骨科疾病是與日常生活息息相關(guān)的重大問題，隨著技術(shù)手段的提升，人類攻克相關(guān)疾病也越來越得心應(yīng)手，選用合適的材料進(jìn)行修復(fù)或替代是常用的治療手段。目前治療骨缺損所用的材料來源有自體移植、異體移植和人工合成生物材料3大類。

自體移植成分符合最佳，且不會(huì)導(dǎo)致免疫排斥反應(yīng)，但自體移植存在手術(shù)費(fèi)用昂貴，缺少足夠供體供應(yīng)和會(huì)導(dǎo)致供體部位損傷、疾病等問題；異體移植是 從活體人類供體、尸體或異種移植物（動(dòng)物來源）中獲取骨骼，相對(duì)供體充足，但同時(shí)也帶來了不同的重塑動(dòng)力學(xué)、免疫原性反應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)和病毒病理學(xué)傳播等問題；相對(duì)于前兩者的材料來源局限性，人工合成生物材料具有材料來源廣泛、生物相容性好、對(duì)機(jī)體無(wú)毒副作用、無(wú)免疫排斥反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此使用人工合成的生物材料作為長(zhǎng)期骨替代材料成為一種有廣闊前景的治療手段。

人工骨材料

骨替代材料的生物和物化性能

理想的骨替代材料通常需要符合以下性質(zhì)：

（1）良好的生物性能，主要包括生物相容性、骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性、骨整合性，有利于與天然骨整合，刺激新骨生成；

（2）合適的物理和化學(xué)性能，主要為具有與骨骼相近的彈性模量、優(yōu)異的硬度、足夠的抗壓強(qiáng)度、良好的斷裂韌性，能夠減少骨磨損，避免新骨形成前的骨缺損區(qū)塌陷和脆性斷裂，同時(shí)還需可抵抗人體環(huán)境的腐蝕和溶解；

（3）同時(shí)滿足生物、物化方面眾多性能需求，而實(shí)際使用中人工骨替代材料往往難以同時(shí)滿足，這可能會(huì)導(dǎo)致某些種植體在使用初期由于磨損、感染、彈性模量不匹配、強(qiáng)度低等原因而失效，需要二次手術(shù)，增加了手術(shù)成本和患者的痛苦。

理想骨替代材料所需的性能

幾種典型的骨替代生物陶瓷材料

高分子材料、金屬材料、生物陶瓷及復(fù)合材料均是研究和制備人工骨替代材料的候選者，其中，生物陶瓷材料由于密度和成分與人骨相似、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械 強(qiáng)度高、耐腐蝕、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用廣泛，除了性能優(yōu)異外，生物陶瓷還可通過與陶瓷或與其他種類的材料復(fù)合以改善其綜合性能，因而非常具有研究潛力。

6種典型骨替代材料的性能對(duì)比

一、磷酸鹽生物陶瓷材料

天然骨主要是由I型膠原蛋白有機(jī)相和羥基磷灰石晶體無(wú)機(jī)相以特定的結(jié)構(gòu)排列而成，骨基質(zhì)中的羥基磷灰石晶體與膠原蛋白相結(jié)合而被保護(hù)，在人體不會(huì)被降解。而人工合成的磷酸鹽材料由于缺少I型膠原蛋白的保護(hù)，在人體環(huán)境中被降解成Ca²⁺、PO₄^5-或類骨磷灰石微晶，這些釋放物可促使骨細(xì)胞分化、增殖而形成新的骨骼。

因此，磷酸鹽生物陶瓷具有良好的生物相容性、骨傳導(dǎo)性、生物活性，使其被廣泛應(yīng)用于牙科植入物、骨填充、骨移植、脊柱融合和藥物釋放系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前，用于骨修復(fù)和骨替代的磷酸鹽生物陶瓷的鈣磷摩爾比在1.5 ~ 1.67，主要包括羥基磷灰石(HAp)、磷酸三鈣(TCP)、雙相磷酸鈣(BCP)、磷酸八鈣(OCP)、焦磷酸鈣(CPP)、磷酸氫鈣(DCP)、磷酸鎂等。

β磷酸三鈣陶瓷

羥基磷灰石(HAp)的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)與天然骨中無(wú)機(jī)相一致，是研究最廣泛的磷酸鈣陶瓷之一。但其斷裂韌性差、脆性大，通過對(duì)HAp的離子取代或與其他材料復(fù)合是改善力學(xué)性能、提高生物相容性、骨誘導(dǎo)性，賦予特殊性能的解決方案。其中，通過將HAp與β-TCP（磷酸三鈣）生物陶瓷復(fù)合制備雙相磷酸鈣(BCP)是研究的熱點(diǎn)之一。

二、硅酸鹽生物陶瓷材料

磷酸鹽材料通常不具有骨誘導(dǎo)性，而硅酸鹽材料中Si⁴⁺可促進(jìn)骨形成、參與骨基質(zhì)的早期礦化，并在促進(jìn)骨形成的代謝中發(fā)揮重要作用，同時(shí)可能影響蛋白質(zhì)分泌、細(xì)胞存活、凋亡，對(duì)成骨細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)有刺激作用。鑒于這些特點(diǎn)，硅酸鹽生物陶瓷已被廣泛用于誘導(dǎo)骨再生的骨修復(fù)材料，通常用于制備骨組織工程支架材料。

硅酸鈣支架與細(xì)胞之間的作用過程

常用的硅酸鹽生物陶瓷有硅酸鈣(CaSiO₃)、透輝石(CaMgSi₂O₆)、鎂黃長(zhǎng)石 (Ca₂MgSi₂O₇)、閃鋅礦(Ca₇MgSi₄O₁₆)、硬石膏(Ca₂ZnSi₂O₇)、鎂橄欖石(Mg₂SiO₄)等。

硅酸鹽陶瓷主要應(yīng)用于非承重部位：CaMgSi₂O₆用于眼眶重建植入物；Ca₂MgSi₂O₇和Ca₇MgSi₄O₁₆主要應(yīng)用于骨組織工程的支架材料；Ca₂ZnSi₂O₇與HAp和CaSiO₃相比，具有更好的生物相容性、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，是骨再生支架、生物活性涂層的合適候選材料；Mg₂SiO₄與其他硅酸鹽生物陶瓷相比降解率較低，力學(xué)性能優(yōu)于HAp和CaSiO₃，良好的生物活性、生物相容性和力學(xué)性能使其可成為修復(fù)骨缺損的理想材料，未來有望成為骨替代領(lǐng)域的承載材料。

三、氧化物生物陶瓷材料

氧化物生物陶瓷（如氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷）的優(yōu)勢(shì)在于機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性好、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，臨床上通常用于承重人工骨，如髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和牙齒等部位。但由于氧化物生物陶瓷穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致其難以與宿主骨形成化學(xué)鍵合，生物活性差，限制了其在骨替代領(lǐng)域中的應(yīng)用。

氧化鋯陶瓷作為骨替代材料的應(yīng)用

氧化鋁陶瓷具有高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐腐蝕性和耐磨性，但Al₂O₃和組織之間缺乏化學(xué)鍵合，存在生物活性差和斷裂韌性差的問題。可通過形成高度多孔結(jié)構(gòu)改善氧化鋁陶瓷的生物相容性和生物活性，或通過納米尺度的第二陶瓷相的分散來增強(qiáng)斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度。

四方氧化鋯陶瓷(TZP)具有優(yōu)異的生物相容性、美學(xué)性能、高斷裂韌性、高彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，但耐磨性差和老化現(xiàn)象會(huì)損害其應(yīng)用的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。可通過減少 晶粒尺寸、降低孔隙率、減少團(tuán)聚體來提高材料的耐磨性和抗老化性。同時(shí)，氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)也具有優(yōu)異的抗老化性能和綜合機(jī)械性能，在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中已被用作單斜氧化鋯陶瓷的替代品。

四、非氧化物生物陶瓷材料

1.β-Si₃N₄生物陶瓷材料

氮化硅曾被劃分為生物惰性陶瓷一類，而目前研究表明β-Si₃N₄具有活性表面化學(xué)成分，可以保護(hù)、刺激并最終促進(jìn)組織愈合。與氧化物陶瓷不同，β-Si₃N₄的表面 化學(xué)和表面形貌可以通過工程設(shè)計(jì)來滿足體內(nèi)的潛在需求。當(dāng)浸入水環(huán)境中時(shí)，硅和氮從其表面緩慢洗脫，在人體內(nèi)弱堿條件下以NH⁴⁺的形式存在，能夠促進(jìn)骨組織愈合、改善細(xì)胞代謝和增強(qiáng)骨形成，不僅可以產(chǎn)生纖維互鎖的完全致密的結(jié)構(gòu)，滿足全關(guān)節(jié)置換術(shù)中所要求的耐磨性、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性等性能，還可以制成多孔植入物，應(yīng)用于骨支架、脊柱融合和頜面部重建。

氮化硅陶瓷

2.β-SiAlON生物陶瓷材料

β-SiAlON是由部分Al-O鍵取代了Si-N鍵而得到的β-Si₃N₄的固溶體，這種局部化學(xué)鍵的取代使得二者晶體結(jié)構(gòu)相似、力學(xué)性能相近，但也使得β-SiAlON的無(wú)序度增加，在燒結(jié)過程中易產(chǎn)生大量瞬時(shí)液相，大幅改善燒結(jié)性能，解決了β-Si₃N₄不易燒結(jié)的問題。

β-SiAlON在人體環(huán)境中不存在毒性，并具有骨誘導(dǎo)性能，此外，β-SiAlON可通過與其他材料復(fù)合，不僅能克服β-SiAlON的制備困難問題，還能進(jìn)一步提高β-SiAlON的力學(xué)性能，改善其生物性能，使得β-SiAlON在生物陶瓷領(lǐng)域中有望成為β-Si₃N₄的替代物，成為最具潛力的骨替代生物陶瓷材料之一。

3.SiC生物陶瓷材料

碳化硅具有優(yōu)異的力學(xué)性能，耐磨性好，具有一定的生物相容性。將SiC制備成多孔生物陶瓷支架，與β-Si₃N₄復(fù)合可應(yīng)用于骨科和牙科植入物領(lǐng)域。但由于SiC 生物陶瓷本身具有生物惰性，其表面還未發(fā)現(xiàn)更有利于骨替代的特殊表面化學(xué)性 質(zhì)，所以目前對(duì)于SiC生物陶瓷做骨替代材料的研究較少。

總結(jié)

盡管可用于骨替代的材料種類繁多，但根據(jù)骨科疾病發(fā)生部位的特殊性，應(yīng)選用不同的骨替代材料，發(fā)揮材料的自身優(yōu)勢(shì)。由于理想骨替代材料需要優(yōu)異的物理、化學(xué)和生物性能，單一的材料往往難以同時(shí)滿足這些性能的需求，所以近些年關(guān)于骨替代復(fù)合材料的研究也比較熱門，主要集中在金屬與生物陶瓷的復(fù)合、不同生物陶瓷之間的復(fù)合、高分子材料與生物陶瓷的復(fù)合三個(gè)方向，生物陶瓷的多功能化以及更好地進(jìn)行人體骨免疫調(diào)節(jié)等領(lǐng)域依舊具有很大的研究空間。

參考來源：

1. 骨替代生物陶瓷材料的研究現(xiàn)狀，高金星、李麗亞、穆菁華、徐恩霞、劉新紅、馬成良、張燦、張麗果（鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)）；

2. 骨替代材料的研究方法及進(jìn)展，倪卓、楊莎、王應(yīng)、劉士德（深圳大學(xué)學(xué)報(bào)）。

粉體圈小吉

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