无机非金属材料在生物医学中的应用

无机非金属材料在生物医学中的应用

西南交通大学材料科学与工程学院-李森-20085650 【摘要】

介绍无机非金属材料在生物医学各个领域中的应用和发展前景等。

【关键字】

无机非金属生物材料，惰性无机非金属生物医用材料，表面生物活性陶瓷材料，可吸收和降解生物陶瓷材料，临床应用，前景。

【正文】

一、无机非金属材料以及无机非金属生物医用材料的特点

无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)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。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。

在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。

陶瓷不生锈、不燃烧，而且抗腐蚀，强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺陷。陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且也可以制成具有优良生物活性的材料。生物医用材料根据在生物体内的活性，分为三类：惰性生物陶瓷材料，主要是氧化铝陶瓷材料、碳质材料等，植入体内后与周围组织之间形成纤维包膜；表面生物活性陶瓷材料，如生物医用玻璃和玻璃陶瓷、羟基磷灰石等，植入体内后材料能与周围组织形成牢固的化学键结合（骨性结合）；可吸收和降解生物陶瓷材料，主要是磷酸三钙陶瓷材料，植入体内后会逐渐被降解、吸收，从而被新生组织替代。目前，约有40余种生物陶瓷材料在医学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品，发挥着非常重要的作用。

二、三类无机非金属生物医用材料的性能及应用

1、惰性无机非金属生物医用材料

●生物医用陶瓷：

惰性生物医用陶瓷主要分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷以及陶材三类。

氧化物陶瓷主要是Al、Mg、Ti、Zr、等的氧化物。

非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物等。

陶材则主要是由多种氧化物矿物构成的长石、石英、高岭土等原料制成。

氧化物陶瓷：氧化铝陶瓷

生物医用氧化铝陶瓷由高纯三氧化二铝组成。氧化铝陶瓷（简称铝瓷）是指主晶相为刚玉的陶瓷材料。氧化铝陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料。并且这种陶瓷还具有较高的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。

医用氧化铝陶瓷的重要性能（按照ISO6474）

基本性能重要性原因

高的抗腐蚀性

优异的刚性及良好的表面抛光性能高杨氏模量和高抗压强度

高的机械强度

高纯度保证生物惰性

保证高耐磨性

保证坚硬不变形

保证良好的疲劳性能以及安全性和可靠性

保证长期稳定性

由于氧化铝陶瓷是生物惰性材料，在人体内不发生化学变化，对人体无害，亲和性也很好，在临床医疗中广泛用于股骨、骨关节、牙根、骨修补物和骨骼螺栓等。Boutin等人1970年提出使用全氧化铝陶瓷植入物，并且首次在临床上使用氧化铝陶瓷材料人工髋关节，之后又有许多国家开始广泛使用氧化铝陶瓷制作人工牙根、人工关节和人工骨。在近三十年的临床实践中，使用氧化铝假体进行人工关节固定，取得了令人满意的结果。现在高密度、高纯氧化铝陶瓷是内修复手术主要的关节材料，长期临床实践已经说明了氧化铝陶瓷头和聚乙烯臼之间具有优异的抗磨损性能。有学者复查了最近20年来，118例髋部手术的病人，期中86例使用骨水泥填充孔隙，32例没有使用骨水泥填充而是用了三枚螺丝钉固

定。不用骨水泥比用骨水泥获得了满意的效果，88.5%不用翻修，且在骨盆正位片上没有测量到明显的磨损。

氧化锆陶瓷

纯的氧化锆不能作为医用材料，因为在烧结过程中从高温降到室温以上时会发生从四方到单斜的晶相转变，这一相转变同时伴随着3%~4%的体积扩展，使材料内部产生内应力和裂纹。加入氧化锰或氧化钇会抑制相变的发生。

由于具有更高的断裂强度使得氧化锆陶瓷能够被设计成氧化铝陶瓷不能达到的几何尺寸和形状仍然具有可靠性的髋关节头。由于这些优异的力学性能，人们认识到可以将其应用在牙修复领域和膝关节股骨组件。另外，它还用在跖趾外科手术上（作为可拆卸的间隔罩杯）和肩修复手术上。氧化锆与聚乙烯结合被证明与体外实验中的氧化铝与聚乙烯结合有相似的磨损率，但是在体内试验中结果并不乐观，在体内试验中氧化锆陶瓷的年磨损率会逐年增加，而氧化铝相对变化平稳。

非氧化物陶瓷材料：非氧化物陶瓷材料是以难熔化合物为基础制成的，而这些化合物又是由B、C、N、Al、Si形成，主要呈共价化学键形式，在极宽的温度范围和其它外作用条件下具有很高的稳定性。非氧化物陶瓷材料作为生物医用材料的报道较少，主要用作硬组织的替换材料。例如碳化硅和氮化硅陶瓷材料。

●医用碳材料：碳材料具有许多优良的性质，植入人体后化学稳定性好，与人体亲和性好，没有毒性，没有排异反应。碳有许多同素异构体，在医学上广泛应用的主要包括热解各项同性碳（LTI）和碳纤维复合材料，在早期使用的玻璃质碳因为使软组织变黑而很少再用。

医用碳材料的类型以及应用

碳材料医用的重要原因以及应用

石墨润滑性能好，有些心脏瓣膜架用石墨集

体表面涂覆热解碳，有些瓣架是全热解

碳而瓣叶是石墨集体表面涂覆热解碳。

还可用作外置固定骨架。

热解碳：耐久性、生物稳定性好。低温各项同性热解碳（LTIC）材料化学稳定在临床医学中广泛应用，如用于制造人工心脏瓣膜（几乎是唯一可选用的机械