生物医用陶瓷材料

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1、第四章生物医用陶瓷材料陶瓷结构与性能的关系磷酸钙陶瓷生物活性玻璃与生物微晶玻璃其它生物陶瓷陶瓷材料的增韧强化陶瓷基生物医用复合材料概述陶瓷是指用天然或人工合成的粉状化合物经过成型和高温烧结制成的、由金属和非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料。陶瓷可分为传统陶瓷(普通陶瓷)和近代陶瓷(特种陶瓷)。传统的陶瓷都是以由构成地壳的硅、铝、氧三种主要元素形成的天然硅酸盐矿物为主要原料(如粘土、长石、硅石)制成的材料。而把近代陶瓷称为“新型陶瓷”(NewCeramics)或“精细陶瓷”(FineCeramics)广义的生物陶瓷可以分为与人体相关的陶瓷(植入类陶瓷)和与生化学相关的陶瓷

2、(生物工程类陶瓷)二大类。所谓的与人体相关的陶瓷就是指通过植入人体或是与人体组织直接接触，使机体功能得以恢复或增强可使用的陶瓷。一般狭义地称生物陶瓷就是指这类陶瓷。图4-1是几种常见的生物陶瓷制品。人工髋关节羟磷灰石生物陶瓷人工骨全瓷牙图4-1几种常见的生物陶瓷制品陶瓷植入材料根据其与生物体组织的反应程度一般可以分为三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物可降解陶瓷。如下表所示。分类主要特点示例生物惰性陶瓷在生物体内化学性质稳定，生物相容性好，无组成元素溶出，对机体无刺激氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、碳素材料等生物活性陶瓷表面可与生理环境反应形成阻止材料进一步溶解的界面，与人体组织具

3、有良好的化学亲和性生物活性玻璃、玻璃陶瓷、羟基磷灰石、磷酸钙骨水泥等生物可降解陶瓷暂时性的骨替代材料，最终通过体液溶解或被代谢系统排出体外磷酸钙陶瓷、硫酸钙陶瓷、可降解生物玻璃等表4-1陶瓷植入材料的分类§4.1陶瓷结构与性能的关系陶瓷材料是由共价键或离子键结合，含有金属与非金属元素的复杂化合物和固溶体。陶瓷材料的晶体结构比金属材料复杂且表面能小。因此其强度、硬度、弹性模量、耐磨性、耐蚀性和耐热性要优于金属。但陶瓷的最大缺点是韧性差，脆性极大，抵抗内部裂纹扩展能力很低，所以容易发生脆性断裂。4.1.1陶瓷的结构一般来说，陶瓷是一种多晶材料，它是由晶粒和晶界所组成的烧结体，显微

4、组织由晶体相，玻璃相和气相组成。由于各相的相对量变化很大，分布也不均匀，所以使各相的组成，结构，数量，几何形状及分布状况都不相同，直接影响陶瓷材料的性能。陶瓷的结构类型可以用AmXn表示（表4-2）。A代表金属元素；X代表非金属元素；m和n代表整数。最简单的陶瓷化合物为AX型陶瓷晶体。AX化合物有三种形式，主要取决于原子的半径比率。如果RA/RX>0.732则为一简单的立方体结构，如CsCl结构，A原子（或离子）位于8个X原子的中心。如果离子的半径比率完全不同，则呈现出面心立方体结构，如NaCl、KCl、LiF、MgO、CaO、MnO等化合物，这类结构以阴离子为面心立方点阵，

5、阳离子位于其晶胞和棱边的中心；也可以非立方结构的形式存在，如ZnS、FeS、ZnO等，其结构原子排列比较复杂，形成硬而脆的陶瓷材料。化合物A(或X)晶格配位数位置填满最小值RA/RX其他化合物CsClBCC8全部0.732CslNaClFCC6全部0.414MgO、MnSZnSFCC41/20.225CdS、ZnOAl2O3HCP62/30.414Cr2O3、Fe2O3表4-2AmXn结构当陶瓷化合物的金属离子和非金属离子不同时，构成萤石型结构或刚玉型结构。萤石结构的氧化物有CeO2、PrO2、ZrO2等（图4-2）。刚玉（Al2O3）型结构的氧化物有Fe2O3、Cr2O3、

6、Ti2O3、Ca2O3等（图4-3）。图4-2萤石的点阵结构图4-3刚玉的点阵结构4.1.2陶瓷的物理性能陶瓷材料的机械性能陶瓷材料的弹性变形陶瓷材料的拉伸模量一般比金属的大得多，常相差数倍。这主要是由于陶瓷材料由离子键和共价键组成有关。陶瓷材料的弹性模量还与构成陶瓷材料的种类、分布比例、气孔率和加工工艺等因素密切相关，尤其是陶瓷的工艺过程对陶瓷材料的弹性模量有着很重要的影响。陶瓷材料的塑性变形与蠕变大多数陶瓷材料在室温下几乎不能产生塑性变形，这是陶瓷材料力学行为最大的特点。高温下，陶瓷材料受恒定应力长时间作用时会发生缓慢的塑性变形，这样的变形称为蠕变。影响蠕变的因素很多，主

7、要包括温度、应力、时间以及晶粒尺寸、气孔率、相分布、晶体结构、晶体缺陷等等。陶瓷材料的强度和断裂陶瓷的结合键和晶体结构决定了陶瓷材料具有很高的抗压强度，但抗拉强度和剪切强度却很低。若设裂纹的长度为C，应力集中系数可根据Griffith公式得到：式中，σ为垂直作用于此裂纹的平均应力；r为裂纹尖端处的曲率半径；C为裂纹长度。由于裂纹尖端处的曲率半径很小。所以应力集中系数（σc/σ）为100或1000，这就是为什么脆性材料的实际断裂强度远低于他们的理论断裂强度。陶瓷材料的硬度陶瓷材料的硬度一般很高，常采用莫氏