生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。应用于临床的生物陶瓷必须是安全无毒的,根据它们与组织的效应,分为三类:

1、生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷,通常具有良好的生物相容性与稳定的物理化学性能,植入生物体后与组织几乎不发生反应或产生极小反应。生物惰性陶瓷有氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定,分子中的键合力较强,具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。

①氧化铝

氧化铝(Al2O3)是生物惰性陶瓷中具有代表性的。1933 年 Rock 首先建议将Al2O3陶瓷用于临床医学。1963 年由 Smith 用于矫形外科。自此以后,Al2O3陶瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、髁骨、中耳听骨,在临床上逐渐推广应用,成为医用生物陶瓷中的一种重要材料。艾邦建有医用陶瓷产业微信群,欢迎产业链上下游企业加入,长按识别下方二维码即可加入:
生物陶瓷使用的是最为稳定的α-Al2O3相,其晶型结构为斜方六面体,在人体内能够稳定存在,同时不与强酸强碱发生反应,具有高强度、低磨损率与良好的生物相容性。但随着陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂纹扩展,患者失败案例也有过报道,因此,氧化铝陶瓷材料作为种植体的可靠性仍然需要不断提高。
图  氧化锆增韧氧化铝髋关节假肢,来源Nanoe
通过在氧化铝中添加增韧材料,可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果,将氧化铝的稳定性和氧化锆的强度相结合,一旦出现裂痕扩散,氧化锆颗粒会产生气囊效应,吸收外界应力,板状晶体抑制裂纹扩展,从而增强强度和韧性。
图  氧化铝增韧机理,来源CoorsTek

②氧化锆

氧化锆(ZrO2)是生物陶瓷的另一个代表,可以用于关节处替代物。在机械强度和断裂韧性方面,氧化锆陶瓷要比氧化铝陶瓷更加优异。
图  氧化锆陶瓷种植体
氧化锆具有三种晶型,包括:单斜相、四方相与立方相。在低温环境下,单斜相是最稳定的。在发生相变的过程中会产生体积变化,亚稳态四方相在转变为单斜相时,会发生体积增大,这一现象会阻止裂纹进一步扩展。在氧化锆三种晶型中,四方相具有较好的力学强度,能够满足生物陶瓷在力学强度的要求,所以在生物医学材料领域得到广泛应用。
到目前,亚稳态氧化锆由于其优越的韧性特性与力学强度,逐渐成为氧化铝的代替材料。向氧化锆中添加氧化钇,能够形成稳定的四方相或者立方相,阻止其向单斜相的转变。对于钇稳定氧化锆生物陶瓷材料,植入患者体内后具有很好的断裂韧性。氧化锆骨科植入物的使用可以减少摩擦力和聚乙烯碎屑的出现,并且摩擦性能比氧化铝更优越。
2.可吸收生物陶瓷
可吸收生物陶瓷是一种暂时性的骨替代材料。植入体内后材料逐渐被吸收,同时新生骨逐渐长入而替代之。这种效应也称之为降解效应。生物降解(可吸收)陶瓷在临床上主要用作治疗脸部和颌部的骨缺损,填补牙周的空洞及与有机或无机物复合制作人造肌腱及复合骨板,还可作为药物的载体。艾邦建有医用陶瓷产业微信群,欢迎产业链上下游企业加入,长按识别下方二维码即可加入:
最早应用的降解材料是石膏。1892 年Dreesman 第一次用石膏作骨填充材料。石膏的生物相容性较好,但吸收速度太快,通常在新骨未长成就消耗殆尽,造成塌陷,因此在许多情况下是不成功的。目前广泛应用的生物降解陶瓷为β-三磷酸钙(β-TCP),是一种可以缓慢降解的陶瓷,具有良好的生物相容性并在骨科领域应用广泛,但机械强度偏低,经不起力的冲击。将β-TCP与其他材料混合制成双相或多相陶瓷,是提高其力学强度的方法之一。
图 磷酸三钙TCP植入体,来源:3DCERAM
从理论上讲,可降解生物材料是较理想的生物修复材料。因为材料在生物体内被逐渐吸收,从而被新生骨组织替代,达到安全、永久的骨重建。但因磷酸钙陶瓷的初始机械强度低,应用受限制,加之降解速度还是较难控制,其产骨性和骨诱导性也不强,常会出现溶解速度与新骨生长速度不匹配,导致局部塌陷。

3、生物活性陶瓷

生物活性陶瓷,通常指能够通过化学键的形式和骨组织、软组织互相结合的陶瓷材料,在生理环境下与组织界面发生作用,形成化学链结合,系骨性结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃,生物活性微晶玻璃。

 

①羟基磷灰石(HA)

羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)组成与天然磷灰石矿物相近,是人体骨骼和牙齿的主要成分,其化学式是 Ca10(PO4)(OH)2,密度为 3.16 g/cm3。
HA有良好的生物相容性,植入体内不仅安全无毒,还能传导骨生长,作为骨代替物被用于骨移植。

②生物玻璃陶瓷

生物玻璃陶瓷的主要成分是 CaO-Na2O-SiO2,比普通窗玻璃含有较多钙和磷,能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性,能在植入部位迅速发生一系列表面反应,最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好,材料植入体内,无排斥、炎性及组织坏死等反应,能与骨形成骨性结合;与骨结合强度大,界面结合能力好,并且成骨较快。目前此种材料已用于修复耳小骨,对恢复听力具有良好效果。但由于强度低,只能用于人体受力不大的部位。
生物惰性陶瓷与生物活性陶瓷两者的区别在于是否能够在骨与陶瓷之间形成一个整体。当生物惰性陶瓷植入患者体内,软组织会与其发生作用,致新骨内生长与结合。生物活性陶瓷能够产生新骨,但是与生物惰性陶瓷相比,其力学性能较差。
资料来源:
1.医用生物陶瓷及临床应用,曾绍先

2.生物陶瓷3D打印技术研究进展与趋势,王真,等.

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一、展会精彩内容

·展出范围

陶瓷器件及材料MLCC、LTCC、HTCC、微波介质陶瓷、压电陶瓷、钛酸钡、碳酸钡、氧化钛、氧化铝、氧化锆、玻璃粉、氮化铝、LTCC介质陶瓷粉体、稀土氧化物、生瓷带等;

精密陶瓷:氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硅、碳化硅、氧化钇、结构陶瓷、高温陶瓷、透明陶瓷、陶瓷微珠、新能源陶瓷、陶瓷轴承、陶瓷球、半导体陶瓷(搬运臂、陶瓷劈刀、静电卡盘、蚀刻环……)、3D打印陶瓷、燃料电池(SOFC)隔膜片、穿戴陶瓷、光纤陶瓷插芯、陶瓷套筒、CIM、生物陶瓷等。

陶瓷基板及封装外壳:陶瓷封装外壳、DPC、DBC、AMB、HTCC基板、LTCC基板、薄膜电路板、厚膜电路板、陶瓷封装基座、热沉、氧化铝、氮化铝、氮化硅、氧化铍、莫来石粉体及基板等;

金属材料:银粉、金粉、铜粉、镍粉、焊料(焊片、焊膏)、MLCC用内/外电极浆料、LTCC银浆、金浆、钨钼浆料、铜浆、靶材、无氧铜带、可伐合金、金属冲压件等;

助剂:陶瓷和导电浆料用分散剂、黏合剂、增塑剂、絮凝剂、矿化剂、消泡剂、润滑剂、烧结助剂等;

陶瓷加工设备:砂磨机、球磨机、真空脱泡机、三辊机、喷雾造粒机、干压机、流延机、注塑机、3D打印机、模具、干燥设备、研磨机、精雕机、裁片机、激光设备、打孔机、填孔机、丝网印刷机、叠层机、层压机、等静压机、热切机、整平机、排胶炉、烧结炉、钎焊设备、电镀设备、化学镀、喷银机、浸银机、端银机、真空镀膜设备、显影设备、去膜设备、蚀刻机、湿制程设备、等离子清洗、超声波清洗、自动化设备、剥离强度测试仪、AOI检测设备、打标机;

封装测试设备:贴片机、引线键合机、封盖机、平行缝焊封帽、切筋机、钎焊设备、激光调阻机、网络分析仪、热循环测试设备、测厚仪、氦气检漏仪、老化设备、外观检测、超声波扫描显微镜、X-光检测、激光打标、分选设备、测包编带机等;

耗材:离型膜、载带(塑料和纸质)、耐火材料、承烧板/匣钵(氧化铝、刚玉莫来石、氮化硼等)、承烧网、发泡胶、研磨耗材(金刚石微粉、研磨液)、精密网版、清洗剂、电镀药水等。

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二、展位预订

 

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作者 ab, 808