简析生物陶瓷材料

简析生物陶瓷材料

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摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。随着材料科学的发展，生物陶瓷材料越来越为人们所重视和关注，应用也越来越广泛，成为生物医学材料中不可或缺的一部分。本文将回顾生物陶瓷材料的发展，介绍生物陶瓷材料的分类、性能和优点，并展望其发展热点。

关键词：生物陶瓷材料种类性能应用发展热点

现代医学中，人们对生物医学材料的需求越来越大，而在这众多生物材料中，目前应用比较广泛且生产工艺比较成熟的是生物陶瓷材料。它是指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。它能同人体骨骼起生物化学作用，导致成骨过程，使移植体或骨骼修补物能于人体组织长合在一起，从而达到治疗目的。

生物陶瓷材料的发展备受关注也越发迅速，本文将回顾生物陶瓷材料的发展，对其分类、性能、优点以及发展前景等作简要介绍。

1生物陶瓷材料的发展简史

当今人类社会使用的材料可分为三大类：金属及其合金材料、有机材料、无机非金属材料。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物, 并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史, 可分为以下几个阶段。

1.1人工骨研究的启蒙阶段

18世纪前, 主要采用天然材料作为骨修复材料, 如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。

1.2自然发展阶段

约19世纪前, 由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展, 开始用纯金、纯银、铂等贵金属。

1.3探索阶段

20世纪中叶以前, 由于冶金的进步, 纯钦和钦合金年等被应用到人工骨领域, 开始有目的地探索新材料, 有机玻璃等高分子材料年也开始应用临床, 并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验，但基础理论的研究还很不深人。1.4迅速发展阶段

20世纪60年代初, 在新技术革命浪潮推动下, 材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料, 其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。生物陶瓷的发展虽然还不到几十年, 但也同样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导, 随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷, 包括生物玻璃, 经基磷灰石和玻璃陶瓷类。

自20世纪70年代起, 生物陶瓷显露头角, 世界各国相继开展了理论和应用研究, 并且不断取得突破性进展。

2生物陶瓷材料的分类

2.1 根据其用途分类

根据用途，广义的生物陶瓷可以分为以下两大类：

（1）植入陶瓷：又称生物体陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人

造血管等。他们大多具有良好的生物相容性，且目前已经实用的品种大致有①氧化铝陶瓷和单晶氧化铝②磷酸钙系陶瓷③其他陶瓷等三类。

（2）生物工艺学陶瓷：在生物工艺学和生物化学领域中，主要应用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。多孔玻璃具有单位质量表面积大，细菌不易侵入，受pH和温度影响小，材质坚硬、强度好等优点；而多孔陶瓷则具有耐碱性能好，价格也比多孔玻璃低等优点。

2.2 根据其与生物组织的作用机理分类

目前，世界上能植入体内的生物陶瓷，根据与生物组织的作用机理，大致可分为三类：

（1）生物惰性陶瓷：包括多晶氧化铝陶瓷、、碳素陶瓷、氮化硅陶瓷等。它们与生物体组织形成的是物理结合而不是化学结合，它们固定于生物体内时，需要在植入体上钻孔或在其表面制成螺纹或沟状进行连接，其界面关系的研究还不十分深透，但这类材料具有较长期的稳定性。

（2）生物活性陶瓷：包括生物玻璃、低密度羟基磷灰石类陶瓷、磷酸钙玻璃陶瓷等。用这类材料制成的生物陶瓷，因为含有通过正常新陈代谢途径而进行置换的磷、钙、水、二氧化碳等元素和化合物，植入生物体内能逐渐被生物体所吸收。但其缺点是在被吸收过程中它的强度严重下降，故在设计时要认真考虑机械因素，使机体组织和再吸收陶瓷结构在愈合进程中不致断裂。

（3）生物吸收性陶瓷。如磷酸三钙、可溶性钙铝系低结晶度羟基磷灰石等。3生物陶瓷材料的性能和优点

3.1生物陶瓷材料的性能

（1）与生物组织有良好的相容性

生物陶瓷材料代替硬组织牙齿、骨等植入人体内后，与机体组织如软组织、硬组织以及血液、组织液等接触时，具有良好的亲和性能。它们在体内正常代谢作用下，不会产生变质或变性。而且在机体正常发育和增生吸收过程中，材料也能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。此外，材料还应对周围组织具有无毒性、无刺激性、无免疫排斥性等特点。

（2）有适当的生物力学和生物学性能

材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。以口腔和领面种植学为例，要求植入的生物陶瓷应具有承受口腔内的静力和动力作用的足够强度，能发挥正常的咀嚼功能。特别是口腔硬组织的弹性模量必须相近似，以避免在功能作用下产生应力集中而造成对口腔硬组织的损伤和破坏。

（3）具有良好的加工性和临床操作性

生物陶瓷植入的目的，是通过人工材料替代和恢复各种原因造成的天然牙和骨缺损缺失的生理外形，重建已丧失的生理功能。因此为修复这类复杂的牙、骨缺损，就要求种植的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床治疗过程中，操作简便，易于掌握。

（4）具有耐消毒灭菌性能

生物陶瓷材料是长期植入体内的材料，植入前须进行严格的消毒灭菌处理因此无论是高压煮沸、液体浸泡、气体（环氧乙烷）或γ射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。

3.2生物陶瓷材料的优点

生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料，因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点：

（1）它的结构中含有键强很大的离子键或共价键，所以具有良好的机械强度、硬度、压缩强度高，极其稳定；而且它在体内难于溶解，不易氧化、不易腐蚀变质，热稳定性好，便于加热消毒、耐磨、有一定润滑性能，不易产生疲劳现象，而且和人体组织的亲和性好，几乎看不到与人体组织的排斥作用，因此能满足种植学要求。

（2）陶瓷的组成范围比较宽，可以根据实际应用的要求设计组成，控制性能的变化。例如可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中，希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则，当降解速度超过骨生长速度时，就会产生“死区”，影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷，就能调整降解速度，满足临床要求。

（3）陶瓷容易成型，可根据需要制成各种形态和尺寸，如颗粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺钉、骨夹板、关节、长骨、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。

（4）后加工方便。通常认为陶瓷很难加工，但随陶瓷加工设备和技术的进步，现在陶瓷的切割、研磨、抛光等已是成熟的工艺。近年来又发展了可用普通金属加工机床进行车铣、刨、钻等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷结晶化之前的高温流动性，可制成精密铸造的玻璃陶瓷。

（5）易于着色。如陶瓷牙冠与天然牙逼真，利于整容、美容。

4生物陶瓷材料的发展热点

在医用方面，生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域，有着不可估量的医用前景，其发展发向有人工陶瓷关节、骨骼填充陶瓷材料、临床可以成形的人工骨、用作放射疗法治疗癌症的陶瓷、热疗治癌的陶瓷等，其发展热点则有以下几个方面：

1、仿生材料

生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性,能与活性骨形成化学结合等特性,使得它在仿生材料中很受关注。但它同时是脆性材料,限制了其在某些条件下的应用。近20年来,试图仿制天然生物材料、利用生物学原理设计和制造仿生物的材料,已成为生物材料研究领域极为活跃的前沿研究方向。