1、18.7.26,4.3 生物医用陶瓷材料(1)王亚明,18.7.26,生物材料的发展路线,材料选择制备,产品,3.0 生物材料的性能要求,18.7.26,指生物材料具备或完成某种生物功能时应该具有的一系列性能。 根据用途主要分为:承受或传递负载功能。如人造骨骼、关节和牙等，占主导地位控制血液或体液流动功能。如人工瓣膜、血管等电、光、声传导功能。如心脏起博器、人工晶状体、耳蜗等填充功能。如整容手术用填充体等,3.0.1 生物功能性,18.7.26,指生物材料有效和长期在生物体内或体表行使其功能的能力。用于表征生物材料在生物体内与有机体相互作用的生物学行为。 根据材料与生物体接触部位分为：血液相容
2、性。材料用于心血管系统与血液接触，主要考察与血液的相互作用组织相容性。与心血管外的组织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，也称一般生物相容性力学相容性。考察力学性能与生物体的一致性,3.0.2 生物相容性,18.7.26,接触人体各种体液（唾液、淋巴液、血液）时，应有良好的耐蚀性。唾液、血液、间质液都是以Cl、Na+、K+离子为主的电解质溶液，生物材料在这种溶液中应不发生反应、腐蚀和变质。,18.7.26,不会引起凝血，与软硬组织有良好的粘接性，不会产生吸收物和沉淀物。,对于人体组织无刺激性，无毒副作用，无致癌性。,18.7.26,具有必要的强度、耐磨性和耐疲劳性能。如髋关节在静止状态承受体
3、重的二分之一，水平步行时承受的重量为静止时的3.3倍，而跑步时则为4倍以上。此外,每步行一公里大约活动1000次，按照一般的生活情况,每年大约承受1106 3106次重复负荷的作用。,18.7.26,1. 生物体对生物材料的响应宿主反应,A: 血液反应 1、血小板血栓； 2、凝血系统激活； 3、纤溶系统激活； 4、溶血反应； 5、白细胞反应； 6、细胞因子反应； 7、蛋白粘附；,B: 免疫反应 1、补体激活； 2、体液免疫反应（抗原抗体反应）； 3、细胞免疫反应。,C: 组织反应 1、炎症反应； 2、细胞粘附 3、细胞增殖（异常分化） 4、形成蘘膜 5、细胞质的转变,（1）生物学反应,18.7
4、.26,（2）生物体对生物反应的变化,1.急性全身反应 过敏、毒性、溶血、发热、神经麻痹等2. 慢性全身反应 毒性、致畸、免疫、功能障碍等3. 急性局部反应 炎症、血栓、坏死、排异等4. 慢性局部反应 致癌、钙化、炎症、溃疡等,18.7.26,2. 材料在生物体内的响应材料反应,金属腐蚀聚合物降解磨损,生物机体作用于生物材料材料反应，其结果可导致材料结构破坏性质改变丧失其功能。可分为如下三个方面：,18.7.26,（1）金属腐蚀,生物体内的腐蚀性环境：1）含盐的溶液是极好的电解质，促进了电化学腐蚀和水解；2）组织中存在具有催化或迅速破坏外来成分能力的多种分子和细胞。将对生物金属材料产生腐蚀。,
5、18.7.26,对于生物材料而言多为局部腐蚀，具体包括应力腐蚀开裂、点腐蚀、晶间腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等，导致生物材料整体破坏。虽然金属材料在生物体内保持惰性状态，但仍然可能会有物质溶入生物组织中，并对生物体组织产生毒性反应，造成组织的损害。如不锈钢中溶出的Cr6生物组织的毒性。,18.7.26,（2） 聚合物降解,聚合物在长期使用过程中，由于受到氧、热、紫外线、机械、水蒸气、酸碱及微生物等因素作用，逐渐失去弹性，出现裂纹，变硬、变脆或变软、发粘、变色等，从而使它的物理机械性能越来越差的现象。,18.7.26,聚合物老化易形成的碎片、颗粒、小分子量单体物质，因此使用它时必须谨慎，对耐久性器
6、件，必须保持一定强度和其它机械性能，老化产物不能对周围组织有毒害作用。 例如，医用缝合线降解时会产生酸性物质，如果量少，很容易被人体中的化学物质中和，如果老化产物较大，则会对周围组织产生损害。,18.7.26,（3） 磨损,人工关节常用材料为Ti6Al4V，由于表面易氧化生成TiO2，其耐磨性差，植入人体后，磨损造成在关节周围组织形成黑褐色稠物，从而引起疼痛。钛合金人工全髋关节平均寿命一般都低于10年。 目前，大量的人工髋关节是由坚硬的金属或陶瓷的股骨头与超高分子聚乙烯的髋臼杯组合成，然而它的寿命也不超过25年。长期随访资料显示，假体失败的主要原因是超高分子聚乙烯磨损颗粒所造成的界面骨溶解，从
7、而导致假体松动。这种磨损颗粒所导致的异物巨细胞反应，又称颗粒病，是晚期失败的最主要原因。,18.7.26,18.7.26,耳,头盖骨,牙齿,心脏,起博器,骨固定,假关节,血管,脊椎,降解缝合线,颌骨再造,晶状体,PLA聚乳酸PGA聚羟基乙酸PTMC聚三亚甲基碳酸脂PCL聚已内脂PUR聚胺脂ePTFE膨胀聚四弗乙烯UHMWPE超高分子量聚乙烯PET聚对苯二甲酸乙二醇酯HA羟基磷灰石SS不锈钢,承载髋关节,腱和韧带,常用的生物材料,18.7.26,人工骨 人工关节,因疾病或创伤而遭到破坏的骨、关节组织功能，可以通过置换人造假体，如人工关节或人工骨，加以修复和重建。,18.7.26,生物材料,18.
8、7.26,3.1 按生物医用材料替换形式分类,3.1.1 异体移植,3.1.2 自体移植,3.1.3 再生组织/器官,3.1.4 永久性移植,18.7.26,3.1.1异体移植,组织或器官替换（人或动物做为组织或器官的供体）,同种异体移植(Allograft)：组织移植中的受体与供体为同一种类；从一个人体内取得组织植入到另一人体内。人类供体（如肾、肝及心脏）异种移植(Xenograft)动物供体（如猪的动脉瓣膜）,缺点,优点,可完全修复病人丧失的功能,排异反应免疫系统攻击,免疫抑制药物的副作用（如类固醇）,供体源有限,18.7.26,受体,18.7.26,3.1.2 自体移植,在组织移植中供体
9、与受体是同一个人，从一个人的一个位置取得组织再移植至此人的另一个位置,例如：皮肤移植、神经移植等,缺点,优点,可完全修复病人丧失的功能,在切除位置留下外伤/疤痕,无排异反应,自体组织源有限,18.7.26,3.1.3再生组织/器官,在支架装置（合成的或胶原基多孔可吸收材料）上生长的细胞提供再造功能（例如，皮肤和软骨）,缺点,优点,不受供体/自供体组织的限制,完全的器官重建还没有解决,可能引起免疫反应，取决于细胞源,病人受损组织功能的重建,18.7.26,股骨颈骨折股骨头坏死,3.1.4 永久性移植,用合成材料制作的修复装置,18.7.26,当今人工关节的产生,Dr. Peter Ring197
10、0s,Dr. Sir John Charnley1960s,Dr. GK McKee1950s,人工关节之父,18.7.26,股骨柄：CoCr, Ti, 不锈钢,PMMA骨水泥：结合、吸收振动,与骨结合部位金属表面用HAp涂层：诱导骨向内生长(bone ingrowth),股骨头：CoCr, Ti, Al2O3,股骨,金属髋杯衬超高分子量聚乙烯髋杯,18.7.26,优点,缺点,无供体/自体组织的任何限制没有典型修复机制的“排斥”反应,常需要二次植入慢性炎症e.g., PE磨屑免疫反应骨破坏(bone breakdown)力学失效e.g.,骨水泥松动,不能“完全”重建器官的功能e.g., 矫形修
11、复骨髓缺失（origin of blood stem cells)无再生能力可活动范围减小,18.7.26,18.7.26,其它长期副作用应力遮挡（stress-shielding)：骨柄与股骨之间弹性模量不匹配在周围骨上载荷不平衡骨质疏松（骨吸收有沉积）再次断裂的可能性增大,18.7.26,Healthy bone,Osteoporotic bone,18.7.26,很显然，力学性能在材料选择中起关键作用!,生物医用材料所需要的力学性能：,每一种力学参量的测试方法(这里不详述),18.7.26,18.7.26,动脉血管移植(涤沦或膨胀PTFE),牙种植体 (氧化铝),骨固定板(不锈钢，CoC
12、r, Ti),水凝胶或硅胶,18.7.26,18.7.26,对于骨替代材料需满足的力学性能：,刚性(结构支撑，低变形能量损耗)弯曲强度轻质(重量轻，走路时省力)长寿命(高耐久性，疲劳强度),应力屏蔽作用,现有骨替代材料存在问题：,18.7.26,3.2 按生物医用材料上的组织反应分类,生物惰性材料 (Al2O3, ZrO2等),生物活性材料 (HAp等)指材料可与生物组织形成结合，例如与骨组织形成化学键合。,生物降解材料 (TCP, Bioglass等)指材料替换组织后在体内解体，化学副产物可通过新陈代谢作用被分散和吸收。,指材料植入人体后仍维持自身结构并不引起人体免疫反应。,18.7.26,
13、18.7.26,3.2.1 生物惰性材料,1、生物惰性金属材料,特 性： 多数医用金属材料是生物惰性材料。 种 类： 不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外，还有形状记忆合金、贵金 属以及纯金属钽、铌等。 应用范围： 骨和牙等硬组织修复和替换，心血管和软组织修复以及人工器官的制造。 主要问题： 生理环境的腐蚀；金属离子向周围组织扩散；自身性质的退变。,18.7.26,18.7.26,微米晶Ni-Ti在接近室温时就展现形状记忆效应：在低于转变温度进行塑性变形，温度升高，回复到原来形状。,316L不锈钢(Fe-Ni-Cr),晶界处Cr耗尽时则引起腐蚀,用于骨固定板与血管内支架等,Ni-Ti形状记
14、忆合金,应用：牙矫正、动脉血管支架、整形外科植入物等,NiTi自膨胀支架,18.7.26,举例：动脉支架,正常,体液下耐蚀循环载荷(12Hz心脏跳动),18.7.26,18.7.26,不锈钢、钛合金、CoCr合金髋关节,应力屏蔽抗磨损性差,产生问题：,18.7.26,如氧化铝、氧化锆等。与生物机体组织不发生反应，植入生物体内后，容易使机体产生排异现象，在种植体与生物机体之间形成一定厚度的纤维组织。活体组织和种植体之间是不紧密的机械结合。 会产生微小的滑动，会引起植入体的磨损，从而给植体的固定带来影响，最终引起植体的抗疲劳性能降低，甚至松动断裂。,2、生物惰性陶瓷材料,18.7.26,18.7.26,Dental Implants,Dental Fillings,Amalgams, dental composites,18.7.26,18.7.26,膝关节,颌骨,髋关骨,18.7.26,生物惰性高分子材料,
