4.2天然生物陶瓷-骨详解.pptVIP

博士 天然生物陶瓷材料 4.2 天然生物陶瓷 复合材料－骨结构 天然骨结构 骨仿生材料设计 骨的功能 运动时为肌肉提供附着部位 保护体内器官 钙、磷酸根及其他主要离子的存储器 产生红细胞与白细胞 引入 蛋白质 　　是由若干个氨基酸通过肽键连成的长链生物大分子。 回顾 L异构体 D异构体 氨基酸 ?螺旋 氢键 原胶原分子 1、骨的基本结构 松质骨 骨单位 密质骨 三维骨小梁结构 哈弗斯系统 薄层片 胶原纤维 胶原微纤维 原胶原分子 磷灰石晶体 骨 　无机成分：羟基磷灰石和碳酸磷灰石65%， 　有机成分：I型胶原纤维34%，其余水 骨中的矿物相 羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 （HA） 含杂质CO32-, Cl-, F-, Na+, Mg2+ OH O Ca P 六面柱体晶胞 a1=a2=0.8432, c=0.6881；a由互成120o，a轴与c轴垂直； 10个钙离子，6个磷酸根离子和两个氢氧根离子构成一个晶胞 胶原纤维中的原胶原分子由三股a螺旋结构的多肽链相互缠绕而成 胶原纤维 胶原微纤维 三股a螺旋多肽链 磷灰石晶体 5＊20＊40nm 原胶原分子 原胶原分子沿相互错开1/4阵列规则排列构成胶原微纤维 骨中矿物相为片状，位于原胶原分子间的间隙内，晶体c轴平行胶原纤维 间隙孔 骨的基本结构 骨单位 骨细胞 沃尔克斯通道 哈弗斯通道 哈弗斯片层 外层板 骨单位由4-20层片构成，直径150~250微米，紧密环绕在一起，中间存在空心通道，称哈弗斯通道； 哈弗斯系统（骨单位） 含矿物纤维组成3~7微米薄层片，层片间以一轴线为中心螺旋重叠，构成基本骨单位。 骨单位与骨单位之间存在通道，如微管、空隙及沃尔克斯通道，都与骨髓腔相通，新陈代谢中发挥疏导作用 骨是一种复合材料 骨主要部分由羟基磷灰石晶体紧密地 嵌入胶原基体中而构成，可看作是基体 中含晶体的双相材料。 1MPa 应变为10-3时的胶原的应力 10-3 HA极限应变 50MPa 胶原的强度 0.1MPa HA韧性 130GPa HA强度 骨主要成分的力学性能 2. 牙齿 牙齿结构 10 24 66 骨 水 有机质 矿物 成分 4.5 10 0.5 20 95 70 牙釉质 牙本质 牙本质与骨在成分上类似，牙釉质含更多矿物相。 　　牙本质结构比骨更均匀，晶粒更细，约为2*50*25nm。 牙本质具高韧性和柔顺性，牙釉质具高硬度与刚性，两者结合，成为20MPa、3000次/天负载的承担者。 骨与牙成分比较 牙釉质覆盖于牙冠表面，是高度矿化系统　 　　无机材料96~97%，主要是羟基磷灰石，大部分以晶态存在。化学成分及高度有序结构决定其是脊椎动物中最致密的材料。 3.磷酸钙 OH O Ca P 磷灰石最为常见 生物矿物中的与矿物中对应的磷酸钙基本相同。 六面柱体晶胞 a1=a2=0.8432, c=0.6881；a由互成120o，a轴与c轴垂直； 10个钙离子，6个磷酸根离子和两个氢氧根离子构成一个晶胞 代表为羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 简称(HA) OH被F取代形成氟磷灰石Ca10(PO4)6F2 羟基磷灰石结构 其它形式磷酸钙 见下表，主要是Ca、P摩尔比，PO43-质子化及Ca2+的羟基化不同 　在不同下，能相互转化 1.14 1.14 6.59 6.90 96.6 - 25.5 28.9 58.4 38-44 Ca(H2PO4)2·H2O Ca(H2PO4)2 CaHPO4·2H2O CaHPO4 Ca8(H2PO4)2(PO4)4 ·5H2O Ca3(PO4)2 ·xH2O ?-Ca3(PO4)2 ?-Ca3(PO4)2 Ca5(PO4)3(OH) Ca4P2O9 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Dicalcium phosphate dihydrate (DCPD) Dicalcium phosphate anhydrous (DCPA) Octacalcium phosphate (OCP) Amorphous calcium phosphate (ACP) ?-Tricalcium phosphate (?-TCP) ?-Tricalcium phosphate (?-TCP) Hyd