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1、第五章 生物医用复合材料1概 述生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医用材料1.1.分类：复合材料一般有基体材料和增强材料组成按基体：陶瓷基医用复合材料、高分子基医用复合材料、金属基医用复合材料按组织反应：生物惰性医用复合材料、生物活性医用复合材料、可吸收医用复合材料第1页/共30页第五章 生物医用复合材料2按增强体的形态和性质纤维增强医用复合材料碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维颗粒增强医用复合材料氧化锆、氧化铝、氧化钛等氧化物颗粒羟基磷灰石（HAHA）等生物活性颗粒第2页/共30页第五章 生物医用复合材料3生物医用复合材料的分类和应用第3页/共30页第
2、五章 生物医用复合材料4生物医用复合材料的分类和应用第4页/共30页第五章 生物医用复合材料5生物医用复合材料的分类和应用第5页/共30页第五章 生物医用复合材料62.2.性能特点性能特点比强度、比模量抗疲劳性能好抗生理腐蚀性好力学相容性能好第6页/共30页第五章 生物医用复合材料73.3.生物医用复合材料的界面界面侵润性：增强体与基体侵润与否是制备性能良好的复合材料的必要条件界面结合力：机械结合力、物理结合力、化学结合力机械结合力摩擦力：存在于所有复合材料中。决定于增强体的比面积和粗糙度以及基体的收缩。比面积和粗糙度越大，基体的收缩越大，摩擦力越大。物理结合力范德华力和氢键力：存在于所有复合
3、材料中。化学结合力化学键力第7页/共30页第五章 生物医用复合材料8界面结合类型机械结合：基体与增强体之间纯机械性连接的结合方式。存在于所有复合材料中。溶解和润湿结合：基体与增强体之间溶解并伴随一定程度的相互溶解（基体与增强体之一溶入另一种之中）而产生的结合方式。靠原子间的电子相互作用实现。可利用无机材料中的玻璃相实现该结合。第8页/共30页第五章 生物医用复合材料9界面结合类型反应结合：基体与增强体之间发生化学反应，在截面形成牢固的化学结合。借助偶联剂（既有与基体反应的官能团又有与增强体反应的官能团），把两种性质差异很大的材料牢固的结合起来。混合结合：是实际的复合材料中最普遍的结合形式第9页
4、/共30页第五章 生物医用复合材料10第一节 生物无机与无机复合材料以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，磷灰石、磷酸钙等材料为基体，引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体。一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料一、生物陶瓷与生物陶瓷复合材料二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料二、生物陶瓷与生物玻璃复合材料三、生物活性涂层无机复合材料三、生物活性涂层无机复合材料第10页/共30页第五章 生物医用复合材料11一、生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复合材料一、生物活性陶瓷与生物活性陶瓷复
5、合材料1 1、HA-TCPHA-TCP复合材料的组成与性能第11页/共30页第五章 生物医用复合材料122 2、HA-HAHA-HA晶须复合材料：HAHA晶须增韧效果与材料的气孔率有关无压烧结的HA-HAHA-HA晶须复合材料，气孔率较高，无明显增韧效果如含0-30%HA0-30%HA晶须（Ca/P=1.66Ca/P=1.66）的复合材料，1000-11001000-1100OOCC，30MPa30MPa，1-2h1-2h热压烧结，断裂韧性提高40%40%，HAHA晶须具有明显增韧效果，但其相对密度随晶须含量增加而降低（92.5-95%92.5-95%）第12页/共30页第五章 生物医用复合材
6、料13二、生物活性陶瓷与生物玻璃复合材料1 1、HA-HA-生物活性玻璃复合材料（Apatte-Bioactive Glass CompositeApatte-Bioactive Glass Composite，ABCABC）2 2、TCP-HA-BGTCP-HA-BG多孔复合材料：为珊瑚状连通气孔，气孔率45-55%45-55%，气孔大小200-500200-500微米抗折强度10.5MPa10.5MPa，热压强度25MPa25MPa用于大段骨或承重骨的修复第13页/共30页第五章 生物医用复合材料14三、生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷复合材料三、生物活性陶瓷与生物惰性陶瓷复合材料氧化物陶瓷具有
7、较高的强度和化学稳定性，但与生物组织为机械结合；生物活性陶瓷具有良好的生物相容性可与生物组织形成牢固的化学结合，但其脆性和低抗疲劳强度限制其应用。1.1.以高强度氧化物为基材，掺入羟基磷灰石等生物活性陶瓷颗粒，以赋予生物活性2.2.以生物活性陶瓷为基材，掺入氧化物等颗粒以补强其力学性能第14页/共30页第五章 生物医用复合材料15第15页/共30页第五章 生物医用复合材料161、HA-ZrO2复合材料烧结温度增加，抗折强度和断裂韧性都增加例：添加50%TZ-3YZrO2，烧结烧结温度烧结温度烧结温度烧结温度抗折强度抗折强度抗折强度抗折强度MPaMPa断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性MPaMPa
8、 mm1/21/212001200O O O OC C C C1801801.11.11350-14001350-1400O O O OC C C C3103102.62.614001400O O O OC C C C4004002.8-3.02.8-3.0例：添加例：添加50%ZrO250%ZrO2，14001400O O O OC C C C烧结，烧结，材料材料材料材料抗压强度抗压强度抗压强度抗压强度MPaMPa弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量GPaGPaHA-ZrO2HA-ZrO214001400126126HAHA780780107107第16页/共30页第五章 生物医用复合材料172
9、 2、TCP-ZrO2TCP-ZrO2复合材料抗弯强度随ZrO2ZrO2含量增加而增加抗折强度抗折强度抗折强度抗折强度MPaMPaMPaMPa断裂韧性断裂韧性断裂韧性断裂韧性MPaMPaMPaMPa m m m m1/21/21/21/2TCP-67%Z6YTCP-67%Z6YTCP-67%Z6YTCP-67%Z6Y1991991991992.152.152.152.15TCPTCPTCPTCP1381381381381.141.141.141.143 3、HA-HA-纳米SiCSiC复合材料：制备：添加烧结助剂制备：添加烧结助剂MgOMgOMgOMgO，900-1200900-1200900
10、-1200900-1200OOOOCCCC烧结烧结断裂韧性显著提高，与生物体硬组织性能相当断裂韧性显著提高，与生物体硬组织性能相当第17页/共30页第五章 生物医用复合材料18四、生物活性涂层材料生物活性玻璃涂层氧化铝复合材料，以改善氧化铝陶瓷的表面活性等离子体喷涂+1000-1300+1000-1300OOCC煅烧30min30min，氧化铝扩散进入玻璃层，有效增强生物活性玻璃与氧化铝的界面结合。12001200OOCC煅烧，表面玻璃中形成稳定硅灰石相，基体相中遗留富余的CaOCaO和P P2 2OO3 3，在缓冲液中反应20min20min后即有HAHA形成，HAHA形成速度加快。第18页
11、/共30页第五章 生物医用复合材料19第二节 生物无机与有机高分子复合材料几乎所有的生物体组织都是由两种或两种以上的材料构成的例如人体中的骨骼和牙齿可看作由胶原蛋白、多糖基质等高分子构成的连续相和弥散于中的羟基磷灰石晶粒复合而成。利用高弹性模量的无机材料增强高分子材料的刚性，并赋予其生物活性利用高分子材料的可塑性增进生物无机材料的韧性。主要应用于硬组织的修复与重建。第19页/共30页第五章 生物医用复合材料20一、生物活性陶瓷与天然生物高分子复合材料一、生物活性陶瓷与天然生物高分子复合材料二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料三、生物玻璃与生物高分子复合材料三
12、、生物玻璃与生物高分子复合材料四、碳纤维增强复合材料四、碳纤维增强复合材料第20页/共30页第五章 生物医用复合材料21一、生物活性陶瓷一、生物活性陶瓷天然生物高分子复合材料天然生物高分子复合材料1 1、HAHA胶原复合材料与自然骨有机质接近的胶原与HAHA陶瓷复合，使之能与受骨的骨胶原末段的氨基和羟基结合，形成具有生物活性的化学结合界面。胶原与多孔HAHA陶瓷复合，其强度比HAHA陶瓷提高2-32-3倍。2 2、HAHA纤维蛋白粘合剂复合材料纤维蛋白粘合剂有纤维蛋白原和凝血酶组成。具有良好的生物相容性，完全的生物降解性，无毒、不影响机体的免疫系统，对HAHA的结构无影响。第21页/共30页第
13、五章 生物医用复合材料22HAHA纤维蛋白粘合剂复合材料的结合强度（g/cmg/cm2 2)时间时间时间时间HA:HA:粘合剂粘合剂粘合剂粘合剂1:0.51:0.51:11:11:1.51:1.510min10min757512512511011030min30min2302303703703203201h1h380380520520480480第22页/共30页第五章 生物医用复合材料23二、生物活性陶瓷与生物高分子复合二、生物活性陶瓷与生物高分子复合材料材料1 1、HAHA聚乳酸复合材料聚乳酸（PDLLA)PDLLA)具有良好的生物相容性和可降解性，是一种中等强度的聚合物。但过于柔软，缺乏
14、骨结合能力，X X光可穿透，不便临床显影观察，限制了其在内固定中的应用。具有良好的生物相容性、可吸收性、生物活性和骨结合能力；第23页/共30页第五章 生物医用复合材料24随HAHA在PDLLAPDLLA基体中的含量增加，抗弯强度和弹性模量也增加，可作为骨折内固定材料。HAHA与PDLLAPDLLA界面仅存在机械结合，可采用硅氧烷偶联剂处理HAHA表面，增强其机械性能。HA/HA/PDLLAPDLLA抗弯强度抗弯强度抗弯强度抗弯强度(MPa)(MPa)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量(GPa)(GPa)抗张强度抗张强度抗张强度抗张强度(MPa)(MPa)抗压强度抗压强度抗压强度抗压强度(MPa
15、)(MPa)抗剪强度抗剪强度抗剪强度抗剪强度(MPa)(MPa)0/1000/10030/7030/7050/5050/50258.5258.5279.6279.6213.9213.96.56.57.87.812.112.1154.1154.193.993.9123.5123.5118.9118.9124.2124.293.093.0134.4134.4106.7106.7第24页/共30页第五章 生物医用复合材料25PDLLAPDLLA与HAHA颗粒复合有助于提高材料的初始硬度和刚性，延缓材料的早期降解速度，提高骨结合能力。随着PDLLAPDLLA的讲解吸收，HAHA在体内逐渐转化为自然骨组
16、织。材料材料材料材料抗弯强度抗弯强度抗弯强度抗弯强度(MPa)(MPa)抗剪强度（体内）抗剪强度（体内）抗剪强度（体内）抗剪强度（体内）(MPa)(MPa)0 02 2周周周周4 4周周周周6 6周周周周皮质骨皮质骨皮质骨皮质骨松质骨松质骨松质骨松质骨PDLLA-PDLLA-HA(85/15)HA(85/15)120-210120-21011.511.52.12.1360360707060-9060-905-125-1284.584.521021085853030第25页/共30页第五章 生物医用复合材料262 2、其他1 1）HA-HA-聚乙烯2 2）HA-PMMAHA-PMMA骨水泥3 3
17、）TCP-TCP-聚乳酸4 4）有机高分子表面活性陶瓷涂层第26页/共30页第五章 生物医用复合材料27三、生物玻璃三、生物玻璃生物高分子复合材料生物高分子复合材料AW生物玻璃陶瓷增强聚乙烯复合材料生物玻璃陶瓷增强聚乙烯复合材料AW%AW%（体（体（体（体积）积）积）积）力学性能力学性能力学性能力学性能VHNVHNE(GPa)E(GPa)(MPa(MPa)(%)(%)0 0202040402.122.128.088.089.189.180.650.651.341.342.842.8417.8917.8916.6716.6714.8714.87360360130.7130.75.35.3第27页
18、/共30页第五章 生物医用复合材料28四、碳纤维增强复合材料碳纤维增强PMMAPMMA复合材料颅骨修复试样试样试样试样厚度厚度厚度厚度(m(mm)m)弹性模量弹性模量弹性模量弹性模量(GPa)(GPa)抗弯强抗弯强抗弯强抗弯强度度度度(MPa)(MPa)冲击韧性冲击韧性冲击韧性冲击韧性(J/cm(J/cm2 2)巴氏硬度巴氏硬度巴氏硬度巴氏硬度密度密度密度密度(g/cm(g/cm3 3)人颅骨人颅骨人颅骨人颅骨G+CG+C+PMPMMAMAPMMPMMAA4-54-51.71.72.52.510.4-10.4-15.515.522.122.12.4-4.12.4-4.1158-158-1721
19、7228928979790.490.491.8-2.41.8-2.40.12-0.12-0.250.2544.3-44.3-54.654.648.8-48.8-55.855.844.544.51.70-1.70-1.801.801.60-1.60-1.701.701.17-1.17-1.191.19第28页/共30页第五章 生物医用复合材料29第三节 生物无机与金属复合材料 涂层种类涂层种类涂层种类涂层种类应用范围应用范围应用范围应用范围1.1.氧化物陶瓷涂层氧化物陶瓷涂层氧化物陶瓷涂层氧化物陶瓷涂层2.2.非氧化物陶瓷涂非氧化物陶瓷涂非氧化物陶瓷涂非氧化物陶瓷涂层层层层3.3.生物玻璃和生物
20、生物玻璃和生物生物玻璃和生物生物玻璃和生物玻璃陶瓷涂层玻璃陶瓷涂层玻璃陶瓷涂层玻璃陶瓷涂层4.4.碳质涂层碳质涂层碳质涂层碳质涂层5.5.羟基磷灰石涂层羟基磷灰石涂层羟基磷灰石涂层羟基磷灰石涂层1.1.齿根、关节骨柄、骨头、齿根、关节骨柄、骨头、齿根、关节骨柄、骨头、齿根、关节骨柄、骨头、臼、人工骨臼、人工骨臼、人工骨臼、人工骨2.2.关节摩擦部位、股骨头、关节摩擦部位、股骨头、关节摩擦部位、股骨头、关节摩擦部位、股骨头、杯杯杯杯3.3.齿根、关节骨柄、臼座齿根、关节骨柄、臼座齿根、关节骨柄、臼座齿根、关节骨柄、臼座4.4.心脏瓣膜、血管修补材、心脏瓣膜、血管修补材、心脏瓣膜、血管修补材、心脏瓣膜、血管修补材、股骨头、齿根股骨头、齿根股骨头、齿根股骨头、齿根5.5.齿根、关节骨柄、人工骨齿根、关节骨柄、人工骨齿根、关节骨柄、人工骨齿根、关节骨柄、人工骨Ti6AI4V关节面微孔型和HA喷涂第29页/共30页第五章 生物医用复合材料30感谢您的观看！第30页/共30页