生物陶瓷材料的研究进展

摘要：生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统材料的新型材料，生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的优异性能。生物陶瓷在医学上的应用将极大的促进生物陶瓷的发展。与有机高分子材料相比生物体陶瓷耐热性好,便于进行高压灭菌等。本文通过大量的文献阅读介绍了生物陶瓷的分类，生物陶瓷的物理化学性质以及生物陶瓷的应用前景。此外本文还对一些生物陶瓷生产工艺做了简单介绍，并对生物陶瓷未来的发展做了合理展望。

关键词：特殊功能，纳米生物医用，生产工艺

1.生物陶瓷的分类及应用

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。

1.1惰性生物用瓷

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, 又分为以下几种：

1.1.1单晶、多晶和多孔氧化铝

单晶氧化铝：具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好, 耐热性好, 可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈, 也不会溶解出有害离子, 与金属螺栓不同, 勿需取出体外。60 年代后期, 广泛用作硬组织修复。多晶化学性能十分稳定, 几乎不与组织液发生任何化学反应, 硬度高,机械强度高。总之氧化铝陶瓷具有良好的组织亲和性, 这是因为其表面具有亲水性, 即氧化铝结晶表面氧原子能捕获水分子而产生极化现象, 结果在其表面覆盖一层羟基, 它能吸附水分子, 在表面形成亲水层, 使表面呈强极性, 易被组织液浸润。在极性层外间构成水——金属离子——蛋白质的“三明治”式结构, 形成周期的氧化铝生物相容性。

氧化铝陶瓷和单晶氧化铝。氧化铝陶瓷由氧化铝粉料烧结制成, 单晶氧化铝可用引上法或火焰熔融法制取。氧化铝陶瓷表面为亲水性, 与生物体组织有良好的生物亲合性。目前, 在临床实用中除做人造骨、人造关节外, 还可制接骨用螺钉。

1.1.2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。

1.1.3碳素类陶瓷

包括碳素、玻璃碳、碳纤维及热解石墨等, 其成分是碳元素, 玻璃碳的强度差, 在1300～ 1500℃加热分解碳氢化合物得到的热解石墨微粒, 质地致密

坚硬; 碳纤维强度大, 挠性好。在20 世纪60 年代人们发现它们具有血液相容

性、抗血栓性好, 且其弹性模量近似天然骨, 对组织力学刺激小, 与人体组织亲和性好、耐侵蚀、轻、耐疲劳、润滑与人体组织无反应、不溶解、能牢固的粘附在其它材料的表面。已用作人工心瓣膜、血管、尿管、支气管、胆管、韧带、腱、牙根、关节等。生物稳定的碳具有很好的生物体亲和性, 在较低温度炭化的碳水化合物制成的热解炭作为人造心脏瓣膜已有数十万实用病例。

1.2 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) , 羟基磷灰和陶瓷, 磷酸三钙陶瓷等几种。

1.2.1 生物玻璃陶瓷

这种材料的主要成分是CaO-Na

2O-SiO

2

-P

2

O

5

, 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SiO

2

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。

1.2.2 羟基磷灰石陶瓷

其组成与天然磷灰石矿物相近, 是脊椎动物骨和齿的主要无机成分, 结构

亦非常接近, 呈片状微晶状态。人体最坚固的硬组织是牙釉质, 它约含98% 无

机质, 主要为HAP, 余为磷酸钙, 与生命起源十分密切。

1.2.3 磷酸三钙

磷酸钙品类繁多, 但生物学感兴趣的有六种, 作为人工骨生物磷酸钙陶瓷

研究较多的是B-磷酸三钙和羟基磷酸钙。磷酸三钙的化学组成与羟基磷灰石类似, 只是钙磷比较羟基磷灰石低, 约为1.5, 在体内能降解, 其产物可随体内

新陈代谢而被吸收或排出体外。缺点是机械强度偏低, 经不起力的冲击。

1.2.4 孔陶瓷载体

多孔陶瓷有Al

2O

3

、ZrO

2

、Ti0

2

和Si0

2

,它们的耐碱性能都很好, 价格也比多

孔玻璃低主要用作固定化酶的载体, 使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。

例如在食品工业中, 分解蔗糖以制取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的转化酶,就适于以多孔陶瓷为载体。控制多孔陶瓷的细孔径,可以应用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。利用细孔还可以处理生活用水。

2.生物陶瓷的生产工艺

2.1惰性陶瓷材料以单晶氧化铝为例

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。

2.1.1提拉法

即是把原料装入坩埚内，将坩埚置于单晶炉内，加热使原料完全熔化，把

装在籽晶杆上的籽晶浸渍到熔体中与液面接触，精密地控制和调整温度，缓缓

地向上提拉籽晶杆，并以一定的速度旋转，使结晶过程在固液界面上连续地进行，直到晶体生长达到预定长度为止。提拉籽晶杆的速度1.0-4mm/min 坩埚的

转速为10r/min，籽晶杆的转速为25r/min。

2.1.2导模法

简称EFG法。在拟定生长的单晶物质熔体中，放顶面下所拟生长的晶体截

面形状相同的空心模子即导模，模子用材料应能使熔体充分润湿，而又不发生

反应。由于毛细管的现象，熔体上升，到模子的顶端面形成一层薄的熔体面。

将晶种浸渍到基中，便可提拉出截面与模子顶端截面形状相同的晶体。

2.1.3气相化学沉积生长法

将金属的氢氧化物、卤化物或金属有机物蒸发成气相，或用适当的气体做

载体，输送到使其凝聚的较低温度带内，通过化学反应，在一定的衬底上沉积

形成薄膜晶体。

2.1.4焰熔法

将原料装在料斗内，下降通过倒装的氢氧焰喷嘴，将其熔化后沉积在保温

炉内的耐火材料托柱上，形成一层熔化层，边下降托柱边进行结晶。用这种方

法晶体生长速度快、工艺较简单，不需要昂贵的铱金坩埚和容器，因此较经济。

2.2活性陶瓷材料以羟基磷灰石陶瓷为例

2.2.1 固相反应法

这种方法与普通陶瓷的制造方法基本相同，根据配方将料磨细混合，在高

温下进行合成：1000-1300℃

6CaHPO

4·2H

2

O+4CaCO

3

═Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

+4CO

2

+4H

2

O

2.2.2 水热反应法

将CaHPO

4与CaCO

3

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：

6CaHPO

4+4CaCO

3

═Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

+4CO

2

+2H

2

O

2.2.3 反应法

此法用Ca(NO

3)

2

与(NH

4

)

2

HPO

4

进行反应，得到白色的羟基磷灰石沉淀。其反

应如下：

10Ca(NO

3)

2

+6(NH

4

)

2

HPO

4

+8NH

3

·H

2

O+H

2

O=Ca

10

(PO

4

)

6

(OH)

2

+20NH

4

NO

3

+7H

2