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生物陶瓷材料

作者:千亿体育    更新时间:2020-10-17 09:44

  生物陶瓷材料_材料科学_工程科技_专业资料。第三节 生物陶瓷材料 3.1 定义 ? 生物陶瓷材料一般是指与人体相关的陶瓷 (种植类陶瓷)材料,即通过植入人体或 与人体组织直接接触,使机体功能得到恢 复或增强的陶瓷材料 多孔管 制成高

  第三节 生物陶瓷材料 3.1 定义 ? 生物陶瓷材料一般是指与人体相关的陶瓷 (种植类陶瓷)材料,即通过植入人体或 与人体组织直接接触,使机体功能得到恢 复或增强的陶瓷材料 多孔管 制成高致密的细晶陶瓷 镭球,镭陶瓷球,温浴球, 3.1.1 两个基本概念: (1)生物惰性 主要指材料在植入人体后,长时间不 发生物理、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。 氧化铝粉 氧化锆珠 (2)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。 3.2 氧化铝陶瓷 ? 1932年开始临床应用 ? 1963年氧化铝陶瓷人工骨 合 金 和 氧 化 铝 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 氧化铝牙 氧化铝陶瓷球 ? 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 3.3 氧化铝陶瓷的组成、制备工艺 3.3.1 氧化铝陶瓷组成 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。 3.3.2 陶瓷的一般制备工艺 加 粘 结 剂 形 成 配 料 原 料 加 工 ( 粉 碎 ) 混 合 后 静 压 成 坯 料 预 烧 烧 结 形 成 陶 瓷 —— 3.3.3 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。 (1)颗粒在烧结过程中的外形变化: (2)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 (3)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 (4)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 (5)Al2O3生物陶瓷制备工艺 ① 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。 ② 高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程如下: (6) 氧化铝陶瓷的特点 ? 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 ? 氧化铝生物陶瓷的纯度在99.7%以上。 3.4 新型生物陶瓷材料-单晶生物陶瓷 3.4.1 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。 单分散超细单晶a-氧化铝粉体. 氧化铝单晶制品 3.4.2 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,成本低 3.5 氧化物陶瓷 3.5.1 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。 3.5.2 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。 二 氧 化 锆 电 脑 全 瓷 冠 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。 二 氧 化 锆 全 瓷 冠 桥 修 复 氧化锆牙 3.5.3 氧化锆的制作 3.6 非氧化物陶瓷 ? 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。 3.7 羟基磷灰石陶瓷 ? 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 3.7.1 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。 湿法制备HA装置图: Ca/P随pH值的变化情况 镜下观察 (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1000-1300?C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. 此法适合制备完整的HA单晶 3.7.2 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) 结 等静压/热压成型 成品修饰 产品 修边 烧 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; 也可将HA浆料注入多孔泡沫塑料,然后烧结制成多 孔材料 3.7.3 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。 ? 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; F的加入,改善HA的韧性,形成可切削陶瓷。但 作为骨组织替代物,F含量过高会影响骨组织的再 生和一定抗压强度的维持。 3.7.4 羟基磷灰石的应用 可应用于骨缺损的填充修补(或替换),例 如:鼻梁骨、颌骨替换;软骨、承力骨缺损(骨 结核、骨瘤病灶的切除)的填充;承力骨(胫骨) 的替换;义眼球、人工听骨等;或者作为活性物 质喷涂在其它材料表面。 一般地,多孔HA或粉末:强度低,适合做填充或药 物载体;多孔、质轻,适合做义眼球; 致密HA或空隙较少:承力骨的修复和替代 3.8 多孔生物陶瓷 生物活性磷酸钙陶瓷人工骨 ? 多空球型填料,悬浮生物填料 ? 过滤陶瓷,水处理陶瓷,多空陶瓷. 制备方法: ? 有机泡沫浸渍法 ? 添加造孔剂法 ? 盐析法 ? 化学发泡法 ? 颗粒堆积形成气体结构 ? 原位替代法 参考文献:石淑先主编. 生物材料制备与加工. 化学工业出 版社, P384-389

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