第五章生物功能玻璃.ppt

第五章 生物功能玻璃 5.1 概述 生物功能玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。 生物功能玻璃的研究已达二十多年，现已成为材料学、生物化学以及分子生物学的交叉学科。由于生物玻璃具有人体硬或软生命组织有机联结的特点，在骨科、牙科、中耳等方面，对人体的伤害部位可进行修护治疗以至康复，其前景可观。 用作生物体材料的条件 1、无毒，对人体组织无刺激、无致癌性、不造成血栓、对人体无其它有害的副作用； 2、与生物体组织具有亲和性，即相容性较好； 3、与周围的骨骼及其它组织能够牢固地相结合（希望形成化学键合）； 4、抗张、抗弯、抗压以及抗剪切等强度比自然骨骼大，在人体中各种强度的疲劳（强度随时间降低的现象）较小； 5、耐磨损性较强； 6、硬度与弹性要与自然骨骼相同； 7、易于加工成型； 8、消毒方便。 可以说1、2、3都是生物学条件，4、5、6都是力学条件，而7、8是便于使用的条件。 含有CaO、P2O5两种成分的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2晶体，是构成生物体的自然骨骼的重要无机物质。即在骨骼中，直径为数10nm以下的羟基磷灰石微晶约占77％，纤维蛋白骨胶原约占23％。 5.2 生物玻璃的分类、组成及制备 5.2.1 分类 第一类 可相容的生物玻璃，以Na2O－CaO－SiO2 －P2O5系统的45S5为代表，其表面能够在生物体溶液作用下出现溶解或生产离子交换，或与生物的骨骼、牙齿等相互结合，但它本身却不能全部出现替换。 第二类 相容性与活性结合良好的生物玻璃，主要是以CaO－P2O5系统为基础的玻璃和微晶玻璃。这种玻璃既无毒性也呈生物活性，其组分与生物体本身的组织如骨骼和牙齿的组成较为相近，材料将与人体组织成键联结，生物亲和性好，可以参与新陈代谢，是较为理想的生物材料。 第三类 可相容但无活性的生物玻璃，一般不与生物体组织完全结合，以MgO－Al2O3 －SiO2系堇青石微晶玻璃为代表。 5.2.2 生物玻璃的化学组成及制备 生物玻璃由钠、钙、硅、磷的氧化物组成，其制备工艺有两种： 1、经高温熔制、成型再退火，成分范围为（wt%）： SiO2 42.1～65.7 ； Na2O 15～26.3 ；CaO 11.76～26.9 ； CaF2 0～10.8 P2O5 1.7～3.0 ； B2O3 0～1.8 ；Al2O3 0～0.6 （如生物玻璃45S5：SiO2 45 ；Na2O 24.5；CaO 24.5 ； P2O56； ） 2、用溶胶凝胶法，有利于制备形状较为复杂的产品。 成分范围为（wt%）： SiO2 50～90 ； CaO 6～46 ； P2O5 4 5.3 生物玻璃的物理与化学性质 生物玻璃的孔隙率、比表面积、孔径大小和分布、机械强度和硬度以及化学吸附性、化学稳定性和表面离子交换性质是很重要的性质。 几种材料的性能对比 材料性能 天然牙齿 天然骨 一般瓷牙 生物微晶玻璃 硬度（Knoop） 360～390 ? 460 360～370 耐压强度/MPa） 410 170 180 350 膨胀系数/℃ 11.4×10－6 8～11×10－6 4.1×10－6 10.1×10－6 密度/g/cm3 2.9～3.0 1.7 2.4 2.7 结晶程度％ ---- ? 50～70 50 5.3.1 生物玻璃的气孔分布与强度 1、影响强度的因素： 生物玻璃或微晶玻璃的气孔率对强度有显著的影响。当材料气孔率较高时强度较低，若材料烧结得很致密，气孔率低，则强度较高。但强度大小并不是由气孔率决定的，影响强度的重要因素还有晶相性质、晶相尺寸、晶相和玻璃相的比例以及它们之间的分布结合情况。（若不采用烧结法，通常是没有气孔的。） 2、气孔对材料生物活性的影响 有关医学试验表明，当材料中存在100um的气孔，对新骨组织的形成是有利的。因此，按实际应用时的活性作比较，多孔玻璃比无孔玻璃要好些。但是，多孔材料的强度较差。从各方面权衡利弊，目前似乎一致认为，如果材料活性好，在较短时间内可与生物本身组织长合在一起，则原始强度稍差也没有关系，特别是植入受力影响小的部位，更是无碍。 有些材料即使强度很高，而生物活性不好，甚至是惰性的（如氧化铝瓷），则植入后只能让活组织包覆于其上，虽说材料是生物相容的，实际上并不能互相合一，所以结合面上的强度不会有所提高，本质上反而不如初始强度低而活性好的