材料科学与工程英语

Unit-12生物陶瓷

生物材料作为无生命活力的材料被用于医疗设备以与人体组织系统相互组合。生物陶瓷领域方心未艾，直到二十世纪七十年代才出现。然而，许多生物陶瓷并非新的材料。最重要的一个就是氧化铝陶瓷，它被用作许多传统陶瓷产品的一部分。

如果一种接近惰性的材料被植入人体内将会引起一种保护性反应，这种反应可引起非粘着性纤维层的包裹，厚度大约1微米。随后植入体便会和人体发生分离。类似反应在金属和聚合物材料中也会出现。相反，若是利用具生物活性的陶瓷材料植入的话，在植入体和人体组织的界面处会形成一种类似于人体自然修复功能的结合。像透明质酸类的生物活性陶瓷，既能单独大量使用也能用作聚合物涂层的一部分来使用。像磷酸三钙这样的可吸入生物陶瓷材料，在人体中会发生溶解反应并被周围的组织替代。当然，很重要的一条要求就是溶解性材料必须是无毒的。在刚举的透明质和磷酸三钙例子中，它们更多地是以涂层形式而非大量地被使用。另外也可以粉体形式运用，例如，填充骨头中的空隙。

在临床实践中生物陶瓷材料也有不少用途。从头到脚再到骨头、关节和牙齿的修复等等不一而足。当身体组织发生病变或损坏或仅仅是磨损时，这些修复就显得很有必要了。在其它许多应用中，如心脏瓣膜修复的碳材料和治疗肿瘤用的放射性试剂，也有用武之地。

陶瓷材料的优缺点

特殊的应用条件让我们不得不做出对材料的选择。在设计工序里材料的选择是一个严格的环节，尤其是移植体材料和其它一些医疗器械材料。

机械领域中有三大主要材料可供选择：金属、聚合物以及陶瓷。陶瓷材料相对其它材料的优势就在于其良好的生物相容性。在人体的生理环境中，陶瓷材料表现出惰性，而其它类型的材料则会受到人体约束。生物陶瓷的最大缺点在于其低韧性（这会影响其可靠性）和高弹性模量（这会导致应力遮蔽效应）。

给陶瓷增韧的主要方法之一就是形成复合物。陶瓷材料可以使增强相、基体相或者两者兼有之。举一个例子，用生物陶瓷增强的聚合物基体材料级，即透明质酸增强的聚乙烯。复合物的韧性要比透明质酸强得多，其弹性模量和人骨更接近。生物陶瓷也被用于金属基质的涂层。例如，不锈钢材料上的具生物活性玻璃涂层就充分利用了钢材料的韧性以及玻璃涂层的表面活性这两种性质。

陶瓷植入体

陶瓷植入体的植入要求取决于它在人体中起到的作用。例如，对全髋关节置换的材料和中耳道植入体的材料要求就很不一样。然而，关于植入要求有两条最基本的标准：（1）陶瓷材料应与人体生理环境相容。（2）力学性质应与被替换的人体组织相匹配。

大多数生物陶瓷植入体都与人骨相接处。人骨是一种被骨细胞和血液细胞以一种强势的混合结构形成的生物活性材料。这种材料中包含有柔韧但很坚固的胶原质，以及磷和钙组成的晶态磷灰石，这是一种类似于羟基磷灰石的物质。我们能走路前进就好像它是透明质酸一样。正是透明质酸这一组分让人骨具有硬度。以胶原质为基体的针状磷灰石晶体长度为20到40个纳米，宽度为1.5到3个纳米。各种各样的生物陶瓷材料中最重要的两种骨质是网状骨质(松质骨)和皮质骨

（密质骨）。

网状骨质的密度比皮质骨质的小。人体骨架中的每一块骨头都有一层外围的密质骨覆盖在松质的（网状）骨上，松质骨（即网络骨质）以一种蜂巢状带有针状或扁平片状的形式被称为骨小梁。正是由于松质骨（网状骨质）的低密度，它才具有比密质骨相对低的弹性模量和较高的断裂应变率。两种骨质都相比软结缔组织具有更高的弹性模量，如肌腱和韧带。不同种类的结缔组织的弹性模量不同，这种不同能够保证在骨、骨与骨之间以及肌肉与骨之间存在一个机械应力光滑梯度。

毋庸置疑，植入体的力学性质是相当重要的。如果植入体的弹性模量比它所替换的骨头还高，那么就会出现一个所谓的应力屏蔽问题。应力屏蔽效应会弱化在应力最小或受到压力的人骨的功能（人骨必须在受力处于拉伸状态才能维持其正常功能）。通过降低弹性模量来消除应力屏蔽是生物陶瓷复合材料加固的基本激励方法之一。

氧化铝、氧化锆的比较

氧化铝和氧化锆是两种几乎惰性的生物陶瓷。它们在体液中暴露很长时间也不会发生任何化学变化。高密度和高纯度（大于99.5%）的氧化铝在很多植入体中都有应用，特别是髋关节和牙植入体中。到2006，超过一百万例用氧化铝球做的髋关节替换股骨头中的成分。

尽管有些氧化铝牙移植体是用单晶制成的，而且大部分氧化铝移植体都是具有非常细化的晶粒的多面体晶态氧化铝。这种细化的晶粒通常是用1600-1800度的高温烧结压制而成。当加入微量的氧化镁，它能起到抑制晶粒长大的作用，并同时允许在没有压力的环境中制造出高密度的优质产品。

任何植入体材料都有一条重要的要求，即其使用寿命要超过患者。由于陶瓷中可能存在的自然缺陷，每一款移植体都不能保证特效或者无限的使用寿命。研究表明，可能像你期待的一样，负荷的增加以及时间的延长会增加失效的概率。

老化与疲劳的研究结果表明，氧化铝的植入体需要具有可能最高标准的质量保证，尤其是它们用于年轻患者的矫正假肢上。

尽管氧化铝陶瓷集良好的生物相容性和突出的抗性与一体，但是它们只有中等的弯曲强度和较低的韧性。这就将氧化铝股骨头关节的直径限制到32毫米。氧化锆陶瓷具有相比氧化铝较高的断裂韧性和弯曲强度以及较低的弹性模量。然而，对于氧化锆陶瓷也要考虑以下几点：

（1）氧化锆陶瓷在人体体液中其弯曲强度和韧性会有轻微的降低。其原因在于氧化锆发生从正方晶晶相体到单斜晶体相的马氏体转变。类似的转变在水环境中也已被观测发现。在陶瓷或复合陶瓷重氧化锆的磨损率相比氧化铝要高的多。结合具有超高分子量的聚乙烯，（我们知道了）聚合物会发生过度的磨损。

（2）氧化锆的耐磨性比氧化铝的差。结合陶瓷/复合陶瓷，氧化锆的磨损率要比氧化铝高得多。结合超高分子量的聚乙烯，聚合物的磨损更为严重。

（3）氧化铝中可能会有具有较长半衰期的放射性元素如和铀，它们难以分离并且分离费用昂贵。最重要的一点是它们会释放出阿尔法射线(即氦核)，它能破坏软硬组织。尽管放射性很小，但是考虑氧化锆陶瓷的放射性的长期影响仍有很多未知数。