生物医用复合材料

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第七章 生物医用复合材料,概述,生物无机与无机复合材料,生物无机与有机高分子复合材料,生物无机与金属复合材料,1,概 述,生物医用复合材料是由,两种或两种以上不同材料复合而成,的生物医用材料,1.分类,：复合材料一般有基体材料和增强材料组成,按基体,：陶瓷基医用复合材料、高分子基医用复合材料、金属基医用复合材料,按组织反应,：生物惰性医用复合材料、生物活性医用复合材料、可吸收医用复合材料,2,按增强体的形态和性质,纤维增强,医用复合材料,碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维,颗粒增强,医用复合材料,氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物颗粒,羟基磷灰石（HA）等生物活性颗粒,3,生物,医用复合材料的分类和应用,4,生物,医用复合材料的分类和应用,5,生物,医用复合材料的分类和应用,6,2.性能特点,比强度、比模量,抗疲劳性能好,抗生理腐蚀性好,力学相容性能好,7,3.生物医用复合材料的界面,界面侵润性,：增强体与基体侵润与否是制备性能良好的复合材料的必要条件,界面结合力,：机械结合力、物理结合力、化学结合力,机械结合力摩擦力,：存在于所有复合材料中。决定于增强体的比面积和粗糙度以及基体的收缩。比面积和粗糙度越大，基体的收缩越大，摩擦力越大。,物理结合力范德华力和氢键力,：存在于所有复合材料中。,化学结合力化学键力,8,界面结合类型,机械结合,：,基体与增强体之间纯机械性连接的结合方式。,存在于所有复合材料中。,溶解和润湿结合,：,基体与增强体之间溶解并伴随一定程度的相互溶解（基体与增强体之一溶入另一种之中）而产生的结合方式。,靠原子间的电子相互作用实现。,可利用无机材料中的玻璃相实现该结合。,9,界面结合类型,反应结合,：,基体与增强体之间发生化学反应，在截面形成牢固的化学结合。,借助偶联剂（既有与基体反应的官能团又有与增强体反应的官能团），把两种性质差异很大的材料牢固的结合起来。,混合结合,：,是实际的复合材料中最普遍的结合形式,10,第一节 生物无机与无机复合材料,以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，,引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。,一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料,二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料,三、生物活性涂层无机复合材料,11,一、生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复合材料,1、HA-TCP复合材料的组成与性能,12,2、HA-HA晶须复合材料：,HA晶须增韧效果与材料的气孔率有关,无压烧结的HA-HA晶须复合材料，气孔率较高，无明显增韧效果,如含0-30%HA晶须（Ca/P=1.66）的复合材料，1000-1100,O,C，30MPa，1-2h热压烧结，断裂韧性提高40%，,HA晶须具有明显增韧效果，但其相对密度随晶须含量增加而降低（92.5-95%）,13,二、生物活性陶瓷与生物玻璃复合材料,1、,HA-生物活性玻璃复合材料,（Apatte-Bioactive Glass Composite，ABC）,2、,TCP-HA-BG多孔复合材料,：,为珊瑚状连通气孔，气孔率45-55%，气孔大小200-500微米,抗折强度10.5MPa，热压强度25MPa,用于大段骨或承重骨的修复,14,三、生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷复合材料,氧化物陶瓷,具有较高的强度和化学稳定性，,但与生物组织为机械结合；,生物活性陶瓷,具有良好的生物相容性可与生物组织形成牢固的化学结合，,但其脆性和低抗疲劳强度限制其应用。,以高强度氧化物为基材，掺入羟基磷灰石等生物活性陶瓷颗粒，以赋予生物活性,以生物活性陶瓷为基材，掺入氧化物等颗粒以补强其力学性能,15,16,1、HA-ZrO2复合材料,烧结温度增加，抗折强度和断裂韧性都增加,例：添加50%TZ-3YZrO2，烧结,烧结温度,抗折强度MPa,断裂韧性MPam,1/2,1200,O,C,180,1.1,1350-1400,O,C,310,2.6,1400,O,C,400,2.8-3.0,例：添加50%ZrO2，1400,O,C,烧结，,材料,抗压强度MPa,弹性模量GPa,HA-ZrO2,1400,126,HA,780,107,17,2、TCP-ZrO2复合材料,抗弯强度随ZrO2含量增加而增加,抗折强度MPa,断裂韧性MPam,1/2,TCP-67%Z6Y,199,2.15,TCP,138,1.14,3、HA-纳米SiC复合材料,：,制备：添加烧结助剂MgO，900-1200,O,C烧结,断裂韧性显著提高，与生物体硬组织性能相当,18,四、生物活性涂层材料,生物活性玻璃涂层氧化铝复合材料，以改善氧化铝陶瓷的表面活性,等离子体喷涂+1000-1300,O,C煅烧30min，,氧化铝扩散进入玻璃层，有效增强生物活性玻璃与氧化铝的界面结合。,1200,O,C煅烧，表面玻璃中形成稳定硅灰石相，基体相中遗留富余的CaO和P,2,O,3,，在缓冲液中反应20min后即有HA形成，HA形成速度加快。,19,第二节 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。,主要应用于硬组织的修复与重建。,20,一、生物活性陶瓷与天然生物高分子复合材料,二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料,三、生物玻璃与生物高分子复合材料,四、碳纤维增强复合材料,21,一、生物活性陶瓷天然生物高分子复合材料,1、HA胶原复合材料,与自然骨有机质接近的胶原与HA陶瓷复合，使之能与受骨的骨胶原末段的氨基和羟基结合，形成具有生物活性的化学结合界面。,胶原与多孔HA陶瓷复合，其强度比HA陶瓷提高2-3倍。,2、HA纤维蛋白粘合剂复合材料,纤维蛋白粘合剂有纤维蛋白原和凝血酶组成。具有良好的生物相容性，完全的生物降解性，无毒、不影响机体的免疫系统，对HA的结构无影响。,22,HA纤维蛋白粘合剂复合材料的结合强度（g/cm,2,),时间,HA:粘合剂,1:0.5,1:1,1:1.5,10min,75,125,110,30min,230,370,320,1h,380,520,480,23,二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料,1、,HA聚乳酸复合材料,聚乳酸（PDLLA)具有良好的生物相容性和可降解性，是一种中等强度的聚合物。但过于柔软，缺乏骨结合能力，X光可穿透，不便临床显影观察，限制了其在内固定中的应用。,具有良好的生物相容性、可吸收性、生物活性和骨结合能力；,24,随HA在PDLLA基体中的含量增加，抗弯强度和弹性模量也增加，可作为骨折内固定材料。,HA与PDLLA界面仅存在机械结合，可采用硅氧烷偶联剂处理HA表面，增强其机械性能。,HA/,PDLLA,抗弯强度(MPa),弹性模量(GPa),抗张强度(MPa),抗压强度(MPa),抗剪强度(MPa),0/100,30/70,50/50,258.5,279.6,213.9,6.5,7.8,12.1,154.1,93.9,123.5,118.9,124.2,93.0,134.4,106.7,25,PDLLA与HA颗粒复合有助于提高材料的初始硬度和刚性，延缓材料的早期降解速度，提高骨结合能力。随着PDLLA的讲解吸收，HA在体内逐渐转化为自然骨组织。,材料,抗弯强度(MPa),抗剪强度（体内）(MPa),0,2周,4周,6周,皮质骨,松质骨,PDLLA-HA(85/15),120-210,11.52.1,36070,60-90,5-12,84.5,210,85,30,26,2、其他,1）HA-聚乙烯,2）HA-PMMA骨水泥,3）TCP-聚乳酸,4）有机高分子表面活性陶瓷涂层,27,三、生物玻璃生物高分子复合材料,AW生物玻璃陶瓷增强聚乙烯复合材料,AW%（体积）,力学性能,VHN,E(GPa),(MPa),(%),0,20,40,2.12,8.08,9.18,0.65,1.34,2.84,17.89,16.67,14.87,360,130.7,5.3,28,四、碳纤维增强复合材料,碳纤维增强PMMA复合材料颅骨修复,试样,厚度,(mm),弹性模量(GPa),抗弯强度(MPa),冲击韧性(J/cm,2,),巴氏硬度,密度,(g/cm,3,),人颅骨,G+C+PMMA,PMMA,4-5,1.7,2.5,10.4-15.5,22.1,2.4-4.1,158-172,289,79,0.49,1.8-2.4,0.12-0.25,44.3-54.6,48.8-55.8,44.5,1.70-1.80,1.60-1.70,1.17-1.19,29,第三节 生物无机与金属复合材料,涂层种类,应用范围,氧化物陶瓷涂层,非氧化物陶瓷涂层,生物玻璃和生物玻璃陶瓷涂层,碳质涂层,羟基磷灰石涂层,齿根、关节骨柄、骨头、臼、人工骨,关节摩擦部位、股骨头、杯,齿根、关节骨柄、臼座,心脏瓣膜、血管修补材、股骨头、齿根,齿根、关节骨柄、人工骨,Ti6AI4V关节面微孔型和HA喷涂,30,