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1、生物医用复合材料 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 概述概述1、生物医用复合材料的概念、生物医用复合材料的概念 生物医用复合材料是由两种或生物医用复合材料是由两种或生物医用复合材料是由两种或生物医用复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而两种以上不同材料复合而两种以上不同材料复合而两种以上不同材料复合而成的生物医用材料成的生物医用材料成的生物医用材料成的生物医用材料，它主要用于人体组织的修复、替换和人，它主要用于人体组织的修复、替换和人，
2、它主要用于人体组织的修复、替换和人，它主要用于人体组织的修复、替换和人工器官的制造。工器官的制造。工器官的制造。工器官的制造。二、生物医用复合材料的分类二、生物医用复合材料的分类根据复合材料的三要素分类如下：根据复合材料的三要素分类如下：根据复合材料的三要素分类如下：根据复合材料的三要素分类如下：（1 1）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子）按基体材料分类，有陶瓷基生物医用复合材料、高分子基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。基生物
3、医用复合材料、金属基生物医用复合材料。基生物医用复合材料、金属基生物医用复合材料。（2 2）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生）按材料植入体内后引起的组织材料反应分类，有近于生物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合物惰性的复合材料、生物活性复合材料和可吸收生物医用复合材料，其具体分类和用途见表材料，其具体分类和用途见表材料，其具体分类和用途见表材料，其具体分类
4、和用途见表6-16-1。（3 3）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材）按增强体的形态和性质分为纤维增强生物医用复合材料和颗粒增强生物医用复合材料。料和颗粒增强生物医用复合材料。料和颗粒增强生物医用复合材料。料和颗粒增强生物医用复合材料。纤维增强生物医用复合材料是以纤维增强生物医用复合材料是以纤维增强生物医用复合材料是以纤维增强生物医用复合材料是以纤维为增强体而形成的一纤维为增强体而形成的一纤维为增强体而形成的一纤维为增强体而形成的一类生物医用复合材料类生物医用复合材料类生物医用复合材料类
5、生物医用复合材料，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷，作为增强体的纤维有碳纤维和其他陶瓷纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医纤维、玻璃纤维、金属纤维和高分子纤维，基体材料主要是医用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架用高分子材料和生物陶瓷等。纤维在基体中起组成成分和骨架作用，基
6、体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在作用，基体起粘结纤维和传递力的作用，纤维的性能、纤维在基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材基体中的含量、分布以及与基体材料的界面结合情况对复合材料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构料的力学性能影响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构料的力学性能影
7、响较大。纤维增强生物医用材料，由于其结构与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。与人体组织非常相似，因此具有较大的发展潜力。颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物颗粒增强医用复合材料主要是掺入一种或多种无机化合物颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料颗粒的陶瓷基、高分子基生物医用复合材料。掺入的颗粒分布。掺入的颗粒分布
8、。掺入的颗粒分布。掺入的颗粒分布在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增在基体中或作为增强材料，或作为添加材料填充在骨架之中增进生物材料的生物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料进生物材料的生物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料进生物材料的生物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料进生物材料的生物学性能。颗粒的增强效果与粒子在复合材料中所占的体积百分述、分布的均匀程度、颗粒的大小、形状等中所占的体积百分述、分布的均匀程度、颗粒的大小、形状等中所占的体积百分述、分布的均
9、匀程度、颗粒的大小、形状等中所占的体积百分述、分布的均匀程度、颗粒的大小、形状等因素有关。常用的颗粒有氧化锆（因素有关。常用的颗粒有氧化锆（因素有关。常用的颗粒有氧化锆（因素有关。常用的颗粒有氧化锆（ZrOZrO2 2）、氧化铝（）、氧化铝（）、氧化铝（）、氧化铝（AlAl2 2OO3 3）、）、）、）、氧化钛（氧化钛（氧化钛（氧化钛（TiOTiO2 2）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（）等氧化物颗粒和羟基磷灰石（HAHA）等生物活）等生物活）等生物活）等生物活性陶瓷颗粒。性陶瓷颗粒。性陶瓷颗粒。性陶瓷颗粒。三、生物医用复合材料的特点三、生物医
10、用复合材料的特点1.比强度、比模量高比强度、比模量高 高分子基生物医用复合材料的突出优点是高分子基生物医用复合材料的突出优点是高分子基生物医用复合材料的突出优点是高分子基生物医用复合材料的突出优点是比强度、比模量比强度、比模量比强度、比模量比强度、比模量（即强度与密度之比、模量与密度之比）（即强度与密度之比、模量与密度之比）（即强度与密度之比、模量与密度之比）（即强度与密度之比、模量与密度之比）高高高高。比强度高的材料。比强度高的材料。比强度高的材料。比强度高的材料能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻而且刚性大。石能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻而且刚性大。石能承受较高的应力，而比
11、模量高则说明材料轻而且刚性大。石能承受较高的应力，而比模量高则说明材料轻而且刚性大。石墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（墨和碳纤维增强聚甲基丙烯酸甲酯（PMMAPMMA）骨水泥，通常含）骨水泥，通常含）骨水泥，通常含）骨水泥，通常含纤维纤维纤维纤维2%2%6%6%，与，与，与，与PMMAPMMA骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模骨水泥相比，其抗拉强度和弹性模量可分别提高量可分别提高量可分别提高量可分别提高50%50%和和和和40%40%，而纤维定向排列还可使复合材料，而纤维定向
12、排列还可使复合材料，而纤维定向排列还可使复合材料，而纤维定向排列还可使复合材料具备各向异性。具备各向异性。具备各向异性。具备各向异性。2.抗疲劳性能好抗疲劳性能好 疲劳是材料在循环应力作用下的性能疲劳是材料在循环应力作用下的性能疲劳是材料在循环应力作用下的性能疲劳是材料在循环应力作用下的性能。由长。由长。由长。由长3mm3mm的热解的热解的热解的热解碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合碳纤维无规则地分布于超高分子质量聚乙烯基体中形成的复合材料，含材料，含材料，含材料，含
13、10%10%15%15%体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳体积碳纤维时，其强度、刚性、抗疲劳和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高，和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高，和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高，和抗摩擦性能均显著地高于聚乙烯。碳纤维的抗疲劳强度很高，基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端基体材料塑性好，即使出现了裂纹，但塑性形变能使裂纹尖端
14、锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织锐化，从而减缓扩展，增强相与基体间的界面也能有效地组织疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹的扩展。疲劳裂纹的扩展。3.抗生理腐蚀性好抗生理腐蚀性好 人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的人体是一个极其复杂的生理环境，存在着影响材料性能的各种因素，当材料植入体内后，与器官直接接触，就会各种因素，当材料植入体内后，与器官直接
15、接触，就会各种因素，当材料植入体内后，与器官直接接触，就会各种因素，当材料植入体内后，与器官直接接触，就会对人体对人体对人体对人体组织产生多种反应组织产生多种反应组织产生多种反应组织产生多种反应；同时，人体也会对材料产生种种影响。对；同时，人体也会对材料产生种种影响。对；同时，人体也会对材料产生种种影响。对；同时，人体也会对材料产生种种影响。对金属金属金属金属材料来说，其主要问题就是材料来说，其主要问题就是材料来说，其主要问题就是材料来说，其主要问题就是腐蚀腐蚀腐蚀腐蚀问题，体内的血液、间质问题，体内的血液、间质问题，体内的血液、间质问题，体内的血液、间质液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、
16、碱金属和无机盐，液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，液、淋巴和滑液中均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，其中其中其中其中NaNa+、K K+、CaCa2+2+、ClCl等离子均为电解质，可使金属产生等离子均为电解质，可使金属产生等离子均为电解质，可使金属产生等离子均为电解质，可使金属产生均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和均匀或一般腐蚀。而氧化铝和氧化锆等陶瓷具有高的耐磨性和抗生理腐蚀性，可用于制
17、造钛合金等人工髋关节的股骨头。等抗生理腐蚀性，可用于制造钛合金等人工髋关节的股骨头。等抗生理腐蚀性，可用于制造钛合金等人工髋关节的股骨头。等抗生理腐蚀性，可用于制造钛合金等人工髋关节的股骨头。等离子喷涂的无机陶瓷离子喷涂的无机陶瓷离子喷涂的无机陶瓷离子喷涂的无机陶瓷-钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛钛基人工种植牙和人工髋关节，赋予钛合金表面以良好的生物活性和抗生理腐蚀性能，有效阻隔金属合金表面以良好的生物活性和抗生理腐蚀性能，有效阻隔金属合金表面以良好的生物活性和抗生理腐蚀性能，有效阻隔金属合金表面以良好的生物活性和抗生理腐
18、蚀性能，有效阻隔金属离子向组织的析出。离子向组织的析出。离子向组织的析出。离子向组织的析出。4.力学相容性好力学相容性好 生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高，力生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高，力生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高，力生物陶瓷和金属材料与人体骨相比，其弹性模量过高，力学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形变不学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形变不学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形变不学相容性欠佳，用于承力部位时，由于材料和骨的弹性形变不匹配，常产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。模仿人匹配，常
19、产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。模仿人匹配，常产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。模仿人匹配，常产生应力屏蔽效应，导致植入体松动而失效。模仿人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量聚乙烯人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量聚乙烯人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量聚乙烯人体骨结构制成的羟基磷灰石颗粒增强高相对分子质量聚乙烯人工骨材料，可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料的弹性模量、工骨材料，可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料的弹性模量、工骨材料，可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料的弹性模量、工骨材料，可通过控制羟基磷灰石含量，调整材料的弹性模量、断裂强
20、度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同时又因羟基磷灰断裂强度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同时又因羟基磷灰断裂强度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同时又因羟基磷灰断裂强度和断裂韧性，使之与自然骨接近，同时又因羟基磷灰石加入而使其具有表面生物活性。石加入而使其具有表面生物活性。石加入而使其具有表面生物活性。石加入而使其具有表面生物活性。第二节第二节 生物医用复合材料的界面生物医用复合材料的界面与复合准则与复合准则一、生物医用复合材料的界面一、生物医用复合材料的界面 复合材料界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成复合材料界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成复合材料界面是指复合材料中增强体与基体接触
21、所构成复合材料界面是指复合材料中增强体与基体接触所构成的界面的界面的界面的界面。事实上复合材料界面是一层具有一定厚度（纳米以。事实上复合材料界面是一层具有一定厚度（纳米以。事实上复合材料界面是一层具有一定厚度（纳米以。事实上复合材料界面是一层具有一定厚度（纳米以上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相上）、结构随基体和增强体而异、与基体有明显差别的新相界面相界面相界面相界面相（或称界面层）。在考虑复合材料的复合条件时，（或称界面层）。在考虑复合材料的复合条件时，（或称界面层）。在
22、考虑复合材料的复合条件时，（或称界面层）。在考虑复合材料的复合条件时，首先要对复合材料的界面性能作出评价。首先要对复合材料的界面性能作出评价。首先要对复合材料的界面性能作出评价。首先要对复合材料的界面性能作出评价。对复合材料浸润性的认识可以借鉴润湿理论加以解释。对复合材料浸润性的认识可以借鉴润湿理论加以解释。对复合材料浸润性的认识可以借鉴润湿理论加以解释。对复合材料浸润性的认识可以借鉴润湿理论加以解释。把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时液滴会立即铺展把不同的液滴放到不同的固体表面上，有时
23、液滴会立即铺展开来覆盖固体的表面，这一现象称为开来覆盖固体的表面，这一现象称为开来覆盖固体的表面，这一现象称为开来覆盖固体的表面，这一现象称为润湿现象或浸润润湿现象或浸润润湿现象或浸润润湿现象或浸润，有时，有时，有时，有时液滴仍然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不润液滴仍然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不润液滴仍然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不润液滴仍然团聚成球状不铺开，这一现象称为润湿不好或不润湿（见图湿（见图湿（见图湿（见图6-16-1）。增强体与基体材料的润湿与否是制备性能良）。增强体与基体材料的润湿与否是制备性能良）。增强体与基体材料的润湿与否是制备性能良
24、）。增强体与基体材料的润湿与否是制备性能良好的复合材料的必要条件。好的复合材料的必要条件。好的复合材料的必要条件。好的复合材料的必要条件。（一）界面的浸润性（一）界面的浸润性图图图图 6-1 6-1 液体对固体表面的浸润情况液体对固体表面的浸润情况液体对固体表面的浸润情况液体对固体表面的浸润情况（二）界面的结合力和界面结合类型（二）界面的结合力和界面结合类型 界面的结合力有三类：界面的结合力有三类：界面的结合力有三类：界面的结合力有三类：机械结合力、物理结合力和化学结机械结合力、物理结合力和化学结机械结合力、物理结合力和化学结机械结合力、物理结合力和化学结合力。合力。合力。合力。机械结合力就是
25、摩擦力，它决定于增强体的比表面和粗糙机械结合力就是摩擦力，它决定于增强体的比表面和粗糙机械结合力就是摩擦力，它决定于增强体的比表面和粗糙机械结合力就是摩擦力，它决定于增强体的比表面和粗糙度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大，摩度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大，摩度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大，摩度以及基体的收缩，比表面和粗糙度越大，基体收缩越大，摩擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。擦力也越大。机械结合力存在于所有复合材料中。物理结合力包括物理结合
26、力包括物理结合力包括物理结合力包括范德华力和氢键范德华力和氢键范德华力和氢键范德华力和氢键，它存在于所有复合材料，它存在于所有复合材料，它存在于所有复合材料，它存在于所有复合材料中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。中，在聚合物基复合材料中占有很重要的地位。化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作化学结合力就是化学键，它在金属基复合材料中有重要作用。用。用。用。根据上面三种结合力，生物医用复合材料界
27、面的结合可以根据上面三种结合力，生物医用复合材料界面的结合可以根据上面三种结合力，生物医用复合材料界面的结合可以根据上面三种结合力，生物医用复合材料界面的结合可以有下面几种方式。有下面几种方式。有下面几种方式。有下面几种方式。1.1.机械结合机械结合机械结合机械结合 这是基体与增强体之间纯机械性连接的一种结合形式，它这是基体与增强体之间纯机械性连接的一种结合形式，它这是基体与增强体之间纯机械性连接的一种结合形式，它这是基体与增强体之间纯机械性连接的一种结合形式，它由粗糙的增强体表面及集体的收缩产生摩擦力完成。机械结合由粗糙的增强体表面及集体的收缩产生摩擦力完成。机械结合由粗糙的增强体表面及集体
28、的收缩产生摩擦力完成。机械结合由粗糙的增强体表面及集体的收缩产生摩擦力完成。机械结合在某些情况下是很重要的，特别对于表面粗糙并有沟槽的增强在某些情况下是很重要的，特别对于表面粗糙并有沟槽的增强在某些情况下是很重要的，特别对于表面粗糙并有沟槽的增强在某些情况下是很重要的，特别对于表面粗糙并有沟槽的增强体（如碳纤维），如同在正压力下把基体压入沟槽，最终形成体（如碳纤维），如同在正压力下把基体压入沟槽，最终形成体（如碳纤维），如同在正压力下把基体压入沟槽，最终形成体（如碳纤维），如同在正压力下把基体压入沟槽，最终形成机械的机械的机械的机械的“锚固作用锚固作用锚固作用锚固作用”，增强其界面的结合能力。
29、事实上，纯粹，增强其界面的结合能力。事实上，纯粹，增强其界面的结合能力。事实上，纯粹，增强其界面的结合能力。事实上，纯粹的机械结合很难再复合时实现，但机械结合方式却存在于所有的机械结合很难再复合时实现，但机械结合方式却存在于所有的机械结合很难再复合时实现，但机械结合方式却存在于所有的机械结合很难再复合时实现，但机械结合方式却存在于所有的复合材料之中。的复合材料之中。的复合材料之中。的复合材料之中。2.2.溶解与润湿结合溶解与润湿结合溶解与润湿结合溶解与润湿结合 溶解和润湿结合是基体与增强体之间发生润湿（接触角溶解和润湿结合是基体与增强体之间发生润湿（接触角溶解和润湿结合是基体与增强体之间发生润
30、湿（接触角溶解和润湿结合是基体与增强体之间发生润湿（接触角9090），并伴随一定程度的相互溶解（也可能是基体和增强），并伴随一定程度的相互溶解（也可能是基体和增强），并伴随一定程度的相互溶解（也可能是基体和增强），并伴随一定程度的相互溶解（也可能是基体和增强体之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是体之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是体之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是体之一溶解于另一种中）而产生的一种结合形式。这种结合是靠靠靠靠原子范围内电子的相互作用产生的原子范围内电子的相互作用产生的原子范围内电子的相互作用产生的原子范围内电子的相互作用产生
31、的，因此要求，因此要求，因此要求，因此要求复合材料各组复合材料各组复合材料各组复合材料各组分的原子彼此接近到几个原子直径的范围内分的原子彼此接近到几个原子直径的范围内分的原子彼此接近到几个原子直径的范围内分的原子彼此接近到几个原子直径的范围内才能实现。增强体才能实现。增强体才能实现。增强体才能实现。增强体表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形式。所以必须表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形式。所以必须表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形式。所以必须表面吸附的气体和污染物都会妨碍这种结合的形式。所以必须进行预处理，除去吸附的气体和污染膜，在生物无机复合材料进行预处理，除去吸附的气
32、体和污染膜，在生物无机复合材料进行预处理，除去吸附的气体和污染膜，在生物无机复合材料进行预处理，除去吸附的气体和污染膜，在生物无机复合材料中常常会利用低软化点的中常常会利用低软化点的中常常会利用低软化点的中常常会利用低软化点的玻璃相使增强体与基体材料达到相互玻璃相使增强体与基体材料达到相互玻璃相使增强体与基体材料达到相互玻璃相使增强体与基体材料达到相互的结合。的结合。的结合。的结合。3.3.反应结合反应结合反应结合反应结合 反应结合是基体与增强材料之间发生化学反应，在界面上反应结合是基体与增强材料之间发生化学反应，在界面上反应结合是基体与增强材料之间发生化学反应，在界面上反应结合是基体与增强材
33、料之间发生化学反应，在界面上形成化合物而产生的一种结合形式。在复合材料的形成化合物而产生的一种结合形式。在复合材料的形成化合物而产生的一种结合形式。在复合材料的形成化合物而产生的一种结合形式。在复合材料的基体与增强基体与增强基体与增强基体与增强体间形成化学键，则结合最为牢固体间形成化学键，则结合最为牢固体间形成化学键，则结合最为牢固体间形成化学键，则结合最为牢固。这一理论在纤维或颗粒增。这一理论在纤维或颗粒增。这一理论在纤维或颗粒增。这一理论在纤维或颗粒增强生物有机高分子复合材料中因偶联剂的应用得到证实。偶联强生物有机高分子复合材料中因偶联剂的应用得到证实。偶联强生物有机高分子复合材料中因偶联
34、剂的应用得到证实。偶联强生物有机高分子复合材料中因偶联剂的应用得到证实。偶联剂既有能与增强体起化学反应的官能团，又有能与基体起化学剂既有能与增强体起化学反应的官能团，又有能与基体起化学剂既有能与增强体起化学反应的官能团，又有能与基体起化学剂既有能与增强体起化学反应的官能团，又有能与基体起化学反应的官能团，因而在界面上可以形成共价键，把两种性质差反应的官能团，因而在界面上可以形成共价键，把两种性质差反应的官能团，因而在界面上可以形成共价键，把两种性质差反应的官能团，因而在界面上可以形成共价键，把两种性质差异很大的材料牢固地结合起来。异很大的材料牢固地结合起来。异很大的材料牢固地结合起来。异很大的
35、材料牢固地结合起来。4.4.混合结合混合结合混合结合混合结合 这种结合是最普遍的结合形式之一，在实际的复合材料中经这种结合是最普遍的结合形式之一，在实际的复合材料中经这种结合是最普遍的结合形式之一，在实际的复合材料中经这种结合是最普遍的结合形式之一，在实际的复合材料中经常同时存在多种结合形式。常同时存在多种结合形式。常同时存在多种结合形式。常同时存在多种结合形式。（三）界面的稳定性（三）界面的稳定性 在生物医用复合材料中，对于非降解可吸收的复合材料界在生物医用复合材料中，对于非降解可吸收的复合材料界在生物医用复合材料中，对于非降解可吸收的复合材料界在生物医用复合材料中，对于非降解可吸收的复合材
36、料界面的稳定性尤为重要。植入体复合材料在面的稳定性尤为重要。植入体复合材料在面的稳定性尤为重要。植入体复合材料在面的稳定性尤为重要。植入体复合材料在生理体液、生理活动生理体液、生理活动生理体液、生理活动生理体液、生理活动等环境下，要求其界面能够长期保持稳定，等环境下，要求其界面能够长期保持稳定，等环境下，要求其界面能够长期保持稳定，等环境下，要求其界面能够长期保持稳定，如果复合材料在使如果复合材料在使如果复合材料在使如果复合材料在使用或加工过程中由于界面发生变化而使性能下降或引起生物组用或加工过程中由于界面发生变化而使性能下降或引起生物组用或加工过程中由于界面发生变化而使性能下降或引起生物组用
37、或加工过程中由于界面发生变化而使性能下降或引起生物组织反应，则这种复合材料就没有其应有的使用价值。织反应，则这种复合材料就没有其应有的使用价值。织反应，则这种复合材料就没有其应有的使用价值。织反应，则这种复合材料就没有其应有的使用价值。（四）界面的反应性（四）界面的反应性 复合材料在受到载荷作用时，通过界面的相互作用，把复合材料在受到载荷作用时，通过界面的相互作用，把复合材料在受到载荷作用时，通过界面的相互作用，把复合材料在受到载荷作用时，通过界面的相互作用，把基体上的应力传递到增强体上。这就要考虑界面的粘结强度与基体上的应力传递到增强体上。这就要考虑界面的粘结强度与基体上的应力传递到增强体上
38、。这就要考虑界面的粘结强度与基体上的应力传递到增强体上。这就要考虑界面的粘结强度与界面的反应性之间的关系。复合材料要发挥其性能优势，要有界面的反应性之间的关系。复合材料要发挥其性能优势，要有界面的反应性之间的关系。复合材料要发挥其性能优势，要有界面的反应性之间的关系。复合材料要发挥其性能优势，要有适当的粘结强度，在研究界面结合强度的同时还必须考虑到适当的粘结强度，在研究界面结合强度的同时还必须考虑到适当的粘结强度，在研究界面结合强度的同时还必须考虑到适当的粘结强度，在研究界面结合强度的同时还必须考虑到另另另另一个作用，也就是在一定应力条件下能够脱粘，使增强体在基一个作用，也就是在一定应力条件下
39、能够脱粘，使增强体在基一个作用，也就是在一定应力条件下能够脱粘，使增强体在基一个作用，也就是在一定应力条件下能够脱粘，使增强体在基体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面所做的功、体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面所做的功、体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面所做的功、体中拔出并互相发生摩擦。这种由脱粘而增大表面所做的功、拔出功和摩擦力都能提高破坏功，有助于改善复合材料的破坏拔出功和摩擦力都能提高破坏功，有助于改善复合材料的破坏拔出功和摩擦力都能提高破坏功，有助于改善复合材料的破坏拔出功和摩擦力都能提高破坏功，有助于改善复合材料的破坏行为行为行为行为。因此，如果想要使界面
40、发生反应，以改善界面粘结状态，。因此，如果想要使界面发生反应，以改善界面粘结状态，。因此，如果想要使界面发生反应，以改善界面粘结状态，。因此，如果想要使界面发生反应，以改善界面粘结状态，则要在增强体表面引入活性基团；反之涂以防止反应的惰性隔则要在增强体表面引入活性基团；反之涂以防止反应的惰性隔则要在增强体表面引入活性基团；反之涂以防止反应的惰性隔则要在增强体表面引入活性基团；反之涂以防止反应的惰性隔离层，使复合材料的界面具有适宜的结合程度。离层，使复合材料的界面具有适宜的结合程度。离层，使复合材料的界面具有适宜的结合程度。离层，使复合材料的界面具有适宜的结合程度。（五）界面的残余应力（五）界面
41、的残余应力 复合材料在成型、固化或凝固、烧成过程中往往能造成复合材料在成型、固化或凝固、烧成过程中往往能造成复合材料在成型、固化或凝固、烧成过程中往往能造成复合材料在成型、固化或凝固、烧成过程中往往能造成收缩应力（一般为收缩，也有膨胀的情况），以及因增强体收缩应力（一般为收缩，也有膨胀的情况），以及因增强体收缩应力（一般为收缩，也有膨胀的情况），以及因增强体收缩应力（一般为收缩，也有膨胀的情况），以及因增强体与基体的热膨胀系数不匹配而造成材料内部的热应力，从而与基体的热膨胀系数不匹配而造成材料内部的热应力，从而与基体的热膨胀系数不匹配而造成材料内部的热应力，从而与基体的热膨胀系数不匹配而造成材
42、料内部的热应力，从而形成材料的界面残余应力。它的存在对复合材料性能有较大形成材料的界面残余应力。它的存在对复合材料性能有较大形成材料的界面残余应力。它的存在对复合材料性能有较大形成材料的界面残余应力。它的存在对复合材料性能有较大的影响，在生物医用复合材料中，的影响，在生物医用复合材料中，的影响，在生物医用复合材料中，的影响，在生物医用复合材料中，界面的残余应力不仅影响界面的残余应力不仅影响界面的残余应力不仅影响界面的残余应力不仅影响到材料的力学性能，而且影响到材料的生物学性能，界面的到材料的力学性能，而且影响到材料的生物学性能，界面的到材料的力学性能，而且影响到材料的生物学性能，界面的到材料的
43、力学性能，而且影响到材料的生物学性能，界面的残余应力可使材料性能变劣，甚至弯曲、变形开裂，使材料残余应力可使材料性能变劣，甚至弯曲、变形开裂，使材料残余应力可使材料性能变劣，甚至弯曲、变形开裂，使材料残余应力可使材料性能变劣，甚至弯曲、变形开裂，使材料在生理环境下的腐蚀加强在生理环境下的腐蚀加强在生理环境下的腐蚀加强在生理环境下的腐蚀加强，因此在制备纤维增强复合材料时，因此在制备纤维增强复合材料时，因此在制备纤维增强复合材料时，因此在制备纤维增强复合材料时，要使纤维的热膨胀系数稍大于基体材料，使基体处于压应力要使纤维的热膨胀系数稍大于基体材料，使基体处于压应力要使纤维的热膨胀系数稍大于基体材料
44、，使基体处于压应力要使纤维的热膨胀系数稍大于基体材料，使基体处于压应力状态以增强复合材料的性能。状态以增强复合材料的性能。状态以增强复合材料的性能。状态以增强复合材料的性能。二、生物医用复合材料的复合准则二、生物医用复合材料的复合准则（一）颗粒增强复合材料的复合准则（一）颗粒增强复合材料的复合准则（一）颗粒增强复合材料的复合准则（一）颗粒增强复合材料的复合准则（二）纤维增强复合材料的复合准则（二）纤维增强复合材料的复合准则（二）纤维增强复合材料的复合准则（二）纤维增强复合材料的复合准则（三）层状复合材料的复合准则（三）层状复合材料的复合准则（三）层状复合材料的复合准则（三）层状复合材料的复合准
45、则第三节第三节 生物无机与无机复合材料生物无机与无机复合材料一、概述一、概述 生物无机医用材料，又称作生物陶瓷材料，由于其无毒生物无机医用材料，又称作生物陶瓷材料，由于其无毒生物无机医用材料，又称作生物陶瓷材料，由于其无毒生物无机医用材料，又称作生物陶瓷材料，由于其无毒副作用，与生物组织有良好的亲和性、生物相容性、耐腐蚀副作用，与生物组织有良好的亲和性、生物相容性、耐腐蚀副作用，与生物组织有良好的亲和性、生物相容性、耐腐蚀副作用，与生物组织有良好的亲和性、生物相容性、耐腐蚀性和耐磨性，越来越受到重视。目前，生物体内近似惰性生性和耐磨性，越来越受到重视。目前，生物体内近似惰性生性和耐磨性，越来越
46、受到重视。目前，生物体内近似惰性生性和耐磨性，越来越受到重视。目前，生物体内近似惰性生物材料、活性生物材料、可吸收生物材料已应用于人体硬组物材料、活性生物材料、可吸收生物材料已应用于人体硬组物材料、活性生物材料、可吸收生物材料已应用于人体硬组物材料、活性生物材料、可吸收生物材料已应用于人体硬组织（如骨和齿）的替换、修补，与金属、高分子材料相比，织（如骨和齿）的替换、修补，与金属、高分子材料相比，织（如骨和齿）的替换、修补，与金属、高分子材料相比，织（如骨和齿）的替换、修补，与金属、高分子材料相比，显示出其特有的生物学性能，但生物无机材料的脆性，使其显示出其特有的生物学性能，但生物无机材料的脆性
47、，使其显示出其特有的生物学性能，但生物无机材料的脆性，使其显示出其特有的生物学性能，但生物无机材料的脆性，使其应用受到限制。应用受到限制。应用受到限制。应用受到限制。生物无机与无机复合材料常以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷生物无机与无机复合材料常以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷生物无机与无机复合材料常以氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷生物无机与无机复合材料常以氧化物陶瓷、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、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基、生物玻璃、生物玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙等材料为基体，以某种结构形式
48、引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体材体，以某种结构形式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体材体，以某种结构形式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体材体，以某种结构形式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等增强体材料，通过适当的工艺，改善或调整原基体材料的性能。目前常料，通过适当的工艺，改善或调整原基体材料的性能。目前常料，通过适当的工艺，改善或调整原基体材料的性能。目前常料，通过适当的工艺，改善或调整原基体材料的性能。目前常见的生物无机医用复合材料主要有：生物陶瓷与生物陶瓷复合见的生物无机医用复合材料主要有：生物陶瓷与生物陶瓷复合见的生物无机医用复合材料主要有：生物陶瓷与生物陶瓷复合见的生物无机医用复合材料
49、主要有：生物陶瓷与生物陶瓷复合材料、生物陶瓷与生物玻璃复合材料、生物活性涂层无机复合材料、生物陶瓷与生物玻璃复合材料、生物活性涂层无机复合材料、生物陶瓷与生物玻璃复合材料、生物活性涂层无机复合材料、生物陶瓷与生物玻璃复合材料、生物活性涂层无机复合材料。材料。材料。材料。（一）复合材料成型技术（一）复合材料成型技术 成型工艺通常按加载方式分为成型工艺通常按加载方式分为成型工艺通常按加载方式分为成型工艺通常按加载方式分为模压（干压）、挤压、注射、模压（干压）、挤压、注射、模压（干压）、挤压、注射、模压（干压）、挤压、注射、压注、冷等静压和热等静压压注、冷等静压和热等静压压注、冷等静压和热等静压压注
50、、冷等静压和热等静压。选择的成形方法有：形状复杂的。选择的成形方法有：形状复杂的。选择的成形方法有：形状复杂的。选择的成形方法有：形状复杂的材料选用流动性好的浇注法、注射法；体积较大的用挤压、浇材料选用流动性好的浇注法、注射法；体积较大的用挤压、浇材料选用流动性好的浇注法、注射法；体积较大的用挤压、浇材料选用流动性好的浇注法、注射法；体积较大的用挤压、浇注、塑坯法；精密尺寸的用注射、压注法等。注、塑坯法；精密尺寸的用注射、压注法等。注、塑坯法；精密尺寸的用注射、压注法等。注、塑坯法；精密尺寸的用注射、压注法等。1.1.模压成型法模压成型法模压成型法模压成型法 这种方法是沿单轴方向将金属模具内的