生物材料学-医用无机非金属材料共90页
生物材料-ch5 生物医用无机非金属材料
有
有
无
较差 无
良好 较好
良好
有
无
较好
较难
较好
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良好
好
很小
较小
第四章 生物医用无机非金属材料
较好 良好
小
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生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主 要是用作生物硬组织的代用材料。
可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心 血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方 面。
如人工牙齿（根）、人工骨、人工关节、骨折固定 器具、人工眼等
第四章 生物医用无机非金属材料
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长海医院胸心外科创建者蔡用之教授于1965年研制成功第 一代国产人造心脏瓣膜，使我国成为继美国之后第二个拥 有人造心脏瓣膜的国家。第一代人造心脏瓣膜由4根不锈钢 铸成的瓣架和由硅胶制成的硅球阀体构成，状如拇指大的 小巧鸟笼，通过硅球在笼架内上下活动，实现瓣膜的启闭 功能。
抗压强度 （MPa）
/
65-95 18-58
/ 900/
/ / 700
抗拉强度 （MPa）
/
24-30 8-19
/ 200// / 20-2 Nhomakorabea0抗弯强度 （MPa）
140
45-55 14-27
/ 340-520 270-550 340-700 70-205 150-200
疲劳强度
70%
50-60% / / /
第五章 生物医用无机非金属材料
第一节 生物惰性无机材料 第二节 生物活性无机材料 第三节 生物可降解无机材料 第四节 生物医用无机非金属材料发展趋势
概述
一、发展概况 二、性能特点 三、材料分类
第四章 生物医用无机非金属材料
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无机非金属,金属,高分子三大类3D打印医用材料介绍
无机非金属，金属，高分子三大类3D打印医用材料介绍目前可用于3D打印的生物医用材料主要有金属、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特点是分布范围较广，但是种类极少。
本综述着重总结了近年来利用金属、陶瓷、聚合物等材料，通过 3D 打印技术制备生物医用材料的研究进展。
3D 打印技术是 20 世纪 80 年代后期开始逐渐兴起的一项新兴制造技术，它是指在计算机控制下，根据物体的计算机辅助设计( CAD) 模型或计算机断层扫描( CT) 等数据，通过材料的精确3D 堆积，快速制造任意复杂形状3D 物体的新型数字化成型技术。
3D 打印技术的基本制造过程是按照“分层制造、逐层叠加”的原理，通过计算机控制的 3D 打印系统进行逐层打印，叠加后最终获得三维产品。
3D 打印技术的应用领域也在随着技术的进步而不断扩展，包括生活用品、机械设备、生物医用材料，甚至是活体器官、在生物医学领域，目前 3D 打印技术在国际上已开始被应用于器官模型的制造与手术分析策划、个性化组织工程支架材料和假体植入物的制造、以及细胞或组织打印等方面。
利用 3D 打印技术则可以根据不同患者的CT、磁共振成像 (MRI) 等成像数据，快速制造个性化的组织工程支架材料，不仅能实现材料与患者病变部位的完美匹配，而且更有利于促进细胞的生长与分化，获得理想的组织修复效果。
对于生物医用材料领域，打印材料的局限性严重阻碍了3D打印技术的发展。
生物医用材料的3D打印尤为困难，需要考虑材料的强度、安全性、生物相容性、组织工程材料的可降解性等，目前可用于3D打印的生物医用材料主要有金属、陶瓷、聚合物、生物墨水等，其特点是分布范围较广，但是种类极少。
本综述着重总结了近年来利用金属、陶瓷、聚合物等材料，通过 3D 打印技术制备生物医用材料的研究进展。
医用无机非金属材料无机非金属生物材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃、氧化物及磷酸钙陶瓷和医用碳素材料。
生物陶瓷生物陶瓷具有高硬度、高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异性能，在医学骨替代品、植入物，齿科和矫形假体领域有着广泛的应用。
无机非金属材料
无机非金属材料以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物（包括硫化物、硒化物及碲化物）和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料的泛称。
包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷、磨料以及新型无机材料等。
其中陶瓷一词，随着与陶瓷工艺相近的无机材料的不断出现，其概念的外延也不断扩大。
最广义的陶瓷概念几乎与无机非金属材料的含意相同。
无机非金属材料也和金属材料以及有机高分子材料等一样，是当代完整的材料体系中的一个重要组成部分。
普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。
此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上,陶瓷在耐蚀、介电性能上,耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。
但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。
与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。
特种无机非金属材料的特点是：①各具特色,例如:高温氧化物等的高温抗氧化特性；氧化铝、氧化铍陶瓷的高频绝缘特性；铁氧体的磁学性质；光导纤维的光传输性质;金刚石、立方氮化硼的超硬性质;导体材料的导电性质；快硬早强水泥的快凝、快硬性质等。
②各种物理效应和微观现象,例如：光敏材料的光-电、热敏材料的热－电、压电材料的力－电、气敏材料的气体-电、湿敏材料的湿度-电等材料对物理和化学参数间的功能转换特性。
③不同性质的材料经复合而构成复合材料，例如：金属陶瓷、高温无机涂层，以及用无机纤维、晶须等增强的材料。
沿革旧石器时代人们用来制作工具的天然石材是最早的无机非金属材料。
在公元前6000～前5000年中国发明了原始陶器。
中国商代（约公元前17世纪初～约前11世纪）有了原始瓷器，并出现了上釉陶器。
以后为了满足宫廷观赏及民间日用、建筑的需要，陶瓷的生产技术不断发展。
公元 200年（东汉时期）的青瓷是迄今发现的最早瓷器。
陶器的出现促进了人类进入金属时代，中国夏代（约公元前22世纪末至约前21世纪初～约前17世纪初）炼铜用的陶质炼锅，是最早的耐火材料。
无机非金属材料PPT课件
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氧化铝陶瓷
结 构 陶 瓷
二氧化锆
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几种典型的新型无机非金属材料
高温结构陶瓷 特点：耐高温、耐腐蚀、硬度大、 耐磨损、不怕氧化、密度小等
(1)氧化铝陶瓷
性能 熔点高
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硬度大 透明、耐高温
用途 坩埚、高温炉管
刚玉球磨机
高压钠灯灯管 45
高纯氧化铝透明陶瓷管
▪ 瓷器：需要纯净的粘土做原料，
温度也更高，瓷器比陶器磁体
白净质地致密。
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主要种类：
土器：砖瓦
红瓦 (自然冷却，Fe2O3含量较多) 青瓦 (淋水冷却，Fe3O4、FeO较多)
陶器： 彩陶 江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑
瓷器： 碗盘茶具
收藏珍品
景德镇陶瓷
炻器： 水缸、砂锅
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模具和夹具。
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（3）碳化硅陶瓷
碳化硅（SiC--金刚砂）和氮化硅一样，是
稳定的原子晶体。具有高的热传导能力、硬度
大、熔点高、比重小，有较高的强度和较好的
热稳定性，与各种酸都不起作用，其抗氧化性
能在高达1550OC时仍很优良。
用途：制造磨料、模
具、特种耐火材料制品；
用于制造电阻发热元件。
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3、陶瓷
主原料要 生产过程 反应条件 种类
黏土
①混合 ②成型 ③干燥 ④烧结 ⑤冷却
高温
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土器 陶器 炻器 瓷器
性能
抗氧化、 抗酸碱腐 蚀、耐高 温、绝缘 、易成型
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▪ 陶瓷是由黏土在高温下烧制而成，根据
生物医用敏感材料
凝胶上可显著增加凝胶收缩
速率
PNIPAm 疏水成
核作用
用PNIPAm类水凝胶可实现脉冲药品释放(ON/OFF释放)，可望 用于口服、植入或透皮药品释放体系。
生物医用敏感材料
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N－取代基疏水性对凝胶温度刺激响应影响：
疏水性增大
取代基疏水性
越强，凝胶在体 积相转变温度处 产生体积改变越 大，温度响应越 显著，且相变温 度越低。
如羧基或氨基，这些基团解离受外界pH影响： （1）pH改变时，解离程度改变，造成凝胶内外
离子强度改变； （2）解离还会破坏凝胶内氢键，交联点降低，
造成网络结构发生改变，引发溶胀。 ▪ 相体积转变可逆
生物医用敏感材料
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2. 甲基丙烯酸烷酯（n-AMA）和二甲基氨乙 基丙烯酸酯（DMA）交联凝胶
SMP是指对已经赋形高聚物在一
定条件下（如加热、光照、改变酸碱度、 磁场等）实施变形，将这种变形状态保 留下来；当聚合物再进行加热、光照或 者改变酸碱度等刺激时候，聚合物又能 够恢复到其原来赋形状态
生物医用敏感材料
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Time series photographs that show the recovery of a shape-memory tube. (a)-(f) Start to finish of the process takes a total of 10 s at 50°C. The tube was made of a poly(ε-caprolactone)dimethacrylate polymer network (the Mn of the network’s switching segments was 104 gmol-1) that had been programmed to form a flat helix.
生物医用材料
生物无机与有机高分子复合材料
❖ 几乎所有的生物体组织都是由两种或两种 以上的材料构成的
例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、 多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中 的羟基磷灰石晶粒复合而成。
❖ 利用高弹性模量的无机材料增强高分子材 料的刚性，并赋予其生物活性
❖ 利用高分子材料的可塑性增进生物无机材 料的韧性。
共聚调控降解时间
聚羟基丁酸酯PHB及其共聚物 可生物降解，用于药物释放载体和组织工程 多糖和蛋白质是自然界中重要的天然高分子，具有很好的生
物相容性、可降解性和低毒性，
聚原酸酯(Polyorthoesters,POE）
POE是通过多元酸或多元原酸酯与多元醇类 经无水条件下缩合形成原酸酯键而制成。
料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物， 对人体有刺激性和毒性。
常用的医用金属材料
❖ 1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件 ❖ 2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋
关节、半髋关节、膝关节、踝关节、腕关节及指关节。各种 规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、人 工椎体和颅骨板等， ❖ 3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线， 可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等 ❖ 4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固 定环等。
要方法)a.热喷涂b.脉冲激光融覆c.离子溅射d.喷 砂法e.电结晶法f.电化学法g.离子注入
医用金属材料研究进展
医用镁及镁合金材料的研究 镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点：
(1) 镁是人体内含量最多的阳离子之一，几乎参 与人体内所有的新陈代谢过程。
(2) 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa，更接近 人骨的弹性模量，能有效降低应力遮挡效应； 镁与镁合金的密度约为1.7g/cm3，与人骨密度 (1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。
生物医用药用材料
（C）一般报道的整体HAP的断裂韧性在 0.7MPa · 1/2左右，人体骨的断裂韧性在2-10 m （2）羟基磷灰石的成型与 1/2之间。 MPa · m
（1）HAP的粉体制备工艺 烧结工艺
（3）HAP系复合材料目前 已达到的性能 （4）HAP系复合材料的应 用
HAP基复合材料主要应用在颌面骨、牙槽脊、 听小骨等非承重材料以及一些骨缺损的修复等方 面，而在承重材料方面尚没有应用。
发展
公元前2500年在中国及埃及人的墓穴中已
发现有假手、假耳等人工假体，我国隋唐 时代就有了补牙用的银膏。 金银铂 不锈钢 纯钛的骨钉、骨板 Ti-Ni形状记忆合金
目前国外有数以百万计的人靠人工器官维持着生 命。仅在美国，每年约有100万人接受人工器官的 植入手术。其中，人工心脏瓣膜3.5万人，人工血 管18万人；人工髋骨12.5万人；人工膝盖605万人； 人工肾5万人。 每年以20%—30%的速度递增。1980年世界销售 额达200亿美元，1990年增加到500亿美元。
金属纤维+生物活性玻璃 HA+PE
注：G—生物活性玻璃 HA—羟基磷灰石 P—金云母 W—硅灰石 PE—聚乙烯 A—磷灰石
生物材料的国内外研究现状
主要是指利用骨的压电效应能刺激骨 惰性生物陶瓷是指一类在生物环 随着生物陶瓷材料研究的深入 活性生物陶瓷是一类在生理环境中可 折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与 境中能保持稳定，不发生或仅发生微 和越来越多医学问题的出现，对生 通过其表面发生的生物化学反应与生 生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时， 弱化学反应的生物医学材料。主要包 物陶瓷材料提出了更高的要求。原 体组织形成化学键性结合的材料。其 利用生物体自身运动对置换体产生的压电 括氧化铝、氧化锆等陶瓷以及医用碳 先的生物陶瓷材料无论是生物惰性 发展始于1969年Hench等人首次发现 该类材料是将天然有机物 效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。 素材料。这类材料的发展期在上世纪 的还是生物活性的，强调的是材料 Na2 （如骨胶原、纤维蛋白以及骨 70年代以前。它们结构都比较稳定， 另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填 -CaO-SiO2-P2O5系统中的玻璃45S5 在生物体内的组织力学环境和生化 具有生物活性。目前主要包括羟基磷 形成因子等）和无机生物材料 充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用 分子中的键力较强，而且都具有较高 环境的适应性，而现在组织电学适 灰石、磷酸三钙、石膏等可降解吸收 复合，以改善材料的力学性能 外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生 的强度、耐磨性及化学稳定性。现在 应性和能参与生物体物质、能量交 陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐的 和手术的可操作性，并能发挥 局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正 换的功能已成为生物材料应具备的 它们在临床上得到了广泛的应用[5-7]。 降解吸收，并随之为新生组织替代， 天然有机物的促进人体硬组织 常组织，也是研究方向之一。现在，功能 条件。因此，又提出了功能活性生 活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临 物材料的概念[2]。 1.2.1生长的特性。 从而达到修复或替换被损坏组织的目 惰性生物陶瓷 的。 （1）模拟人体 床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很 硬组织成分和 光明的。 结构的生物陶 生物陶瓷 1.2.2 活性生物陶瓷 瓷材料
生物医用材料的种类及应用
生物医用材料的种类及应用摘要：生物医用材料是近年来发展迅速的新型高科技材料，如人工骨、高分子材料、无机非金属材料、复合材料等，本文根据其物质属性对常用的医用生物材料进行了分类及各部分最新的应用研究进展，根据分类对常用的医用生物材料在骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科方面的应用做了详细阐述。
生物医用材料的应用对挽救生命和提高人民健康水平做出了重大贡献，随着现代医学飞速发展不断获得关注，发展前景广阔。
关键词：生物医用材料人工骨生物陶瓷硅橡胶复合材料1生物医用材料1.1生物医用材料的定义生物医用材料（Biomedical Material）是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。
它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。
当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业。
先由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。
1.2生物医用材料的种类生物材料品种很多，有不同的分类方法。
通常是按材料的物质属性分类，据物质属性，生物医用材料大致可以分为以下几种：（1）生物医用金属材料生物医用金属材料（Biomedical Metallic Materials）是作为生物医学材料的金属或合金，具有很高的机械强度和抗疲劳特性，是临床应用最广泛的承力植入材料，主要有钴合金（Co-Cr-Ni）、钛合金（Ti-6a1-4v）和不锈钢的人工关节和人工骨。
（2）生物医用高分子材料生物医用高分子材料（Biomedical Polymer）分为天然医用高分子材料和合成医用高分子材料，近年来合成高分子医用材料迅速发展，硕果累累。
通过分子设计，可以获得很多具有良好物理机械性和生物相容性的生物材料。