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1、无机非金属材料无机非金属材料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。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。 无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的
2、(新型的)无机非金属材料两大类。传统的无机非金属材料是工业和基本建设所必需的基础材料。如水泥是一种重要的建筑材料;耐火材料与高温技术,尤其与钢铁工业的发展关系密切;各种规格的平板玻璃、仪器玻璃和普通的光学玻璃以及日用陶瓷、卫生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和电瓷等与人们的生产、生活休戚相关。它们产量大,用途广。其他产品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化铝)、铸石(辉绿岩、玄武岩等)、碳素材料、非金属矿(石棉、云母、大理石等)也都属于传统的无机非金属材料。新型无机非金属材料是20世纪中期以后发展起来的,具有特殊性能和用途的材料。它们是现代新技术、新产业、传统工业技术改造、现代国防和生物医学所不可缺少的物质基
3、础。主要有先进陶瓷、非晶态材料、人工晶体、无机涂层、无机纤维等。将来如果能有幸从事无机非金属材料工作，我会选择研究无机非金属生物材料在这方面。无机生物材料在生物医学上广泛研究应用还是近三十年来的事，特别是发现羟基磷灰石陶瓷后，得到了飞速发展，该类材料具有生物相容性好，甚至有些还有生物活性，抗压强度高等优点。按成分性质分： 生物陶瓷材料，如单晶/多晶氧化铝、羟基磷灰石 生物玻璃，如45S5玻璃生物玻璃陶瓷，医用骨水泥，a-TCP复合无机材料, HA+ b-TCP，碳纤维增强无机骨水泥按来源分：天然钙化物 钙化的贝壳、珍珠合成无机材料 如b-TCP人工骨衍生材料 冻干骨片。生物惰性主要指材料在植入
4、人体后，长时间不发生物理、化学结构变化，同时不引起与之接触的组织的显著变化。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，加氮化硅；碳化物，如低温各向同性碳等。生物活性相对于生物惰性，生物活性材料广义上讲是指在生理环境的长期作用下，有新生组织长成或替代原有材料，而原有材料发生了一定物理、化学变比、甚至降解消失。而狭义上讲生物活性是指材料诱导组织形成的能力。氧化铝陶瓷具有优异的生物相容性，在生理环境下相当稳定，抗腐蚀，无溶出物，具低膨胀性能。氧化铝生物陶瓷密度大于3.9gcm3，室温抗压强度约为4000MPa、抗弯强度大于400MPa、杨氏模量为380GPa、抗冲击强度400
5、0Jm2，耐磨性和耐腐蚀性符合ISO规范实验要求。氧化铝生物陶瓷人工关节比金属-聚乙烯构成的人工关节的耐磨性能好得多，前者的磨损速率是后者的l10，略高于人关节的磨损率。陶瓷的空隙率、孔径大小对材料的力学性能有很大的影响，随着空隙率的增大，材料的密度降低，强度下降。为了保持氧化铝陶瓷的强度，通过在表面进行多孔化处理。氧化铝陶瓷强度高，目前主要用于外科矫形手术的承重假体，如人工髋关节、人工膝关节、人工足关节、肘关节、肩关节以及能负重的骨杆和椎体人工骨，修补移植海绵骨的充填材料、髓内固定材料；某些骨替代物；眼科手术中的角质假休、固定用螺钉等。单晶氧化铝与多晶氧化铝陶瓷相比，机械强度、硬度、耐酸碱性
6、等性能指标占优，且不易折断，因此在需要制品强度高的场合，如用做损伤骨固定的螺钉、关节柄、牙根。除氧化铝，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。氧化锆强度高，切割韧性好，常作为复合材料的增韧相。部分氧化钇稳定的氧化锆比氧化铝有更好的韧性，可替代氧化铝。混合氧化物陶瓷组成可调，色泽、热膨胀系数，可用作人工牙齿。其它氧化物陶瓷一般作为改性剂或涂层材料，单独作为生物材料少见。二氧化锆全瓷冠：是用整体瓷块由计算机辅助，由铣床半机械制造的强度抗脆性可与金属烤瓷媲美的，又对身体无毒无害，不含金属，强度却可和金属烤瓷相当。目前最理想的烤瓷修复，前牙美容修复体。由于氧化锆工艺的改进
7、，基地冠的厚度从原来的1毫米减低为0.8毫米，需磨除牙体面积变小，釉质丢失率最低。适用于任何一种要求烤瓷制作的高端情况。现代医学正向再生和重建被损坏的人体组织和器官,恢复和增进人体生理功能,个性化和微创治疗等方向发展。由于材料科学与技术、细胞生物学和分子生物学的进展,深化了材料及植入体与机体相互作用的认识,加之医学进展和需求的驱动,当代生物医学材料的发展已进入一个崭新的阶段,并处于实现意义重大突破的边沿。预计20年内无机非金属生物材料的市场占有率将赶上药物。因此,加强无机非金属生物材料的临床应用研究和推广应用,重点发展我国无机非金属生物材料的研究、开发、生产、营销紧密结合的一体化体系是当务之急。虽说目前无法开发出具有与人体材料完全类似的替换材料,但随着智能材料、纳米材料的出现,相信在不久的将来,医用生物材料的发展将给材料科学和生命工程学带来一次新的革命。材料工程试验班 冯喆 9901090109
