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生物医用复合材料的研究进展及趋势

来源:北京生物医学工程 作者:张宏泉闫玉华李世普 2004-9-23
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摘要: 0引言生物医用复合材料(biomedical composite materials)是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料,它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造[1]。长期临床应用发现,传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性,与组织不易牢固结合,在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响,导致金属离子或单体......


  0 引 言

  生物医用复合材料(biomedical composite materials)是由两种或两种以上的不同材料复合而成的生物医用材料,它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造[1]。长期临床应用发现,传统医用金属材料和高分子材料不具生物活性,与组织不易牢固结合,在生理环境中或植入体内后受生理环境的影响,导致金属离子或单体释放,造成对机体的不良影响。而生物陶瓷材料虽然具有良好的化学稳定性和相容性、高的强度和耐磨、耐蚀性,但材料的抗弯强度低、脆性大,在生理环境中的疲劳与破坏强度不高,在没有补强措施的条件下,它只能应用于不承受负荷或仅承受纯压应力负荷的情况。因此,单一材料不能很好地满足临床应用的要求。利用不同性质的材料复合而成的生物医用复合材料,不仅兼具组分材料的性质,而且可以得到单组分材料不具备的新性能,为获得结构和性质类似于人体组织的生物医学材料开辟了一条广阔的途径,生物医用复合材料必将成为生物医用材料研究和发展中最为活跃的领域。

  1 生物医用复合材料组分材料的选择要求

  生物医用复合材料根据应用需求进行设计,由基体材料与增强材料或功能材料组成,复合材料的性质将取决于组分材料的性质、含量和它们之间的界面。常用的基体材料有医用高分子、医用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸钙基或其他生物陶瓷、医用不锈钢、钴基合金等医用金属材料;增强体材料有碳纤维、不锈钢和钛基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体,另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。

  植入体内的材料在人体复杂的生理环境中,长期受物理、化学、生物电等因素的影响,同时各组织以及器官间普遍存在着许多动态的相互作用,因此,生物医用组分材料必须满足下面几项要求:(1)具有良好的生物相容性和物理相容性,保证材料复合后不出现有损生物学性能的现象;(2)具有良好的生物稳定性,材料的结构不因体液作用而有变化,同时材料组成不引起生物体的生物反应;(3)具有足够的强度和韧性,能够承受人体的机械作用力,所用材料与组织的弹性模量、硬度、耐磨性能相适应,增强体材料还必须具有高的刚度、弹性模量和抗冲击性能;(4)具有良好的灭菌性能,保证生物材料在临床上的顺利应用。此外,生物材料要有良好的成型、加工性能,不因成型加工困难而使其应用受到限制。

  2 生物医用复合材料的研究现状与应用

  2.1 陶瓷基生物医用复合材料

  陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体,通过不同方式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等形状的增强体材料而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料虽没有多少品种达到临床应用阶段,但它已成为生物陶瓷研究中最为活跃的领域,其研究主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。

  Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就开始了临床应用研究,但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基材,掺入少量生物活性材料,可使材料在保持氧化物陶瓷优良力学性能的基础上赋予其一定的生物活性和骨结合能力。将具有不同膨胀系数的生物玻璃用高温熔烧或等离子喷涂的方法,在致密Al2O3陶瓷髋关节植入物表面进行涂层,试样经高温处理,大量的Al2O3进入玻璃层中,有效地增强了生物玻璃与Al2O3陶瓷的界面结合,复合材料在缓冲溶液中反应数十分钟即可有羟基磷灰石的形成[2]。为满足外科手术对生物学性能和力学性能的要求,人们又开始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究,以使材料在气孔率、比表面积、生物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善。近年来,对羟基磷灰石(HA)和磷酸三钙(TCP)复合材料的研究也日益增多[3,4]。30% HA与70%TCP在1150℃烧结,其平均抗弯强度达155MPa,优于纯HA和TCP陶瓷,研究发现HA-TCP致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂,其沿晶断裂的程度也大于纯单相陶瓷材料。HA-TCP多孔复合材料植入动物体内,其性能起初类似于β-TCP,而后具有HA的特性,通过调整HA与TCP的比例,达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末与HA制备而成的复合材料,植入兔骨中8周后取出,骨质与复合材料之间的剪切破坏强度达27MPa,比纯HA陶瓷有明显的提高。

  生物医用陶瓷材料由于其结构本身的特点,其力学可靠性(尤其在湿生理环境中)较差,生物陶瓷的活性研究及其与骨组织的结合性能研究,并未能解决材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增强研究成为另一个研究重点,其增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强以及相变增韧和层状复合增强等[3,5~7]。当HA粉末中添加10%~50%的ZrO2粉末时,材料经1350~1400℃热压烧结,其强度和韧性随烧结温度的提高而增加,添加50%TZ-2Y的复合材料,抗折强度达400MPa、断裂韧性为2.8~3.0MPam1/2。ZrO2增韧β-TCP复合材料,其弯曲强度和断裂韧性也随ZrO2含量的增加而得到增强。纳米SiC增强HA复合材料比纯HA陶瓷的抗弯强度提高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强度提高1.4倍,与生物硬组织的性能相当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料,目前用于补强医用复合材料的主要有:SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纤维或晶须以及C纤维等,SiC晶须增强生物活性玻璃陶瓷材料,复合材料的抗弯强度可达460MPa、断裂韧性达4.3MPam1/2,其韦布尔系数高


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