课件：纳米生物医用陶瓷.ppt

纳米生物医用陶瓷,目录,生物陶瓷 纳米陶瓷 用于生物材料的纳米陶瓷 纳米陶瓷的制备方法 纳米生物陶瓷人工听骨 应用前景与展望,1. 生物陶瓷,进入 21世纪,世界科技迅猛发展,生物陶瓷材 料的应用,为人们的生活乃至身体健康等各方面 带来了不可忽视的便利,因此,对生物陶瓷材料的 研究倍受材料科学工作者的重视。,1. 生物陶瓷,纳米生物陶瓷远红外临床应用,纳米人工骨,纳米陶瓷人工听骨,纳米陶瓷牙,1. 生物陶瓷,定义： 生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷,是具有特殊生理行为的一类陶瓷材料, 可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分, 甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组织、器官, 或增进其功能。,1. 生物陶瓷,生物陶瓷必须满足的生物学要求： (1) 它是与生物机体相容的, 对生物机体组织无毒、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用; (2) 它具有一定的力学要求, 不仅具有足够的强度, 而且其弹性形变应当和被替换的组织相匹配; (3) 它能和人体其它组织相互结合。,1. 生物陶瓷,根据生理环境中所发生的生物化学反应, 生物陶瓷可 分为三种类型: (1) 接近于生物惰性的陶瓷, 如氧化铝、氧化锆及 氧化钛陶瓷等; (2) 表面活性生物陶瓷, 包括致密羟基磷灰石陶瓷、 生物活性微晶玻璃等; (3) 可吸收生物陶瓷, 如熟石膏、磷酸三钙及铝酸 钙等。,1. 生物陶瓷,由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的影响，该材料低温性能较差，弹性模量远高于人骨，力学性能不匹配，易发生断裂破坏，强度和韧性都不能满足临床上的要求，致使其应用受到很大的限制。 纳米材料的问世，使生物陶瓷材料的生物学性能和力学性能大大提高成为可能。,2. 纳米陶瓷,定义： 纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中, 晶粒、晶界及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平, 包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。,2. 纳米陶瓷,陶瓷材料的性能取决于其微观组织结构, 纳米陶瓷由于晶粒的细化, 晶界数目以及扩散蠕变速率的增加, 可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高, 并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响。,2. 纳米陶瓷,纳米陶瓷为什么能够满足生物陶瓷所需的功能？ （1）纳米微粒的尺寸很小，一般在 1nm100nm 之间。与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷中的内在气孔或缺陷尺寸大大减小，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高固体材料的断裂韧性。 （2）晶粒的细化使晶界数量大大增加，有助于晶界间滑移，使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。 （3）纳米材料固有的表面效应使其表面原子存在许多悬空键，并且有不饱和性质，具有很高的化学活性。这一特性可以增加该材料的生物活性和成骨诱导能力，实现植入材料在体内的早期固定。,2. 纳米陶瓷,此外，纳米材料本身与人体就有着十分密切的联系。众所周知，人的牙齿就是由规则排列的纳米级羟基磷灰石微粒构成的，导致人体发病的病毒尺寸一般也只有几十纳米。 因此，纳米材料在生物材料方面具有广阔的应用前景。,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.1 纳米固体陶瓷用作生物材料 将纳米超微颗粒在高压下压制成形, 再经过一定的热处理工艺可制成致密型纳米固体陶瓷材料。,纳米 人工骨,纳米 人工眼球,具优异生物、力学相容性和生物活性； 能与自然骨形成生物键合, 易与人体肌肉血管长在一起, 并诱导软骨生成, 各种特性与人骨特性相当。,应用 领域,可与眼肌组织达到很好的融合, 并可实现同步移动； 可以通过电脉冲刺激大脑神经, 看到精彩世界。,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.2 纳米陶瓷微粒用作生物材料 纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多, 这就为生物学研究提供了一个新的研究途径。目前, 关于这方面的研究还处于初始阶段。,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,纳米 陶瓷微粒,药物载体,治疗 肿瘤,抗菌,细胞分离,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,纳米 陶瓷微粒,药物载体,治疗 肿瘤,抗菌,细胞分离,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.1.1 用于细胞分离 80 年代初, 人们开始利用纳米微粒进行细胞分离, 建立了用纳米 SiO2微粒实现细胞分离的新技术。纳米包覆体尺寸约 30nm, 因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度; 易实现纳米 SiO2粒子与细胞的分离。,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,纳米 陶瓷微粒,药物载体,治疗 肿瘤,抗菌,细胞分离,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.1.2 用作药物载体 人们利用纳米级粒子使药物在人体内的传输更 为方便这一特点, 将磁性纳米粒子制成药物载体, 通过静脉注射到动物体内, 在外加磁场作用下通过 纳米微粒的磁性导航, 使其移动到病变部位, 达到 定向治疗的目的。动物临床实验证实, 带有磁性的 Fe2O3粒子是发展这种技术的最有前途的对象。该方 法局部治疗效果好、副作用少。,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,纳米 陶瓷微粒,药物载体,治疗 肿瘤,抗菌,细胞分离,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.1.3 用于治疗癌症和肿瘤 利用纳米微粒在体内方便传输的特点, 科学家开发出放射疗法用的陶瓷微粒。 把可放射射线的化学元素掺入纳米微粒内,制成射线源材料,植入肿瘤附近,就可直接照射癌细胞又不损伤周围正常组织, 这种材料有含钇和含磷的纳米微粒。 德国专家利用癌细胞耐热性差,加热至43以上就死亡的规律, 将纳米氧化铁微粒注入肿瘤内, 并将患者置于交变磁场中,受磁场影响,肿瘤内的纳米氧化铁微粒升温至4547,杀死癌细胞而不会伤及周围的正常组织。,2019/8/6,23,可编辑,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,纳米 陶瓷微粒,药物载体,治疗 肿瘤,抗菌,细胞分离,3. 用于生物材料的纳米陶瓷,3.1.4 具有抗菌性的生物材料 生物材料应用于人体后, 其周围组织有伴生感染的危险,这将导致材料失效和手术失败, 给患者带来巨大的痛苦。为此, 人们开发出一些兼具抗菌性的纳米生物材料。 如在合成羟基磷灰石纳米粉的反应中, 将银、铜等可溶性盐的水溶液加入反应物中, 使抗菌金属离子进入磷灰石结晶产物中, 制得抗菌磷灰石微粉, 用于骨缺损的填充和其它方面。,4. 纳米陶瓷的制备方法,纳米陶瓷的制备过程主要包括：,纳米粉体 的制备,成 型,烧 结,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.1 纳米陶瓷粉体的制备,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.1.1 惰性气体冷凝法 在真空蒸发室内充入低压惰性气体, 加热金属或化合物蒸发源, 由此产生的原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量, 凝聚而成纳米尺寸的团簇, 并在液氮冷却棒上聚集起来, 最后得到纳米粉体。 优点：可在体系中加置原位压实装置, 即可直接得到纳米陶瓷材料。 缺点：装备巨大, 设备投资昂贵, 不能制备高熔点的氮化物和碳化物粉体, 所得粉体粒径分布范围宽。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.1.2 高能机械球磨法 所谓高能机械球磨法就是通过无外部热能供给, 干的高能球磨过程制备纳米粉体。它除了可用来制备单质金属纳米粉体外, 还可通过颗粒间的固相反应直接合成化合物粉体, 如金属碳化物、氟化物、氮化物、金属-氧化物复合粉体等。近年来通过对高能机械球磨过程中的气氛控制和外部磁场的引入, 使得这一技术有了进一步发展。 优点：该方法操作简单、成本低。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.1.3 湿化学法 湿化学法制备工艺主要适用于纳米氧化物粉体, 它主要通过液相来合成粉体。 优点：具有苛刻的物理条件、易中试放大、产物组分含量可精确控制, 可实现分子/ 原子尺度水平上的混合, 可制得粒度分布窄、形貌规整粉体。,4. 纳米陶瓷的制备方法,缺点：采用液相法合成的粉体可能形成严重的团 聚,直接从液相合成的粉体的化学组成和相组成 往往不同于设计要求, 因此需要采取一定形式的 后处理。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.1.4 化学气相法 CVD法是在远高于热力学计算临界反应温度条件下, 反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压, 使反应产物自动凝聚形成大量核, 这些核在加热区不断长大聚集成颗粒, 在合适温度下会晶化为微晶。随着载气气流的输运和真空泵的抽送, 反应产物迅速离开加热区进入低温区, 颗粒生长、聚集、晶化过程停止, 即可获得所需的纳米粉体。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.2 纳米陶瓷成型 成型是将粉体转变成具有一定形状, 体积和强 度的坯体的过程。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.2.1 凝胶浇注成型 凝胶浇注成型是依靠有机单体聚合来完成坯体固化的一种湿法成型法。整个成型过程包括浆料制备、脱气、注模、凝胶化、脱膜、排有机物、烧结等几个工艺步骤。由于它是一种胶态凝固过程, 因而对改善素坯及最终烧结体的显微结构有很大作用, 另外, 这种方法可以用于成型复杂形状, 有着广阔的应用前景。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.3 纳米陶瓷烧结 纳米陶瓷的烧结与其它陶瓷的烧结不同: 普通陶瓷的烧结一般不必过分考虑晶粒的生长, 而在纳米陶瓷的烧结过程中必须控制晶粒长大。目前, 无压烧结因设备简单、易于工业化生产, 是最基本的烧结方法。另外, 还有很多其它方法, 如: 相变辅助烧结、热压烧结、烧结锻压等方法, 根据不同的条件和要求, 可选择不同的烧结方法。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.3.1 热压烧结 热压烧结是在加热粉体的同时施加一定的压力, 使样品的致 密化主要依靠外加压力作用下物质的迁移而完成。热压烧结与常 压烧结相比, 烧结温度低得多, 而且烧结中气孔率也低, 另外, 由于在较低温度下烧结, 就抑制了晶粒的生长, 所得的烧结体晶 粒较细,且有较高的强度。 4.3.2 液相热压烧结 液相烧结是指有液相参与的烧结。发生液相烧结的物体有两 相或多相组成, 在烧结温度下, 高熔点相仍为固相并保持一定形 状, 低熔点相成为液相。由于低熔点相的存在, 与单纯高熔点相 相比, 烧结温度可以大大降低, 致密化速率大大加快, 因而对一 些难烧结的陶瓷特别有利。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.3.3 超高压烧结 热压烧结并不能有效降低纳米粉体的烧结温度, 主要原因是 普通热压烧结所施加的外压过低, 无法达到阈值所致。于是超 高压烧结便应运而生。利用超高压烧结, 人们成功的获得了密 度达 98.2%, 晶粒不到100nm的Al2O3陶瓷。 4.3.4 高温等静压烧结 高温等静压烧结(HIP)是将一多孔的陶瓷坯体封装在玻璃 中, 然后在加热过程中施加各向均衡的气体压力, 从而使陶瓷 显微结构更加均匀。高温等静压烧结有两种使用方法, 一是将 素坯先预烧达到较高的相对密度后再进行高温等静压后处理。 二是将素坯直接进行高温等静压烧结。,4. 纳米陶瓷的制备方法,4.4 纳米陶瓷的特性 纳米陶瓷的特性主要表现在其具有较高的硬度、断裂韧度和较好的低温延展性等。 有关研究表明: 纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性, 而且纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。 在室温压缩时,纳米颗粒已有很好的结合性,高于500很快致密化,而晶粒大小只有稍许的增加; 所得材料的硬度和断裂韧性更好,而烧结温度却要比工程陶瓷低 400600,且烧结不需要任何添加剂, 其硬度和断裂韧性随烧结温度的增加(即孔隙度的降低)而增加,故低温烧结能获得好的力学性能。,纳米生物陶瓷人工听骨,5. 纳米生物陶瓷人工听骨,研究意义： 慢性中耳的各种疾病，如慢性化脓性中耳炎，分 泌行中耳炎，耳硬化症以及中耳外伤等，最终因鼓 膜及听骨链的病变、破坏、缺损、缺失而至听力下 降，甚至丧失听力，严重影响患者的生存质量。 因为中耳各种疾病所造成的听力缺失，难以修 复，受到修复听骨材料的限制，因此，研究开发生 物相容性好，导音功能强，无毒副作用，远期效果 佳的人工听骨对修复缺损的听骨、重建听骨链、提 高听力、减少听力残疾，提高患者生存质量具有重 要意义。,5. 纳米生物陶瓷人工听骨,纳米羟基磷灰石粉料的制备：,5. 纳米生物陶瓷人工听骨,纳米生物陶瓷人工听骨的制备：,纳米羟基 磷灰石粉料,冷压成型,成孔剂（过氧化氢）,陶瓷生坯,1300烧成4h,纳米羟基磷灰石陶瓷,人工听骨塑型,置于细胞 培养板中,成骨细胞在陶瓷材料上增殖,5. 纳米生物陶瓷人工听骨,纳米生物陶瓷人工听骨优点： 具有良好的力学强度； 对细胞的生长增殖和骨向分化均无不良影响； 无毒、无刺激； 具有良好组织相容性的生物材料； 在骨创面可诱导新骨形成； 具有良好的应用前景。,5. 纳米生物陶瓷的