生物醫(yī)用陶瓷--論文

1、生物醫(yī)用陶瓷的研究發(fā)展摘要:簡(jiǎn)要介紹了生物醫(yī)用陶瓷的優(yōu)良性能，并分別對(duì)惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷的種類(lèi)、性能與應(yīng)用做了深入的分析。概括了當(dāng)今生物醫(yī)用陶瓷材料的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)其前景作了展望。關(guān)鍵詞:物醫(yī)用陶瓷、惰性、活性、研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)the research and development of biomedical ceramicabstract:this paper briefly introduces the excellent properties of biomedical ceramic,and analys the types, properties and applicat

2、ions of bioinert ceramics and bioactive ceramics deeply.it summarizes the development of biomedical ceramic currently,and also describes its prospects.keywords:biomedical ceramic、inertia、activity、research status、developing trend隨著材料科學(xué)的發(fā)展，生物材料由于具有對(duì)機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生的特殊功能，已成為當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)中的重要組成部分。其研究?jī)?nèi)容涉及材料、醫(yī)學(xué)

3、物理、生物化學(xué)和現(xiàn)代高技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域。過(guò)去，應(yīng)用最廣泛的生物醫(yī)學(xué)材料為金屬和有機(jī)材料，其存在著許多缺點(diǎn)。如金屬材料植入人體內(nèi)后，容易發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生對(duì)人體有毒的金屬離子，并且金屬磨屑會(huì)引起周?chē)锝M織發(fā)生變化等問(wèn)題；而有機(jī)材料大多強(qiáng)度較低，難以滿(mǎn)足力學(xué)性能和耐久性的要求1。陶瓷以它優(yōu)異的性能已由單純的器皿發(fā)展為結(jié)構(gòu)材料、功能材料。由日常生活進(jìn)入到各行各業(yè), 直到尖端科技領(lǐng)域，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用, 如人工牙、人工骨、人工關(guān)節(jié)等。這些主要用于人體內(nèi)種植的陶瓷便稱(chēng)為“生物陶瓷”, 生物陶瓷材料作為一種無(wú)機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料，與生物組織具有良好的相容性和優(yōu)異的親和性，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，可

4、滅菌性及無(wú)毒性等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。這是一個(gè)全球性關(guān)注的課題, 具有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。生物醫(yī)用陶瓷材料的研究作為一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，伴隨著材料科學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、納米技術(shù)的突破性進(jìn)展，在近十幾年中得到了迅猛的發(fā)展。特別是隨著組織工程研究和人們對(duì)材料與組織及細(xì)胞相互作用認(rèn)識(shí)的不斷深入，對(duì)生物醫(yī)用陶瓷材料的性能和功能的要求更高、更加多樣化，而材料的設(shè)計(jì)理念和制備技術(shù)的不斷創(chuàng)新使得相關(guān)材料的應(yīng)用范圍或應(yīng)用前景得到進(jìn)一步拓展。從用于制作人工關(guān)節(jié)或口腔種植體的生物惰性陶瓷，到能夠與組織發(fā)生化學(xué)鍵合的生物活性材料，進(jìn)而向具有基因激活、組織誘導(dǎo)功能、承載細(xì)胞的組織工程支架材料，以及具有藥物緩釋與

5、靶向控釋功能的載體材料發(fā)展。納米技術(shù)與仿生技術(shù)的運(yùn)用則使得生物醫(yī)用陶瓷材料的研究深入到分子水平。一、生物醫(yī)用陶瓷的優(yōu)良性能生物陶瓷由于是高溫處理工藝所成的無(wú)機(jī)非金屬材料，因此具有金屬、高分子材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：1、由于它是在高溫下燒結(jié)制成，其結(jié)構(gòu)中包括鍵強(qiáng)很大的離子鍵或共價(jià)鍵, 所以具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、壓縮強(qiáng)度高, 極其穩(wěn)定；在體內(nèi)難于溶解,不易氧化、不易腐蝕變質(zhì), 熱穩(wěn)定性好,便于加熱消毒、耐磨、有一定潤(rùn)滑性能，不易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，而且和人體組織的親和性好, 幾乎看不到與人體組織的排斥作用，因此能滿(mǎn)足種植學(xué)要求。2、陶瓷的組成范圍比較寬。可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求設(shè)計(jì)組成, 控制性能的變化。

6、例如可降解生物陶瓷在體內(nèi)不同部位的使用中, 希望能針對(duì)被置換骨的生長(zhǎng)特點(diǎn)獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則, 當(dāng)降解速度超過(guò)骨生長(zhǎng)速度時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生“死區(qū)”, 影響修復(fù)。如果向此類(lèi)材料中添加適當(dāng)比例的非降解性生物陶瓷, 就能調(diào)整降解速度, 滿(mǎn)足臨床要求。3、陶瓷容易成型?？筛鶕?jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸, 如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型, 也可制成骨螺釘、骨夾板、制成牙根、關(guān)節(jié)、長(zhǎng)骨、顱骨等。采用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨制品。4、后加工方便，通常認(rèn)為陶瓷很難加工, 但隨陶瓷加工設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步, 現(xiàn)在陶瓷的切割、研磨、拋光等已是成熟的工藝。近年來(lái)又發(fā)展了可用普通金屬加工機(jī)床進(jìn)行車(chē)銑

7、、刨、鉆等的可切割性生物陶瓷, 利用玻璃陶瓷結(jié)晶化之前的高溫流動(dòng)性, 可制成精密鑄造的玻璃陶瓷。5、易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真, 利于整容、美容。二、醫(yī)用陶瓷的分類(lèi)生物醫(yī)用陶瓷材料又稱(chēng)生物醫(yī)用無(wú)機(jī)非金屬材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等無(wú)機(jī)非金屬材料。此類(lèi)材料化學(xué)性能穩(wěn)定，具有良好的生物相容性。一般來(lái)說(shuō)，生物陶瓷材料根據(jù)其在生物體內(nèi)的活性可分為惰性生物陶瓷材料和活性生物陶瓷材料。2.1惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相 容性好的陶瓷材料。這類(lèi)陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn) 定，分子中的鍵力較強(qiáng)，而且都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性。主要由氧化陶瓷、非氧化陶瓷以及陶材組成

8、，其中，以al、mg、ti、zr的氧化物應(yīng)用最為廣泛。2.1.1 氧化鋁陶瓷早在1969年，talbert2就將不同孔隙率的顆粒狀al2o3陶瓷作為永久、永久性可移植骨假體，植入成年雜狗的股骨中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多晶氧化鋁陶瓷對(duì)包括生物環(huán)境內(nèi)的任何環(huán)境都呈現(xiàn)惰性及其優(yōu)越的耐磨損性和高的抗壓強(qiáng)度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應(yīng)用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化鋁陶瓷材料已經(jīng)應(yīng)用于人造骨、人工關(guān)節(jié)及人造齒根的制作方面。 氧化鋁陶瓷植入人體后，體內(nèi)軟組織在其表面生成極薄的纖維組織包膜，在體內(nèi)可見(jiàn)纖維細(xì)胞增生，界面無(wú)化學(xué)反應(yīng)，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及股骨和髖骨部連接3。單晶氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能更優(yōu)于多晶氧化

9、鋁，適用于負(fù)重大、耐磨要求高的部位。但是由于al2o3屬脆性材料，沖擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，可能引起骨組織的應(yīng)力，從而引起骨組織的萎縮和關(guān)節(jié)松動(dòng)，在使用過(guò)程中，常出現(xiàn)脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結(jié)合。目前，國(guó)外有關(guān)學(xué)者通過(guò)各種方法，使al2o3陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提高4,如在陶瓷表面涂上骨親和性高的陶瓷，特別是能和骨發(fā)生化學(xué)結(jié)合的磷灰石，已經(jīng)制造出更加先進(jìn)的人工關(guān)節(jié)。通過(guò)相變或微裂等方法，使材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，只要微裂紋的尺寸足夠小，則均勻分布的微裂紋會(huì)起到應(yīng)力分散的作用。也可以提高材料的韌性5。2.1.2 氧化鋯陶瓷部分穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁一樣, 生物相容性良好

10、, 在人體內(nèi)穩(wěn)定性高, 且比氧化鋁斷裂韌性、耐磨性更高, 有利減少植入物尺寸和實(shí)現(xiàn)低摩擦、磨損, 用以制造牙根、骨、股關(guān)節(jié)、復(fù)合陶瓷人工骨、瓣膜等。中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關(guān)節(jié)陶瓷涂層材料, 并獲得了國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)。2.1.3 惰性生物陶瓷的缺陷惰性生物陶瓷在體內(nèi)被纖維組織包裹或與骨組織之間形成纖維組織界面的特性影響了該材料在骨缺損修復(fù)中的應(yīng)用，因?yàn)楣桥c材料之間存在纖維組織界面，阻礙了材料與骨的結(jié)合，也影響材料的骨傳導(dǎo)性，長(zhǎng)期滯留體內(nèi)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)上的缺陷，使骨組織產(chǎn)生力學(xué)上的薄弱。2.2 活性生物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

11、生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基, 還可做成多孔性, 生物組織可長(zhǎng)入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合; 生物吸收性陶瓷的特點(diǎn)是能部分吸收或者全部吸收, 在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長(zhǎng)。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸鈣系）、羥基磷灰石陶瓷, 磷酸三鈣陶瓷等幾種。2.2.1生物玻璃陶瓷這種材料的主要成分是caona2osio2p2o5 ，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷, 與骨自然牢固地發(fā)生化學(xué)結(jié)合。醫(yī)學(xué)家們將這種材料植入人體, 只有一個(gè)月表面就形成sio2膠凝層, 進(jìn)而與骨骼形成化學(xué)鍵。目前此種材料已用于修復(fù)耳小骨, 對(duì)恢復(fù)聽(tīng)力具有良好效果。但由于強(qiáng)度低, 只能用于人體受力不大的部位。2.2.2羥基

12、磷灰石陶瓷 羥基磷灰石陶瓷，簡(jiǎn)稱(chēng)hap，化學(xué)式為ca10(po4)6(oh)2，屬表面活性材料，由于生物體硬組織(牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱(chēng)之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無(wú)毒、無(wú)排斥反應(yīng)、不致癌、可降解、可與骨直接結(jié)合等特點(diǎn)，是一種臨床應(yīng)用價(jià)值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關(guān)注。 其制備一般可從分解動(dòng)物的骨組織和人工合成獲得, 后者又分濕法和固相反應(yīng)。但固相反應(yīng)和灼燒哺乳動(dòng)物骨骼在高溫中一部分羥基會(huì)丟失, 且難以消除雜相, 故少用。反應(yīng)共沉淀是將鈣質(zhì)原料和磷酸鹽或磷酸, 分別配制成合適濃度的液體, 按ca /p 原子比1. 67，ph 7,

13、控制適當(dāng)溫度進(jìn)行反應(yīng)合成, 沉淀物經(jīng)脫水干燥、高溫煅燒得淺綠色合成晶體的團(tuán)聚體, 純度達(dá)99. 5%以上, 其化學(xué)組成主要為cao、p2o5。單一的hap 的成形和燒結(jié)性能較差, 易變形和開(kāi)裂。加入zro2+ 、y2o3 、zno 和含鎂鹽的cpm復(fù)合試劑等, 可使具有良好生物相容性和足夠機(jī)械強(qiáng)度, 且無(wú)毒。連續(xù)熱等靜壓燒結(jié)是制備理論密度的高致密hap的有效方法。這種材料主要用作生物硬組織的修復(fù)和替換材料, 如口腔種植、牙槽脊增高、牙周袋填補(bǔ)、額面骨缺損修復(fù)、耳小骨替換等。由于機(jī)械強(qiáng)度不夠高, 只限用于以上不承受大載荷部位6。 為提高羥基磷灰石的力學(xué)性能，人們開(kāi)展了致密hap陶瓷的研究。研究得

14、到的致密hap機(jī)械性能得到了一定的提高，但表面顯氣孔率較小，植入人體內(nèi)后，只能在表面形成骨質(zhì)，缺乏誘導(dǎo)骨形成的能 力，僅可作為骨形成的支架7。因此，近年來(lái)，人們又將研究重點(diǎn)放在了多孔羥基磷灰石陶瓷方面。研究發(fā)現(xiàn)，多孔鈣磷種植體模仿了骨基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，具有骨誘導(dǎo)性，它能為新生骨組織的長(zhǎng)入提供支架和通道，因此植入體內(nèi)后其組織響應(yīng)較致密陶瓷有很大改善。但羥基磷灰石的主要缺點(diǎn)在于本身的力學(xué)性能 較差、強(qiáng)度低、脆性大，這一缺點(diǎn)影響了它在醫(yī)學(xué)臨床的廣泛應(yīng)用，同時(shí)也促使人們研究 hap系列的各種復(fù)合材料，以期獲得力學(xué)性能優(yōu)良、生物活性好的生物醫(yī)學(xué)復(fù)合材料。2.2.3磷酸三鈣磷酸鈣品類(lèi)繁多, 但生物學(xué)感興趣的有六

15、種, 作為人工骨生物磷酸鈣陶瓷研究較多的是磷酸三鈣和羥基磷酸鈣。磷酸三鈣的化學(xué)組成與羥基磷灰石類(lèi)似, 只是鈣磷比較羥基磷灰石低, 約為1. 5;在體內(nèi)能降解, 其產(chǎn)物可隨體內(nèi)新陳代謝而被吸收或排出體外。缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度偏低, 經(jīng)不起力的沖擊。目前, 磷酸三鈣主要制成多孔陶瓷作為骨骼填充劑, 或作顱骨置換等。但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn), 磷酸三鈣被植入后, 溶解產(chǎn)物是“粒子”而不是“離子”,那些未被肌體吸收的粒子在基體體內(nèi)聚集可能會(huì)引起淋巴結(jié)增生, 對(duì)人體不利。與其他陶瓷相比, 磷酸鈣陶瓷更類(lèi)似于人骨和天然牙的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi), 羥基磷灰石的溶解是無(wú)害的, 并且依靠從體液中補(bǔ)充ca 和po4離子等形

16、成新骨, 可在骨骼接合界面產(chǎn)生分解、吸收和析出等反應(yīng), 實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。因此, 各國(guó)都在積極研制,對(duì)其在生物體方面的應(yīng)用寄予很大希望8。羥基磷灰石可用氯化鈣和磷酸通過(guò)水溶液濕法反應(yīng)、水蒸氣中高溫固相反應(yīng)或者高溫高壓水蒸氣下反應(yīng)等方法合成。目前, 已制成氣孔率分別為50%和90%的多孔體, 氣孔率在 0. 1%以下的致密燒結(jié)體以及供固化用的粉料。用于人造骨、人造關(guān)節(jié)、人造鼻軟骨、穿皮接頭、人造血管和人造氣管等。三、生物醫(yī)用陶瓷需解決的問(wèn)題及發(fā)展前景3.1 生物醫(yī)用陶瓷需解決的問(wèn)題 隨著社會(huì)的進(jìn)步, 人類(lèi)已不再滿(mǎn)足簡(jiǎn)單模仿人體器官的形狀, 而是追求功能盡善盡美的新型材料。通過(guò)多年的研究摸索, 我們?nèi)?/p>

17、有以下問(wèn)題需要解決：（1）提高現(xiàn)有生物陶瓷的可靠性, 提高其強(qiáng)度, 降低楊氏模量, 改善韌性。（2）深入研究種植體與骨界面的作用過(guò)程以及種植體與骨和軟組織結(jié)合的機(jī)理, 這對(duì)了解腐蝕、疲勞過(guò)程, 摸索預(yù)防和控制的途徑有重要意義。開(kāi)展人工骨應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究, 建立和完善材料綜合評(píng)判系統(tǒng), 以尋求在實(shí)驗(yàn)室條件下預(yù)測(cè)種植體變化和壽命的方法, 為建立生物醫(yī)學(xué)材料標(biāo)準(zhǔn)提供依據(jù)9。（3）提高非活性材料與生物的親和作用及活性材料的強(qiáng)度。（4）目前除了噴涂hap的鈦合金外, 其余hap基生物材料還不能用于承載骨的置換, 這對(duì)于材料科學(xué)是一個(gè)挑戰(zhàn)103.2 生物醫(yī)用陶瓷的發(fā)展前景 綜上，我們可以看出，生物陶瓷材料

18、已得到了各國(guó)的高度重視并取得了巨大的發(fā)展，但是在韌性以及生物的相容性上仍存在不足，今后，生物陶瓷材料發(fā)展方向主要有：（1）通過(guò)研究與人體組織結(jié)構(gòu)具有相同有機(jī)和無(wú)機(jī)成分的復(fù)合材料，提高現(xiàn)有生物陶瓷的可靠性、強(qiáng)度，改善韌性，使之與人體內(nèi)部組織具有相似的力學(xué)性能。（2）開(kāi)展人工骨應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，深入探索種植與骨界面的作用過(guò)程以及種植與骨和軟組織結(jié)合的機(jī)理，開(kāi)發(fā)與人體組織力學(xué)相適應(yīng)性好，又具有促進(jìn)組織生長(zhǎng)的生物陶瓷材料11。（3）由于生物材料大多直接植入人體，這就要求其在人體內(nèi)可以降解，不排異，研究在人體內(nèi)可生物半降解的無(wú)機(jī)生物材料，同時(shí)，可根據(jù)人體在恢復(fù)過(guò)程中所需物質(zhì)，研究含人體生理活性物質(zhì)和有效微成分的無(wú)機(jī)生物材料12。（4）在移植陶瓷應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大基礎(chǔ)上，人造血管和人造氣管等軟組織材料的應(yīng)用將是今后的重點(diǎn)研究課題13。參考文獻(xiàn)1王宙,李智,蔡軍.生物陶瓷材料的發(fā)展與現(xiàn)狀.大連大學(xué)