生物醫用復合范文

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生物醫用復合材料(biomedicalcompositematerials)是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的生物醫用材料，它主要用于人體組織的修復、替換和人工器官的制造［1］。長期臨床應用發現，傳統醫用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結合，在生理環境中或植入體內后受生理環境的影響，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學穩定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用于不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用不同性質的材料復合而成的生物醫用復合材料，不僅兼具組分材料的性質，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質類似于人體組織的生物醫學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫用復合材料必將成為生物醫用材料研究和發展中最為活躍的領域。

1生物醫用復合材料組分材料的選擇要求

生物醫用復合材料根據應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復合材料的性質將取決于組分材料的性質、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫用高分子、醫用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫用不銹鋼、鈷基合金等醫用金屬材料；增強體材料有碳纖維、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體。

植入體內的材料在人體復雜的生理環境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態的相互作用，因此，生物醫用組分材料必須滿足下面幾項要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合后不出現有損生物學性能的現象；(2)具有良好的生物穩定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強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用受到限制。

2生物醫用復合材料的研究現狀與應用

2.1陶瓷基生物醫用復合材料

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

Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強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良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關節植入物表面進行涂層，試樣經高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數十分鐘即可有羥基磷灰石的形成［2］。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復合材料的研究也日益增多［3，4］。30%HA與70%TCP在1150℃燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優于純HA和TCP陶瓷，研究發現HA-TCP致密復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多孔復合材料植入動物體內，其性能起初類似于β-TCP，而后具有HA的特性，通過調整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。

生物醫用陶瓷材料由于其結構本身的特點，其力學可靠性(尤其在濕生理環境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等［3，5～7］。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經1350～1400℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數高達24.7，成為可靠性最高的生物陶瓷基復合材料。磷酸鈣系生物陶瓷晶須或纖維同其它增強材料相比，不僅不影響材料的增強效果，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，不會影響到生物材料的性能。HA晶須增韌HA復合材料的增韌補強效果同復合材料的氣孔率有關，當復合材料相對密度達92%～95%時復合材料的斷裂韌性可提高40%。

2.2高分子基生物醫用復合材料

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成的，如人體骨骼和牙齒就是由天然有機高分子構成的連續相和彌散于其基質中的羥基磷灰石晶粒復合而成的。生物有機高分子基復合材料，尤其生物無機與高分子復合材料的出現和發展，為人工器官和人工修復材料、骨填充材料開發與應用奠定了堅實的基礎。

生物陶瓷增強聚合物復合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究對象主要有：HA、AW玻璃陶瓷、生物玻璃等增強高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸等高分子化合物［8，9］。HDPE-HA復合材料隨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變，其斷裂形變可從大于90%下降至3%，因此可通過控制HA的含量調整和改變復合材料的性能。HA增強HDPE復合材料的最佳抗拉強度可達22～26MPa、斷裂韌性達2.9±0.3MPam1／2。由于該復合材料的彈性模量處于自然骨楊氏模量范圍之內，具有極好的力學相容性，并且具有引導新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增強HDPE復合材料具有與HA增強HDPE復合材料相似的力學性能和生物學性能，復合材料在37℃的SBF溶液中體外實驗研究表明，在其表面可形成磷灰石層，通過控制和調整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其滿足不同臨床應用的需求。