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1、生物兼容性涂 层 http:/ ng 生医材生医材 (biomaterials) 生医材料在广义而言泛指一般与医疗相关的材料，如检查与诊 断的器械、手术器械、与人体器官的替代品。 Clemson Advisory Board for Biomaterials “Definition of the word biomaterial, The 6th Annal Intermalionel Biomaterial Symposium, April 20-24, 1974. 血糖计 -爱奥乐医疗器材有限公司 人工牙根 -光宏科技股份有限公司 人工髋关节 -联合骨材 血糖血糖 计计 人工髋关节人工髋关
2、节 人工牙根人工牙根 http:/ ng 生物兼容性生物兼容性 (biocompatible) 生物兼容性在许多文献中并没有很明确的定义，在1987 ， Williams 曾解释过 (Biocompatibility is the ability of a biomaterials to perform with an appropriate host response in a specific application) 一般泛指，当生医材料植入生物体中，不会产生毒性反应与严 重的发炎，且能使周围组织正常生长，被植入的生物体也能存 活，此材料就具有一定程度的生物兼容性。 苏建荣 针对不同表面
3、处理之钛合金骨螺丝作生物亲和性的 评估 成功大学医学工程所,2002.6 氧化钛 氧化镍 Al2O3 陶瓷 Carbon Biological quality Mechanical quality Bioadhesive Adhesion osteogenesis Bioinert Contact osteogenesis PMMA Implant-grade steel Biotolerant Distance osteogenesis 玻璃陶瓷 HA 陶瓷 TCP 陶瓷 Bioactive Exchange osteogenesis 生物兼容性与生医材料性质比较生物兼容性与生医材料性质比较
4、 http:/ ng 想的生医植体必备条件想的生医植体必备条件 生物学生物学力学力学其他条件其他条件 好的耐蚀性且 含毒性 特殊的润性及耐 磨性 足够的强及耐疲 和组织有良好的兼 容性 弹性系尽可能与 骨骼接近 制造加工及价格等 不会导致血液异常 凝固与致癌 不引起不正常的代 谢 K.H. Rateitschak and H.F. Wolf, Color Atlas of Dental Medicine. Thieme Medical Publishers. 1995:11-24. M.S. Block, J.N. Kent, and L.S. Guerra, Implants in 80 d
5、entistry.1997: 45-62. J.B. Park, Biomaterials, An Introduction. Plenum Press, New York.: 1979:4-5. http:/ ng 生医材之分生医材之分 材料材料机械性质机械性质代表性材料代表性材料 金属材料高强度、韧性316L不锈钢、钛及 钛合金等 陶瓷材料高强度、低破坏韧性氧化铝、 HA、生 医玻璃 高分子材 料 低强度、磨耗性较差PMMA 复合材料磨耗性佳、低弹性模 数 金属披覆 HA http:/ ng 钛金属其优点与应用钛金属其优点与应用 u质轻与高强度 u弹性极佳 u低温韧性高 u低热传导，升温快
6、 u人体亲和性 u抗过敏性 u绝佳的抗腐蚀特性 運動器材 儲氫 生醫器材 石化工業造船工業 航太工業 國防工業 汽車工業 建築 鈦金屬鈦金屬 http:/ ng 钛金属表面处理方法钛金属表面处理方法 鈦金屬 表面處理方法 機械方法 化學方法物理方法 切 削 磨 削 拋 光 噴 砂 激 光 蝕 刻 陽 極 氧 化 溶 膠 | 凝 膠 化 學 處 理 化 學 氣 相 沉 積 生 物 化 學 改 質 離 子 注 入 與 沉 積 物 理 氣 相 沉 積 熱 噴 塗 http:/ ng 钛金属的阳极处理钛金属的阳极处理 钛的化学活性强，置于大气下易与氧结合形成层氧化钛薄膜 ，其薄膜具有良好的机械性质，并
7、可以防止钛继续被氧化，但 因自然生成之氧化钛层结构松散且不均匀，故以人工方式在钛 表面生成致密且均匀的氧化钛层做进一步之应用，使其表面产 生适当氧化钛层并加以染色，以增加其美观、耐蚀、机械强度 等，其处理方法通称之为阳极处理(Anodizing)。 柯贤文 ,“腐蚀及其防制 ”(全华科技图书股份有限公司,1995) 展新兴业股份有限公司 http:/ ng 在钛氧化钛的界面反应为 ：TiTi2+2e- 在氧化钛 -电解液的界面反应为 ：2H2O2O2-+4H+ 2H2OO2+4H+4e- 氧化反应中，氧化层不断增厚，其二氧化钛电阻较大，因此所 需之电压降也较大，当电压足够大时氧化层就可以不断生
8、长。 在阳极氧化过程中，电压超过氧化层的耐电压，会有大量气体 出现，甚至出现火花，被称为微弧氧化(MAO)，表面会形成多 孔的二氧化钛 (anatase 和Rutilus )。 在文献中指出经微弧氧化后的多孔性氧化层可诱导磷灰石的附 着。 Bangcheng Yanga, Masaiki Uchidab, Hyun-Min Kimc,*.etl, Preparation of bioactive titanium metal via anodic oxidation treatment Biomaterials 25 (2004) 10031010 http:/ ng 钛金属阳极处理优势钛金属
9、阳极处理优势 增加植体和骨组织的接触面积与骨细胞或骨组织机械性的嵌合 作用。 和基质成分交互作用后影响成骨细胞的附着及攀爬。 促进细胞的附着分子(attachment molecules)。 增加血液凝块 (blood clots)固持 (retention)在植体表面的能。 可促进成骨细胞活性(activity)的增加。 粗糙表面会影响细胞附着及其构形，进而影响细胞为的表 现。 Branemark R, Thesis, Goteborg Sweden: Goteborg University, 1996 Pillar RM, Proceedings of an International C
10、ongress, Brussels. May. Excerpta Medica. Amsterdam., 60, 1985 Pillar RM, Deporter DA, Watson PA and Valiquettl N, J of Biomedical materials Research., 25: 467., 1991 Wennerberg A, Alberktsson T and Andersson B, Int. J Oral Maxillofac Implants., 11: 38., 1996 http:/ ng 实验流程图实验流程图 Ti 研磨及抛光研磨及抛光 阳极处理阳极
11、处理 分析分析 表面形貌表面形貌晶格型态晶格型态生物兼容性测试生物兼容性测试 电解液：硫酸，磷酸电解液：硫酸，磷酸 处里时间：处里时间： 120s SEMXRDSBF测试测试 http:/ ng 400nm400nm400nm 电解液为硫酸在不同阳极处理电压下产生明显的孔洞，随着电压的上 升，其孔洞尺寸也略微上升。 低电压低电压 高电压高电压 http:/ ng 评估生物兼容性的方法评估生物兼容性的方法 评估生医材之生物兼容性的方法有很多种，一般主要分为 体 外(in vitro)和体内 (in vivo)方面。 体外体外 (in vitro) ：在试管及培养皿中进，用组织或器官的培 养，测试
12、材的毒性与对于细胞所产生的免疫现象的种种影 响。 体内体内 (in vivo) ：将材直接植入动物体内，可以经由组织片处 观察局部或整个系统的反应。 D.F. Williams and R. Roaf, Implants in Surgery. W.B. Saunders Company, London. 1973:149-64 苏建荣 ,针对不同表面处理之钛合金骨螺丝作生物亲和性的评估 国立成功大 学 医学工程所 , 2002,6 体外试验体外试验体内试验体内试验 快速获 得结果 对毒性材料敏感 可做毒素定量分析 可直接纪录活细胞的反应 无法长期评估 实验重复性差 实验变数多 用于复杂的组织
13、反应 http:/ ng 体外试验体外试验 本实验着重于体外试验，将处理完的钛金属试片置放于模拟体 液中数天，观察磷灰石于试片的附着情形。 在体外试验中首重于仿真体液的配置，仿真体液主要为模拟人 体中的环境与人体中细胞的附着情形如： Ringer 溶液、 Hank 溶液、 Fusayama 溶液、 Jenkins 溶液 体液离子浓度 /(mmol/L) Na+ K+Mg2+Ca2+Cl-HCO3-HPO24-HO24 - 人体血浆 原始的 SBF 改进的 SBF(cSBF) 再改进的 SBF(rSBF) 最新改进的 SBF(nSBF) 142.0 142.0 142.0 142.0 142.0
14、 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 2.5 2.5 2.5 2.5 2.5 103.0 148.8 147.8 103.0 103.0 27.0 4.2 4.2 27.0 4.2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 0 0.5 0.5 0.5 各种模拟体液和血浆的离子组 成 王晓东 ,彭晓峰 ,陆建锋 ,王讣宣 . 应用基础与工程学报, 2003,11 (2): 174 Kokubo T, Takadama H. Biomaterials. 2006, 27: 2907 http:/ ng 体外试验之模拟体液浸泡体外试验之模拟体液浸泡
15、用来配制仿真体液的有以下化学试 剂 氯化钠 (NaCl) 碳酸氢钠 (NaHCO) 氯化钾 (KCl) 三水合磷酸氢二钾 (KHPO4 3HO) 六水合氯化镁 (MgCl26HO) 氯化钙 (CaCl) 硫酸钠 (NaSO) 三羟基氨基甲烷 (HOCH)CNH 1mol/L的盐酸 (1mol/L HCl) pH标准溶液 (用以标定溶液的 pH 值) 次次 号号 试剂试剂添加量添加量纯度纯度 /% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 NaCl NaHCO KCl KHPO43HO MgCl26HO 1mol/L HCl CaCl NaSO Tris 1mol/L HCl 8.035g 0.
16、355g 0.255g 0.231g 0.311g 39mL 0.292g 0.072g 6.118g 05mL 99.5 99.5 99.5 99.0 98.0 - 95.0 99.0 99.0 - Kokubo T, Takadama H. Biomaterials. 2006, 27: 2907 模拟体液浸泡试验模拟体液浸泡试验 并将瓶置于恒温培养箱,温度保持在 36.5 模拟体液的体积通常是样品暴露体称的10倍 对表面形成的磷灰石可采用扫描电镜(SEM)、薄膜 X光绕射仪 (TF-XRD)和 红外 光谱(FT-IR)进行分析 http:/ ng 未来展望未来展望 在阳极处理方面，可在电解液中添加一些增加生物活性的材料 ，可改善骨整合的时间。 体外试验只是初步测试，后续可尝试体内试验能有更完整的结 果。 阳极处理后所生成的多孔性氧化层，除了生医材料方面，可更 进一步应用在其他领域，这也是未来可以探讨的地方。 http:/ ng