生物陶瓷材料有哪些

⑴ 生物材料都有那些

按材料功能劃分：
*1、血液相容性材料 如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細胞培養基材等；
*2、軟組織相容性材料 如隱形眼睛片的高分子材料,人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等,用於人工皮膚、人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補等領域；
*3、硬組織相容性材料 如醫用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等,關節、牙齒、其它骨骼等；
*4、生物降解材料 如甲殼素、聚乳酸等,用於縫合線、葯物載體、粘合劑等；
*5、高分子葯物多肽、胰島素、人工合成疫苗等,用於糖尿病、心血管、癌症以及炎症等.
按材料來源分類：
*1、自體材料
*2、同種異體器官及組織；
*3、異體器官及組織；
*4、人工合成材料；
*5、天然材料
根據組成和性質分為：
* 1、生物醫用金屬材料
* 2、醫用高分子材料
* 3、醫用無機非金屬材料
生物醫用金屬材料
較優秀的生物醫用金屬材料有,醫用不銹鋼、鈷基合金、鈦及鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、金銀等貴重金屬、銀汞合金、鉭、鈮等金屬和合金.
⑴醫用不銹鋼
具有一定的耐腐蝕性和良好的綜合力學性能,且加工工藝簡便,是生物醫用金屬材料中應用最多,最廣的材料.
常用鋼種有US304、316、316 L、317、317L等.
醫用不銹鋼植入活體後,可能發生點蝕,偶爾也產生應力腐蝕和腐蝕疲勞.醫用不銹鋼臨床前消毒、電解拋光和鈍化處理,可提高耐蝕性.
醫用不銹鋼在骨外科和齒科中應用較多.
⑵鈷基合金
鈷基合金人體內一般保持鈍化狀態,與不銹鋼比較,鈷基合金鈍化膜更穩定,耐蝕性更好.在所有醫用金屬材料中,其耐磨性最好,適合於製造體內承載苛刻的長期植入件.
在整形外科中,用於製造人工髖關節、膝關節以及接骨板、骨釘、關節扣釘和骨針等.在心臟外科中,用於製造人工心臟瓣膜等.
⑶醫用鈦和鈦合金
不僅具有良好的力學性能,而且在生理環境下具有良好的生物相容性.由於其比重小,彈性模量較其他金屬更接近天然骨,故廣泛應用於製造各種能、膝、肘、肩等人造關節.此外,鈦合金還用於心血管系統.鈦合金耐磨性能不理想,且存在咬合現象,限制了其使用范圍.
生物醫用高分子
按應用對象和材料物理性能分為軟組織材料、硬組織材料和生物降解材料.其可滿足人體組織器官的部分要求,因而在醫學上受到廣泛重視.目前已有數十種高分子材料適用於人體的植入材料.
* 軟組織材料：故主要用作為軟組織材料,特別 是人工臟器的膜和管材.聚乙烯膜、聚四氟乙烯膜、硅橡膠膜和管,可用於製造人工肺、腎、心臟、喉頭、氣管、膽管、角膜.聚酯纖維可用於製造血管、腹膜等.
* 硬組織材料：丙烯酸高分子（即骨水泥）、聚碳酸醋、超高分子量聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）、尼龍、硅橡膠等可用於製造人工骨和人工關節.
* 降解材料：脂肪族聚醋具有生物降解特性,已用於可接收性手術縫線.
生物醫用無機非金屬材料
生物無機材料主要包括生物陶瓷、生物玻璃和醫用碳素材料.
按植入生物活體內引起的組織與材料反應,生物陶瓷分為：
⑴近於惰性的生物陶瓷,如氧化鋁生物陶瓷、氧化鋯生物陶瓷、硼硅酸玻璃；
⑵表面活性生物陶瓷,如磷酸鈣基生物陶瓷、生物活性玻璃陶瓷；
⑶可吸收性生物陶瓷,如偏磷酸三鈣生物陶瓷、硫酸鈣生物陶瓷.
生物活性玻璃陶瓷植入活體後,能夠與體液發生化學反應,並在組織表面生成羚基磷灰石層,故可用於人工種植牙根、牙冠、骨充填料和塗層材料.
與自然骨比較,生物活性玻璃陶瓷雖然具有較高的強度,但韌性較差,彈性模量過高,易脆斷,在生理環境中抗疲勞性能較差,目前還不能直接用於承力較大的人工骨.
醫用碳素材料：具有接近於自然骨的彈性模量.
醫用碳素材料疲勞性能最優,強度不隨循環載荷作用而下降.無序堆垛的碳材料耐磨性理想.
醫用碳素材料在生理環境中較穩定,近於惰性,具有較好的生物相容性,不會引起凝血和溶血反應,特別適合於在生理環境中使用.
醫用碳材料已大量用於心血管系統的修復,如人工心臟瓣膜、人工血管.還可作為金屬和聚合物的塗層材料.
生物醫用復合材料
生物醫用復合材料是由二種或二種以上不同材料復合而成的.
按基材分為：高分子基、陶瓷基、金屬基等生物醫用復合材料.
按增強體形態和性質分為纖維增強、顆粒增強、生物活性物質充填生物醫用復合材料.
按材料植入體內後引起的組織與材料反應分為：生物惰性、生物活性和可吸收性生物醫用復合材料.[1]

⑵ 什麼是生物陶瓷

生物陶瓷不僅具有不銹鋼塑料所具有的特性，而且具有親水性、能與細胞等生物組織表現出良好的親和性。生物陶瓷除用於測量、診斷治療等外，主要是用作生物硬組織的代用材料，可用於骨科、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。

⑶ 生物活性陶瓷的產品分類

1、水熱法制備生物活性玻璃陶瓷
採用水熱法合成了Ca-P-Si-Na生物活性玻璃陶瓷。實驗首先將質量分數為49．6%SiO2．22．9%CaO，21．5%Na20，6．0%P2O5生料置於聚氨酯球磨罐里混合球磨5h，然後施以5～20MPa的壓力壓製成塊，置於高壓釜內在200～250%水熱處理12～72h。樣品檢測採用體外實驗（in vitro）方法，通過把樣品在模擬體液里浸泡不同的時間，觀察其表面反應特徵；採用XRD分析產物的晶相和FTIR轉換紅外光譜表徵其生物活性，以及採用SEM研究了材料的微觀結構。結果表明：該生物活性玻璃陶瓷的主晶相是Na2CaSi3O8；玻璃陶瓷的生物活性基於磷灰石相的存在。
2、磷灰石/硅灰石生物活性玻璃陶瓷
磷灰石-硅灰石生物玻璃陶瓷是近年發展起來的優良骨修復支架材料,可為種子細胞提供良好的生長環境。但是細胞與載體的相互作用及變化機制尚未完全清楚。目的:考察溶膠-凝膠法制備的磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷對谷氨酸的吸附行為,探討溫度、溶液pH值、質量濃度對谷氨酸吸附量的影響。設計、時間及地點:觀察實驗,於2008-03/09在四川大學材料科學與工程學院完成。材料:用溶膠-凝膠法制備的磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷。方法:將片狀磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷浸泡於谷氨酸溶液中,改變谷氨酸溶液質量濃度、pH值、溫度等吸附條件。主要觀察指標:測量不同條件下的谷氨酸吸附量。結果:①磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷初次對谷氨酸吸附時,屬於Freundlich型吸附,包括物理吸附和化學吸附。②谷氨酸較適宜的吸附條件為pH3.4或者8,溫度為37℃左右。結論:磷灰石-硅灰石生物活性玻璃陶瓷對谷氨酸的吸附受溶液pH值、溫度、谷氨酸質量濃度等因素的影響,且存在一定的規律。 3、燒結法制備生物活性玻璃陶瓷
以氧化鋯為成核劑，採用燒結法制備了基玻璃化學組成為49.6%（質量分數，下同）SiO2，21.7%CaO，22.7%Na2O，6.1% P2O5的生物活性玻璃陶瓷材料。通過XRD、TF-XRD、SEM等測試分析對其物相及生物活性進行了研究。結果表明：在基玻璃中引入適量的氧化鋯,可獲得物相組成良好的材料，且該材料具有較高的生物活性。

⑷ 生物陶瓷材料的概念：

生物陶瓷（Bioceramies）是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用於人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統稱為生物陶瓷。
做為生物陶瓷材料，需具備如下條件：生物相容性；力學相容性；與生物組織有優異的親和性；抗血栓；滅菌性並具有很好的物理、化學穩定性。生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物復合材料三類。生物陶瓷材料因其與人的生活密切相關，故一直倍受材
料科學工作者的重視。

⑸ 什麼是納米生物陶瓷材料

納米陶瓷是20世紀80年代中期發展起來的先進材料，是由納米級水平顯微結構組成的新型陶瓷材料，它的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都只限於100nm量級的水平。納米結構所具有的小尺寸效應、表面與界面效應使納米陶瓷呈現出與傳統陶瓷顯著不同的獨特性能。納米陶瓷已成為當前材料科學、凝聚態物理研究的前沿熱點領域，是納米科學技術的重要組成部分。

生物陶瓷作為一種生物醫用材料，無毒副作用，與生物組織具有良好的相容性和耐腐蝕性，備受人們的青睞，在臨床上已有廣泛的應用，用於製造人工骨、骨釘、人工齒、牙種植體、骨髓內釘等。目前，生物陶瓷材料的研究已從短期的替代與填充發展成為永久性牢固種植，從生物惰性材料發展到生物活性材料。但是由於常規陶瓷材料中氣孔、缺陷的影響，該材料低溫性能較差，彈性模量遠高於人骨，力學性能不匹配，易發生斷裂破壞，強度和韌性都不能滿足臨床上的要求，致使其應用受到很大的限制。

納米材料的問世，使生物陶瓷材料的生物學性能和力學性能大大提高成為可能。與常規陶瓷材料相比，納米陶瓷中的內在氣孔或缺陷尺寸大大減小，材料不易造成穿晶斷裂，有利於提高固體材料的斷裂韌性。而晶粒的細化又使晶界數量大大增加，有助於晶界間的滑移，使納米陶瓷材料表現出獨特的超塑性。一些材料科學家指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。同時，納米材料固有的表面效應使其表面原子存在許多懸空鍵，並且有不飽和性質，具有很高的化學活性。這一特性可以增加該材料的生物活性和成骨誘導能力，實現植入材料在體內早期固定的目的。

美國的科學家研究了納米固體氧化鋁和納米固體磷灰石材料與常規的氧化鋁和磷灰石固體材料在體外模擬實驗中的差異，結果發現，納米固體材料具有更強的細胞吸附和繁殖能力。他們猜測這可能是由於以下原因。

（1）納米固體材料在模擬環境中更易於降解。

（2）晶粒和孔洞尺寸的減小改變了材料的表面粗糙度，增強了類成骨細胞的功能。

（3）納米固體材料的表面親水性更強，細胞更易於在其上吸附。

此外，人們還利用納米微粒顆粒小，比表面積大並有高的擴散速率的特點，將納米陶瓷粉體加入某些已被提出的生物陶瓷材料中，以便提高此類材料的緻密度和韌性，用做骨替代材料，如用納米氧化鋁增韌氧化鋁陶瓷，用納米氧化鋯增韌氧化鋯陶瓷等，已取得了一定的進展。

我國四川大學的科學家將納米類骨磷灰石晶體與聚醯胺高分子製成復合體，並將納米晶體含量調節到與人骨所含的納米晶體比例相同，研製成功納米人工骨。這種納米人工骨是一種高強柔韌的復合仿生生物活性材料。由於這種復合材料具有優異的生物相容性、力學相容性和生物活性，用它製成的納米人工骨不但能與自然骨形成生物鍵合，而且易與人體肌肉和血管牢牢長在一起。並可以誘導軟骨的生成，各種特性幾乎與人骨特性相當。另外他們還構思將納米固體陶瓷材料製造成人工眼球的外殼，使這種人工眼球不僅可以像真眼睛一樣同步移動，也可以通過電脈沖刺激大腦神經，看到精彩世界；理想中的納米生物陶瓷眼球可與眶肌組織達到很好的融合，並可以實現同步移動。

在無機非金屬材料中，磁性納米材料最為引入注目，已成為目前新興生物材料領域的研究熱點。特別是磁性納米顆粒表現出良好的表面效應，比表面激增，官能團密度和選擇吸附能力變大，攜帶葯物或基因的百分數量增加。在物理和生物學意義上，順磁性或超順磁性的納米鐵氧體納米顆粒在外加磁場的作用下，溫度上升至40～45℃，可達到殺死腫瘤的目的。

德國學者報道了含有75％～80％鐵氧化物的超順磁多糖納米粒子（200～400nm）的合成和物理化學性質。將它與納米尺寸的SiO2相互作用，提高了顆粒基體的強度，並進行了納米磁性顆粒在分子生物學中的應用研究，試驗了具有一定比表面的葡萄糖和二氧化硅增強的納米粒子。在卞列方面與工業上可獲得的人造磁珠做了比較：DNA自動提純、蛋白質檢測、分離和提純、生物物料中逆轉錄病毒檢測、內毒素消除和磁性細胞分離等。例如在DNA自動提純中，用濃度為25mg/mL的葡聚糖納米磁粒和SiO2增強的納米粒子懸濁液，達到了＞300ng/μL的DNA型1-2KD的非專門DNA鍵合能力。SiO2增強的葡聚糖納米粒子的應用使背景信號大大減弱。此外，還可以將磁性納米粒子表面塗覆高分子材科後與蛋白質結合，作為葯物載體注入到人體內，在外加磁場2125×103/π（A/m）作用下，通過納米磁性粒子的磁性導向性，使其向病變部位移動，從而達到定向治療的目的：例如10～50nm的Fe3O4磁性粒子表麵包裹甲基丙烯酸，尺寸約為200nm，這種亞微米級的粒子攜帶蛋白、抗體和葯物可以用於癌症的診斷和治療。這種局部治療效果好，副作用少。一前途無量的納米技術。

另外根據TiO2納米微粒在光照條件下具有高氧化還原能力而能分解組成微生物的蛋白質，科學家們進一步將TiO2納米微粒用於癌細胞治療，研究結果表明，紫外光照射10min後，TiO2納米微粒能殺滅全部癌細胞。

其他方面的應用還有一些例子。

20世紀80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO2微粒實現細胞分離的新技術。其基本原理和過程是：先制備SiO2納米微粒，尺寸大小控制在15～20nm。結構一般為非晶態，再將其表麵包覆單分子層。包覆層的選擇主要依據所要分離的細胞種類而定，一般選擇與所要分離細胞有親和作用的物質作為附著層。這種SiO2納米粒子包覆後所形成復合體的尺寸約為30nm；第二步是製取含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液，適當控制膠體溶液濃度；第三步是將納米SiO2包覆粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，再通過離心技術，利用密度梯度原理，使所需要的細胞很快分離出來。此方法的優點是：①易形成密度梯度；②易實現納米SiO2粒子與細胞的分離。這是因為納米SiO2微粒是屬於無機玻璃的范疇，性能穩定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應，既不會玷污生物細胞，也容易把它們分開。

利用不同抗體對細胞內各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異，選擇抗體種類，將納米金粒子與預先精製的抗體或單克隆抗體混合，制備成多種納米金-抗體復合物。藉助復合粒子分別與細胞內各種器官和骨骼系統結合而形成的復合物，在白光或單色光照射下呈現某種特徵顏色（如10nm的金粒子在光學顯微鏡下呈紅色），從而給各種組合「貼上」了不同顏色的標簽，因而為提高細胞內組織的解析度提供了一種急需的染色技術。

生物材料應用於人體後，其周圍組織有伴生感染的危險，這將導致材料的失效和手術的失敗，給患者帶來巨大的痛苦。為此，人們開發出一些兼具抗菌性的納米生物材料。如在合成羥基磷灰石納米粉的反應中，將銀、銅等可溶性鹽的水溶液加入反應物中，使抗菌金屬離子進入磷灰石結晶產物中，製得抗菌磷灰石微粉，用於骨缺損的填充和其他方面。

目前已發現多種具有殺菌或抗病毒功能的納米材料。二氧化鈦是一種光催化劑，普通TiO2在有紫外光照射時才有催化作用，但當其粒徑在幾十納米時，只要有可見光照射就有極強的催化作用。研究表明在其表面會產生自由基離子破壞細菌中的蛋白質，從而把細菌殺死，並同時降解由細菌釋放出的有毒復合物。實踐中可通過向產品整體或部件中添迦納米TiO2，再用另一種物質將其固定化，在一定的溫度下自由基離子會緩慢釋放，從而使產品具有殺菌或抗菌功能。例如用TiO2處理過的毛巾，只要有可見光照射，毛巾上的細菌就會被納米TiO2釋放出的自由基離子殺死。TiO2光催化劑適合於直接安放於醫院病房、手術室及生活空間等細菌密集場所。

經過近幾年的發展，納米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成績，但從整體來分析，此領域尚處於起步階段，許多基礎理論和實踐應用還有待於進一步研究。如納米生物陶瓷材料制備技術的研究——如何降低成本使其成為一種平民化的醫用材料；新型納米生物陶瓷材料的開發和利用；如何盡快使功能性納米生物陶瓷材料從展望變為現實，從實驗室走向臨床；大力推進分子納米技術的發展，早日實現在分子水平上構建器械和裝置，用於維護人體健康等，這些工作還有待於材料工作者和醫學工作者的竭誠合作和共同努力才能夠實現。

⑹ 生物陶瓷的分類

生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷(如Al2O3，ZrO2等)和生物活性陶瓷(如緻密羥基磷灰石，生物活性玻璃等)。
生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定、生物相溶性好的陶瓷材料。如氧化鋁、氧化鋯以及醫用碳素材料等。這類陶瓷材料的結構都比較穩定，分子中的鍵合力較強，而且都具有較高的強度、耐磨性及化學穩定性。
1． 氧化鋁生物陶瓷
單晶氧化鋁c 軸方向具有相當高的抗彎強度，耐磨性能好，耐熱性好，可以直接與骨固定。已被用作人工骨、牙根、關節、螺栓。並且該螺栓不生銹，也不會溶解出有害離子，與金屬螺栓不同，勿需取出體外。60年代後期，廣泛用作硬組織修復。70年代至80年代中期，世界許多國家如美國、日本、瑞士等國家，都對氧化物陶瓷，特別是氧化鋁生物陶瓷進行了廣泛的研究和應用。由於氧化鋁陶瓷植入人體後表面生成極薄的纖維膜，界面無化學反應，多用於全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接。通過火焰熔融法製造的單晶氧化鋁，強度很高，耐磨性好，可精細加工，製成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化鋁，即剛玉，強度大，用於製作人工髖關節，人工骨，人工牙根和關節。單晶氧化鋁陶瓷的機械性能更優於多晶氧化鋁，適用於負重大、耐磨要求高的部位，但其不足之處在於加工困難。中國陶瓷在實驗室研究水準上完全可達到ISO 標准，但用於臨床仍有一定差距，材料未達到ISO 標准。
（國際標准化組織（ISO）對於醫用氧化鋁植入製品的要求） 物理特性 氧化鋁陶瓷 ISO標准
6474 氧化鋯陶瓷 緊質骨 松質骨 質量分數/% 氧化鋁>99.8 氧化鋁>99.5 氧化鋯>97 密度/(g·cm-3) >3.93 >3.90 6.05 1.6-2.1 平均粒徑/mm-3 3-6 <7 0.2-0.4 表面粗糙度Ra/mm-3 0.02 0.008 硬度/HV 2300 >2000 1300 壓縮強度/MPa 4500 2000 100-230 2-12 抗彎強度/MPa 595 >400 1000 50-150 楊氏模量/GPa 400 150 7-30 0.05-0.5 斷裂人性K/(MPa·m1/2) 5-6 15 2-12 氧化鋁單晶的生產工藝：氧化鋁單晶的生產工藝有提拉法、導模法、氣相化學沉積生長法、焰熔法等。
a、提拉法
即是把原料裝入坩堝內，將坩堝置於單晶爐內，加熱使原料完全熔化，把裝在籽晶桿上的籽晶浸漬到熔體中與液面接觸，精密地控制和調整溫度，緩緩地向上提拉籽晶桿，並以一定的速度旋轉，使結晶過程在固液界面上連續地進行，直到晶體生長達到預定長度為止。提拉籽晶桿的速度1.0-4mm/min 坩堝的轉速為10r/min，籽晶桿的轉速為25r/min
b、導模法
簡稱EFG法。在擬定生長的單晶物質熔體中，放頂面下所擬生長的晶體截面形狀相同的空心模子即導模，模子用材料應能使熔體充分潤濕，而又不發生反應。由於毛細管的現象，熔體上升，到模子的頂端面形成一層薄的熔體面。將晶種浸漬到基中，便可提拉出截面與模子頂端截面形狀相同的晶體。
c、氣相化學沉積生長法
將金屬的氫氧化物、鹵化物或金屬有機物蒸發成氣相，或用適當的氣體做載體，輸送到使其凝聚的較低溫度帶內，通過化學反應，在一定的襯底上沉積形成薄膜晶體。
d、焰熔法
將原料裝在料斗內，下降通過倒裝的氫氧焰噴嘴，將其熔化後沉積在保溫爐內的耐火材料托柱上，形成一層熔化層，邊下降托柱邊進行結晶。用這種方法晶體生長速度快、工藝較簡單，不需要昂貴的銥金坩堝和容器，因此較經濟。
e、單晶氧化鋁臨床應用。
它用作人工關節柄與氧化鋁多晶陶瓷相比具有比較高的機械強度，不易折斷。它還可以作為損傷骨的固定材料，主要用於製作人工骨螺釘，比用金屬材料製成的人工骨螺釘強度高。可以加工成各種齒用的尺寸小、強度大的牙根，由於氧化鋁單晶與人體蛋白質有良好的親合性能，結合力強，因此有利於牙齦粘膜與異齒材料的附著。
2． 氧化鋯陶瓷
氧化鋯陶瓷(Zirconia Bioceramics)是以ZrO2為主要成分的生物惰性陶瓷，其顯著特徵是具有高斷裂韌性、高斷裂強度和低彈性模量。氧化鋯(ZrO2)具有極高的化學穩定性和熱穩定性(Tm=2953K)，在生理環境中呈現惰性，具有很好的生物相容性。純氧化鋯具有三種同素異型體，在一定條件下可以發生晶型轉變(相變)。在承受外力作用時，其 t 相向 m 相轉變的過程需吸收較高的能量，使裂紋尖端應力鬆弛，增加裂紋擴散阻力而增韌，因而具有非常高的斷裂韌性。
部分穩定的氧化鋯和氧化鋁一樣，生物相容性良好，在人體內穩定性高，且比氧化鋁斷裂韌性、耐磨性更高，有利減少植入物尺寸和實現低摩擦、磨損, 用以製造牙根、骨、股關節、復合陶瓷人工骨、瓣膜等。上海的科學家還研製成功了等離子噴塗氧化鋯人工骨與關節陶瓷塗層材料，並獲得了國家發明獎。
（用於外科植入的氧化鋁、氧化鋯陶瓷性能比較） 性 質 氧化鋁 氧化鋯 密度(g/cm) 3.98 6.05 顆粒大小(mm) 3.6 0.2-0.4 抗彎強度(MPa) 595 1000 抗壓強度(MPa) 4200 2000 楊氏模量(GPa) 400 150 硬度(HV) 2400 1200 斷裂韌性KIC(MN/m) 5 7 氧化鋯陶瓷的制備工藝：自然界含有豐富的鋯英石(ZrSiO4)，採用化學法可以制備純氧化鋯粉體，加入助熔劑及適當改性劑輔料後，經成型、燒結得到氧化鋯陶瓷。
生物醫學應用：基於氧化鋯陶瓷優良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高斷裂強度和低彈性模量，適合製作需承受高剪切應力的人工關節。氧化鋯/氧化鋯對磨時，其磨損率是氧化鋁/氧化鋁對磨的磨損率的5000倍；但形成氧化/UHMWPE摩擦副時卻表現出良好的摩擦磨損性能。
3.碳素生物材料
自然界中碳的分布很廣，有單質碳，但更多以化合物形式存在。單質碳有多種同素異型體，主要有金剛石結構、石墨結構和無定形結構。碳是生物惰性的材料，在人體中化學穩定性好、無毒性、與人體組織親和性好、無排異反應。特別需指出的是，無定形碳除具有優良的機械性能外，可以調整組成和結構改變其性能，滿足不同的應用要求。無定形碳雖然不與人體組織形成化學鍵合，但允許人體軟組織長入碳的空隙，形成牢固結合，碳周圍的人體軟組織可迅速再生，有人認為無定形碳具有誘發組織生長的作用。由於無定形碳獨特的表面組成和表面結構，與血液長期接觸引起的凝血作用非常小，不會誘發血栓，因而廣泛應用作心血管材料。
在醫學中常用的無定形碳包括：低溫各向同性碳、玻璃狀碳、超低溫各向同性碳、類金剛石碳、碳纖維增強復合碳材料。
A、低溫各向同性熱解碳(Low Temperature Isotropic Pyrolytic Carbon，LTIC)、玻璃狀碳(Glass Carbon)、超低溫各向同性碳(Ultralow Temperature Isotropic Carbon，ULTIC)均為無序晶格晶格，統稱為渦輪層碳。渦輪層碳(Turbostratic Carbon)的微觀結構為無序結構，看起來很復雜，但實際上與石墨結構具有一定的相似性。從生物醫學材料的觀點出發，渦輪層碳的最大特點是具有優良的細胞生物相容性和抗凝血性，以LTIC和ULTIC更為突出。
（渦輪層碳素材料的性質） 性 能 多晶石墨 LTI碳 玻璃狀碳 ULTI碳 密 度 (g/cm) 1.5-1.8 1.7-2.2 1.4-1.6 1.5-2.2 粒 徑 (nm) 15-250 3-5 1-4 8-15 膨脹系數(10/K) 0.5-5.0 5-6 2-6 --- 威氏硬度(DPH) 50-120 230-370 150-200 150-250 楊氏模量(GPa) 4-12 27-31 24-31 14-21 抗彎強度(MPa) 65-300 350-530 69-206 345-690 斷裂變形(%) 0.1-0.7 1.5-2.0 0.8-1.3 2.0-5.0 B、玻璃狀碳。玻璃狀碳是一種不可石墨化的單塊碳，具有很高的各向同性特徵，原生表面及斷面有玻璃體外貌特徵，但僅限於外觀，並無硅酸鹽玻璃的空間網狀結構。玻璃狀碳由無規則的大約5nm的晶粒組成，具有非常低的孔隙率，對液體和氣體的滲透性很低。
C、類金剛石碳。類金剛石碳(Diamond-like Carbon，DLC)中除無定型結構的碳之外，還包含有少量的金剛石微晶、石墨微晶等，其物理性能與金剛石非常相似。由於制備類金剛石的原料為碳氫化合物，因此在類金剛石中除碳外，還含有較多的碳－氫基團；隨其中碳－氫基團的種類和數量不同，類金剛石的性質亦有較大變化。它具有高硬度（Hv (kg/mm2) 1200-1800）、高耐磨損、低摩擦系數、高耐腐蝕、組織相容和血液相容的優良特性。其制備工藝包括：等離子體化學氣相沉積、離子束增強沉積、離子鍍和 PIII－IBED等。
（醫用碳素材料的應用） 應 用 材 料 人工心臟瓣膜 LTI、DLC 心臟縫合環塗層 ULTI 血液通道器件 LTI / ULTI 起搏器電極 多孔玻璃－ULTI 血液氧合微孔分離膜塗層 ULTI 耳通道管 LTI 牙根、牙片植入體塗層 ULTI、DLC 人工關節塗層 LTI、DLC 經皮連接器塗層 LTI 生物活性陶瓷
生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入並同其表面發生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內能誘發新生骨的生長。生物活性陶瓷具有骨傳導性，它作為一個支架，成骨在其表面進行；它還可作為多種物質的外殼或填充骨缺損。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣陶瓷等幾種。
1． 生物活性玻璃及玻璃陶瓷(Bioactive Glass & Glass-ceramics)
生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO-Na2O-S iO2-P2O5，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發生化學結合。它具有區別於其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內，無排斥、炎性及組織壞死等反應，能與骨形成骨性結合；與骨結合強度大，界面結合能力好，並且成骨較快。目前此種材料已用於修復耳小骨，對恢復聽力具有良好效果。但由於強度低，只能用於人體受力不大的部位。目前制備生物活性玻璃的方法主要是採用溶膠- 凝膠法制備，採用該方法制備的材料具有特殊的化學組成，納米團簇結構和微孔，因而比表面積較大，生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好。由於溶膠- 凝膠法制備的材料純度好、均勻性高、生物活性好和比表面積大等特點，具有更好的研究及應用價值，特別是生物活性玻璃多孔材料在用作骨組織工程支架方面具有很好的前景。
生物活性玻璃及玻璃陶瓷最顯著的特徵是植入人體後，表面狀況隨時間而動態變化，表面形成生物活性的碳酸羥基磷灰石(HCA)層，為組織提供了鍵合界面。
A、組成：生物活性玻璃的組成主要為：SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。生物活性玻璃陶瓷是在生物活性玻璃的基礎上，控制晶化得到的多晶體。與傳統鈉鈣硅體系玻璃相比，具有三大組成特徵：SiO2含量低；Na2O、CaO含量高；CaO / P2O5比例高。
B、性質：快速的表面反應；無定形二維結構使強度及斷裂韌性低；彈性模量(30-35MPa)低，與皮質骨接近；可切削生物玻璃具有良好的加工性能。
C、制備工藝：生物活性玻璃的制備工藝與傳統的玻璃制備工藝基本相同，包括稱重、混合、熔合、熔化、均勻化、玻璃形成等。玻璃陶瓷則還需在一定的熱處理制度下控制玻璃成核與晶粒生長。
D、臨床應用：a) 45S5生物活性玻璃用於中耳小骨置換、頜骨缺損修復、牙周缺損修復、骨嵴維護植入體，不引起細胞損傷、無降解產物、無感染性。b) Ceravital生物活性玻璃陶瓷用於中耳外科手術，是一種低鈉、鉀的生物活性玻璃陶瓷。c) 磷灰石-硅灰石活性玻璃－－A-WGC，用作脊椎假體、胸、額骨修復以及骨缺損修復，已成功應用於數萬名患者。d) 可切削生物活性玻璃－MBGC]，主要用在頜面、脊椎、牙槽硬組織修復以及 口腔修復，其特點是優良的可加工行及骨結合性。
2.磷酸鈣生物活性陶瓷
磷酸鈣陶瓷(CPC)是生物活性陶瓷材料中的重要種類，目前研究和應用最多的是羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)。磷酸鈣陶瓷含有CaO和P2O5兩種成份，是構成人體硬組織的重要無機物質，植入人體後，其表面同人體組織可通過鍵的結合，達到完全親和。其中，HA在組成和結構上與人骨和牙齒非常相似，具有較高的力學性能，在人體生理環境中可溶解性較低；TCP與骨的結合性好，無排異反應，在水溶液中的溶解程度遠高於HA，能被體液緩慢降解、吸收，為新骨的生長提供豐富的鈣、磷，促進新骨的生長。除了這二者，磷酸鈣生物陶瓷還包括可降解、吸收的鋅－鈣－磷氧化物陶瓷(ZCAP)、硫酸鋅－磷酸鈣陶瓷(ZSCAP)、磷酸鋁鈣陶瓷(ALCAP)和鐵－鈣－磷氧化物陶瓷(FECAP)等。
A、組成和物化性能概述
磷酸鈣化合物的分類通常是按照具有的Ca/P原子比(鈣磷比)進行，磷酸鈣陶瓷是具有不同鈣磷比磷酸鈣陶瓷的總稱。
（磷酸鈣按照Ca/P進行分類） 鈣磷比 分子式 名稱 簡寫 2.0 Ca4O(PO4)2 磷酸四鈣 TTCP 1.67 Ca10(PO4)6(OH)2 羥基磷灰石 HA <1.67 Ca10-XH2X(PO4)6(OH)2 無定形磷酸鈣 ACP 1.5 Ca3(PO4)2 磷酸三鈣 TCP 1.33 Ca8H2(PO4)6.5H2O 磷酸八鈣 OCP 1.0 CaHPO4.2H2O 二水磷酸氫鈣 DCPD 1.0 CaHPO4 磷酸氫鈣 DCP 1.0 Ca2P2O7 焦磷酸鈣 CPP 1.0 CaP2O7.2H2O 二水磷酸鈣 CPPD 0.7 Ca7(P5O16)2 磷酸七鈣 HCP 0.67 Ca4H2P6O20 磷酸二氫四鈣 TDHP 0.5 Ca(H2PO4)2.H2O 一水磷酸一鈣 MCPM 0.5 Ca(PO3)2 偏磷酸鈣 CMP 各種磷酸鈣化合物高溫下的結構與其鈣磷比、溫度、加熱速度、氣氛等因素有關；合成工藝的不同，也將影響其熱特性(主要是其熱穩定性)。
各種磷酸鈣化合物均具有一定的溶解性，磷酸氫鈣、磷酸三鈣和羥基磷灰石的溶度積如下：
磷酸氫鈣 pK=6.57
磷酸三鈣 pK=28.7
羥基磷灰石 pK=57.8
在水中磷酸氫鈣的溶解能力最強，磷酸三鈣次之，羥基磷灰石最穩定。因此，由磷酸氫鈣及磷酸三鈣製作的骨修復材料可以逐漸溶解，同時沉澱結晶為羥基磷灰石。
B、羥基磷灰石陶瓷
羥基磷灰石( hydroxyapatite，簡稱HA或HAP)組成與天然磷灰石礦物相近，是脊椎動物骨和齒的主要無機成分，結構亦非常接近，呈片狀微晶狀態。它作為骨代替物被用於骨移植。HA 有良好的生物相容性，植入體內不僅安全，無毒，還能傳導骨生長。HA能使骨細胞附著在其表面, 隨著新骨的生長，這個連接地帶逐漸萎縮，並且HA通過晶體外層成為骨的一部分, 新骨可以從HA 植入體與原骨結合處沿著植入體表面或內部貫通性孔隙攀附生長。HA生物活性陶瓷是典型生物活性陶瓷，植入體內後能與組織在界面上形成化學鍵性結合。HA生物活性陶瓷和骨鍵接的機制不像生物玻璃那樣需要通過在其表面形成富硅層，進而形成中間鍵接帶以實現鍵合。緻密羥基磷灰石陶瓷植入骨內後，由成骨細胞在其表面直接分化形成骨基質，產生一個寬為3~ 5 μm 的無定形電子密度帶，膠原纖維束長入此區域和細胞之間，骨鹽結晶在這個無定形帶中發生。隨著礦化成熟，無定形帶縮小至0.05~ 0.2μm，羥基磷灰石植入體和骨的鍵合就是通過這個很窄的鍵接帶實現的。
經HA表面塗層處理的人工關節植入體內後,周圍骨組織能很快直接沉積在羥基磷灰石表面，並與羥基磷灰石的鈣、磷離子形成化學鍵，結合緊密,中間無纖維膜。HA 生物陶瓷植入肌肉或韌帶等軟組織或被一薄層結締組織緊密包繞，無炎性細胞和微毛細管存在。作穿皮種植時，能在頸部和上皮組織密合，無炎症和感染發生。因此，HA生物活性陶瓷也適用於穿皮器件及軟組織修復。
HA陶瓷的制備一般可從分解動物的骨組織和人工合成獲得，後者又分濕法和固相反應。最常用的方法是反應共沉澱法，它是將鈣質原料和磷酸鹽或磷酸，分別配製成合適濃度的液體，按鈣磷原子比1.67，在pH > 7的環境下，控制適當溫度進行反應合成，沉澱物經脫水乾燥，高溫煅燒得淺綠色合成晶體的團聚體，純度達99.5% 以上，其化學組成主要為：CaO，P2O5。單一的HA成形和燒結性能較差，易變形和開裂。加入ZrO2+ Y2O3，ZnO和含鎂鹽的CPM 復合試劑等，可使具有良好生物相容性和足夠機械強度，且無毒。連續熱等靜壓燒結是制備理論密度的高緻密HA 的有效方法。這種材料主要用作生物硬組織的修復和替換材料, 如口腔種植，牙槽脊增高，牙周袋填補，額面骨缺損修復，耳小骨替換等。由於機械強度不夠高，只限用於以上不承受大載荷部位。由於自然骨優異的強度和韌性，人們想到通過仿生的途徑來提高生物陶瓷修復骨修復材料的性能。Landis等人提出的骨微結構的模型已經廣為人們所引用，盡管其中尚有一些細節沒有實驗驗證。
在磷酸鈣化合物中，研究得最多的是磷灰石，其化學通式為：M10(XO4)6Z2。M －－為二價金屬離子，XO4－－為五價陰離子，Z －－為一價陰離子。下面將詳細論述羥基磷灰石陶瓷。
羥基磷灰石陶瓷的製造工藝：
a、固相反應法
這種方法與普通陶瓷的製造方法基本相同，根據配方將原料磨細混合，在高溫下進行合成：
1000-1300℃
6CaHPO4·2H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O
b、水熱反應法
將CaHPO4與CaCO3按6：4摩爾比進行配料，然後進行24h濕法球磨。將球磨好的漿料倒入容器中，加入足夠的蒸餾水，在80-100℃恆溫情況下進行攪拌，反應完畢後，放置沉澱得到白色的羥基磷灰石沉澱物，其反應式如下：
6CaHPO4+4CaCO3═Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O
c、沉澱反應法
此法用Ca(NO3)2與(NH4)2HPO4進行反應，得到白色的羥基磷灰石沉澱。其反應如下：
10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O
此外，還有其它方法可製成羥基磷灰石。
羥基磷灰石陶瓷的性能應用
合成的羥基磷灰石的結構與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14，機械強度大於10MPa，對生物無毒，無刺激，生物相溶性好，不被吸收，能誘發新有的生長。
國內外已將羥基磷灰石用牙槽、骨缺損、腦外科手術的修補、填充等，用於製造耳聽骨鏈和整形整容的材料。此外，它還可以製成人工骨核治療骨結核。
3．磷酸三鈣
目前廣泛應用的生物降解陶瓷β-磷酸三鈣( 簡稱β-TCP)，屬三方晶系，鈣磷原子比為1.5，是磷酸鈣的一種高溫相。β-TCP的最大優勢就是生物相容性好，植入機體後與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。
鈣磷比在決定體內溶解性和吸收趨勢上起著重要作用，所以和HA相比TCP更易於在體內溶解，其溶解度約比HA 高10~ 20倍。常用的β-TCP植入體內可逐漸降解，降解速率可因其表面構造，結晶構型，含孔率及植入動物的不同而異，其強度常隨降解而減弱。已證實改變孔徑和材料純度能減緩降解速度，提高生物強度。
與其他陶瓷相比，β-TCP陶瓷更類似於人骨和天然牙的性質和結構在生物體內，羥基磷灰石的溶解是無害的，並且依靠從體液中補充鈣和磷酸根離子等形成新骨，可在骨骼接合界面產生分解、吸收和析出等反應，實現牢固結合。
β-TCP陶瓷的缺點是機械強度偏低，經不起力的沖擊。將β-TCP與其他材料混合，製成雙相或多相陶瓷，是提高其力學強度的方法之一。通常認為雙相鈣磷陶瓷( biphasic calc ium phosphate，BCP)的骨傳導效應優於單一的HA 或TCP，可以結合HA的強度高和TCP生物降解性能好的優點，而且化學成分與骨相似。Bruder等將骨髓基質細胞( bone marrow stroma cells, BMS)接種於多孔BCP上，修復21mm 長的犬股骨節段性缺損獲得成功。傅榮等發現， BCP上培養BMS能更好地表達成骨細胞特性，表明BCP更適用於骨組織工程的基質材料。