǒng) 二 基于Cerabone A Wt生物活性微晶玻璃系統(tǒng) 1982年 日本京都大學(xué)小久保教授研制備A W玻璃 成份 SiO2 34 2 CaO 44 9 P2O5 16 3 MgO 4 6 CaF2 0 5 83 xx CompanyLogo 生物活性玻璃 生物活性 材料是一種在材料與組織界面誘發(fā)特異性化學(xué)反應(yīng)并形成材料 組織牢固鍵合的材料HenchLL AnnalsofNewYorkAcadSci NewYork 1988 523 54 65 84 xx CompanyLogo 生物活性玻璃的活性機(jī)制 1 玻璃中Na 與K 等與溶液中的H 以及H2O 迅速交換 2 Si O Si鍵被溶解打斷 在界面處形成Si OH 3 Si OH的聚合反應(yīng)在玻璃表面形成一富Si O的多孔的膠體層 4 來(lái)源于玻璃或溶液中的Ca2 和PO43 在富SiO2膠體層上聚集形成CaO P2O5無(wú)定形相層 5 隨著OH CO32 HPO42 從溶液中引進(jìn) CaO P2O5無(wú)定形相層轉(zhuǎn)變成羥基磷灰石 6 HCA層內(nèi)生物部分的吸附 85 xx CompanyLogo 生物活性玻璃的活性機(jī)制 8 成骨細(xì)胞的源細(xì)胞附著 9 成骨細(xì)胞分化增殖 10 基質(zhì)產(chǎn)生 11 基質(zhì)晶化和骨生長(zhǎng) 12 成骨 7 小噬細(xì)胞反應(yīng) 86 xx CompanyLogo 生物活性評(píng)價(jià) 生物活性 材料是一種在材料與組織界面誘發(fā)特異性化學(xué)反應(yīng)并形成材料 組織牢固鍵合的材料HenchLL AnnalsofNewYorkAcadSci NewYork 1988 523 54 65 評(píng)價(jià) 體外誘導(dǎo)羥基磷灰石沉積能力 材料 87 xx CompanyLogo 小結(jié)與回顧 1 了解醫(yī)用陶瓷材料的特性與要求2 掌握常用醫(yī)用陶瓷材料類型及其分類 組成 特性 生物相容性和臨床應(yīng)用3 掌握生物活性的概念4 了解常用生物玻璃材料的特性5 了解醫(yī)用陶瓷材料的研究進(jìn)展及其發(fā)展趨勢(shì) 88