生物醫(yī)用陶瓷材料學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1生物生物(shngw)醫(yī)用陶瓷材料醫(yī)用陶瓷材料第一頁(yè)，共106頁(yè)。第1頁(yè)/共106頁(yè)第二頁(yè)，共106頁(yè)。人工(rngng)髖關(guān)節(jié)羥磷灰石生物陶瓷人工(rngng)骨全瓷牙圖4-1 幾種常見(jiàn)的生物陶瓷制品第2頁(yè)/共106頁(yè)第三頁(yè)，共106頁(yè)。分類主要特點(diǎn)示例生物惰性陶瓷在生物體內(nèi)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物相容性好，無(wú)組成元素溶出，對(duì)機(jī)體無(wú)刺激氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、碳素材料等生物活性陶瓷表面可與生理環(huán)境反應(yīng)形成阻止材料進(jìn)一步溶解的界面，與人體組織具有良好的化學(xué)親和性生物活性玻璃、玻璃陶瓷、羥基磷灰石、磷酸鈣骨水泥等生物可降解陶瓷暫時(shí)性的骨替代材料，最終通過(guò)體液溶解或被代謝系統(tǒng)排出體外磷酸鈣陶瓷、

2、硫酸鈣陶瓷、可降解生物玻璃等表4-1 陶瓷植入材料(cilio)的分類第3頁(yè)/共106頁(yè)第四頁(yè)，共106頁(yè)。第4頁(yè)/共106頁(yè)第五頁(yè)，共106頁(yè)。第5頁(yè)/共106頁(yè)第六頁(yè)，共106頁(yè)。第6頁(yè)/共106頁(yè)第七頁(yè)，共106頁(yè)?；衔顰(或X)晶格配位數(shù)位置填滿最小值RA/RX其他化合物CsClBCC8全部0.732CslNaClFCC6全部0.414MgO、MnSZnSFCC41/20.225CdS、ZnOAl2O3HCP62/30.414Cr2O3、Fe2O3表4-2 AmXn結(jié)構(gòu)(jigu)第7頁(yè)/共106頁(yè)第八頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-2 螢石(yn sh)的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖4-3 剛玉(gngy)的

3、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)第8頁(yè)/共106頁(yè)第九頁(yè)，共106頁(yè)。模量還與構(gòu)成陶瓷材料的種類、分布比例、氣孔率和加工工藝等因素密切相關(guān)，尤其是陶瓷的工藝過(guò)程對(duì)陶瓷材料的彈性模量有著很重要的影響。第9頁(yè)/共106頁(yè)第十頁(yè)，共106頁(yè)。第10頁(yè)/共106頁(yè)第十一頁(yè)，共106頁(yè)。rCc2第11頁(yè)/共106頁(yè)第十二頁(yè)，共106頁(yè)。材料10級(jí)15級(jí)材料10級(jí)15級(jí)材料10級(jí)15級(jí)滑石11正長(zhǎng)石66熔融氧化鋯11石膏22SiO2玻璃7剛玉912方解石33石英78碳化硅13螢石44黃玉89碳化硼14磷灰石55石榴石10金剛石1015表4-3 莫氏硬度分級(jí)(fn j)第12頁(yè)/共106頁(yè)第十三頁(yè)，共106頁(yè)。第13頁(yè)/共106頁(yè)

4、第十四頁(yè)，共106頁(yè)。第14頁(yè)/共106頁(yè)第十五頁(yè)，共106頁(yè)。第15頁(yè)/共106頁(yè)第十六頁(yè)，共106頁(yè)。第16頁(yè)/共106頁(yè)第十七頁(yè)，共106頁(yè)。第17頁(yè)/共106頁(yè)第十八頁(yè)，共106頁(yè)。第18頁(yè)/共106頁(yè)第十九頁(yè)，共106頁(yè)。性能燒結(jié)羥基磷灰石燒結(jié)-磷酸三鈣皮質(zhì)骨 成分Ca10(OH)2(PO4)4（99.2%）-Ca3(PO4)2(99.7%)物相磷灰石磷鈣礦密度（g/cm3）3.163.071.62.1維氏硬度（HV）600壓縮強(qiáng)度（MPa）5001000460680100230彎曲強(qiáng)度（MPa）11520014015450150楊氏模量（GPa）801102290730斷裂韌性1.

5、0212表4-4 磷酸鈣生物陶瓷的力學(xué)性能第19頁(yè)/共106頁(yè)第二十頁(yè)，共106頁(yè)。第20頁(yè)/共106頁(yè)第二十一頁(yè)，共106頁(yè)。HA生物陶瓷脆性高、抗折強(qiáng)度低,目前(mqin)僅能應(yīng)用于非承載的小型種植體 , 如人工齒根、耳骨、充填骨缺損等,而不能在受載場(chǎng)合下應(yīng)用。第21頁(yè)/共106頁(yè)第二十二頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-4 骨質(zhì)中HA的掃描(somio)電子顯微鏡照片第22頁(yè)/共106頁(yè)第二十三頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-5 HA的晶體結(jié)構(gòu)第23頁(yè)/共106頁(yè)第二十四頁(yè)，共106頁(yè)。第24頁(yè)/共106頁(yè)第二十五頁(yè)，共106頁(yè)。第25頁(yè)/共106頁(yè)第二十六頁(yè)，共106頁(yè)。第26頁(yè)/共106頁(yè)第二十七頁(yè)，共1

6、06頁(yè)。第27頁(yè)/共106頁(yè)第二十八頁(yè)，共106頁(yè)。第28頁(yè)/共106頁(yè)第二十九頁(yè)，共106頁(yè)。第29頁(yè)/共106頁(yè)第三十頁(yè)，共106頁(yè)。四水硝酸鈣磷酸氫二銨檸檬酸混合80下蒸發(fā)200下燃燒750下煅燒HA粉末圖4-6 一種自蔓延(mn yn)高溫合成法制備HA的工藝流程圖第30頁(yè)/共106頁(yè)第三十一頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-7 （a）涂覆HA涂層(t cn)的股骨柄；（b）近部涂覆HA涂層(t cn)的骨柄第31頁(yè)/共106頁(yè)第三十二頁(yè)，共106頁(yè)。第32頁(yè)/共106頁(yè)第三十三頁(yè)，共106頁(yè)。第33頁(yè)/共106頁(yè)第三十四頁(yè)，共106頁(yè)。第34頁(yè)/共106頁(yè)第三十五頁(yè)，共106頁(yè)。第35頁(yè)/共10

7、6頁(yè)第三十六頁(yè)，共106頁(yè)。第36頁(yè)/共106頁(yè)第三十七頁(yè)，共106頁(yè)。第37頁(yè)/共106頁(yè)第三十八頁(yè)，共106頁(yè)?？箟簭?qiáng)度撓曲強(qiáng)度扭曲強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度彈性模量（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）（MPa）HA致密體3085096111350761174400088000致密人骨8916416018050688911415800人牙釉質(zhì)38410.382400人牙本質(zhì)29551.718200表4-5 羥基磷灰石和人體(rnt)硬組織機(jī)械性能對(duì)照第38頁(yè)/共106頁(yè)第三十九頁(yè)，共106頁(yè)。第39頁(yè)/共106頁(yè)第四十頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-8 人體骨組織的SEM照片（a）致密骨的拋光橫截面；（b）致

8、密骨縱截面中能看到相互連通(lintng)的孔道第40頁(yè)/共106頁(yè)第四十一頁(yè)，共106頁(yè)。第41頁(yè)/共106頁(yè)第四十二頁(yè)，共106頁(yè)。第42頁(yè)/共106頁(yè)第四十三頁(yè)，共106頁(yè)。第43頁(yè)/共106頁(yè)第四十四頁(yè)，共106頁(yè)。第44頁(yè)/共106頁(yè)第四十五頁(yè)，共106頁(yè)。第45頁(yè)/共106頁(yè)第四十六頁(yè)，共106頁(yè)。第46頁(yè)/共106頁(yè)第四十七頁(yè)，共106頁(yè)。第47頁(yè)/共106頁(yè)第四十八頁(yè)，共106頁(yè)。第48頁(yè)/共106頁(yè)第四十九頁(yè)，共106頁(yè)。第49頁(yè)/共106頁(yè)第五十頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-9 多孔-TCP材料植入大白兔股骨(gg)缺損區(qū)組織學(xué)觀測(cè)結(jié)果(a) 植入4周（b）植入8周(c) 植入12

9、周（d）植入24周第50頁(yè)/共106頁(yè)第五十一頁(yè)，共106頁(yè)。第51頁(yè)/共106頁(yè)第五十二頁(yè)，共106頁(yè)。第52頁(yè)/共106頁(yè)第五十三頁(yè)，共106頁(yè)。第53頁(yè)/共106頁(yè)第五十四頁(yè)，共106頁(yè)。生物材料SiO2P2O5CaOCaF2MgONa2OK2OAl2O3相組成（%）45S545.06.024.524.5玻璃Ceravital4050105030352.55.05100.53磷灰石+玻璃相Cerabone34.016.244.74.6磷灰石+玻璃相Bioverit195242493051535351233磷灰石+玻璃相A-W34.016.244.70.54.6磷灰石+硅灰石+玻璃相Ilm

10、aplant-Li44.311.231.95.02.84.60.2磷灰石+硅灰石+玻璃相表4-6 生物活性玻璃及玻璃陶瓷的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)(fnsh)）和相組成第54頁(yè)/共106頁(yè)第五十五頁(yè)，共106頁(yè)。 基本結(jié)構(gòu)單元磷氧四面體中有3個(gè)氧原子與相鄰四面體共用，另一氧原子以雙鍵與磷原子相連，該不飽和鍵處于亞穩(wěn)態(tài)，易吸收環(huán)境水轉(zhuǎn)化為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，表面浸潤(rùn)性好。第55頁(yè)/共106頁(yè)第五十六頁(yè)，共106頁(yè)。第56頁(yè)/共106頁(yè)第五十七頁(yè)，共106頁(yè)。第57頁(yè)/共106頁(yè)第五十八頁(yè)，共106頁(yè)。物活性玻璃與骨結(jié)合過(guò)程大致包含11步反應(yīng)，如下所示。其中前5步反應(yīng)并不需要人體組織的參與，可以(ky)發(fā)生在模擬

11、體液、三羥甲基氨基甲烷緩沖液甚至是蒸餾水中；而隨后的反應(yīng)則是細(xì)胞與玻璃的協(xié)同作用。第58頁(yè)/共106頁(yè)第五十九頁(yè)，共106頁(yè)。第59頁(yè)/共106頁(yè)第六十頁(yè)，共106頁(yè)。第60頁(yè)/共106頁(yè)第六十一頁(yè)，共106頁(yè)。含量較高,所以該類生物玻璃接觸水相介質(zhì)如模擬體液時(shí)具有相當(dāng)(xingdng)高的反應(yīng)活性。第61頁(yè)/共106頁(yè)第六十二頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-10 Na2O-CaO-SiO2-P2O5系玻璃(b l)的成分與生物活性的關(guān)系（）45S5Bioglass、（）Ceravital、（）55S4.3 Bioglass 第62頁(yè)/共106頁(yè)第六十三頁(yè)，共106頁(yè)。第63頁(yè)/共106頁(yè)第六十四頁(yè)，共

12、106頁(yè)。第64頁(yè)/共106頁(yè)第六十五頁(yè)，共106頁(yè)。第65頁(yè)/共106頁(yè)第六十六頁(yè)，共106頁(yè)。第66頁(yè)/共106頁(yè)第六十七頁(yè)，共106頁(yè)。第67頁(yè)/共106頁(yè)第六十八頁(yè)，共106頁(yè)。第68頁(yè)/共106頁(yè)第六十九頁(yè)，共106頁(yè)。pH(fshng)較大變動(dòng)，影響周邊細(xì)胞和組織的功能，并有可能影響體內(nèi)的離子平衡。第69頁(yè)/共106頁(yè)第七十頁(yè)，共106頁(yè)。第70頁(yè)/共106頁(yè)第七十一頁(yè)，共106頁(yè)。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以來(lái)，已經(jīng)有超過(guò)2億個(gè)氧化鋁關(guān)節(jié)頭和30萬(wàn)個(gè)氧化鋁髖臼內(nèi)襯用于髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)（THR）。第71頁(yè)/共106頁(yè)第七十二頁(yè)，共106頁(yè)。化學(xué)組成99.9% Al2O3（含有少量MgO雜質(zhì)）密度/(g

13、cm-3)3.97孔隙率0.1%抗彎強(qiáng)度/Mpa500抗壓強(qiáng)度/Mpa4100楊氏模量/Gpa380泊松比0.23熱膨脹系數(shù)/K-1810-6熱導(dǎo)率/(WmK-1)30硬度（HV）/Mpa2000表4-7 醫(yī)用氧化鋁陶瓷的主要(zhyo)性能第72頁(yè)/共106頁(yè)第七十三頁(yè)，共106頁(yè)。第73頁(yè)/共106頁(yè)第七十四頁(yè)，共106頁(yè)。第74頁(yè)/共106頁(yè)第七十五頁(yè)，共106頁(yè)。第75頁(yè)/共106頁(yè)第七十六頁(yè)，共106頁(yè)。高純氧化鋯為白色粉末，密度為5.49g/cm，熔點(diǎn)高達(dá)2715C。單純氧化鋯具有兩種晶體結(jié)構(gòu)，低溫型和高溫型。低溫型屬單斜晶系，在1000C以下穩(wěn)定，到更高的溫度就轉(zhuǎn)變成較致密的四方

14、晶系的高溫形態(tài)。第76頁(yè)/共106頁(yè)第七十七頁(yè)，共106頁(yè)。第77頁(yè)/共106頁(yè)第七十八頁(yè)，共106頁(yè)。第78頁(yè)/共106頁(yè)第七十九頁(yè)，共106頁(yè)。第79頁(yè)/共106頁(yè)第八十頁(yè)，共106頁(yè)。第80頁(yè)/共106頁(yè)第八十一頁(yè)，共106頁(yè)。待解決的問(wèn)題之一。第81頁(yè)/共106頁(yè)第八十二頁(yè)，共106頁(yè)。裂紋表面，從而吸收裂紋擴(kuò)展(kuzhn)的能量。微裂紋增韌在增韌的同時(shí)會(huì)伴隨著強(qiáng)度的降低，因此關(guān)鍵是控制微裂紋的尺寸使之不能超過(guò)材料允許的臨界裂紋尺寸(Critical cracksize)，否則就會(huì)成為宏觀裂紋(Macrocrack)而嚴(yán)重?fù)p害材料的強(qiáng)度。第82頁(yè)/共106頁(yè)第八十三頁(yè)，共106頁(yè)。第

15、83頁(yè)/共106頁(yè)第八十四頁(yè)，共106頁(yè)。第84頁(yè)/共106頁(yè)第八十五頁(yè)，共106頁(yè)。第85頁(yè)/共106頁(yè)第八十六頁(yè)，共106頁(yè)。第86頁(yè)/共106頁(yè)第八十七頁(yè)，共106頁(yè)。第87頁(yè)/共106頁(yè)第八十八頁(yè)，共106頁(yè)。第88頁(yè)/共106頁(yè)第八十九頁(yè)，共106頁(yè)。機(jī)理不但(bdn)可單獨(dú)產(chǎn)生增韌效應(yīng)，亦可與其它機(jī)理相互作用以共同貢獻(xiàn)于增韌目的。比如微裂紋模型、裂紋橋聯(lián)模型可以引發(fā)纖維拔出效應(yīng)；而裂紋偏轉(zhuǎn)則可由微裂紋的吸引誘導(dǎo)發(fā)生。第89頁(yè)/共106頁(yè)第九十頁(yè)，共106頁(yè)。第90頁(yè)/共106頁(yè)第九十一頁(yè)，共106頁(yè)。第91頁(yè)/共106頁(yè)第九十二頁(yè)，共106頁(yè)。骨明顯，甚至可以在某些生物體的軟組織中

16、也可誘導(dǎo)成骨，具有良好(lingho)的生物相容性、骨誘導(dǎo)性和骨傳導(dǎo)性。圖4-10 HA/TCP雙相陶瓷(toc)的SEM照片第92頁(yè)/共106頁(yè)第九十三頁(yè)，共106頁(yè)。第93頁(yè)/共106頁(yè)第九十四頁(yè)，共106頁(yè)。第94頁(yè)/共106頁(yè)第九十五頁(yè)，共106頁(yè)。第95頁(yè)/共106頁(yè)第九十六頁(yè)，共106頁(yè)。料的可塑性改善陶瓷材料的韌性。第96頁(yè)/共106頁(yè)第九十七頁(yè)，共106頁(yè)。第97頁(yè)/共106頁(yè)第九十八頁(yè)，共106頁(yè)。圖4-11 培養(yǎng)11天后成骨細(xì)胞緊緊(jn jn)附著于HA顆粒上第98頁(yè)/共106頁(yè)第九十九頁(yè)，共106頁(yè)。第99頁(yè)/共106頁(yè)第一百頁(yè)，共106頁(yè)。第100頁(yè)/共106頁(yè)第一百零一頁(yè)，共106頁(yè)。想的生物材料，天然生物材料經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的演變