无机非金属材料在生物医学的应用

无机非金属材料在生物医学的应用

所谓无机非金属材料（inorganic nonmetallic materials），就是指是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。传统的无机非金属材料在其化学组成上主要属于硅酸盐范畴。无机非金属材料种类繁多，具体可分为陶瓷，水泥，耐火材料，复合材料，非金属矿物材料等。其生产过程特点：一是共性，即有关原料，粉制备，成型等一系列过程。二是个性，即每种无机非金属材料都具有各自的特性。

无机非金属材料在生物医学方面的应用主要是在以生物陶瓷材料，以及陶瓷基复合材料等的应用为主。

生物陶瓷材料主要包括生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物复合材料三类。其应具有生物相容性，力学相容性；与生物组织有优异的亲和性；灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性等。这类无机非金属材料在医学方面的应用主要介绍：生物惰性的氧化铝陶瓷，氧化锆陶瓷；生物活性的羟基磷灰石(HAP),生物活性玻璃，微晶化生物活性玻璃；生物陶瓷的性能要求：第一，生物相容性要求生物相容性是指植入人体内的生物医用材料及各种人工器官、等医疗器械，必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应。第二生物力学与生物学性能要求材料的力学性能与机体组织的生物力学性能相一致，不产生对组织的损伤和破坏作用。第三，具有良好的加工性和临床操作性生物陶

瓷植入的目的，是通过人工材料替代和恢复各种原因成的牙和骨缺损，就要求植入的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床治疗过程中，操作简便，易于掌握。第四，具有耐消毒灭菌性能生物陶瓷材料是长期植入体内的材料，植入前须进行严格的消毒灭菌处理。

生物惰性陶瓷主要是指其化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料。AL203陶瓷是以α- Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其具有良好的机械强度，高的耐磨损等性能。其成型的工艺与陶瓷材料成型工艺大体相同，主要是粉末的制备，成型以及烧结。而在医用方面的氧化铝陶瓷材料则是α- Al2O3多孔陶瓷材料，其制备过程中对孔径的控制要求极为严格。因此多采用的是溶胶凝胶法改善氧化铝多孔陶瓷孔径分布的控制、相变、纯度及显微结构。用溶胶一凝胶法制备氧化铝多孔陶瓷的工艺为：采用铝粉在氯化铝溶液中水解，得到铝溶胶，并直接将成孔剂与之混合，进行成型、烧成制得产品。这样被用于制作人工髋关节、人造膝关节、人工牙根和骨骼固定螺钉及修补角膜等。但由于氧化铝陶瓷同样具有脆性大，机械加工困难等特点，其用于医用还需进一步的研究应用。现有在羟基磷灰石引用AL203来达到人工骨的修复。其特点是利用羟基磷灰石良好的生物活性和生物相容性以及AL203的高强度，高机械性能特点来提高其综合的力学性能，能够很好的弥补AL203的不足。很好的满足了人工骨的修复需求。

氧化锆陶瓷是以稳定的立方型氧化锆ZrO2为主晶相的陶瓷。具有优异的力学（最高的断裂韧性）和耐磨和耐腐蚀性等性能。其主要应

用在机械，电工方面。而在医用领域的应用则是以氧化锆生物陶瓷材料应用的。其制备方法是各种沉淀法如共沉淀法获得超细的氧化锆粉末，然后通过干成型或湿成型法成型后进行烧结而成的。在医用中，氧化锆烤瓷牙是最常用的。烤瓷牙的好坏直接影响到患者的身体健康，而用氧化锆材质的烤瓷牙由于没有金属内冠层，牙齿透明度好，光泽度极佳，更有效避免了牙齿过敏和牙龈黑线等问题，具有足够好的遮色能力，能够完美解决牙患者的牙齿美容需求，而且氧化锆材质的强韧性弥补了普通烤瓷牙易蹦缺的缺点，生物相容性好，不刺激口腔粘膜组织，易于清洁，是目前国内外最优质的烤瓷牙。

生物活性是指移植材料的分界面激发特定的生物反应，最终导致在材料和组织之间的骨形成。这类陶瓷在生物体内基本不被吸收，材料有微量溶解，能促进种植体周围新骨组成，并与骨组织形成牢固的化学键结合。羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA 或HAP)羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，结构上与天然骨盐大体一致，有极好的生物相容性、骨传导性以及骨键合能力，无毒副作用，用于骨修复及替代材料。但同时，其自身强度较低，力学性能较差。羟基磷灰石主要是通过水热反应以及沉淀法获得的。其同时也可以用于义眼片。这里由于其的力学性能不是很好，因此导致了在运用的过程中不是很好的满足医学的需求。在以羟基磷灰石为原料，在其中添加氧化铝以增加其综合的机械性能的办法很好的改善了羟基磷灰石

的力学性能，同时还利用了其生物相容性。

同时，纳米羟基磷灰石在医用方面也有应用。n H A是一种性能优良的无机陶瓷材料、生物学活性好。n H A粒子的大小为 1～

1 0 0 n m，由于其与 H A相比具有溶解度较高、比表面积( S S

A) 大的优点，因而具有更好生物学活性，骨植人体的伸强度更高，疲劳抗力也相应提高。最主要的是其可以匹配人体不同地方骨的生长速度相应的降解速度，而且与人体不产生排斥反应。因此其在医学领域的应用被广泛关注，但大多数还属于临床应用阶段，用于实际还需要一定的时间和条件。

生物活性玻璃与普通玻璃的不同之处在于其具有生物活性，能够很好的与生物组织相容。将生物玻璃植入人体骨缺损部位，它能与骨组织直接结合，起到修复骨组织、恢复其功能的作用。其制备技术与普通玻璃大体相同，但是为了保护其的生物活性性能，常常采用溶液-凝胶法制备其粉体。由于其机械强度较低，也因此一般用于较小的骨修复材料，如耳小骨、指骨，人工牙齿及关节。最值得一提的是生物玻璃对癌症的治疗，主要是在生物玻璃中加入一些磁性物，铁酸锂或者其他热源性材料，用于热种子治疗癌症肿瘤。

微晶玻璃属于复合材料，将加有晶核剂的特定组合的玻璃，在有控条件下进行晶化热处理，成为具有微晶体和玻璃相均匀分布的材料。其比普通玻璃的机械性能强，并且在光亮度和其他力学性能上都要比普通玻璃好。微晶玻璃有很多种，一般用于生物医

学的称为生物微晶玻璃也可以称为微晶陶瓷。其之所以称为微晶玻璃是因为结晶后在显微镜下可以看见其析出了许多细小的晶粒。微晶玻璃也是生物玻璃，在用于医学领域时，一般在是其表面生成羟基磷灰石等生物活性材料而成的或者在玻璃组成中引入CaO 和P2O5,通过热处理得到优良的羟基磷灰石。用于牙齿的修复等，特别是其中的可切割生物微晶玻璃，由于其可以通过机械加工的方法制成不同形状的样品而不会破坏其生物活性，因此多用于骨替复材料。其与单纯的羟基磷灰石相比，由于含有一定量的玻璃相，因此可以在很大范围内调整组分，适应性更强。同时其化学稳定性更好，由于玻璃相存在又可以根据要求的不同制作成不同形状的医用替代材料。当然，医用微晶陶瓷材料也采用了一些增韧方法，如自身增韧，金属增韧，纤维增韧等，用于进一步提高其机械强度。

陶瓷基复合材料是一类以陶瓷为基体，在其中加入一些增韧材料而形成的复合材料。如以HAP为基体的陶瓷材料，在其中加入纤维或者一些晶须来增加自身的强度，以达到医用的高强度使用的要求。也可以采用颗粒增韧的方法来提高。这类复合材料在医用上主要用于骨替代材料等。

当然，同时还有其他种类的复合材料用于医学方面。可见，无机非金属材料在生物医学领域的应用非常的广泛。在我国，上海硅酸盐研究所在生物医用材料与组织工程、生物纳米技术及生物