生物醫(yī)用復(fù)合范文

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生物醫(yī)用復(fù)合材料(biomedicalcompositematerials)是由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復(fù)、替換和人工器官的制造［1］。長(zhǎng)期臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結(jié)合，在生理環(huán)境中或植入體內(nèi)后受生理環(huán)境的影響，導(dǎo)致金屬離子或單體釋放，造成對(duì)機(jī)體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和相容性、高的強(qiáng)度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強(qiáng)度低、脆性大，在生理環(huán)境中的疲勞與破壞強(qiáng)度不高，在沒(méi)有補(bǔ)強(qiáng)措施的條件下，它只能應(yīng)用于不承受負(fù)荷或僅承受純壓應(yīng)力負(fù)荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿(mǎn)足臨床應(yīng)用的要求。利用不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用復(fù)合材料，不僅兼具組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類(lèi)似于人體組織的生物醫(yī)學(xué)材料開(kāi)辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復(fù)合材料必將成為生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域。

1生物醫(yī)用復(fù)合材料組分材料的選擇要求

生物醫(yī)用復(fù)合材料根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，由基體材料與增強(qiáng)材料或功能材料組成，復(fù)合材料的性質(zhì)將取決于組分材料的性質(zhì)、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料；增強(qiáng)體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。

植入體內(nèi)的材料在人體復(fù)雜的生理環(huán)境中，長(zhǎng)期受物理、化學(xué)、生物電等因素的影響，同時(shí)各組織以及器官間普遍存在著許多動(dòng)態(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)用組分材料必須滿(mǎn)足下面幾項(xiàng)要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復(fù)合后不出現(xiàn)有損生物學(xué)性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結(jié)構(gòu)不因體液作用而有變化，同時(shí)材料組成不引起生物體的生物反應(yīng)；(3)具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能夠承受人體的機(jī)械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應(yīng)，增強(qiáng)體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應(yīng)用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應(yīng)用受到限制。

2生物醫(yī)用復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

2.1陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過(guò)不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強(qiáng)體材料而獲得的一類(lèi)復(fù)合材料。目前生物陶瓷基復(fù)合材料雖沒(méi)有多少品種達(dá)到臨床應(yīng)用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領(lǐng)域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結(jié)合性能研究以及材料增強(qiáng)研究等。

Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開(kāi)始了臨床應(yīng)用研究，但它與生物硬組織的結(jié)合為一種機(jī)械的鎖合。以高強(qiáng)度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上賦予其一定的生物活性和骨結(jié)合能力。將具有不同膨脹系數(shù)的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關(guān)節(jié)植入物表面進(jìn)行涂層，試樣經(jīng)高溫處理，大量的Al2O3進(jìn)入玻璃層中，有效地增強(qiáng)了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結(jié)合，復(fù)合材料在緩沖溶液中反應(yīng)數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成［2］。為滿(mǎn)足外科手術(shù)對(duì)生物學(xué)性能和力學(xué)性能的要求，人們又開(kāi)始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復(fù)合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機(jī)械強(qiáng)度等方面的綜合性能得以改善。近年來(lái)，對(duì)羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復(fù)合材料的研究也日益增多［3，4］。30%HA與70%TCP在1150℃燒結(jié)，其平均抗彎強(qiáng)度達(dá)155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復(fù)合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復(fù)合材料植入動(dòng)物體內(nèi)，其性能起初類(lèi)似于β-TCP，而后具有HA的特性，通過(guò)調(diào)整HA與TCP的比例，達(dá)到滿(mǎn)足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復(fù)合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質(zhì)與復(fù)合材料之間的剪切破壞強(qiáng)度達(dá)27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。

生物醫(yī)用陶瓷材料由于其結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，其力學(xué)可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結(jié)合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強(qiáng)研究成為另一個(gè)研究重點(diǎn)，其增強(qiáng)方式主要有顆粒增強(qiáng)、晶須或纖維增強(qiáng)以及相變?cè)鲰g和層狀復(fù)合增強(qiáng)等［3，5～7］。當(dāng)HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時(shí)，材料經(jīng)1350～1400℃熱壓燒結(jié)，其強(qiáng)度和韌性隨燒結(jié)溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復(fù)合材料，抗折強(qiáng)度達(dá)400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強(qiáng)。納米SiC增強(qiáng)HA復(fù)合材料比純HA陶瓷的抗彎強(qiáng)度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強(qiáng)度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當(dāng)。晶須和纖維為陶瓷基復(fù)合材料的一種有效增韌補(bǔ)強(qiáng)材料，目前用于補(bǔ)強(qiáng)醫(yī)用復(fù)合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強(qiáng)生物活性玻璃陶瓷材料，復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度可達(dá)460MPa、斷裂韌性達(dá)4.3MPam1/2，其韋布爾系數(shù)高達(dá)24.7，成為可靠性最高的生物陶瓷基復(fù)合材料。磷酸鈣系生物陶瓷晶須或纖維同其它增強(qiáng)材料相比，不僅不影響材料的增強(qiáng)效果，而且由于其具有良好的生物相容性，與基體材料組分相同或相近，不會(huì)影響到生物材料的性能。HA晶須增韌HA復(fù)合材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)效果同復(fù)合材料的氣孔率有關(guān)，當(dāng)復(fù)合材料相對(duì)密度達(dá)92%～95%時(shí)復(fù)合材料的斷裂韌性可提高40%。

2.2高分子基生物醫(yī)用復(fù)合材料

研究表明幾乎所有的生物體組織都是由兩種或兩種以上的材料所構(gòu)成的，如人體骨骼和牙齒就是由天然有機(jī)高分子構(gòu)成的連續(xù)相和彌散于其基質(zhì)中的羥基磷灰石晶粒復(fù)合而成的。生物有機(jī)高分子基復(fù)合材料，尤其生物無(wú)機(jī)與高分子復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，為人工器官和人工修復(fù)材料、骨填充材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

生物陶瓷增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究對(duì)象主要有：HA、AW玻璃陶瓷、生物玻璃等增強(qiáng)高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸等高分子化合物［8，9］。HDPE-HA復(fù)合材料隨HA摻量的增加，其密度也增加，彈性模量可從1GPa提高到9MPa，但材料從柔性向脆性轉(zhuǎn)變，其斷裂形變可從大于90%下降至3%，因此可通過(guò)控制HA的含量調(diào)整和改變復(fù)合材料的性能。HA增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料的最佳抗拉強(qiáng)度可達(dá)22～26MPa、斷裂韌性達(dá)2.9±0.3MPam1／2。由于該復(fù)合材料的彈性模量處于自然骨楊氏模量范圍之內(nèi)，具有極好的力學(xué)相容性，并且具有引導(dǎo)新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料具有與HA增強(qiáng)HDPE復(fù)合材料相似的力學(xué)性能和生物學(xué)性能，復(fù)合材料在37℃的SBF溶液中體外實(shí)驗(yàn)研究表明，在其表面可形成磷灰石層，通過(guò)控制和調(diào)整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其滿(mǎn)足不同臨床應(yīng)用的需求。