钙磷多孔生物陶瓷南京信息工程大学.ppt

环境材料学 —仿生物材料 主要内容： 仿生物材料的环境性能 生物材料的特点和性能 仿生物材料——多孔生物陶瓷的制备与应用 I、 仿生物材料的环境性能 人工制造的具有生物功能、生物活性，或与生物体相容的材料称为仿生物材料。 仿生物材料主要包括两类：一类是天然生物材料。即通过由天然生物过程形成的材料，如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等；另一类是指人造的生物医用材料，包括一些人造器官、人体植入材料、组织工程材料等。 II 生物材料的组成、结构及性能 骨的组成和结构 研究一种理想的骨修复材料，首先要了解骨的基本组成，结构及构成方式。从材料角度看，骨可视作一种由无机矿物和生物大分子规则排列所组成的优化复合材料， 其力学性能达到了理想化，这不仅决定于它的成份，而且也决定于它的结构。 骨组织(Bone tissue)是一种特殊类型的结缔组织，由大量钙化的细胞间质及数种细胞组成。钙化的细胞间质称为骨基质(Bone matrix)，间质中有大量的钙盐沉积，使之成为体内最硬的组织；细胞有骨原细胞(osteoprogenitor cell)、成骨细胞(osteoblast)、骨细胞(osteocyte)及破骨细胞(osteocalst)四种。骨细胞最多，位于骨基质内，其余三种细胞均位于骨组织的边缘。体内99%的钙、85%的磷、65%的钠和镁以骨盐的形式贮存于骨内，因而骨成为体内最大的钙库，与钙、磷代谢有着密切关系，对调节血液和体液中钙、磷浓度的平衡起着非常重要的作用。 骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约75/25，体积比约为65/35。有机质主要是Ⅰ型胶原纤维(占有机成份的90%以上)及10%左右的无定形基质。无定形基质为凝胶，包括一些非胶原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖、多肽、碳水化合物及脂类等。其中含有两种钙结合蛋白：骨钙蛋白(osteocalcin)和骨磷蛋白(phosphophoryms)。前者有两个与钙亲和力强的部位，后者则有许多钙结合部位，但只有一部分骨磷蛋白是可溶性的，其余均与胶原纤维相结合。钙结合蛋白与钙化及钙的运输有关。无机成份主要为钙的磷酸盐(85%)，包括羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)和无定形的磷酸钙。 骨组织在骨内的形式有松质骨(cancellous bone)和密质骨(cortical bone)两种。松质骨主要位于骨骺内和骨干的内侧面，是由大量针状或片状的骨小梁连接而成的多孔网架，形状似海绵状，一般具有50-95%的孔隙率。 骨密质位于骨干和骨骺的外侧，其孔隙率(5-10%)比骨松质低得多。在显微水平(微米量级)上，密质骨由不同排列方式的骨板构成，骨板自外向内可分为骨膜、外环骨板层、哈佛氏系统(Haversian system)和内环骨板层。 骨的力学性能 表1-1 人体骨的力学性能 骨缺损修复的重要性 骨的作用 骨骼是人体的支架，担负着支持、保护、承重、造血、贮钙、代谢等功能，是人体重要的组织器官。因创伤、肿瘤、感染、先天性缺陷等原因导致骨折、缺损及病变，是临床的多发病症。大部分不能自愈而需进行骨移植。随着人口老龄化和各种创伤的增加，对生物医学材料尤其是骨替代材料的需要也持续增长。 骨缺损修复技术 传统修复方法 将骨折端修平，对位，固定，使其愈合。这种方法人为地消除缺损，但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化，以牺牲肢体长度换取骨折愈合，这对于负重的肢体来说必将影响其功能，故仅适用于上肢骨缺损的治疗； 自体骨移植填充骨缺损。自体骨移植效果很好，但无论是自体松质骨移植还是皮质骨移植，均需手术取骨，给病人造成医源性创伤，而且取骨量有限，故仅适用于较小的骨缺损的治疗； 组织工程方法 III 多孔生物陶瓷 钙磷生物陶瓷的发展 1892年，Dreesman首次发表了利用硫酸钙(CaSO4·H20)修复骨缺损； 1920年，Albee发现磷酸三钙(Tricalcium phosphate, TCP) 可以刺激骨形成 1928年，Leriche和Policard就开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料， 他们希望磷酸钙在体内能够释放一些钙、磷离子，促进骨的发生； 1969年,美国佛罗里达大学的Hench教授，成功地研究了一种生物玻璃，可用于人体硬组织的修复，能与生物体内的骨组织发生化学结合，从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域—生物活性材料。 1972年，Aoki和Jarcho成功烧结了羟基磷灰石，制得了羟基磷灰石陶瓷，并在随后的几年中发现，烧结羟基磷灰石具有良好的生物活性，从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元 ； 1973年，Driskell等报道了β-Ca3(PO4)2多孔陶瓷