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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划生物无机材料无机非金属材料在生物医学中的应用西南交通大学材料科学与工程学院-李森-XX5650【摘要】介绍无机非金属材料在生物医学各个领域中的应用和发展前景等。【关键字】无机非金属生物材料，惰性无机非金属生物医用材料，表面生物活性陶瓷材料，可吸收和降解生物陶瓷材料，临床应用，前景。【正文】一、无机非金属材料以及无机非金属生物医用材料的特点无机非金属材料(inorganicnonmetallicmaterials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸
2、盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要
3、组成物质。陶瓷不生锈、不燃烧，而且抗腐蚀，强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且也可以制成具有优良生物活性的材料。生物医用材料根据在生物体内的活性，分为三类：惰性生物陶瓷材料，主要是氧化铝陶瓷材料、碳质材料等，植入体内后与周围组织之间形成纤维包膜；表面生物活性陶瓷材料，如生物医用玻璃和玻璃陶瓷、羟基磷灰石等，植入体内后材料能与周围组织形成牢固的化学键结合；可吸收和降解生物陶瓷材料，主要是磷酸三钙陶瓷材料，植入体内后会逐渐被降解、吸收，从而被新生组织替代。目前，约有40余种生物陶瓷材料在医学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品，发挥着
4、非常重要的作用。二、三类无机非金属生物医用材料的性能及应用1、惰性无机非金属生物医用材料生物医用陶瓷：惰性生物医用陶瓷主要分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷以及陶材三类。氧化物陶瓷主要是Al、Mg、Ti、Zr、等的氧化物。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物等。陶材则主要是由多种氧化物矿物构成的长石、石英、高岭土等原料制成。氧化物陶瓷：氧化铝陶瓷生物医用氧化铝陶瓷由高纯三氧化二铝组成。氧化铝陶瓷是指主晶相为刚玉的陶瓷材料。氧化铝陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料。并且这种陶瓷还具有较高的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。医用氧化铝陶瓷的重要性能由于氧化铝陶瓷是生物惰性材料，在人体内不发生化
5、学变化，对人体无害，亲和性也很好，在临床医疗中广泛用于股骨、骨关节、牙根、骨修补物和骨骼螺栓等。Boutin等人1970年提出使用全氧化铝陶瓷植入物，并且首次在临床上使用氧化铝陶瓷材料人工髋关节，之后又有许多国家开始广泛使用氧化铝陶瓷制作人工牙根、人工关节和人工骨。在近三十年的临床实践中，使用氧化铝假体进行人工关节固定，取得了令人满意的结果。现在高密度、高纯氧化铝陶瓷是内修复手术主要的关节材料，长期临床实践已经说明了氧化铝陶瓷头和聚乙烯臼之间具有优异的抗磨损性能。有学者复查了最近20年来，118例髋部手术的病人，期中86例使用骨水泥填充孔隙，32例没有使用骨水泥填充而是用了三枚螺丝钉固定。不用
6、骨水泥比用骨水泥获得了满意的效果，%不用翻修，且在骨盆正位片上没有测量到明显的磨损。氧化锆陶瓷纯的氧化锆不能作为医用材料，因为在烧结过程中从高温降到室温以上时会发生从四方到单斜的晶相转变，这一相转变同时伴随着3%4%的体积扩展，使材料内部产生内应力和裂纹。加入氧化锰或氧化钇会抑制相变的发生。由于具有更高的断裂强度使得氧化锆陶瓷能够被设计成氧化铝陶瓷不能达到的几何尺寸和形状仍然具有可靠性的髋关节头。由于这些优异的力学性能，人们认识到可以将其应用在牙修复领域和膝关节股骨组件。另外，它还用在跖趾外科手术上和肩修复手术上。氧化锆与聚乙烯结合被证明与体外实验中的氧化铝与聚乙烯结合有相似的磨损率，但是在体
7、内试验中结果并不乐观，在体内试验中氧化锆陶瓷的年磨损率会逐年增加，而氧化铝相对变化平稳。非氧化物陶瓷材料：非氧化物陶瓷材料是以难熔化合物为基础制成的，而这些化合物又是由B、C、N、Al、Si形成，主要呈共价化学键形式，在极宽的温度范围和其它外作用条件下具有很高的稳定性。非氧化物陶瓷材料作为生物医用材料的报道较少，主要用作硬组织的替换材料。例如碳化硅和氮化硅陶瓷材料。医用碳材料：碳材料具有许多优良的性质，植入人体后化学稳定性好，与人体亲和性好，没有毒性，没有排异反应。碳有许多同素异构体，在医学上广泛应用的主要包括热解各项同性碳和碳纤维复合材料，在早期使用的玻璃质碳因为使软组织变黑而很少再用。医用
8、碳材料的类型以及应用惰性生物玻璃和玻璃陶瓷生物玻璃材料大致可分为两类：1.非活性的近似惰性的2.生物活性的。惰性玻璃陶瓷主要应用于口腔医学领域：2.表面活性无机非金属生物医用材料表面活性生物医用玻璃和玻璃陶瓷这类材料作为生物医用材料具有金属、高分子及生物惰性材料不可比拟的优势，能与人体骨形成直接的化学结合。近几十年来，具有良好的生物相容性、生物活性和化学稳定性等优异性能的生物活性玻璃作为理想的骨移植材料得到了大量的发展及应用。早期主要应用是口腔方面，如用于下颌骨置换、牙周病治疗、拔牙窝充填等。目前国际上已发展为产品的牙科用生物玻璃陶瓷有两种：一是ERMI，形如牙根，用于牙根拔出后的牙窝填充，以
9、防止牙床萎缩；其二是PERIOGLAS粉，用于治疗牙周炎中牙根与牙床生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。生物医用材料是用来对于生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料，它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。二关键词:生物，医学，材料，
10、医疗器械，创伤，组织，植入biomedicalmaterial，newmaterials三文献综述1生物医用材料定义生物医用材料是用于对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的新型高技术材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础，己成为材料学科的重要分支，尤其是随着生物技术的莲勃发展和重大突破，生物材料己成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘，不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，生物医用材料和制品产业将发展成为本世纪世界经济的一个支柱产业.由生物分子构成生物材料，再由生物材料构成生物部件。生物体内各种材料和部件有
11、各自的生物功能。它们是“活”的，也是被整体生物控制的。生物材料中有的是结构材料，包括骨、牙等硬组织材料和肌肉、腱、皮肤等软组织；还有许多功能材料所构成的功能部件，如眼球晶状体是由晶状体蛋白包在上皮细胞组成的薄膜内而形成的无散射、无吸收、可连续变焦的广角透镜。在生物体内生长有不同功能的材料和部件，材料科学的发展方向之一是模拟这些生物材料制造人工材料。它们可以做生物部件的人工代替物，也可以在非医学领域中使用。前者如人工瓣膜、人工关节等；后者则有模拟生物黏合剂、模拟酶、模拟生物膜等2生物医用材料的分类生物材料应用广泛，品种很多，有不同的分类方法。通常是按材料属性分为：合成高分子材料、天然高分子材料、
12、金属与合金材料、无机材料、复合材料。根据材料的用途，这些材料又可以分为生物惰性、生物活性或生物降解材料。这些材料通过长期植入、短期植入、表面修复分别用于硬组织和软组织修复与替换。生物医用材料由于直接用于人体或与人体健康密切相关，对其使用有严格要求。首先，生物医用材料应具有良好的血液相容性和组织相容性。其次，要求耐生物老化。即对长期植入的材料，其生物稳定性要好；对于暂时植入的材料，耍求在确定时间内降解为可被人体吸收或代谢的无毒单体或片断。还要求物理和力学性质稳定、易于加工成型、价格适当。便于消毒灭茵、无毒无热源、不致癌不致畸也是必须考虑的。对于不同用途的材料，其要求各有侧重。3生物医用新型材料陶
13、瓷基生物医用复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、晶片、晶须或纤维等形状的增强体材料而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料虽没有多少品种达到临床应用阶段，但它已成为生物陶瓷研究中最为活跃的领域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究以及材料增强研究等。高分子基生物医用复合材料研究表明几乎所有的生物体组织都是由两种或两种以上的材料所构成的，如人体骨骼和牙齿就是由天然有机高分子构成的连续相和弥散于其基质中的羟基磷灰石晶粒复合而成的。生物有机高分子基复合材料，尤其生物无机与高分子复合材料的出现和发展，为人工器官和人工修复材料、骨填充材料开发与应用奠定
14、了坚实的基础。金属基生物医用复合材料作为生物医用材料，金属材料占有极其重要的地位，它具有较好的综合力学性能和优良的加工性能，是国内外较早将其作为人体硬组织修复和植入的一类材料，但金属材料与机体的亲和性、生物相容性较差，在体液中存在材料腐蚀等问题。因此，除进一步优化材料的整体性能外，必须通过表面涂层、离子注入等技术进行表面处理。自国外1931年发表生物氧化物涂层的文献以来，涂层的技术和种类已得到不断的丰富和发展，但材料与骨组织之间的结合性能以及涂层与基体之间的界面结合性能仍是目前金属基复合材料的研究重点。近年来，随着涂层技术的不断发展，电化学沉积法、浸渍-热解法、水热处理法不断出现，它已成为金属
15、基生物复合材料研究的一个重要方向，涂层材料的研究已从生物惰性涂层发展到生物活性材料以及非氧化物涂层材料4生物医用材料发展趋势。组织工程材料面临重大突破生物材料在组织工程中占据非常重要的地位，同时组织工程也为生物材料提出问题和指明发展方向。由于传统的人工器官不具备生物功能，只能作为辅助治疗装置使用，研究具有生物功能的组织工程人工器官已在全世界引起广泛重视。构建组织工程人工器官需要三个要素，即种子细胞、支架材料、细胞生长因子。最近，由于干细胞具有分化能力强的特点，将其用作种子细胞进行构建人工器官成为热点。组织工程学已经在人工皮肤、人工软骨、人工神经、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展现出美好的应用前景。生物医用纳米材料初见端倪由于人类基因组计划的完成及基因诊断与治疗不断取得进展，科学家对使用基因疗法治疗肿瘤充满信心。基因治疗是导人正常基因于特定的细胞中，对缺损的或致病的基因进行修复；或者导人能够表达出具有治疗癌症功能的蛋白质基因，或导人能阻止体内致病基因合成蛋白质的基因片断来阻止致病基因发生作用，从而达到治疗的目的。这是治疗学的一个巨大进步。基因疗法的关键是导人基因的载体5，只有借助于载体，正常基因才能进人细胞核内。目前，高分子纳米材料和脂质体是基因治疗的理想载体，它具有承载容量大，安全性高的特点。近来新合成的一种树枝状高
