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生物陶瓷材料与仿生复合材料(紫砂壶)


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           源自百度---

    生物活性陶瓷  

    生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷,又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基,还可做成多孔性,生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系),羟基磷灰和陶瓷,磷酸三钙陶瓷等几种。

生物陶瓷  

    生物硬组织代用材料有体骨、动物骨,后来发展到采用不锈钢和塑料,由于这些生物材料在生物体中使用,不锈钢存在溶析、腐蚀和疲劳问题,塑料存在稳定性差和强度低的问题。目前世界各国相继发展了生物陶瓷材料,它不仅具有不锈钢塑料所具有的特性,而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。因此生物陶瓷具有广阔的发展前景。生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外,主要是用作生物硬组织的代用材料。可用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面。
  生物陶瓷作为硬组织的代用材料来说,主要分为生物惰性和生物活性两大类。
  1、生物惰性陶瓷材料
  生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定,生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定,分子中的键力较强,而且都具有较高的机械强度,耐磨性以及化学稳定性,它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。
  2、生物活性陶瓷材料
  生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷,又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羟基,还可做成多孔性,生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系),羟基磷灰和陶瓷,磷酸三钙陶瓷等几种。
  1、 玻璃生物陶瓷
  玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷。
  1、玻璃陶瓷的生产工艺过程为:
  配料制备→配料熔融→成型→加工→晶化热处理→再加工
  玻璃陶瓷生产过程的关键在晶化热处理阶段:第一阶段为成核阶段,第二阶段为晶核生长阶段,这两个阶段有密切的联系,在A阶段必须充分成核,在B阶段控制晶核的成长。玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决定。第一个因素为晶核形成速度;第二个因素为晶体生长速度;第三个因素为玻璃的粘度。这三个因素都与温度有关。玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小,也不宜过大,有利于对析晶过程进行控制。为了促进成核,一般要加入成核剂。一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子,但价格较贵,另一种是普通的成核剂,有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫化物等。
  2、玻璃陶瓷的结构与性能及临床应用
  玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的,无气孔,不同于玻璃,也不同于陶瓷。其结晶相含量一般为50%-90%,玻璃相含量一般为5%-50%,结晶相细小,一般小于1-2/μm,且分布均匀。因此,玻璃陶瓷一般具有机械强度高,热性能好,耐酸、碱性强等特点。国内外就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系统玻璃陶瓷,Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃陶瓷,SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系统玻璃陶瓷等进行了生物临床应用。发现它们具有良好的生物相溶性,没有异物反应。此外生物硬组织代用材料还有碳质材料,二氧化钛陶瓷,二氧化锆陶瓷材料等多种。
  2、 单晶生物陶瓷
  单晶生物陶瓷是一种新型的生物陶瓷材料,属氧化铝单晶。氧化铝单晶也称宝石,添加剂不同,制得单晶材料颜色不同,如红宝石、蓝宝石等。氧化铝单晶有许多特性,如机械强度、硬度、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷,其生物相溶性、安定性、耐磨性也优于多晶氧化铝陶瓷。
  1、氧化铝单晶的生产工艺
  氧化铝单晶的生产工艺有提拉法、导模法、气相化学沉积生长法、焰熔法等。
  a. 提拉法
  即是把原料装入坩埚内,将坩埚置于单晶炉内,加热使原料完全熔化,把装在籽晶杆上的籽晶浸渍到熔体中与液面接触,精密地控制和调整温度,缓缓地向上提拉籽晶杆,并以一定的速度旋转,使结晶过程在固液界面上连续地进行,直到晶体生长达到预定长度为止。提拉籽晶杆的速度1.0-4mm/min 坩埚的转速为10r/min,籽晶杆的转速为25r/min
  b. 导模法
  简称EFG法。在拟定生长的单晶物质熔体中,放顶面下所拟生长的晶体截面形状相同的空心模子即导模,模子用材料应能使熔体充分润湿,而又不发生反应。由于毛细管的现象,熔体上升,到模子的顶端面形成一层薄的熔体面。将晶种浸渍到基中,便可提拉出截面与模子顶端截面形状相同的晶体。
  c. 气相化学沉积生长法
  将金属的氢氧化物、卤化物或金属有机物蒸发成气相,或用适当的气体做载体,输送到使其凝聚的较低温度带内,通过化学反应,在一定的衬底上沉积形成薄膜晶体。
  d. 焰熔法
  将原料装在料斗内,下降通过倒装的氢氧焰喷嘴,将其熔化后沉积在保温炉内的耐火材料托柱上,形成一层熔化层,边下降托柱边进行结晶。用这种方法晶体生长速度快、工艺较简单,不需要昂贵的铱金坩埚和容器,因此较经济。
  e. 单晶氧化铝临床应用。
  它用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度,不易折断。它还可以作为损伤骨的固定材料,主要用于制作人工骨螺钉,比用金属材料制成的人工骨螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根,由于氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲合性能,结合力强,因此有利于牙龈粘膜与异齿材料的附着。
  3、 羟基磷灰石生物陶瓷
  1、羟基磷灰石陶瓷的制造工艺
  a. 固相反应法
  这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同,根据配方将原料磨细混合,在高温下进行合成:
  1000-1300℃
  6CaHPO4·2H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O
  b.水热反应法
  将CaHPO4与CaCO3按6:4摩尔比进行配料,然后进行24h湿法球磨。将球磨好的浆料倒入容器中,加入足够的蒸馏水,在80-100℃恒温情况下进行搅拌,反应完毕后,放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物,其反应式如下:
  6CaHPO4+4CaCO3═Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O
  c. 沉淀反应法
  此法用Ca(NO3)2与(NH4)2HPO4进行反应,得到白色的羟基磷灰石沉淀。其反应如下:
  10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O
  此外,还有其它方法可制成羟基磷灰石。
  2、羟基磷灰石陶瓷的性能应用
  合成的羟基磷灰石的结构与生物骨组织相似,因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组织相同的性能。如Ca:P≈1.67,密度≈3.14,机械强度大于10MPa,对生物无毒,无刺激,生物相溶性好,不被吸收,能诱发新有的生长。
  目前国内外已将羟基磷灰石用牙槽、骨缺损、脑外科手术的修补、填充等,用于制造耳听骨链和整形整容的材料。此外,它还可以制成人工骨核治疗骨结核。


生物陶瓷材料与仿生复合材料
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食品伙伴网 (2006-08-16) 进入论坛   
 
  仿生材料或生物材料与工业材料的最大区别是在生理环境下使用。移植在生物体内的仿生材料,除了能达到补钙的目的以外,对周围组织和血液不应该有不良的影响,即应具有生物相容性。另外,植入人体的仿生材料,应有足够的力学性能,不能发生脆性破裂、疲劳断裂及腐蚀破坏等,即应具有力学相容性。
  仿生材料的性能

相容性

通常,仿生材料植入人体后,都是在非常严重的腐蚀环境中使用。例如,牙科材料是在与口腔内粘膜、唾液、硬组织牙齿以及大气接触状态下使用。而整形外科材料,则与软硬组织(如筋、骨骼、肌腱)等接触,并处在血液、间质液、淋巴液、关节润滑液等液体浸蚀状态下使用。因此,仿生材料应具备的生物学条件是:一是无毒无过敏反应,具有化学稳定性;二是具有良好的耐腐蚀性;三是没有致癌性和抗原性;四是不会引起血液凝固和溶血;五是不会引起异常的新陈代谢;六是不会在生物体内变质,产生吸附物和沉淀物。

力学性能

仿生材料的最终使用形式是制成人体内可接受的器官或器件。因此仿生材料必须与人体结构(包括器官)的力学性能相容。为此,仿生材料应具备以下力学性能:一是有一定的静载强度(包括抗拉、压缩、弯曲和剪切强度);二是有适当的弹性模量和硬度;三是具有耐疲劳和耐磨性;四是具有良好的润滑性。其中,解决摩擦磨损是人工关节材料的关键。

  生物陶瓷

生物陶瓷的种类很多,从外观和形状上看可以是粉末、涂层和块体。从物相结构看可以是单晶、多晶、玻璃或复合材料,它们在修复人体器官时所发挥的功能也不尽相同。

生物陶瓷类型及物相的选择取决于临床应用对其性质和功能的要求。如粉末状的可用于骨缺损的填充,涂层可改善种植体与组织间的界面物性。蓝宝石单晶因为强度高曾用做牙根种植,而A/W玻璃陶瓷因其可以与骨键合且具有较高的强度,可以用于脊椎骨替换。惰性陶瓷材料主要是氧化铝合生物碳。其中,氧化铝髋关节早在上世纪七十年代就已经用于临床。今年来氧化锆增韧的氧化物陶瓷由于其高强度而逐渐受到重视。

以磷酸盐为基的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域。

紫砂壶--转摘自中青网

    紫砂壶是实用的饮茶器具,也是具有监赏价值的艺术品。它的外在价值是实用的器皿,而其内在的价值则是美的艺术品。紫砂壶艺始於宋朝而成於明代。凡几百年间,紫砂工艺经历无数兴废衰荣,薪尽火传,逐渐形成今日世界性的紫砂文化热潮。紫砂壶的美在於它集壶泥、壶色、壶形、壶款、壶章、题铭、绘画、书法、雕塑、篆刻诸艺术,共融於一体。

 

  紫砂泥是红泥(朱砂泥)、紫泥、团山泥(本山绿泥呈米黄色)的总称。这三种泥由於矿区、矿层分布的不同,烧成时温度稍有交差变化,则色泽变化多端,耐人寻味,妙不可思。紫砂泥色丰富多彩。其中以朱、紫、米黄三色为紫砂器的本色,而朱有浓淡,紫又有深浅,黄则富有变化;如果辨色命名,则有铁青、天青、粟色、猪肝、黯肝、紫铜、海棠红、珠砂紫、水碧、沈香、葵黄、冷金黄、梨皮、香灰、青灰、墨绿、铜绿、鼎黑、棕黑、榴皮、漆黑……诸色。紫砂壶独特的泥料,独特的成型工艺,融和了造型、绘画、诗文、书法、篆刻於一体,这些特点造就紫砂壶成为一种兼具实用和监赏双重价值的饮茶器具-宜兴紫砂器。

  关於紫砂茶具的文献记载始於北宋《宛陵集》,书中载有"小石冷泉留早味,紫泥新品泛春华"的描写。南宋时紫砂陶就在国际上有了声誉。到了元代紫砂陶的烧造工艺有一定的发展,并开始在紫砂壶上镌刻铭文。在明代则有金沙寺僧和供春徒手制作紫砂陶茶具。紫砂茶具,造型简练、大方,色泽淳朴、古雅。用其泡茶,使用的年代越久,壶身色泽就愈加光润古雅,泡出来的茶汤也就越醇郁芳馨,甚至在空壶里注入沸水都会有一股清淡的茶香。

  据科学分析,紫砂壶确实保有茶汤原味的功能,它能吸收茶汁,而且具有耐冷耐热的特性。总括来说,紫砂陶有五大特点:
  第一、紫砂陶是从砂锤链出来的陶,既不夺茶香气又无熟汤气,故用以泡茶色香味皆蕴。
  第二、砂质茶壶能吸收茶汁,使用一段时日能增积"茶锈",所以空壶里注入沸水也有茶香。
  笫三、便於洗涤,日久不用,难免异味,可用开水泡烫两三遍,然後倒去冷水,再泡茶原味不变。
  第四、冷热急变适应性强,寒冬腊月,注入沸水,不因温度急变而胀裂;而且砂质传热缓慢,无论提抚握拿均不烫手。
  笫五、紫砂陶质耐烧,冬天置於温火烧茶,壶也不易爆裂。当年苏东坡用紫砂陶提梁壶烹茶,有"松风竹炉,提壶相呼"的诗句,也决非偶然。这就是古今中外讲究饮茶的人,所以特别喜爱用紫砂壶的原因。

  再论它的实用性,紫砂壶是用於泡茶注茶的。对於紫砂壶的性能"色香味皆蕴"过去早有定论。而且,科学机构也对砂壶的"暑月越宿不馊"一事,砂壶与陶瓷做了详细测试,的确证实了砂壶较陶瓷优越了许多,这一结论是基於紫砂原料的独特性。紫砂壶实用性强,乃在於它具有比较高的气孔率,使其具有透气性好的优点。据《中国陶都史》第394页记载:紫砂泥料"其特点是含铁量比较高…,紫砂器的显微结构中存在大量的团聚状",它的气孔有两种类型,一种是团聚内部的气孔,另一种是包裹在团聚体周围的气孔群,且大部份属於开口型气孔,紫砂器良好的透气性,可能与这种特属的显微结构有关。据宜兴陶瓷公司对各陶土的理化工艺性能测定,发现紫砂泥的气孔率高达10%以上。因而又说明了透气性好当然就是"泡茶色香味皆蕴"和"暑月夜宿不馊"的主要原因了。紫砂泥的可塑性和结合能力好,则是其有利於工艺装饰的原因。再则紫砂泥的焙烧温度范围也宽,为摄氏1190度到1270度,目前烧成温度约控制在摄氏1200度,这是紫砂制品不渗漏,不老化,越使用越显光润的又一原因。以上均说明了,这种粉质细砂岩的紫砂土,是"宜陶宜壶"的最佳泥料,也是陶都宜兴特有的宝藏。


 

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