生物陶瓷材料的应用及其发展前景_崔福斋
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生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大 , 现可应 用于人工骨 , 人工关节 , 人工齿根 , 骨充填材料 , 骨置 换材料 , 骨结合材料 , 还可应用于人造心脏瓣膜 , 人 工肌腱 , 人工血管 , 人工气管 , 经皮引线可应用于体 内医学监测等[ 4] 。 2 生物陶瓷分类
生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷 (如 Al2 O3 ,
— 1345 —
无毒 , 还能传导骨生长 。 HA能 使骨细胞附着在其 表面 , 随着新骨的生长 , 这个连接地带逐渐萎缩 , 并 且 HA通过晶体外层成为骨的一部分 , 新骨可以从 HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯 通性孔隙攀附生长 。 HA生物活性陶瓷是典型生物 活性陶瓷 , 植入体内后能与组织在界面上形成化学 键性结合 。 HA生物活性陶瓷和骨键接的机制不像 生物玻璃那样需要通过在其表面形成富硅层 , 进而 形成中间键接带以实现键合 。 致密羟基磷灰石陶瓷 植入骨内后 , 由成骨细胞在其表面直接分化形成骨 基质 , 产生一个 宽为 3 ～ 5 μm的无定形 电子密度 带 , 胶原纤维束长入此区域和细胞之间 , 骨盐结晶在 这个无定形带中发生 。随着矿化成熟 , 无定形带缩 小至 0.05 ～ 0.2 μm, 羟基磷灰石植入体和骨的键合 就是通过这个很窄的键接带实现的 。
单晶氧化铝 c轴方向具有相当高的抗弯强度 , 耐磨性能好 , 耐热性好 , 可以直接与骨固定 。 已被 用作人工骨 、牙根 、关节 、螺栓 。 并且该螺栓不生锈 , 也不会溶解出有害离子 , 与金属螺栓不同 , 勿需取出 体外 。 60 年代 后期 , 广泛用作 硬组织修复 。 70 年 代至 80年代中期 , 世界许多国家如美国 、日本 、瑞士 等国家 , 都对氧化物陶瓷 , 特别是氧化铝生物陶瓷进 行了广泛的研究和应用 。
生物玻璃陶瓷的主要成分是 CaO-Na2O-SiO2 -P2O5, 比普通窗玻璃含有较多钙和磷 , 能与骨自然 牢固地发生化学结合 。 它具有区别于其他生物材料 的独特属性 , 能在植入部位迅速发生一系列表面反 应 , 最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成 。 生物玻 璃陶瓷的生物相容性好 , 材料植入体内 , 无排斥 、炎 性及组织坏死等反应 , 能与骨形成骨性结合 ;与骨结 合强度大 , 界面结合能力好 , 并且成骨较快 。
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一 类陶瓷材料 , 即直接用于人体或与人体直接相关的 生物 、医用 、生物化学等的陶瓷材料 。 作为生物陶瓷 材料 , 需具备如下条件 :生物相容性 , 力学相容性 , 与 生物组织有优异的亲和性 , 抗血栓 , 灭菌性并具有很 好的物理 、化学稳定性 。
进入 21世纪 , 世界科技迅猛发展 , 生物陶瓷材 料及其复合材料的应用 , 在生物材料更新及硬组织
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 通常含有羟基 , 还可做成多孔性 , 生物组织可长入并 同其表面发生牢固的键合 ;生物吸收性陶瓷的特点 是能部分吸收或者全部吸收 , 在生物体内能诱发新 生骨的生长 。 生物活性陶瓷具有骨传导性 , 它作为 一个支架 , 成骨在其表面进行 ;它还可作为多种物质 的外壳或填充骨缺损 。 生物活性陶瓷有生物活性玻 璃 、羟基磷灰石陶瓷 、磷酸三钙陶瓷等几种 。 2.2.1 生物玻璃陶瓷
ZrO2等 )和生物活性陶瓷 (如致密羟基磷灰石 , 生物 活性玻璃等 )。 2.1 生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定 、生物相 溶性好的陶瓷材料 。如氧化铝 、氧化锆以及医用碳 素材料等 。 这类陶瓷材料的结构都比较稳定 , 分子 中的键合力较强 , 而且都具有较高的强度 、耐磨性及 化学稳定性 。 2.1.1 氧化铝陶瓷
药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
— 1343 —
★医疗器械★ 生物陶瓷材料的应用及其发展前景
崔福斋 , 郭牧遥
(清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与 精细工艺国家重点实验室 , 北京 100084)
摘要 :生物陶瓷由于具有良好的生物相容性与骨传导性 , 能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性 , 因此具有广阔的发展前景 。 它作为生物硬组织的代用材料 , 可用于骨科 、整形外科 、牙科 、口腔外科 、心血管外科 、眼外科 、耳鼻喉科及普通外科等方面 。 本文 介绍生物陶瓷的分类 、生物学特性及其在医用领域 的应用 , 并展 望其未 来十年 发展方 向 。 根据与 生物组 织的作 用机制 , 生物 陶瓷大致可分为生物 活性陶瓷 、生物惰性陶瓷 。 生物活性陶瓷主要介绍羟基磷灰石 (HA)的 特性和其复 合材料及其 在硬组织 工程中的应用 。 包括纳米 HA/胶 原复合材料及通过复合卵磷脂 、生 长因子 和细胞等 来提高 材料的 生物活 性 。 本文也 简单说 明了生物活性玻璃和 磷酸三钙的特性与应用现状 。 生物惰性陶瓷主要介绍了临床 广泛应用 的氧化铝陶 瓷和氧化锆 陶瓷的生 物学特性 。 关键词 :生物陶瓷 ;羟基磷灰石 ;骨组织工程 ;生长因子 中图分类号 :R917 文献标识码 :A 文章编号 :0245 -1793(2010)07 -1343 -05
羟基磷灰石 (hydroxyapatite, 简称 HA或 HAP) 组成与天然磷灰石矿物相近 , 是脊椎动物骨和齿的 主要无机成分 , 结构亦非常接近 , 呈片状微晶状态 。 它作为骨代替物被用于骨移植 。
HA有良好的生物相容源自文库 , 植入体内不仅安全 ,
药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
经 HA表面涂层处理的人工关节植入体内后 , 周围骨组织能很快直接沉积在羟基磷灰石表面 , 并 与羟基磷灰石的钙 、磷离子形成化学键 , 结合紧密 , 中间无纤维膜 。 HA生物陶瓷植入肌肉或韧带等软 组织或被一薄层结缔组织紧密包绕 , 无炎性细胞和 微毛细管存在 。 作穿皮种植时 , 能在颈部和上皮组 织密合 , 无炎症和感染发生 。 因此 , HA生物活性陶 瓷也适用于穿皮器件及软组织修复 。
目前此种材料已用于修复耳小骨 , 对恢复听力 具有良好效果 。但由于强度低 , 只能用于人体受力 不大的部位 。
目前制备生物活性玻璃的方法主要是采用溶胶
-凝胶法制备 , 采用该方法制备的材料具有特殊的 化学组成 , 纳米团 簇结构和微孔 , 因而比表 面积较 大 , 生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好 。 由 于溶胶 -凝胶法制备的材料纯度好 、均匀性高 、生物 活性好和比表面积大等特点 , 具有更好的研究及应 用价值 , 特别是生物活性玻璃多孔材料在用作骨组 织工程支架方面具有很好的前景 。 2.2.2 羟基磷灰石陶瓷
Applicationsofbioceramicsanditsfuture
CUIFu-zhai, GUOMu-yao
(TsinghuaUniversity100084, China)
Abstract:Bioceramics, becauseoftheiradvantagesofbiocompatibility, osteoconduction, andbiologicalaffinity, it hasbecomeapotentialusefulmaterialforbiologicalsclerosestissuesintermsoforthopedics, plasticsurgery, dental surgery, oralsurgery, cardiovascularsurgery, ophthalmicsurgery, otorhinolaryngologyandgeneralsurgery.Inthisarticle, weintroducetheclassification, biologicalfeatureandpracticalapplicationsofbioceramicsonmedicine, and prospectthedevelopmentofbioceramicsinthecoming10 years.Accordingtotheactionmechanismofthematerials withtissues, bioceramicscanbedividedintoactivebioceramicsandinactivebioceramics.Activebioceramicsmainly recommendhydroxyapatiteceramic.Itsapplicationsinhardtissueengineering, includingblendinglecithinorgrowingfactorsorcellstoimprovebiologicalactivityarereviewed.Moreoverthecharacteristicsandapplicationsofbioactiveglassandtricalciumphosphateareillustrated.Oninactivebioceramicsthebiologicalcharacteristicsandadvantagesofaluminumoxideceramicsandzirconiumoxideceramicsareintroduced. Keywords:Bioceramics;hydroxyapatite;bonetissueengineering;growingfactor
由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤 维膜 , 界面无化学反应 , 多用于全臀复位修复术及股 骨和髋骨部连接 。通过火焰熔融法制造的单晶氧化 铝 ,强度很高 , 耐磨性好, 可精细加工, 制成人工牙 根 、骨折固定器等 。多晶氧化铝 , 即刚玉 , 强度大 , 用 于制作 人工髋 关节 [ 5] , 人 工骨 , 人工 牙根和 关节 。 单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝 , 适 用于负重大 、耐磨要求高的部位 , 但其不足之处在于 加工困难 。 中国陶瓷在实验室研究水准上完全可达 到 ISO标准 , 但用于临床仍有一定差距 , 材料未达到 ISO标准 [ 6] 。
工程中占据不可替代的地位 。因此 , 对生物陶瓷材 料的研究与三类植入物及硬组织工程材料开发倍受 医疗器械和生物医用材料界的重视 。 1 生物陶瓷材料的发展
早在 18 世纪 前 , 人们就 开始 用象 牙 、木头 等 天然材料作为骨修复材料 ;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 等贵金属作牙修复及骨缺损修复 ;20世纪前半 , 由
第一作者 Tel:13801226011;E-mail:cuifz@mail.tsinghua.edu.cn
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药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
于冶金技术的进步 , 钴 铬铝合金 、纯钛和 钛合金等 被应用到人工骨的领域, 有机玻璃等高分子材料 也开始用于临床 ;到 20 世纪 60 年后 , 人们开始研 究生 物 活 性 陶 瓷 , 包 括 生 物 玻 璃 、羟 基 磷 灰 石 等 [ 1] 。在这同时 , Hench等还开创了用表面活性材 料玻璃陶瓷的研究工作 [ 2] 。 最近 生物陶瓷又有了 很大的新进展 , 其标志是羟基磷灰石陶瓷骨诱导 机理研究 进 展 [ 3] 和 高年 增长 率 及大 批 量 的成 功 应用 [ 4] 。
2.1.2 氧化锆陶瓷 部分稳定的氧化锆和氧化铝一样 , 生物相容性
良好 , 在人体内稳定性高 , 且比氧化铝断裂韧性 、耐 磨性更高 , 有利减 少植入物尺寸 和实现低摩擦 、磨 损 , 用以制造牙根 、骨 、股关节 、复合陶瓷人工骨 、瓣 膜等 。上海的科学家还研制成功了等离子喷涂氧化 锆人工骨与关节陶瓷涂层材料 , 并获得了国家发明 奖[ 6] 。 2.2 生物活性陶瓷
生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷 (如 Al2 O3 ,
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无毒 , 还能传导骨生长 。 HA能 使骨细胞附着在其 表面 , 随着新骨的生长 , 这个连接地带逐渐萎缩 , 并 且 HA通过晶体外层成为骨的一部分 , 新骨可以从 HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯 通性孔隙攀附生长 。 HA生物活性陶瓷是典型生物 活性陶瓷 , 植入体内后能与组织在界面上形成化学 键性结合 。 HA生物活性陶瓷和骨键接的机制不像 生物玻璃那样需要通过在其表面形成富硅层 , 进而 形成中间键接带以实现键合 。 致密羟基磷灰石陶瓷 植入骨内后 , 由成骨细胞在其表面直接分化形成骨 基质 , 产生一个 宽为 3 ～ 5 μm的无定形 电子密度 带 , 胶原纤维束长入此区域和细胞之间 , 骨盐结晶在 这个无定形带中发生 。随着矿化成熟 , 无定形带缩 小至 0.05 ～ 0.2 μm, 羟基磷灰石植入体和骨的键合 就是通过这个很窄的键接带实现的 。
单晶氧化铝 c轴方向具有相当高的抗弯强度 , 耐磨性能好 , 耐热性好 , 可以直接与骨固定 。 已被 用作人工骨 、牙根 、关节 、螺栓 。 并且该螺栓不生锈 , 也不会溶解出有害离子 , 与金属螺栓不同 , 勿需取出 体外 。 60 年代 后期 , 广泛用作 硬组织修复 。 70 年 代至 80年代中期 , 世界许多国家如美国 、日本 、瑞士 等国家 , 都对氧化物陶瓷 , 特别是氧化铝生物陶瓷进 行了广泛的研究和应用 。
生物玻璃陶瓷的主要成分是 CaO-Na2O-SiO2 -P2O5, 比普通窗玻璃含有较多钙和磷 , 能与骨自然 牢固地发生化学结合 。 它具有区别于其他生物材料 的独特属性 , 能在植入部位迅速发生一系列表面反 应 , 最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成 。 生物玻 璃陶瓷的生物相容性好 , 材料植入体内 , 无排斥 、炎 性及组织坏死等反应 , 能与骨形成骨性结合 ;与骨结 合强度大 , 界面结合能力好 , 并且成骨较快 。
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一 类陶瓷材料 , 即直接用于人体或与人体直接相关的 生物 、医用 、生物化学等的陶瓷材料 。 作为生物陶瓷 材料 , 需具备如下条件 :生物相容性 , 力学相容性 , 与 生物组织有优异的亲和性 , 抗血栓 , 灭菌性并具有很 好的物理 、化学稳定性 。
进入 21世纪 , 世界科技迅猛发展 , 生物陶瓷材 料及其复合材料的应用 , 在生物材料更新及硬组织
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 通常含有羟基 , 还可做成多孔性 , 生物组织可长入并 同其表面发生牢固的键合 ;生物吸收性陶瓷的特点 是能部分吸收或者全部吸收 , 在生物体内能诱发新 生骨的生长 。 生物活性陶瓷具有骨传导性 , 它作为 一个支架 , 成骨在其表面进行 ;它还可作为多种物质 的外壳或填充骨缺损 。 生物活性陶瓷有生物活性玻 璃 、羟基磷灰石陶瓷 、磷酸三钙陶瓷等几种 。 2.2.1 生物玻璃陶瓷
ZrO2等 )和生物活性陶瓷 (如致密羟基磷灰石 , 生物 活性玻璃等 )。 2.1 生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定 、生物相 溶性好的陶瓷材料 。如氧化铝 、氧化锆以及医用碳 素材料等 。 这类陶瓷材料的结构都比较稳定 , 分子 中的键合力较强 , 而且都具有较高的强度 、耐磨性及 化学稳定性 。 2.1.1 氧化铝陶瓷
药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
— 1343 —
★医疗器械★ 生物陶瓷材料的应用及其发展前景
崔福斋 , 郭牧遥
(清华大学材料科学与工程系新型陶瓷与 精细工艺国家重点实验室 , 北京 100084)
摘要 :生物陶瓷由于具有良好的生物相容性与骨传导性 , 能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性 , 因此具有广阔的发展前景 。 它作为生物硬组织的代用材料 , 可用于骨科 、整形外科 、牙科 、口腔外科 、心血管外科 、眼外科 、耳鼻喉科及普通外科等方面 。 本文 介绍生物陶瓷的分类 、生物学特性及其在医用领域 的应用 , 并展 望其未 来十年 发展方 向 。 根据与 生物组 织的作 用机制 , 生物 陶瓷大致可分为生物 活性陶瓷 、生物惰性陶瓷 。 生物活性陶瓷主要介绍羟基磷灰石 (HA)的 特性和其复 合材料及其 在硬组织 工程中的应用 。 包括纳米 HA/胶 原复合材料及通过复合卵磷脂 、生 长因子 和细胞等 来提高 材料的 生物活 性 。 本文也 简单说 明了生物活性玻璃和 磷酸三钙的特性与应用现状 。 生物惰性陶瓷主要介绍了临床 广泛应用 的氧化铝陶 瓷和氧化锆 陶瓷的生 物学特性 。 关键词 :生物陶瓷 ;羟基磷灰石 ;骨组织工程 ;生长因子 中图分类号 :R917 文献标识码 :A 文章编号 :0245 -1793(2010)07 -1343 -05
羟基磷灰石 (hydroxyapatite, 简称 HA或 HAP) 组成与天然磷灰石矿物相近 , 是脊椎动物骨和齿的 主要无机成分 , 结构亦非常接近 , 呈片状微晶状态 。 它作为骨代替物被用于骨移植 。
HA有良好的生物相容源自文库 , 植入体内不仅安全 ,
药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
经 HA表面涂层处理的人工关节植入体内后 , 周围骨组织能很快直接沉积在羟基磷灰石表面 , 并 与羟基磷灰石的钙 、磷离子形成化学键 , 结合紧密 , 中间无纤维膜 。 HA生物陶瓷植入肌肉或韧带等软 组织或被一薄层结缔组织紧密包绕 , 无炎性细胞和 微毛细管存在 。 作穿皮种植时 , 能在颈部和上皮组 织密合 , 无炎症和感染发生 。 因此 , HA生物活性陶 瓷也适用于穿皮器件及软组织修复 。
目前此种材料已用于修复耳小骨 , 对恢复听力 具有良好效果 。但由于强度低 , 只能用于人体受力 不大的部位 。
目前制备生物活性玻璃的方法主要是采用溶胶
-凝胶法制备 , 采用该方法制备的材料具有特殊的 化学组成 , 纳米团 簇结构和微孔 , 因而比表 面积较 大 , 生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好 。 由 于溶胶 -凝胶法制备的材料纯度好 、均匀性高 、生物 活性好和比表面积大等特点 , 具有更好的研究及应 用价值 , 特别是生物活性玻璃多孔材料在用作骨组 织工程支架方面具有很好的前景 。 2.2.2 羟基磷灰石陶瓷
Applicationsofbioceramicsanditsfuture
CUIFu-zhai, GUOMu-yao
(TsinghuaUniversity100084, China)
Abstract:Bioceramics, becauseoftheiradvantagesofbiocompatibility, osteoconduction, andbiologicalaffinity, it hasbecomeapotentialusefulmaterialforbiologicalsclerosestissuesintermsoforthopedics, plasticsurgery, dental surgery, oralsurgery, cardiovascularsurgery, ophthalmicsurgery, otorhinolaryngologyandgeneralsurgery.Inthisarticle, weintroducetheclassification, biologicalfeatureandpracticalapplicationsofbioceramicsonmedicine, and prospectthedevelopmentofbioceramicsinthecoming10 years.Accordingtotheactionmechanismofthematerials withtissues, bioceramicscanbedividedintoactivebioceramicsandinactivebioceramics.Activebioceramicsmainly recommendhydroxyapatiteceramic.Itsapplicationsinhardtissueengineering, includingblendinglecithinorgrowingfactorsorcellstoimprovebiologicalactivityarereviewed.Moreoverthecharacteristicsandapplicationsofbioactiveglassandtricalciumphosphateareillustrated.Oninactivebioceramicsthebiologicalcharacteristicsandadvantagesofaluminumoxideceramicsandzirconiumoxideceramicsareintroduced. Keywords:Bioceramics;hydroxyapatite;bonetissueengineering;growingfactor
由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤 维膜 , 界面无化学反应 , 多用于全臀复位修复术及股 骨和髋骨部连接 。通过火焰熔融法制造的单晶氧化 铝 ,强度很高 , 耐磨性好, 可精细加工, 制成人工牙 根 、骨折固定器等 。多晶氧化铝 , 即刚玉 , 强度大 , 用 于制作 人工髋 关节 [ 5] , 人 工骨 , 人工 牙根和 关节 。 单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝 , 适 用于负重大 、耐磨要求高的部位 , 但其不足之处在于 加工困难 。 中国陶瓷在实验室研究水准上完全可达 到 ISO标准 , 但用于临床仍有一定差距 , 材料未达到 ISO标准 [ 6] 。
工程中占据不可替代的地位 。因此 , 对生物陶瓷材 料的研究与三类植入物及硬组织工程材料开发倍受 医疗器械和生物医用材料界的重视 。 1 生物陶瓷材料的发展
早在 18 世纪 前 , 人们就 开始 用象 牙 、木头 等 天然材料作为骨修复材料 ;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 等贵金属作牙修复及骨缺损修复 ;20世纪前半 , 由
第一作者 Tel:13801226011;E-mail:cuifz@mail.tsinghua.edu.cn
— 1344 —
药 物分析杂志 ChinJPharm Anal2010, 30(7)
于冶金技术的进步 , 钴 铬铝合金 、纯钛和 钛合金等 被应用到人工骨的领域, 有机玻璃等高分子材料 也开始用于临床 ;到 20 世纪 60 年后 , 人们开始研 究生 物 活 性 陶 瓷 , 包 括 生 物 玻 璃 、羟 基 磷 灰 石 等 [ 1] 。在这同时 , Hench等还开创了用表面活性材 料玻璃陶瓷的研究工作 [ 2] 。 最近 生物陶瓷又有了 很大的新进展 , 其标志是羟基磷灰石陶瓷骨诱导 机理研究 进 展 [ 3] 和 高年 增长 率 及大 批 量 的成 功 应用 [ 4] 。
2.1.2 氧化锆陶瓷 部分稳定的氧化锆和氧化铝一样 , 生物相容性
良好 , 在人体内稳定性高 , 且比氧化铝断裂韧性 、耐 磨性更高 , 有利减 少植入物尺寸 和实现低摩擦 、磨 损 , 用以制造牙根 、骨 、股关节 、复合陶瓷人工骨 、瓣 膜等 。上海的科学家还研制成功了等离子喷涂氧化 锆人工骨与关节陶瓷涂层材料 , 并获得了国家发明 奖[ 6] 。 2.2 生物活性陶瓷