生物医用陶瓷--论文

生物医用陶瓷的研究发展

摘要:简要介绍了生物医用陶瓷的优良性能，并分别对惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷的种类、性能与应用做了深入的分析。概括了当今生物医用陶瓷材料的发展现状，并对其前景作了展望。

关键词:物医用陶瓷、惰性、活性、研究现状、发展趋势

The research and development of biomedical ceramic

Abstract:This paper briefly introduces the excellent properties of biomedical ceramic,and analys the types, properties and applications of bioinert ceramics and bioactive ceramics deeply.It summarizes the development of biomedical ceramic currently,and also describes it’s prospects.

Keywords:Biomedical ceramic、inertia、activity、research status、developing trend 随着材料科学的发展，生物材料由于具有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能，已成为当今生物医学工程学中的重要组成部分。其研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域。过去，应用最广泛的生物医学材料为金属和有机材料，其存在着许多缺点。如金属材料植入人体内后，容易发生腐蚀，产生对人体有毒的金属离子，并且金属磨屑会引起周围生物组织发生变化等问题；而有机材料大多强度较低，难以满足力学性能和耐久性的要求[1]。

陶瓷以它优异的性能已由单纯的器皿发展为结构材料、功能材料。由日常生活进入到各行各业, 直到尖端科技领域，特别是在生物医学领域也有广泛的应用, 如人工牙、人工骨、人工关节等。这些主要用于人体内种植的陶瓷便称为“生物陶瓷”, 生物陶瓷材料作为一种无机生物医学材料，与生物组织具有良好的相容性和优异的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，越来越受到人们的重视。这是一个全球性关注的课题, 具有巨大的社会和经济效益。

生物医用陶瓷材料的研究作为一个多学科交叉领域，伴随着材料科学、生物学、医学、纳米技术的突破性进展，在近十几年中得到了迅猛的发展。特别是随着组织工程研究和人们对材料与组织及细胞相互作用认识的不断深入，对生物医用陶瓷材料的性能和功能的要求更高、更加多样化，而材料的设计理念和制备技术的不断创新使得相关材料的应用范围或应用前景得到进一步拓展。从用于制作人工关节或口腔种植体的生物惰性陶瓷，到能够与组织发生化学键合的生物活性材料，进而向具有基因激活、组织诱导功能、承载细胞的组织工程支架材料，以及具有药物缓释与靶向控释功能的载体材料发展。纳米技术与仿生技术的运用则使得生物医用陶瓷材料的研究深入到分子水平。

一、生物医用陶瓷的优良性能

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、由于它是在高温下烧结制成，其结构中包括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；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、制成牙根、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。

二、医用陶瓷的分类

生物医用陶瓷材料又称生物医用无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。一般来说，生物陶瓷材料根据其在生物体内的活性可分为惰性生物陶瓷材料和活性生物陶瓷材料。

2.1 惰性生物陶瓷材料

生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料。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。主要由氧化陶瓷、非氧化陶瓷以及陶材组成，其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物应用最为广泛。

2.1.1 氧化铝陶瓷

早在1969年，Talbert[2]就将不同孔隙率的颗粒状Al2O3陶瓷作为永久、永久性可移植骨假体，植入成年杂狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化铝陶瓷材料已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面。

氧化铝陶瓷植入人体后，体内软组织在其表面生成极薄的纤维组织包膜，在体内可

见纤维细胞增生，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[3]。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。但是

由于Al2O3属脆性材料，冲击韧性较低，且弹性模量和人骨相差较大，可能引起骨组织的

应力，从而引起骨组织的萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤，

且不能直接与骨结合。

目前，国外有关学者通过各种方法，使Al2O3陶瓷在韧性和相容性方面取得了显著提高[4],如在陶瓷表面涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关节。通过相变或微裂等方法，使材料内部产生微裂纹，只要微裂纹的尺寸足够小，则均匀分布的微裂纹会起到应力分散的作用。也可以提高材料的韧性[5]。

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。中国科学院上海硅酸盐研究所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。

2.1.3 惰性生物陶瓷的缺陷

惰性生物陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。

2.2 活性生物陶瓷

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）、羟基磷灰石陶瓷, 磷酸三钙陶瓷等几种。

2.2.1生物玻璃陶瓷

这种材料的主要成分是CaO•Na2O•SiO2•P2O5，比普通窗玻璃含有较多钙和磷, 与骨自然牢固地发生化学结合。医学家们将这种材料植入人体, 只有一个月表面就形成SiO2胶凝层, 进而与骨骼形成化学键。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。

2.2.2羟基磷灰石陶瓷

羟基磷灰石陶瓷，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。具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。

其制备一般可从分解动物的骨组织和人工合成获得, 后者又分湿法和固相反应。但固相反应和灼烧哺乳动物骨骼在高温中一部分羟基会丢失, 且难以消除杂相, 故少用。反应共沉淀是将钙质原料和磷酸盐或磷酸, 分别配制成合适浓度的液体, 按Ca /P 原子比1. 67，