当前位置:文档之家› 无机生物材料学-氧化铝[1]

无机生物材料学-氧化铝[1]

• 早在19世纪末Schleeds、Schmidt 和Kindt就利用水溶液沉淀反应得到 化学纯的羟基磷灰石,1920年F.H. Alhec等人建议将可吸收的磷酸三 钙作为骨和牙的种植体,羟基磷灰石等钙磷系陶瓷的研究有很长 的历史,真正大量的研究和应用在二十世纪七十年代才开始。
度下降(见表4-6)
表4-6、氧化铝陶瓷的孔隙率与性能的关系
.
孔隙率(%) 密度(g/cm3) 弹性模量(GPa)抗压强度(MPa)抗折强度(MPa)
0
3.93-3.95 380-400
4000-5000
400-500
25
2.8-3.0
150
500
70
35
200
55
50-75
80
5-11.4
.
为了保持氧化铝陶瓷的强度,通过在表面进行多 孔涂层处理,使材料既有一定的强度,表面又有一 定的孔隙度,使材料与骨组织更好的粘连、长入。
人工髋关节 • 80年代初单晶氧化铝陶瓷骨螺钉
1. 氧化铝陶瓷的组成、制备工艺
制备工艺一般为原料加工(粉碎), 然后加添加剂(包括粘结剂)形成配料,
混合后静压成坯料,通过预烧-烧结 工艺形成陶瓷。
(1)烧结基本概念
所谓烧结是在高温作用下粉状物料自发填充颗粒间的空 隙过程,随着温度上升和时间的延长,过程中发生下列变 化:固体颗粒相互键联,晶粒长大,空隙(气孔)和晶界 逐渐消失,通过物质传递,物料的体积收缩、密度增加, 最后成为坚实的整体(图4-1,4-2所示)。
氧化铝生物陶瓷的制备工艺
与普通陶瓷制作工艺类似:
粉体粘合 → 预压成型(预打磨)→ 烧结 → 打磨 → 成品
其中烧结温度一般为1860摄氏度,氧化铝的 熔点为2050度。
工艺条件对氧化铝陶瓷显微结构和性能均有 很大的影响。
高纯氧化铝人工骨的生产工艺过程:
Al2(NH4)2 (SO4)4.24H2O(硫酸铝铵)
380
弹性模量(MPa)
40000
38000
硬度(Hv)(MPa) 2100
1800
冲击强度(kg.cm/mm2) 7.6
5.4
影响机械强度的要因 晶格缺陷\表面伤痕裂纹 纯度\密度\晶粒大小
加工性
直线状\棒状 可加工成任意形状
.
陶瓷的空隙率和孔径大小对材料的力学性能有很
大的影响,随着孔隙率的增大,材料的密度降低,强
水泥 为一种细磨材料,加入适量水后成为塑性浆体,
既能在空气中硬化,又能在水中硬化,并能把其它增强 材料牢固地胶结在一起的水硬性材料;
玻璃 为熔融物冷却硬化而得到的非晶态固体。
陶瓷、玻璃、水泥与生物材料
• 陶瓷、玻璃、水泥 • 可用于人体组织并具有一定生物功能的建筑材料-
无机非金属生物材料 • 对应生物陶瓷、生物玻璃、骨水泥
氧化铝陶瓷的结构与性能 •
图4-5、氧化铝的微观结构示 意图
图4-6、氧化铝晶体的X射线图
表4-4、99.7%高纯氧化铝陶瓷的物理特性
比重 抗压强度 抗折强度 弹 性模量 硬度 熔融温度 比热 热膨胀系数 介电常数
g/cm3 kPa/cm2 kPa/cm2 106kPa/cm2 kPa/cm2 oC
A
B
C
D
图4-2、氧化铝烧结过程中粉体的微观结构变化
A:颗粒间接触,B:部分粘连,C:完全粘连,D:烧结完成
(2)烧结过程
烧结可归纳为八个过程:
1/原子的迁移率增大,由热效应造成并引起物体体 积改变
2/颗粒接触面改变(增大) 3/残余应力减少(松弛)和颗粒形状改变 4/接触面变化的现象之一--再结晶 5/颗粒表面改变,与接触面的大小有关 6/颗粒位移,与粉末体的体积变化和孔隙度有关 7/氧化物还原和排除吸收的液和气体 8/物理和机械性能的改变
∆G=-RTlnK
R为气体常数,K为反应的平衡常 数,T为反应温度
(3)烧结微观动力学 (续)
c)外加压力做功 (外加压力对摩尔体积为Vm的颗粒系统所做的功)
W=P.Vm
d)体系外供给能量
体系外供给热能,使反应体系的温度升高,有 助于颗粒整体能级的提高,克服化学反应活化能, 并有助于颗粒的熔化而发生粘结。这对于绝大 多数烧结体系来说是重要的驱动力。
图4-4、各种氧化铝生物陶瓷移植物示意图
表4-7、氧化铝螺钉的应用部位和病例
.
部位 用例
.
上肢 上腕骨颈部骨折、肘头骨折、习惯性肩关节脱臼
下肢 植入物的固定、胫骨、腓骨头部骨折、关节固定
股关节 进行全臀置换、切除骨症候群时用大转子固定外伤性脱臼骨折、套管用骨水
泥固定
人工臼盖固定、股关节固定、移植骨的固定

晶态---陶瓷、水泥(含一定量非晶)

非晶态 --- 玻璃(含一定量微晶)
4.1 生物陶瓷材料(bioceramics)
两个概念:
生物惰性(bioinlet) 主要指材料在植入人体后,
长时间材料不发生物理、化学结构变化,同时与之接触 的组织不引起显著的变化。生物惰性材料主要有氧化物 陶瓷如三氧化二铝、氧化锆,非氧化物陶瓷如氮化硅, 碳化物如低温(或超低温)各向同性碳等。
的性能?
• 6)为什么氧化铝陶瓷在烧结成制品前要经过素烧和修 坯工序?
• 7)为什么一般氧化锆股骨头比氧化铝直径小?
第四章 无机非金属生物材料
无机Байду номын сангаас金属材料主要有陶瓷、玻璃、水泥三大 类, 是建筑业的常用材料。
陶瓷 本意为陶器和瓷器,在希腊文中意为火烧成的制
品,陶瓷是以粘土为原料烧成一种多晶多相(气、液、 晶和非晶)聚集体;
• 分惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷
• 惰性生物陶瓷:非降解性陶瓷、碳
• 活性生物陶瓷:羟基磷灰石、磷酸三 钙、珊瑚

骨发生(OSTEOINTEGRATE)

骨传导(OSTEOCONDUCTIVE)

骨诱导(OSTEOINDUCTIVE, or
osteogenesis)
4.1.1 氧化铝陶瓷
• 发展历史 • 1932年开始应用于医学领域 • 1963年氧化铝陶瓷人工骨 • 1964年牙科移植物 • 1968年多孔氧化铝与人体肌肉-骨骼系统相连 • 1970年氧化铝陶瓷球,窝及不锈钢杆全髋关节 • 1981年氧化铝陶瓷全膝关节 • 1982年 Mittelmeier型氧化铝陶瓷球窝与CoCrMo合金杆
脊椎 固定用的水泥锚、移植骨的固定
.
图4-5 氧化铝人工股骨柄
图4-6、暨南大学生物医学工程所开发氧化铝产品
4.1.2 其他氧化物生物陶瓷
除了常用的氧化铝生物陶 瓷外,惰性氧化物生物陶瓷还有 氧化锆、氧化镁、氧化硅以及混 合氧化物陶瓷。各自在性能上都 具有自己的特点。
4.1.3 羟基磷灰石陶瓷
5)烧结温度对机械强度的影响
图4-4、烧结温度对材料硬度和弯度强度的影响 A:对硬度影响,B:对弯曲强度的影响(○真空●空气■潮湿条件)
与烧结温度对密度的影响类似,在空气或真空条件下,烧结温度过高或过 低均降低材料的硬度和强度,但在潮湿环境中由于有水分补充进晶格,使材 料的硬度和强度随烧结温度的升高而上升 。
Cal/goC 10-6/oC
3.93 40000
4000
3.5
2200 2050
0.25
6.6
9.2
.
电阻率
Ω /cm 10
表4-5、单晶和多晶氧化铝陶瓷的性能比较 .
性能
单晶体
多晶体
.
外观
无色透明
白色(黄白色)
抗压强度(MPa)
500
500
拉伸强度(MPa)
65
25
抗折强度(MPa)
130
50
抗弯断裂强度(MPa) 1300
抗压强度(MPa) 400 420 500 660 800 940 1110 1150 1200
抗折强度(MPa) 83 106 125 134 151 187 219 248 247
弹性模量(GPa) 108 120 146 230 271 318 321 365 400
氧化铝单晶的生产方法及硫酸铝铵的分解过程:
(μm)
(5000psi)
(2000F/2小时)
(3000F/2小时)
99.8+ <1
57-58
61-63
98.5-99.3
*收缩率数据斜杆前为长度方向, 斜杆后为直径方向。
.
收缩率*
. 14.2/12.8
表4-2、氧化铝含量对瓷体性能的影响
.
性能指标 含量(%) 60 65 72 80 85 90 95 97 99

加适量氧化镁,950-1000oC
Al2O3 ↓
1300oC
Al2O3 ↓
加适量羧甲基纤维素
干磨

加HCl, 料:球:水=1:2:0.9-1
湿磨

24-36h
真空处理
成型\干燥

900-950oC
素烧
修坯

1860oC
烧结
检验
高纯氧化铝粉体的基本性能参数 :
表4-1、氧化铝粉体的特性参数
纯度 平均粒径 压缩密度% 煅烧密度% 烧结密度%
(4)烧结温度对材料性能的影响
1)烧结温度对密度、孔隙率的影响(羟基磷灰石为例)
密度 g/cm3
○真空●空气■潮湿 条件
A
孔 隙 率 ( % )
B
烧结温度
烧结温度
图4-3、烧结温度对材料密度和孔隙率的影响 A:对密度,B:对孔隙率
在潮湿条件下(有水分补充到晶格中去)随烧结温度的提高,材料的 孔隙率下降,密度升高,但烧结密度在空气或真空条件下有峰值,即低温 烧结不完全,而高温有部分化学成分分解,这两种情况均导致密度下降。
相关主题