生物醫學陶瓷材料有哪些

Ⅰ 生物高分子材料有哪些

生物高分子材料也稱為生物醫學材料,是指以醫療為目的,用於與生物組織接觸以形成功能的無生命的材料。主要包括生物醫用高分子材料、生物醫用陶瓷材料、生物醫用金屬材料和生物醫用復合材料等。研究領域涉及材料學、化學、醫學、生命科學，生物醫用高分子材料是一門介於現代醫學和高分子科學之間的新興學科。它涉及到物理學、化學、生物化學、病理學、血液學等多種邊緣學科。目前醫用高分子材料的應用已遍及整個醫學領域(如:人工器官、外科修復、理療康復、診斷治療等)。

由於醫用高分子材料可以通過組成和結構的控制而使材料具有不同的物理和化學性質,以滿足不同的需求,耐生物老化,作為長期植入材料具有良好的生物穩定性和物理、機械性能,易加工成型,原料易得,便於消毒滅菌,因此受到人們普遍關注,已成為生物材料中用途最廣、用量最大的品種,近年來發展需求量增長十分迅速。醫用高分子材料的研究目前仍然處於經驗和半經驗階段,還沒有能夠建立在分子設計的基礎上,以材料的結構與性能關系,材料的化學組成、表面性質和生命體組織的相容性之間的關系為依據來研究開發新材料。目前全世界應用的有90多個品種,西方國家消耗的醫用高分子材料每年以10%~20%的速度增長。隨著人民生活水平的提高和對生命質量的追求,我國對醫用高分子材料的需求也會不斷增加。

合成高分子材料因與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學結構和物理性能，因而可以植入人體，部分或全部取代有關器官。因此，在現代醫學領域得到了最為廣泛的應用，成為現代醫學的重要支柱材料。當前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及葯物控制釋放材料。

外科置入件用高分子材料耐生物老化,作為長期置入材料具有良好的生物穩定性和物理、機械性能，易於加工成型,原料易得，便於消毒,受到人們普遍的關注,這類材料主要用於生物體軟、硬組織修復體、人工器官、人工血管、接觸鏡、膜材、粘結劑和空腔製品諸方面。其特點是大多數不具有生物活性，與組織不易牢固結合，易導致毒性、過敏性等反應。不過作為承重的植入件用高分子材料還有許多方面的問題，目前研究主要集中在提高材料的對生物體的安全性；提高組織相容性和血液相容性；改善生物學性能，改善提高力學、機械、物理性能。在生物膜材料方面，屬於線性高分子多糖結構的殼聚糖是甲殼質脫乙醯基的衍生物，無毒、無抗原性，可在生物體內自行降解.殼聚糖膜有促進創面癒合的作用，具有良好通透性，且含有游離氨基，能結合酸分子，是天然多糖中唯一的鹼性多糖。因而具有許多特殊的物理化學性質和生理功能，在醫學生物材料上可作為人工腎膜和人造皮膚。

生物降解型醫用高分子材料的主要成分是聚乳酸、聚乙烯醇及改性的天然多糖和蛋白質等，在臨床上主要用於暫時執行替換組織和器官的功能，或作葯物緩釋系統和送達載體、可吸收性外科縫線、創傷敷料等。其特點是易降解，降解產物經代謝排出體外，對組織生長無影響，目前已成為醫用高分子材料發展的方向。

高分子葯物控制釋放體系不僅能提高葯效，簡化給葯方式，大大降低了葯物的毒副作用，而且納米靶向控制釋放體系使葯物在預定的部位，按設計的劑量，在需要的時間范圍內以一定的速度在體內緩慢釋放，而達到治療某種疾病或調節生育的目的，比如高分子多肽或蛋白葯物控制釋放體系新的研究進展，為那些口服無效的多肽或蛋白葯物的臨床應用，展示了令人鼓舞的前景。

Ⅱ 為人類造福的生物醫學材料有哪些

當一個人發生骨折時，醫生要用石膏為他固定患處；而患了齟齒時，則要用光固性高分子修補材料補上齟洞；而進行X光透視時所服用的鋇餐，對很多人而言也不陌生。這些材料都是生物醫學材料，又稱生物材料，是用以和生物系統結合，以診斷、治療或替換機體中的組織、器官或增進其功能。

生物醫學材料有很多種類，它可以是天然產物，也可以是合成材料，或者是它們的結合，還可用有生命力的活體細胞或天然組織與無生命的材料結合而成混雜材料。生物醫學材料不同於葯物，其主要治療目的不必要通過體內的化學反應或新陳代謝來實現，但是可以起到葯理作用，甚至起葯理活性物質的作用。與生物物質直接結合是生物醫學材料最基本的特性，如直接進入人體的植入材料，人工心肺、肝、腎等體外輔助裝置中與血液直接接觸的材料等。除應滿足一定的物理化學性質要求外，生物醫學材料還必須滿足生物學性能要求，即生物相容性要求，這是區別於其他功能材料的最重要特徵。

生物醫學材料按照組成和性質分為醫用金屬和合金、醫用高分子材料、生物陶瓷以及它們結合而成的生物醫學復合材料。經過處理的天然組織，由於其來源特殊，另成一類生物衍生材料。根據在生物環境中發生的生物化學反應水平，可分為近於惰性的、生物活性的以及可生物降解和吸收的材料。還可根據臨床用途，分為骨、關節、肌腱等骨骼——肌肉系統修復和替換材料；皮膚、乳房、食道、呼吸道、膀胱等軟組織材料；人工心瓣膜、血管、心血管內插管等醫用膜材料；組織粘合劑和縫線材料；葯物釋放載體材料；臨床診斷及生物感測器材料及齒科材料等。生物醫學材料事關人們健康，生產和使用都必須遵守國際標准化組織或中國國家標准，嚴格地進行安全性、可靠性評價並認可之後，才能投入使用。

Ⅲ 生物陶瓷材料的生物陶瓷發展概況

生物陶瓷材料作為生物醫學材料始於18 世紀初。
1808 年初成功製成了用於鑲牙的陶齒，而後在1871 年，羥基磷灰石被人工合成。1894 年，H.Dreeman報道使用熟石膏作為骨替換材料。1926 年，Bassett 用X- 射線衍射分析發現骨和牙的礦物質與羥基磷灰石的X射線譜相似。1928 年，Leriche 和Policard 開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料。1930 年，Naray-Szabo 和Mehmel 獨立地應用X-ray 衍射分析確定了氟磷灰石的結構。1963 年在生物陶瓷發展史上也是重要的一年，該年Smith 報告發展了一種陶瓷骨替代材料。由於技術方面的限制，直到1971 年才有羥基磷灰石被成功研製並擴大到臨床應用的報道。
1974 年，Hench 在設計玻璃成分時，曾有意識地尋求一種容易降解的玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內作為骨骼和牙齒的替代物時，發現有些材料中的組織可以和生物體內的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的性質，構成新生骨骼和牙齒的一部分。這種將無機材料與生物醫學相聯系的開創性研究成果，很快得到了各國學者的高度重視。
中國20 世紀70 年代初期開始研究生物陶瓷，並用於臨床。1974 年開展微晶玻璃用於人工關節的研究；1977 年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得應用；1979 年高純氧化鋁單晶用於臨床，以後又有新型生物陶瓷材料不斷出現，並應用於臨床[7]。中國上海硅酸鹽研究所、華南理工大學、北京市口腔醫學研究所等單位對生物陶瓷都進行了深入的研究。
生物陶瓷的應用范圍也正在逐步擴大，現可應用於人工骨、人工關節、人工齒根、骨充填材料、骨置換材料、骨結合材料、還可應用於人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經皮引線可應用於體內醫學監測等。

Ⅳ 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。

Ⅳ 生物醫學材料的基本要求是什麼

生物醫學材料基本的要求:無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細胞的突發和組織細胞的反應；與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發熱和過敏等現象；

化學性質穩定，抗體液、血液及酶的作用；具有與天然組織相適應的物理機械特性；針對不同的使用目的具有特定的功能。

生物醫用材料是一類用於診斷、治療、修復和替換人體組織、器官或增進其功能的新型高技術材料，涉及學科較為廣泛，學科交叉較深；

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生物材料的發展綜合體現了材料學、生物學、醫學等多個領域科學與工程技術的水平。同時，生物再生材料產業作為材料科學、生物技術、臨床醫學的前沿和重點發展領域，以及整個生物醫學工程的基礎，已發展為整個經濟體系中最具活力的產業之一。

其不僅是構成現代醫學基礎的生物醫學工程和生物技術的重要基礎，且對材料科學和生命科學等相關學科的發展有重要的促進作用。

Ⅵ 生物醫學材料的基本要求是什麼

生物醫學材料是指一類具有特殊性能、特種功能，用於人工器官、外科修復、理療康復、診斷、治療疾患，而對人體組織不會產生不良影響的材料。現在各種合成材料和天然高分子材料、金屬和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各種復合材料，其製成品都已經被廣泛應用於臨床和科研。

一、生物醫學材料的分類

一般而言，臨床醫學對生物醫學材料有以下基本的要求:無毒性，不致癌，不致畸，不引起人體細胞的突發和組織細胞的反應；與人體組織相容性好，不引起中毒、溶血凝血、發熱和過敏等現象；化學性質穩定，抗體液、血液及酶的作用；具有與天然組織相適應的物理機械特性；針對不同的使用目的具有特定的功能。根據物質屬性，生物醫學材料大致可以分為以下幾種:

1、生物醫學金屬材料

醫用金屬材料（biomedical Metallic Materials）是作為生物醫學材料的金屬或合金，具有很高的機械強度和抗疲勞特性，是臨床應用最廣泛的承力植入材料，主要有鈷合金（Co-Cr-Ni）、鈦合金（Ti-6Al-4V）和不銹鋼的人工關節和人工骨。鎳鈦形狀記憶合金具有形狀記憶的智能特性，能夠用於矯形外科、心血管外科。

2、生物醫學高分子材料

生物醫學高分子材料（Biomedical Polymer）有天然的和合成的兩種，發展最快的是合成高分子醫用材料。通過分子設計，可以獲得很多具有良好物理機械性和生物相容性的生物材料。其中軟性材料常用作人體軟組織如血管、食道和指關節等的代用品；合成的硬材料可以用作人工硬腦膜、籠架球形的人工心臟瓣膜的球形閥等；液態的合成材料如室溫硫化硅橡膠可以用作注入式組織修補材料。

3、生物醫學無機非金屬材料或生物陶瓷

生物陶瓷（Biomedical Ceramics）化學性質穩定，具有良好的生物相容性。生物陶瓷主要包括兩類:（1）惰性生物陶瓷（如氧化鋁、醫用碳素材料等），這類材料具有較高的強度，耐磨性能良好，分子中的鍵力較強。（2）生物活性陶瓷（如羥基磷灰石和生物活性玻璃等），這類材料具有能在生理環境中逐步降解和吸收，或與生物機體形成穩定的化學鍵結合的特性，因而具有極為廣闊的發展前景。

4、生物醫學復合材料

生物醫學復合材料（Biomedical Composites）是由兩種或兩種以上不同材料復合而成的生物醫學材料，主要用於修復或替換人體組織、器官或增進其功能以及人工器官的製造。其中鈦合金和聚乙烯組織的假體常用作關節材料；碳—鈦合成材料是臨床應用良好的人工股骨頭；高分子材料與生物高分子（如酶、抗源、抗體和激素等）結合可以作為生物感測器。

5、生物醫學衍生材料

生物醫學衍生材料（Biomedical Derived Materials）是經過特殊處理的天然生物組織形成的生物醫學材料，是無生物活力的材料，但是由於具有類似天然組織的構型和功能，在人體組織的修復和替換中具有重要作用，主要用作皮膚掩膜、血液透析膜、人工心臟瓣膜等。

二、全球生物醫學材料市場主要產品

目前大量用於醫療器械（植入器械、體外循環系統等）的生物醫學材料主要有20種，其中醫用高分子12種，金屬4種，陶瓷2種，其它2種。利用現有的生物醫學材料，已開發應用的醫用植入體、人工器官等近300種，主要包括:心臟和心血管系統（起搏器、心臟瓣膜、人造血管、導管和分流管等）；矯形外科（人工關節、骨板、骨螺釘等內固定器械、骨缺損填充或修復體、脊柱和脊柱融合器械、功能化模擬神經肌肉和人工關節軟骨等）；整形外科（顱、頜面、耳、鼻等修復體和人工乳房等）；軟組織修復（人工尿道、人工膀胱和腸、體內、外分流管、人工氣管、縫線和組織粘合修補材料等）；牙科（牙種植體、牙槽骨替換、增高和充填劑等）；感覺神經系統（人工晶體、接觸鏡、神經導管、中耳修復體、經皮導線、重建聽力和視力修復體等），及葯物和生物活性物質控釋載體等。

Ⅶ 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。

Ⅷ 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。