21世紀(jì)以來，新材料逐漸在我們的日常生活中占據(jù)了一席之地，而生物陶瓷作為一種為人們的生活乃至身體健康等各方面都帶來了不可忽視的便利的新材料，近年來越發(fā)受到醫(yī)療器械和生物醫(yī)用材料界的重視。

圖1 人體骨骼圖

生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體直接相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。因其具有良好的生物相容性和穩(wěn)定的物化性質(zhì)等特點，被廣泛應(yīng)用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼外科等方面。

圖2 生物陶瓷應(yīng)用

一、生物陶瓷材料的發(fā)展

圖3 生物陶瓷材料發(fā)展圖

二、生物陶瓷分類

根據(jù)用途不同生物陶瓷可以分為種植類生物陶瓷和生物工程類生物陶瓷；根據(jù)生物陶瓷在生物體內(nèi)的活性可分為活性生物陶瓷和惰性生物陶瓷材料。本文從后者對生物陶瓷進(jìn)行分類：

1、生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷的化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好，如氧化鋁、氧化鋯等，其物理機(jī)械性能及功能特性與人體組織相匹配，主要特點是力學(xué)強(qiáng)度高，耐磨性強(qiáng)。

1．1 氧化鋯( ZrO₂)

氧化鋯陶瓷是迄今為止強(qiáng)度最高的牙科修復(fù)材料，也廣泛用于骨科的人工髖關(guān)節(jié)。將氧化鋯材料和成骨細(xì)胞在體外共同培養(yǎng)，證實其具有良好的生物相容性。在骨科，氧化鋯陶瓷主要用于人工髖關(guān)節(jié)。但是氧化鋯陶瓷的黏結(jié)強(qiáng)度不足，影響?zhàn)そY(jié)穩(wěn)定性。目前較多應(yīng)用酸蝕、噴砂等陶瓷表面處理手段來改進(jìn)陶瓷的黏結(jié)性能；其次氧化鋯陶瓷材料的脆性影響其使用，人們通常采用增韌的方法來改善。

圖4 氧化鋯義齒制作流程

1．2 氧化鋁( Al₂O₃)

20世紀(jì)70年代氧化鋁陶瓷開始應(yīng)用于人工全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）。氧化鋁陶瓷在體外對人成纖維細(xì)胞只有微弱毒性，長時間存在于體內(nèi)環(huán)境，力學(xué)特性也無明顯改變，硬度超過2000HV。隨著熱等靜壓成形術(shù)和激光蝕刻技術(shù)的應(yīng)用，使三代氧化鋁陶瓷晶粒更小，純度及密度更高，強(qiáng)度和硬度得到顯著增加，碎裂率顯著降低。氧化鋁陶瓷超強(qiáng)的硬度，良好抗磨損能力，使之成為骨科THA 中主要的生物材料。

圖5 氧化鋁陶瓷關(guān)節(jié)

1．3 碳化硅陶瓷（SiC）

碳化硅呈六方晶或菱面體，硬度僅次于金剛石，機(jī)械強(qiáng)度高，純碳化硅呈無色透明狀。近年來人們嘗試將碳化硅陶瓷應(yīng)用于口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為種植體材料的碳化硅陶瓷越來越受到科研與臨床的青睞，在生物相容性、毒性等方面做了探索性工作。碳化硅陶瓷表面制備了生物玻璃涂層，涂層進(jìn)一步增強(qiáng)了碳化硅陶瓷的生物活性。

1.4 硅藻土可切削陶瓷

硅藻土可切削陶瓷的臨床使用克服了臨床上全瓷材料價格高昂及制備加工要求條件苛刻的不利因素。研究表明新型硅藻土可切削陶瓷無明顯細(xì)胞毒性，符合臨床應(yīng)用要求。

2、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羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點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。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。

2.1 羥基磷灰石陶瓷（HAP）

羥基磷灰石，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之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應(yīng)、不致癌、可降解、可與骨直接結(jié)合等特點，是一種臨床應(yīng)用價值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關(guān)注。

為提高羥基磷灰石的力學(xué)性能，制得的致密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。因此，人們又將研究重點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。

圖6 羥基磷灰石制備的隆鼻假骨

2.2 磷酸三鈣（TCP）

磷酸三鈣具有高溫相(α-TCP) 和低溫相(β-TCP) 兩種類型，α-TCP 常作為骨水泥使用。研究較多的是β-TCP，因其降解性能好，并且有促進(jìn)新骨形成等優(yōu)點。多孔的β-TCP 陶瓷可以與骨組織直接結(jié)合，研究證實其與成骨細(xì)胞有很好的相容性，保證成骨細(xì)胞具有活性，可以促進(jìn)新骨的形成。β-TCP 煅燒骨的研制成功，解決了化學(xué)合成人工骨在孔隙率、孔隙交通和孔徑方面的難題，而且原料來源豐富，工藝簡單。然而β-TCP 也具有一些缺點:

（1）降解緩慢，有文獻(xiàn)報道其降解速度長達(dá)0.5-5年；

（2）生物力學(xué)強(qiáng)度不佳，脆性大，不易成形，不能用于負(fù)荷部位；

（3）無誘導(dǎo)成骨能力。

故需要對β-TCP 進(jìn)行改進(jìn)，探索更優(yōu)良的制備方法，或以β-TCP 煅燒骨為支架制備復(fù)合材料，或與其他物質(zhì)復(fù)合增加其器械強(qiáng)度、韌性和加快降解速率。

圖7 3D打印成型的Mn-TCP生物支架

2.3　生物玻璃陶瓷

生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO-Na₂O-SiO₂-P₂O₅ 。比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發(fā)生化學(xué)結(jié)合。它具有區(qū)別于其他生物材料的獨(dú)特屬性，能在植入部位迅速發(fā)生一系列表面反應(yīng)，最終導(dǎo)致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內(nèi)，無排斥、炎性及組織壞死等反應(yīng), 能與骨形成骨性結(jié)合;與骨結(jié)合強(qiáng)度大，界面結(jié)合能力好，并且成骨較快。

目前此種材料已用于修復(fù)耳小骨，對恢復(fù)聽力具有良好效果。但由于強(qiáng)度低， 只能用于人體受力不大的部位。由于溶膠-凝膠法制備的材料純度好、均勻性高、生物活性好和比表面積大等特點，具有更好的研究及應(yīng)用價值，特別是生物活性玻璃多孔材料在用作骨組織工程支架方面具有很好的前景。

圖8 TCP與生物玻璃陶瓷復(fù)合材料制備的生物支架

2.4 硫酸鈣（CS）

醫(yī)用硫酸鈣為半水化合物晶體，在體內(nèi)完全降解對生物體血鈣水平?jīng)]有明顯影響，與水結(jié)合后能夠變成固體植入物，可以作為水溶性抗生素的載體。硫酸鈣自凝溫度低，不會對周圍神經(jīng)組織造成損傷；具有潛在的骨誘導(dǎo)性，釋放的鈣離子，在弱酸環(huán)境的協(xié)同下，局部高濃度的鈣離子與成骨細(xì)胞鈣敏感受體結(jié)合后，促進(jìn)骨細(xì)胞增殖、分化，調(diào)節(jié)類骨質(zhì)形成；參與骨基質(zhì)的重塑。然而單純的硫酸鈣支架成骨能力有限，只有當(dāng)骨膜存在的情況下，硫酸鈣支架材料才能具有一定的替代成骨性能。

表1 常見生物陶瓷主要制備方法、特性及常見用途

三、生物陶瓷發(fā)展熱點

3.1 復(fù)合材料

為提高生物陶瓷材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和生物相容性，許多材料工作者在復(fù)合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，常用的基體材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷等材料，增強(qiáng)材料有碳纖維、不銹鋼或鈷基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。

圖9 人體碎骨添加生物陶瓷3D打印骨結(jié)構(gòu)

3.2 納米技術(shù)的應(yīng)用

由于納米材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子效應(yīng)等獨(dú)特的性能，使納米生物陶瓷材料呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，納米技術(shù)在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)受到關(guān)注。納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒等硬組織替代材料制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模擬精細(xì)天然骨結(jié)構(gòu)為主。在自然骨的骨質(zhì)中，羥基磷灰石主要以長10~60nm、寬2~6nm 的針狀結(jié)晶為主。因此，目前HAP 納米材料的研究主要集中在納米HAP晶體，納米HAP/高聚物復(fù)合材料和納米HAP 涂層材料方面。

四、生物陶瓷發(fā)展趨勢

生物陶瓷材料雖然得到了各國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等方面仍存在不足，今后，生物陶瓷材料發(fā)展方向主要有：

（1）研究與人體組織結(jié)構(gòu)具有相同有機(jī)和無機(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）開展人工骨應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究，開發(fā)與人體組織力學(xué)相適應(yīng)性好，又具有促進(jìn)組織生長的生物陶瓷材料。

（3）研究在人體內(nèi)可生物半降解的無機(jī)生物材料，可根據(jù)人體在恢復(fù)過程中所需物質(zhì)，研究含人體生理活性物質(zhì)和有效微成分的無機(jī)生物材料。

（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)用將是今后的重點研究課題。

作者：弋木

參考文獻(xiàn)：

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8、部分資料來源于網(wǎng)絡(luò)。