回顾陶瓷在医学上的应用

回顾陶瓷在医学上的应用

Mar i a Vallet-Reg i

2006年7月17日收稿, 2006年9月12日接收了

第一次出版是在一种进步的文章网站2006年10月3日DOI: 10.1039/b610219k

非常重要的生物材料需要提供给大量的临床治疗病人这已经成为一个现实。寻找可能的解决方案生产大量的适合骨修复或更换的材料。钙磷酸盐,生物玻璃, 生物玻璃陶瓷,以及有序的二氧化硅介孔材料,其他类型的材料,将从不同的角度回顾和研究他们作为替代材料，在骨修复和再生组织工程领域的潜在应用,以及作为药物输送系统的应用。概述了目前的成就,以及欠缺和不足。

摘要：

在20世纪末期，在临床应用上最流行的陶瓷材料是钙磷酸盐，玻璃和玻璃陶瓷,以及氧化铝、锆-碳合成的生物活性用途的惰性材料。

在21世纪的头五年里,这个现状发生了显著变化。二氧化硅介孔材料的潜在用途使陶瓷基体对药物的吸附和随后的释放得以控制,总和上述二氧化硅基体的生物活性运行状况，开发这些材料在生物学领域的预期前景。另一方面,研究混合有机-无机材料的生物活性功能,也是最近的一项科学趋势，应该召回脊椎动物硬组织天然复合材料。因此在实验室模拟实验，这样来模仿自然,尝试从不同的角度和尺度,即纳米结构、微观结构和宏观结构研究。

同时，在一定范围内的陶瓷临床应用上可以设计和拟定成千上万的变化，一些陶瓷的临床应用他们已经广为人知,然而另一些相对较新的技术在临床领域却鲜为人知。例如,它是由疏松组织和有序的多孔介孔材料组成的有出色生物活性的玻璃，这样得到的一流玻璃结构是以表明活性剂为介质构成的，这些在实验室合成的玻璃就是“模板化玻璃”。还可以搜索合理的方法，结合最佳力学性能构成有机-无机杂化材料和出色生物活性的一流玻

璃。所有这些创新只是开始。有很多方法,化学开辟了许多路径来探索在寻求更有效的骨头替代材料。

关于陶瓷材料的临床应用,在某些情况下, 执业外科医生会要求它是密集的块,而在其他情况下更可取的是一块多孔的固体,在其他情况下, 又必需是一种粒状的,虽然这是最不可能。另一方面,当使用金属植入物时，在假肢表面覆盖一层陶瓷外套来改进假肢的性能，停止或者至少减少金属离子由金属植入物释放到人体内成为一种趋势，由于陶瓷层作为障碍物的影响。

还应该提及的陶瓷材料，以注射形式进行, 应用于非侵入性手术。

然而,无论外科医生怎么选择材料和应用方法,其植入总是导致炎症反应,且经常感染。因此,潜在的某些制药生物陶瓷基体用于骨骼和牙齿修复无疑是一个有价值的，值得考虑。陶瓷基体的另一个重要用途是用于生产组织工程的基质。陶瓷显然是最好的生物相容性功能材料，他们非常类似于许多自然界的硬组织。

在骨头再生的各种可能性中,组织工程是一个很好的选择,骨头在体外修复,然后植入病人体内。组织工程技术一般需要使用支架,它作为初始细胞三维模板附件和随后的组织形成。在骨头再生的时候,支架必须促进成骨细胞增殖,它必须容易与骨头结合，且在降解过程开始前应该具有良好的力学性能。

天然硬组织:骨骼和牙齿

所有脊椎动物的骨骼和牙齿是天然的复合材料,其中一个无机固体成分是碳酸羟基磷灰石。它占总骨量的65%,剩下的质量由有机物和水。脊椎动物的骨头可以视为“活生物矿物”因为里面有细胞永久活动。

成骨细胞的骨形成过程首先由特殊细胞合成和释放的类骨质蛋白质混合物,以I型胶原蛋白为主。随后控制磷酸钙的的沉积使类骨质矿化。成骨细胞仍然在被矿化阶段,向骨细胞发展不断维持骨头的形成活动。

与此同时,另一种类型的细胞,破骨细胞,分解代谢骨头,破坏它。这个动态过程中骨头的形成和破坏占身体的发展阶段,保留其形状和一致性,万一骨折了可使其再生。它也构成了存储和搬运磷和钙的两个基本要素,这主要是储存在骨头里。

牙齿骨骼表现出相似的特征,除了其外部表面涂层,牙釉质。牙釉质具有比骨头更多的无机物成分,达到90%,并且由很多大小

和方向一样的柱状晶体生成。简单的说在骨骼，牙和牙釉质(有类似特征)之间结晶度和碳酸盐含量存在差异。

所有这些特性用于不同的机械性能。事实上,在生物世界里牙釉质被认为是最耐药和最硬的材料。然而,与骨头相比,成年人的体内釉质没有细胞,因此无法再生;任何退化可能会变得不可逆转。没有修复或分解牙釉质的生物过程,证明需要生物相容性牙釉质材料修复腐烂牙齿。

人造陶瓷

钙磷酸盐,玻璃和玻璃陶瓷三个家庭取得了几个生物活性陶瓷材料的产品,将两个或更多的原料混合从而获得机械等级高的组件,比如在较短的时间内实现生物活性反应。尤其是钙磷酸盐与其他无机盐产生磷酸钙骨结合剂。

这些类型的陶瓷的研究定义塑造方法和获得一个允许植入体所需的形状和大小,与给定的孔隙度,根据每个陶瓷植入的特定作用决定的。

因此,如果验证的主要要求是在最短的时间内化学反应形成的纳米磷灰石的前身新形成的骨,有必要设计高度多孔的碎片,还必须包括一定程度的大孔隙,确保骨骼氧化和血管生成。

然而,当设计陶瓷片时这些需求通常被丢弃。结果,化学反应只发生在外部表面的生物活性陶瓷制成的(如果)或它只是不会发生如果一件是一种惰性材料制成的,在这两种情况下,里面的部分仍然是一个坚实的庞然大物能够实现骨替换功能,但没有相关生物活性陶瓷再生的作用。惰性陶瓷通常是符合固体和密集的部分,因为没有再生功能可以期望从他们;这是,例如,氧化铝和氧化锆生产股骨头移植使用。

可替代的磷灰石

HA的生物活性行为可以通过引入一些替换结构来提高。磷灰石结构可以包含各种各样的离子,影响其阳离子和阴离子的型格。比如：生物磷灰石中的CO32-很有可能可以用PO43-（B型）或者OH-（A型）替换。在b型碳酸磷灰石中，通常以钙离子进入中立性一价阳离子（钠离子或钾离子）合并的位置。

卡莱尔所进行的研究表明了硅在骨形成和矿化作用的重要性。作者报道在年轻小鼠和大鼠活体的骨头未钙化类骨质区域(活跃的钙化区域)中发现了硅元素。在这些领域发现硅含量0.5 wt %,表明硅在骨骼钙化过程中是一个重要的角色。此外,最高的