环境材料学
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环境材料学 — 仿生物材料. 主要内容 :. 仿生物材料的环境性能 生物材料的特点和性能 仿生物材料 —— 多孔生物陶瓷的制备与应用. I 、 仿生物材料的环境性能. 人工制造的具有生物功能、生物活性,或与生物体相容的材料称为仿生物材料。 仿生物材料主要包括两类:一类是天然生物材料。即通过由天然生物过程形成的材料,如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等;另一类是指人造的生物医用材料,包括一些人造器官、人体植入材料、组织工程材料等。. II 生物材料的组成、结构及性能. 骨的组成和结构

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环境材料学—仿生物材料


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主要内容

  • 仿生物材料的环境性能

  • 生物材料的特点和性能

  • 仿生物材料——多孔生物陶瓷的制备与应用


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I、 仿生物材料的环境性能

  • 人工制造的具有生物功能、生物活性,或与生物体相容的材料称为仿生物材料。

  • 仿生物材料主要包括两类:一类是天然生物材料。即通过由天然生物过程形成的材料,如结构蛋白、生物软组织、生物复合纤维及生物矿物等;另一类是指人造的生物医用材料,包括一些人造器官、人体植入材料、组织工程材料等。


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II 生物材料的组成、结构及性能

  • 骨的组成和结构

    研究一种理想的骨修复材料,首先要了解骨的基本组成,结构及构成方式。从材料角度看,骨可视作一种由无机矿物和生物大分子规则排列所组成的优化复合材料, 其力学性能达到了理想化,这不仅决定于它的成份,而且也决定于它的结构。


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  • 骨组织(Bone tissue)是一种特殊类型的结缔组织,由大量钙化的细胞间质及数种细胞组成。钙化的细胞间质称为骨基质(Bone matrix),间质中有大量的钙盐沉积,使之成为体内最硬的组织;细胞有骨原细胞(osteoprogenitor cell)、成骨细胞(osteoblast)、骨细胞(osteocyte)及破骨细胞(osteocalst)四种。骨细胞最多,位于骨基质内,其余三种细胞均位于骨组织的边缘。体内99%的钙、85%的磷、65%的钠和镁以骨盐的形式贮存于骨内,因而骨成为体内最大的钙库,与钙、磷代谢有着密切关系,对调节血液和体液中钙、磷浓度的平衡起着非常重要的作用。


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  • 骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约75/25,体积比约为65/35。有机质主要是Ⅰ型胶原纤维(占有机成份的90%以上)及10%左右的无定形基质。无定形基质为凝胶,包括一些非胶原蛋白、糖蛋白、蛋白多糖、多肽、碳水化合物及脂类等。其中含有两种钙结合蛋白:骨钙蛋白(osteocalcin)和骨磷蛋白(phosphophoryms)。前者有两个与钙亲和力强的部位,后者则有许多钙结合部位,但只有一部分骨磷蛋白是可溶性的,其余均与胶原纤维相结合。钙结合蛋白与钙化及钙的运输有关。无机成份主要为钙的磷酸盐(85%),包括羟基磷灰石(hydroxyapatite,HA)和无定形的磷酸钙。


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  • 骨组织在骨内的形式有松质骨骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约(cancellous bone)和密质骨(cortical bone)两种。松质骨主要位于骨骺内和骨干的内侧面,是由大量针状或片状的骨小梁连接而成的多孔网架,形状似海绵状,一般具有50-95%的孔隙率。


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  • 骨密质位于骨干和骨骺的外侧,其孔隙率骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约(5-10%)比骨松质低得多。在显微水平(微米量级)上,密质骨由不同排列方式的骨板构成,骨板自外向内可分为骨膜、外环骨板层、哈佛氏系统(Haversian system)和内环骨板层。


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  • 骨的力学性能骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约

骨的功能与其构型密切相关。骨最显著的特性是能够沿着机械应力线产生新骨进行自身修复和调整,这些性质决定了活体骨是一种独特的结构材料,能够使健康骨保持高抗疲劳强度,因此骨缺损只发生在一些极端条件下或发生在体内某种代谢紊乱造成不健康骨存在的部位。对天然骨材料的力学性能的研究进行得比较有限,因为一般骨结构和长骨的小梁结构使骨在对应力的行为方面表现为一种各向异性材料,因此各种有关机械应力值的报道都不同,取决于各自的加载方法。其他影响骨样品上机械应力计算的因素包括试验条件、试样的新鲜程度和被采样的个体年龄。


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骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约1-1 人体骨的力学性能


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  • 骨缺损

    骨缺损是指由于某种原因骨折端丧失了一些骨质而形成的间隙,它在临床上十分常见,可由多种因素引起,如创伤、骨肿瘤切除之后、骨组织炎症及先天性缺陷等。长时间过度牵引、不恰当的固定及肢体延长术引起的骨折端分离等骨折的分离移位也可以认为是一种骨缺损。


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  • 骨的作用骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约

    骨骼是人体的支架,担负着支持、保护、承重、造血、贮钙、代谢等功能,是人体重要的组织器官。因创伤、肿瘤、感染、先天性缺陷等原因导致骨折、缺损及病变,是临床的多发病症。大部分不能自愈而需进行骨移植。随着人口老龄化和各种创伤的增加,对生物医学材料尤其是骨替代材料的需要也持续增长。


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骨缺损修复技术骨基质主要包括有机质和无机质。有机成份与无机成份的重量比约

  • 传统修复方法

骨移植方法主要以移植骨为支撑,使宿主的血管和细胞进入移植骨内形成新骨,同时移植骨逐渐坏死被吸收,并逐渐被新骨替代,重新建立组织的血运系统,使无生物活力的移植骨变成具有正常代谢的骨组织。从骨形成的生物学特性来看,理想的骨移植物应包括三种要素:骨生成性、骨传导性和骨诱导性。标准的骨移植应该能修复骨缺损区,并最终达到结构和机械性能上同宿区的骨组织一致。骨移植材料应有足够的强度、有潜在的活力,在组织中无不良反应(无毒,无免疫原性,不致癌,不致畸),有一定空间占位作用。临床上治疗大块骨缺损的传统移植方法主要有以下几种 :


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  • 组织工程方法将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

  • 组织工程三要素:

    生物组织的支架材料;

    具有特定功能的组织细胞(亦称工程细胞,engineering cells);

    调节细胞增殖分化的细胞因子。

    这三个要素协调组装的生物替代品(亦称细胞复合体,cellular composites)不仅具有被替代组织(或称目的组织)的功能,而且与机体本身具有良好的组织相容性,不发生排斥反应及其它不良反应 。


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  • 理想的骨组织工程支架将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

    良好的生物相容性;

    良好的生物降解性;

    具有三维立体多孔结构;

    可塑性和一定的机械强度:支架材料具有具有一定的机械强度,为新生组织提供支撑,并保持一定时间直至新生组织具有适当力学特性;

    良好的材料细胞界面:材料应提供良好的材料胞作用界面,利于细胞粘附、生长,更重要的是能活细胞特异基因表达,维持正常细胞的表型表达


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  • 常用骨组织工程支架材料将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

    常用的支架材料主要是磷酸钙陶瓷(如羟基磷灰石、磷酸三钙、磷酸钙复合陶瓷)和可降解高分子(如聚乙醇酸、聚乳酸、聚己内酷及胶原等)及其复合类材料。磷酸钙作为天然骨的主要成份,与骨组织有一定的亲和性,具有良好的生物物相容性和骨传导性。由于钙-磷(Ca-P)系材料植入体内后表而能形成一个生物活性的无细胞层,其中富含磷酸钙、粘多糖及糖蛋白,为胶原和骨矿的沉积提供了适宜环境。据资料报道,日前己广泛应用于临床的骨替换材料及组织工程支架材料中有60%是这类材料。


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III 将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;多孔生物陶瓷

  • 钙磷生物陶瓷的发展

  • 1892年,Dreesman首次发表了利用硫酸钙(CaSO4·H20)修复骨缺损;

  • 1920年,Albee发现磷酸三钙(Tricalcium phosphate, TCP)可以刺激骨形成

  • 1928年,Leriche和Policard就开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料, 他们希望磷酸钙在体内能够释放一些钙、磷离子,促进骨的发生;

  • 1969年,美国佛罗里达大学的Hench教授,成功地研究了一种生物玻璃,可用于人体硬组织的修复,能与生物体内的骨组织发生化学结合,从而开创了一个崭新的生物医用材料研究领域—生物活性材料。


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  • 1972将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;年,Aoki和Jarcho成功烧结了羟基磷灰石,制得了羟基磷灰石陶瓷,并在随后的几年中发现,烧结羟基磷灰石具有良好的生物活性,从此开始了生物活性陶瓷发展的新纪元 ;

  • 1973年,Driskell等报道了β-Ca3(PO4)2多孔陶瓷植入生物体后,能被迅速吸收,并发生了骨置换, 称之为可吸收陶瓷(Absorbable ceramics),即生物可降解陶瓷;

  • 1976~1981年,Jarcho, Hench, Groot, Daculsi, Osborn等研究证明钙磷基骨替换材料不仅具有良好的生物相容性,而且具有骨传导性能,可与宿主骨直接形成骨键合,导致骨替换材料和骨之间的紧密结合


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  • 钙磷陶瓷分类将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

  • 磷酸钙类:包括磷酸三钙(α-或β-TCP),磷酸四钙(Ca4(PO4)2O, TTCP),磷酸氢钙(CaHPO4, DCP)、水合磷酸钙(CaHPO4·H2O, DCPD)和无定形磷酸钙(ACP)等;

  • 双相磷酸钙(Biphasic calcium phosphate, BCP):由β-TCP/HA按不同比例混合而成,如比率为20/80,40/60等;

  • 含钙磷的复合材料:降解型CPC可与其它无机材料如石膏、生物玻漓、铝、 钛及有机材料如胶原、树脂、聚乳酸、聚甲基丙烯酸等相混合而组成复合物,包括磷灰石/玻璃复合物、树脂羟磷灰石(EHA)、胶原羟基磷灰石(CHA)、羟基磷灰石/聚乳酸化合物(HA/PLA)等。


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  • 钙磷陶瓷生物活性将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

  • 概念:“生物活性”是1969年Hench最一早提出,并于次年国际上得到公认,使骨替换材料的研究从此进入了新纪元。Hench采用了一个功能化和能够测定的定义:有利于植入体材料与生物组织形成键合的特性为生物活性(A bioactive material is one that elicits a specific biological response at the interface of the material which results in the formation of a bond between the tissues and the material)


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  • 机理:将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;(1)溶解;(2)从溶液中沉积;(3)在材料和组织界面的离子交换和结构重排;(4)由表面边界层向材料内的内扩散;(5)溶液介导影响细胞活性;(6)矿物相或有机相与材料表面的无结合沉积;(7)矿物相或有机相与材料表面的有结合沉积;(8)向着材料表面的趋化作用;(9)细胞附着和增殖;(10)细胞分化;(11)细胞外基质的形成和矿化。


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  • 钙磷生物陶瓷的骨诱导性将骨折端修平,对位,固定,使其愈合。这种方法人为地消除缺损,但造成肢体短缩或骨折部位的外形变化,以牺牲肢体长度换取骨折愈合,这对于负重的肢体来说必将影响其功能,故仅适用于上肢骨缺损的治疗;

  • 骨诱导性:1965年Urist成功地用脱钙骨(DMB)在肌肉内诱发异位成骨并预一言在DMB中含有一种特殊的蛋白,能诱导新骨形成。1982年从牛骨中提取了具有能诱导骨生长能力的活性蛋白—骨形态发生蛋白(Bone morphogenetic protein, BMP),阐述了骨修复的新概念—诱导成骨:材料诱导间充质细胞直接分化为骨母细胞、成软骨细胞或成骨细胞,最后形成骨组织的现象。并提出发生骨诱导必须具有三个条件:(1)存在可分化为成骨细胞的间充质细胞(即靶细胞);(2)存在引导间充质细胞向成骨细胞分化的生物化学信号,如骨生长因子;(3)适当的成骨环境。


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  • 钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

    1911年Wells在Archives of Internal Medicine一书中提出磷酸钙盐有可能对新骨的发生有诱导作用;

    Piecuch研究了珊瑚转化的羟基磷灰石植入犬的腋下的皮下,8个星期后组织学观察,未见新骨生成 ;

    Misiek等报告了光滑和粗糙的致密羟基磷灰石植入犬的口腔软组织中,6个月后观察到植入体被纤维组织包裹,而没有骨组织生成 ;

    1988年Heughebeart等研究发现,磷酸钙陶瓷植入动物非骨部位后,其表面形成骨样沉积物;

    Yamaxhaki发现,多孔羟基磷灰石颗粒具有骨诱导能力,致密体则没有


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四川大学的张兴栋于钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题1991年报道了多孔磷酸钙生物陶瓷植入动物的肌肉后2个月,组织学观察发现新骨的形成。他认为:骨诱导与动物的种类、植入时间的长短及材料学因素等有关。β-TCP只有骨传导性而没有骨诱导性,降解速度较快,HA则具有骨诱导性,降解速度较慢。因此他认为β-TCP/HAP的复合材料是一种较理想的生物降解材料。

但Yuan则认为β-TCP具有骨诱导性,另有一些学者则认为HAP和β-TCP都没有骨诱导性,骨诱导性来源于BMP。对这些相互矛盾的观点有待就其机理进行深入研究。

研究表明,不管钙磷材料本身是否具有骨诱导性,其作为基体材料对于信号分子作用的有效发挥具有举足轻重的影响


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多孔生物陶瓷制备技术钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

骨组织工程支架必须具有适宜的多孔结构,Holy等研究显示孔隙的形状和大小对种子细胞的附着和长期生存,分化具有深远的意义。但在适宜的孔径大小方面一直存在争议。Dahl等认为孔径在100μm以上才能使成骨细胞在孔隙中进行游走,并为骨组织的长入提供理想的场所。Porter等则认为孔径大于200μm是骨传导的基本要求, 200~400μm时最有利于新骨的生长。但是影响骨组织长入孔洞内的因素不单单只有孔径因素,孔隙之间的相互连通和连通通道的大小也起到至关重要的作用。孔隙间的良好连通和适宜的孔隙大小利于细胞的新陈代谢,营养运输和废物排泄,利于后期血管的侵入,新骨的形成。此外在保证支架材料足够的强度的情况下尽量提高材料的孔隙率,有利于增大支架材料的表面积。目前有多种制备高联通孔隙生物陶瓷的方法


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  • 有机泡沫浸渍工艺钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

    有机泡沫浸渍工艺是Schwartzwalder于1963年发明出来的。该工艺是用有机泡沫浸渍陶瓷浆料、溶胶-凝胶和胶体溶液,干燥后烧掉有机泡沫,获得开孔三维网状多孔陶瓷的一种方法。经过不断改进和发展,已用于制备多孔生物陶瓷 。

    Hassna等将β-TCP粉体混合粘结剂、去离子水,并加入5%的HA纳米纤维为增强相,调制成陶瓷浆料,将处理好的聚氨脂泡沫浸入陶瓷料浆中,等泡沫完全浸渍后取出,将多余料浆压出,并破坏料浆膜,使成形体组织结构均匀。在空气中自然干燥后,以小于1℃/min的速度升温烧成,使泡沫挥发,制成平均孔径为300~400μm,平均孔隙率为73±0.4%的多孔双相生物陶瓷。


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  • 添加造孔剂工艺钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

    该工艺通过在陶瓷配料中添加造孔剂,利用这些造孔剂在高温下燃尽或挥发而在陶瓷体中留下孔隙。其工艺与普通陶瓷工艺相似,关键在于造孔剂种类和用量的选择。造孔剂颗粒的形状和大小决定了多孔陶瓷材料气孔的形状和大小。造孔剂的种类有无机和有机两类,无机造孔剂有碳酸铵、碳酸氢铵、氯化铵等高温可分解的盐类,以及煤粉、碳粉等。有机造孔剂主要是天然纤维、高分子聚合物和有机酸,如聚甲基丙烯酸甲脂、聚乙烯醇缩丁醛、甲基纤维素、硬脂酸、尿素等。

    Engin等羟基磷灰石粉末与甲基纤维素粉末混合后,再与去离子水混合成浆料,经超声震动脱气,在烘箱中50℃-90℃慢慢地烘干,然后以0.5℃/min的速度升温至250℃,再以3℃/min的速度升温到1250℃,保温3h,随炉冷却到室温。可获得孔隙度60%-90%,孔径100-250μm,互通性良好的多孔羟基磷灰石陶瓷。


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  • 化学发泡工艺钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

    化学发泡法是将在较高温度能够分解产生气体或发生化学反应产生气体的化学物质与生物陶瓷石粉体浆料混合成型,在一定温度下加热处理发泡,再烧结产生大孔陶瓷。要求发泡剂的残留物不影响陶瓷的性能和组成,或残留物经简单的水洗可以除去常用的发泡剂是过氧化氢(H2O2),利用H2O2分解产生气体而形成多孔生物陶瓷体。Melba等以CaCO3,NH4H2PO4, Na2CO3和TiO2为原料,加入40%H2O2为发泡剂,制备了孔隙率为44-50%,孔径尺寸在20-500μm的钙磷基生物玻璃陶瓷,并通过改变热处理条件来控制玻璃的成分。MTT实验结果表明,该多孔生物玻璃陶瓷适合细胞的生长。


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  • 溶胶钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题-凝胶工艺

    溶胶-凝胶工艺是一种制备微孔多孔陶瓷的通用方法,这种方法主要以无机盐或醇盐为先驱体,先驱体水解得到溶胶,再通过凝胶和热处理获得多孔陶瓷;

    加水量、催化剂、溶液的pH值、化学添加剂、干燥制度以及烧成温度等都是影响溶胶-凝胶法所得多孔陶瓷材料性能的主要因素;

    Zhong等通过化学反应法形成玻璃溶胶,然后在溶胶干燥过程中采用酒精浸泡、湿气干燥方法,得到了无裂纹的多孔生物活性玻璃 。


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  • 快速自动成型钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题(Rapid Prototyping, RP)

    RP技术是最早于1987年出现的应用于制造业的高新技术,RP技术的本质是用积分法制造三维实体。在成型过程中,先由三维造型软件在计算机中生成部件的三维实体模型,然后将其用软件“切”出设定厚度的一系列片层(几十μm),再将这些片层的数据信息传递给成型机,通过材料逐层添加法制造出来,而不需要特殊的模具、工具或人工干涉。

    Wilson等综合了快速成型技术和凝胶注模成型技术提出了三维凝胶成型技术。用石蜡制造造孔模型,在海藻酸钠和氯化钙凝胶体系作用下,根据三维CAD模型,使羟基磷灰石(HA)浆料在三维凝胶叠层机上按照一定的图形逐层凝胶,形成了具有所要求形状的多孔羟基磷灰石生物陶瓷。


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(a)钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题有机泡沫浸渍工艺;(b)甲基纤维素造孔;(c)蔗糖造孔;(d)聚乙烯微球造孔;(e)双氧水发泡工艺;(f)溶胶-凝胶工艺;(g)快速自动成型工艺


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研究结果钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

  • HA/TCP的典型外观

孔径: 1mm, 300-500μm


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  • 支架的成分分析钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

(a) HA与TCP按1:1物理混和; (b) HA/TCP支架坯体80℃烘干;

(c) 1100 ℃烧结; (d) 支架经300r/min球磨5h。


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  • HA/TCP钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题支架的形貌

泡沫的表面形貌

成功完成了对泡沫孔隙的复制

但是,实体收缩:11-15%

多孔支架收缩:21-24%

故, 孔径有所减小。

支架的表面形貌


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支架的断面形貌钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题


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小梁部分的微观结构钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题


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  • 支架的孔隙钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题

    HA/TCP支架由三种孔隙组成,300-500μm,开孔

    10-30μm, 可能是开孔

    1μm ,


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谢 谢!钙磷生物陶瓷可传导骨生长,即具有骨传导性,但是否可具有骨诱导性一直是争论的问题


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