生物陶瓷

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生物硬組織代用材料有體骨、動物骨,後來發展到採用不鏽鋼和塑料,由於這些生物材料在生物體中使用,不鏽鋼存在溶析、腐蝕和疲勞問題,塑料存在穩定性差和強度低的問題。目前世界各國相繼發展了生物陶瓷材料,它不僅具有不鏽鋼塑料所具有的特性,而且具有親水性、能與細胞等生物組織表現出良好的親和性。因此生物陶瓷具有廣闊的發展前景。生物陶瓷除用於測量、診斷治療等外,主要是用作生物硬組織的代用材料。可用於骨科整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科耳鼻喉科普通外科等方面。

生物陶瓷作為硬組織的代用材料來說,主要分為生物惰性和生物活性兩大類。

1、生物惰性陶瓷材料

生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定,生物相溶性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結構都比較穩定,分子中的鍵力較強,而且都具有較高的機械強度,耐磨性以及化學穩定性,它主要有氧化鋁陶瓷、單晶陶瓷、氧化鋯陶瓷、玻璃陶瓷等。

2、生物活性陶瓷材料

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,生物組織可長入並同其表面發生牢固的鍵合;生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收,在生物體內能誘發新生骨的生長。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸鈣系),羥基磷灰和陶瓷,磷酸三鈣陶瓷等幾種。

1、 玻璃生物陶瓷

玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。

1、玻璃陶瓷的生產工藝過程為:

配料製備→配料熔融→成型→加工→晶化熱處理→再加工

玻璃陶瓷生產過程的關鍵在晶化熱處理階段:第一階段為成核階段,第二階段為晶核生長階段,這兩個階段有密切的聯繫,在A階段必須充分成核,在B階段控制晶核的成長。玻璃陶瓷的析晶過程由三個因素決定。第一個因素為晶核形成速度;第二個因素為晶體生長速度;第三個因素為玻璃的粘度。這三個因素都與溫度有關。玻璃陶瓷的結晶速度不宜過小,也不宜過大,有利於對析晶過程進行控制。為了促進成核,一般要加入成核劑。一種成核劑為貴金屬如金、銀、鉑電漿,但價格較貴,另一種是普通的成核劑,有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物硫化物等。

2、玻璃陶瓷的結構與性能及臨床應用

玻璃陶瓷是由結晶相和玻璃相組成的,無氣孔,不同於玻璃,也不同於陶瓷。其結晶相含量一般為50%-90%,玻璃相含量一般為5%-50%,結晶相細小,一般小於1-2/μm,且分布均勻。因此,玻璃陶瓷一般具有機械強度高,熱性能好,耐酸、鹼性強等特點。國內外就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系統玻璃陶瓷,Li2O-Al2O3-SiO2系統玻璃陶瓷,SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系統玻璃陶瓷等進行了生物臨床應用。發現它們具有良好的生物相溶性,沒有異物反應。此外生物硬組織代用材料還有碳質材料,二氧化鈦陶瓷,二氧化鋯陶瓷材料等多種。

2、 單晶生物陶瓷

單晶生物陶瓷是一種新型的生物陶瓷材料,屬氧化鋁單晶。氧化鋁單晶也稱寶石,添加劑不同,製得單晶材料顏色不同,如紅寶石、藍寶石等。氧化鋁單晶有許多特性,如機械強度、硬度、耐腐蝕性都優於多晶氧化鋁陶瓷,其生物相溶性、安定性、耐磨性也優於多晶氧化鋁陶瓷。

1、氧化鋁單晶的生產工藝

氧化鋁單晶的生產工藝有提拉法、導模法、氣相化學沉積生長法、焰熔法等。

a. 提拉法

即是把原料裝入坩堝內,將坩堝置於單晶爐內,加熱使原料完全熔化,把裝在籽晶桿上的籽晶浸漬到熔體中與液面接觸,精密地控制和調整溫度,緩緩地向上提拉籽晶桿,並以一定的速度旋轉,使結晶過程在固液界面上連續地進行,直到晶體生長達到預定長度為止。提拉籽晶桿的速度1.0-4mm/min 坩堝的轉速為10r/min,籽晶桿的轉速為25r/min

b. 導模法

簡稱EFG法。在擬定生長的單晶物質熔體中,放頂面下所擬生長的晶體截面形狀相同的空心模子即導模,模子用材料應能使熔體充分潤濕,而又不發生反應。由於毛細管的現象,熔體上升,到模子的頂端面形成一層薄的熔體面。將晶種浸漬到基中,便可提拉出截面與模子頂端截面形狀相同的晶體。

c. 氣相化學沉積生長法

將金屬的氫氧化物、鹵化物或金屬有機物蒸發成氣相,或用適當的氣體做載體,輸送到使其凝聚的較低溫度帶內,通過化學反應,在一定的襯底上沉積形成薄膜晶體。

d. 焰熔法

將原料裝在料斗內,下降通過倒裝的氫氧焰噴嘴,將其熔化後沉積在保溫爐內的耐火材料托柱上,形成一層熔化層,邊下降托柱邊進行結晶。用這種方法晶體生長速度快、工藝較簡單,不需要昂貴的銥金坩堝和容器,因此較經濟。

e. 單晶氧化鋁臨床應用。

它用作人工關節柄與氧化鋁多晶陶瓷相比具有比較高的機械強度,不易折斷。它還可以作為損傷骨的固定材料,主要用於製作人工骨螺釘,比用金屬材料製成的人工骨螺釘強度高。可以加工成各種齒用的尺寸小、強度大的牙根,由於氧化鋁單晶與人體蛋白質有良好的親合性能,結合力強,因此有利於牙齦粘膜與異齒材料的附著。

3、 羥基磷灰石生物陶瓷

1、羥基磷灰石陶瓷的製造工藝

a. 固相反應法

這種方法與普通陶瓷的製造方法基本相同,根據配方將原料磨細混合,在高溫下進行合成:

1000-1300℃

6CaHPO4.2H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O

b.水熱反應法

將CaHPO4與CaCO3按6:4摩爾比進行配料,然後進行24h濕法球磨。將球磨好的漿料倒入容器中,加入足夠的蒸餾水,在80-100℃恆溫情況下進行攪拌,反應完畢後,放置沉澱得到白色的羥基磷灰石沉澱物,其反應式如下:

6CaHPO4+4CaCO3═Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O

c. 沉澱反應法

此法用Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4進行反應,得到白色的羥基磷灰石沉澱。其反應如下:

10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3.H2O+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O

此外,還有其它方法可製成羥基磷灰石。

2、羥基磷灰石陶瓷的性能應用

合成的羥基磷灰石的結構與生物骨組織相似,因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca:P≈1.67,密度≈3.14,機械強度大於10MPa,對生物無毒,無刺激,生物相溶性好,不被吸收,能誘發新有的生長。

目前國內外已將羥基磷灰石用牙槽、骨缺損、腦外科手術的修補、填充等,用於製造耳聽骨鏈和整形整容的材料。此外,它還可以製成人工骨核治療骨結核

生物陶瓷專利技術集

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