第4章 生物医用陶瓷材料PPT.ppt

第四章 生物医用陶瓷材料;概述;广义的生物陶瓷可以分为与人体相关的陶瓷(植入类陶瓷)和与生化学相关的陶瓷(生物工程类陶瓷)二大类。所谓的与人体相关的陶瓷就是指通过植入人体或是与人体组织直接接触，使机体功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。一般狭义地称生物陶瓷就是指这类陶瓷。图4-1是几种常见的生物陶瓷制品。 ;陶瓷植入材料根据其与生物体组织的反应程度一般可以分为三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。如下表所示。;§4.1 陶瓷结构与性能的关系;陶瓷的结构类型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金属元素；X代表非金属元素；m和n代表整数。最简单的陶瓷化合物为AX型陶瓷晶体。 AX化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果RA/RX0.732则为一简单的立方体结构，如CsCl结构，A原子（或离子）位于8个X原子的中心。如果离子的半径比率完全不同，则呈现出面心立方体结构，如NaCl、KCl、LiF、MgO、CaO、MnO等化合物，这类结构以阴离子为面心立方点阵，阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结构的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。;化合物;当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型结构或刚玉型结构。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2等（图4-2）。刚玉（Al2O3）型结构的氧化物有Fe2O3、Cr2O3、Ti2O3、Ca2O3等（图4-3）。;4.1.2 陶瓷的物理性能 陶瓷材料的机械性能 陶瓷材料的弹性变形 陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多，常相差数倍。这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率和加工工艺等因素密切相关，尤其是陶瓷的工艺过程对陶瓷材料的弹性模量有着很重要的影响。 ;陶瓷材料的塑性变形与蠕变 大多数陶瓷材料在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷材料力学行为最大的特点。 高温下，陶瓷材料受恒定应力长时间作用时会发生缓慢的塑性变形，这样的变形称为蠕变。影响蠕变的因素很多，主要包括温度、应力、时间以及晶粒尺寸、气孔率、相分布、晶体结构、晶体缺陷等等。;陶瓷材料的强度和断裂 陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。 若设裂纹的长度为C，应力集中系数可根据Griffith公式得到： 式中，σ为垂直作用于此裂纹的平均应力；r为裂纹尖端处的曲率半径；C为裂纹长度。由于裂纹尖端处的曲率半径很小。所以应力集中系数（σc/ σ ）为100或1000，这就是为什么脆性材料的实际断裂强度远低于他们的理论断裂强度。;陶瓷材料的硬度 陶瓷材料的硬度一般很高，常采用莫氏硬度（Mohs）来表示，以反映材料硬度的相对大小，通常按硬度大小顺序分为十级或十五级（表4-3）。 ;热性能 陶瓷材料一般具有高熔点（大多在2000°C以上），极好的化学稳定性和很强的抗氧化等特点。 陶瓷材料的热容量随着温度的升高而增加，且在温度低于德拜温度时与T3成正比关系，温度高于德拜温度时趋于常数25J?mol-1?K-1。 陶瓷材料的线膨胀系数一般都很小，约为10-5~10-6/K。;在目前研究和使用的硬组织替换生物材料中，磷酸钙生物陶瓷占有很大的比重 ，主要是因为磷酸钙生物陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，对人体无毒、无害、无致癌作用，并可以和自然骨通过体内的生物化学反应成为牢固的骨性结合。;4.2.1 概述 磷酸钙生物陶瓷主要包括磷灰石和磷酸三钙，作为生物材料使用的磷灰石一般是Ca与P原子比为1.67的羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2(Hydroxylapatite，简称HA)，磷酸三钙是Ca与P原子比为 1.5的β-磷酸三钙β-Ca3(PO4)2(Tricalcium Phosphate，简称β-TCP)。;磷酸钙陶瓷粉末的制备 制备块状磷酸钙陶瓷的第一步是磷酸钙陶瓷粉末的制备，主要有湿法和固态反应法。湿法包括：水热反应法、水溶液沉淀法以及溶胶凝胶法。此外还有有机体前驱热分解法、微乳剂介质合成法等。各种制备工艺的研究目标是得到成分均匀、粒度微细的磷酸钙粉末。;磷酸钙陶瓷的烧结 制备致密磷酸钙陶瓷的主要方法是粉末烧结技术。磷酸钙陶瓷粉末先要压制成需要的形状，然后在1000℃～1500℃进行烧结。以Ca与P原子比为1.67的磷灰石粉末为原料，可得到HA陶瓷；以Ca与P原子比为1.5的磷灰石粉末为原料，可得到β-TCP陶瓷。;磷酸钙生物陶瓷的力学性能与应用 致密磷酸钙陶瓷的力学性能见表4-4。从力学相容的角度来看，作为硬组织替换用的磷酸钙盐至少应