生物医学陶瓷研究现状及发展趋势

生物医学陶瓷研究现状及发展趋势

随着科学技术的迅速发展，各学科之间互相交叉、渗透和结合，产生了许多边缘学科。在医学中，以口腔领面种植学、整（矫）形外科学为代表的一种边缘科学，就是现代硅酸盐工学中的陶瓷学科与现代生物医学工程学的结合。

据医学界的科学家和专家们估计，在九十年代，模拟人体组织的生物材料将得到进一步发展；在现有金属、高分子和生物陶瓷三大种植材料中，生物陶瓷的发展前景最好。如果生物陶瓷材料继续改进或提高其功能，不仅可作为口腔、颌面外科手术中的植入物和骨科手术的人工骨，还可作为人工关节及人造心脏瓣膜的材料。因此，世界很多国家都集中一定的人力物力在进行研究，希望有一个更大的突破。

一、生物陶瓷应具备的性能

生物陶瓷是一种能植入生物体内代替硬组织使用的材料。因此，应具有高度的生物学性能。其中包括：与生物组织有良好的相容性；适当的生物力学和生物学性能；良好的加工性和临床操作性；耐消毒灭菌性能，等等。

1、与生物组织有良好的相容性

这是指将生物陶瓷材料代替硬组织（牙齿、骨）植入人体内后，与机体组织（软组织、硬组织以及血液、组织液）接触时，具有良好的亲和性能。在体内正常代谢作用下，不致产生变质或变性。在机体正常发育和增生吸收过程中，材料能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。材料与机体软组织都具有良好的结合性。此外，还要求材料对周围组织无毒性、无刺激性、无致敏性、无免疫排斥性以及无致癌性。

2、有适当的生物力学和生物学性能

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。以口腔和领面种植学为例，要求植入的生物陶瓷应具有承受口腔内的静力和动力作用的足够强度，能发挥正常的咀嚼功能。特别是口腔硬组织的弹性模量必须相近似，以避免在功能作用下产生应力集中而造成对口腔硬组织的损伤和破坏，或造成新生骨的再吸收。

3、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造成的天然牙和骨

缺损缺失的生理外形，重建已丧失的生理功能。因此为修复这类复杂的牙、骨缺损，就要求种植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。

4、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。因此，无论是高压煮沸、液体浸泡、气体（环氧乙烷）或丫射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。植入前须进行严格的消毒灭菌处理。因此，无论是高压煮沸、液体浸泡、气体（环氧乙烷）或丫射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。二、生物陶瓷的种类

根据以上要求，科学家们进行了大量实验以检验及选择合适的生物陶瓷。实验方法是用小块陶瓷样品埋入动物体内或作组织培养，以观察其与生物组织的相容性[1]。结果表明只有少数陶瓷材料与生物组织有足够好的相容性，能植入生物体内。就目前来说，生物陶瓷大体有以下三类材料[1]。

1、接近惰性（inert）的材料[1,6]，如致密的氧化铝陶瓷。

2、能完全被吸收的陶瓷材料，如磷酸三钙（轻磷灰石）或者由它制成的陶瓷（1、2、6~11）。握磷灰石原为生物体硬组织（骨、牙齿）的主要成分，有人称之为人工骨[5]。用此材料制成的陶瓷植于生物体内能逐渐被生物体所吸收[1,7]。

3、可控表面活性陶瓷和生物玻璃[1,4]。将它作可控表面涂层后可以得到具有抗疲劳强度及能与生物组织相结合的活性植入物。中国科学院上海硅酸盐研究所研制成功在金属人工骨及人工关节的表面用电弧等离子喷涂生物陶瓷也为此种生物陶瓷[21]。

在上述三类生物陶瓷中，以氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷和经基磷灰石陶瓷应用得最多，已较广泛的用于口腔领面外科手术。

除上述三类生物陶瓷材料外，近来还发展了一种金属一陶瓷多孔复合种植材料。为了克服陶瓷材料的脆性，以钦金属作增强核，并模拟骨的成分结构，在钦金属的表面复合陶瓷。据报导，这种金属一陶瓷多孔复合种植材料与TC1，钦合金相比，

结合强度明显提高。经动物植入实验结果，随植人的时间推移，X线片所见骨密度不断增加，种植体与周围骨组织间隙消失，呈现骨的正常影象。医学家们认为，金属一陶瓷多孔复合种植材料是一种很有前途的复合种植材料。

三、生物陶瓷的优点

（1）由于生物陶瓷是在高温下烧结制成，具有良好的机械强度、硬度；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。

（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。

（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、领骨、颅骨等。

（4）后加工方便，现在陶瓷切割、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、钻等可切削性生物陶瓷。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，如陶瓷牙可与天然习媲美，利于整容、美容。

四、生物陶瓷材料的研究进展

1974—1975年，有学者发现羟基磷灰石（HAP）是脊椎动物的骨和齿的主要成分，与医用生物陶瓷中的其他材料相比，这种人工合成陶瓷与机体亲和性最为优良。目前这些人工合成的HAP已作为优良的人工骨材料及组织材料得到了广泛的应用（9）活性生物陶瓷是一种在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与人体组织形成化学键性结合的材料。目前主要包括羟基磷灰石、磷酸三钙及石膏等可降解吸收陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐地降解吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。随着医用生物陶瓷材料研究的深入，对医用生物陶瓷材料也提出了更高的要求。Edelhoff等[10]研究了过去的医用生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性。Sykaras等[11]从材料的组成和表面结构进行了对骨结合的影响研究。而现在组织电学适应性和能参与生物体物质及能量交换的功能，已成为生物材料应