生物功能材料

生物功能材料

摘要：材料是社会技术进步的物质基础与先导。现代高技术的发展，更是紧密依赖与材料的发展。生物功能材料不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。生物陶瓷除用于测量、诊断治疗等外，主要是用作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。

关键词：生物功能陶瓷材料、研究现状、应用、发展前景

一、生物陶瓷概述：

生物陶瓷是指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。

生物陶瓷分为生物惰性陶瓷材料、生物活性陶瓷材料、玻璃生物陶瓷、单晶生物陶瓷、羟基磷灰石生物陶瓷等五大类。

1、生物惰性陶瓷材料

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。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键力较强，而且都具有较高的机械强度，耐磨性以及化学稳定性，它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。在生物体内不发生或发生极小反应的材料，如Al2O3，ZrO2，C等。应用于临床的为高密度、高纯度的Al2O3陶瓷，它有良好的生物相容性、优良的耐磨性、化学稳定性、高的机械强度。特种碳材料也在临床应用中获得相当的成功，它具有良好的生物相容性，特别是抗凝血性能显著，模量低，摩擦系数小，韧性好，因此耐磨和抗疲劳。在临床中广泛应用于心血管外科，如心脏瓣膜、缝线、起搏

器电极等。

2、生物活性陶瓷材料

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。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰和陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。

羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石（hydroxyapatite），简称HAp，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。

为提高羟基磷灰石的力学性能，人们开展了致密HAP 陶瓷的研究。研究得到的致密HAp 机械性能得到了一定的提高，但表面显气孔率较小，植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架[7]。因此，近年来，人们又将研究重点放在了多孔羟基磷灰石陶瓷方面。研究发现，多孔钙磷种植体模仿了骨基质的结构，具有骨诱导性，它能为新生骨组织的长入提供支架和通道，因此植入体内后其组织响应较致密陶瓷有很大改善。

3、玻璃生物陶瓷

玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷。玻璃陶瓷的生产工艺过程为配料制备→配料熔融→成型→加工→晶化热处理→再加工。玻璃陶瓷生产过程的关键在晶化热处理阶段：第一阶段为成核阶段，第二阶段为晶核生长阶段，这两个阶段有密切的联系，在A阶段必须充分成核，在B阶段控制晶核的成长。玻璃陶瓷的析晶过程由三个因素决定。第一个因素为晶核形成速度；第二个因素为晶体生长速度；第三个因素为玻璃的粘度。这三个因素都与温度有关。玻璃陶瓷的结晶速度不宜过小，也不宜过大，有利于对析晶过程进行控制。为了促进成核，一般要加入成核剂。一种成核剂为贵金属如金、银、铂等离子，但价格较贵，另一种是普通的成核剂，有TiO2、ZrO2、P2O5、V2O5、Cr2O3、MoO3、氟化物、硫化物等。玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的，无气孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。其结晶相

含量一般为50%-90%，玻璃相含量一般为5%-50%，结晶相细小，一般小于1-2/μm，且分布均匀。因此，玻璃陶瓷一般具有机械强度高，热性能好，耐酸、碱性强等特点。国内外就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系统玻璃陶瓷，Li2O-Al2O3-SiO2系统玻璃陶瓷，SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系统玻璃陶瓷等进行了生物临床应用。发现它们具有良好的生物相溶性，没有异物反应。此外生物硬组织代用材料还有碳质材料，二氧化钛陶瓷，二氧化锆陶瓷材料等多种。

4、单晶生物陶瓷

单晶生物陶瓷是一种新型的生物陶瓷材料，属氧化铝单晶。氧化铝单晶也称宝石，添加剂不同，制得单晶材料颜色不同，如红宝石、蓝宝石等。氧化铝单晶有许多特性，如机械强度、硬度、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷，其生物相溶性、安定性、耐磨性也优于多晶氧化铝陶瓷。

氧化铝单晶的生产工艺有提拉法、导模法、气相化学沉积生长法、焰熔法等。它用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度，不易折断。它还可以作为损伤骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺钉，比用金属材料制成的人工骨螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根，由于氧化铝单晶与人体蛋白质有良好的亲合性能，结合力强，因此有利于牙龈粘膜与异齿材料的附着。

5、羟基磷灰石生物陶瓷

羟基磷灰石陶瓷的制造工艺:

a.固相反应法

这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方将原料磨细混合，在高温下进行合成：1000-1300℃ 6CaHPO4·2H2O+4CaCO3 Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+4H2O b.水热反应法

将CaHPO4与CaCO3按6：4摩尔比进行配料，然后进行24h湿法球磨。将球磨好的浆料倒入容器中，加入足够的蒸馏水，在80-100℃恒温情况下进行搅拌，反应完毕后，放置沉淀得到白色的羟基磷灰石沉淀物，其反应式如下：

6CaHPO4+4CaCO3═Ca10(PO4)6(OH)2+4CO2+2H2O

c.沉淀反应法

此法用Ca(NO3)2与(NH4)2HPO4进行反应，得到白色的羟基磷灰石沉淀。其反应如下：10Ca(NO3)2+6(NH4)2HPO4+8NH3·H2O+H2O=Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+7H2O 合成的羟基磷灰石的结构与生物骨组织相似，因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组织相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14，机械强度大于10MPa，对生物无毒，无刺激，生物相溶性好，不被吸收，能诱发新有的生长。目前国内外已将羟基磷灰石用牙槽、骨缺损、脑外科手术的修补、填充等，用于制造耳听骨链和整形整容的材料。此外，它还可以制成人工骨核治疗骨结核。

二、生物陶瓷的应用前景展望

在医用方面，生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域生物陶瓷有着不可估量的医用前景。

(1) 人工陶瓷关节人们正在研制开发机械强度高、韧性好、硬度及化学稳定性优良，臼盖和骨头的吻合性能更好，且容易制作的陶瓷材料，更理想的是手术时不必切除支撑关节面的骨骼，仅仅用于修复关节面就可以使用的新型陶瓷材料和技术。

(2) 骨骼填充陶瓷材料在骨髓细胞中包含有能分化成骨细胞的干细胞，所以预先从患者身上采集一些骨细胞，把它放置在多孔性的人体活性陶瓷之中，在体外培养直至分化出骨芽细胞，再把它随从陶瓷埋入骨缺损部，这时骨形成就更有效，人们正期待开发出这种骨填充陶瓷材料。

(3) 临床可以成形的人工骨人们正期待研制出与骨缺损形状完全吻合的人工骨材料：把粉末和体液混合在一起后，数分钟内有流动性，然后固化，与周围的骨结合在一起，具有与人骨相似的力学性质，陶瓷人工骨可用注射器将它注入患病部位，修复骨缺损部位。

(4) 用作放射疗法治疗癌症的陶瓷放射疗法是以保存坏部位只杀癌细胞为目的，