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
2、 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 (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
3、 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
4、 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 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
5、 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 ， -TCP 复 合 无 机材 料 , HA+ -TCP， 碳 纤 维 增
6、 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 -TCP 人 工 骨 衍生 材 料 冻 干 骨 片 。生 物 惰 性 主 要 指 材 料 在 植 入 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
7、 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 3.9g cm3， 室
8、 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4000J m2， 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 l 10， 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 ，
9、 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
10、 晶 氧 化 铝 与 多 晶 氧 化 铝 陶 瓷 相 比 ，机 械 强 度 、 硬 度 、 耐 酸 碱 性 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
11、 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
12、 修 复 ， 前 牙 美 容 修 复 体 。 由 于 氧 化 锆 工 艺 的 改 进 ，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
