生物醫用陶瓷的研究發展
摘要:簡要介紹了生物醫用陶瓷的優良性能，并分別對惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷的種類、性能與應用做了深入的分析。概括了當今生物醫用陶瓷材料的發展現狀，并對其前景作了展望。
關鍵詞:物醫用陶瓷、惰性、活性、研究現狀、發展趨勢
The rearch 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、rearch status、developing trend
隨著材料科學的發展，生物材料由于具有對機體組織進行修復、替代與再生的特殊功能，已
成為當今生物醫學工程學中的重要組成部分。其研究內容涉及材料、醫學物理、生物化學和現代高技術等諸多學科領域。過去，應用最廣泛的生物醫學材料為金屬和有機材料，其存在著許多缺點。如金屬材料植入人體內后，容易發生腐蝕，產生對人體有毒的金屬離子，并且金屬磨屑會引起周圍生物組織發生變化等問題；而有機材料大多強度較低，難以滿足力學性能和耐久性的要求[1]。
陶瓷以它優異的性能已由單純的器皿發展為結構材料、功能材料。由日常生活進入到各行各業, 直到尖端科技領域，特別是在生物醫學領域也有廣泛的應用, 如人工牙、人工骨、人工關節等。這些主要用于人體內種植的陶瓷便稱為“生物陶瓷”, 生物陶瓷材料作為一種無機生物醫學材料，與生物組織具有良好的相容性和優異的親和性，穩定的物理化學性質，可滅菌性及無毒性等優點，越來越受到人們的重視。這是一個全球性關注的課題, 具有巨大的社會和經濟效益。
生物醫用陶瓷材料的研究作為一個多學科交叉領域，伴隨著材料科學、生物學、醫學、納米技術的突破性進展，在近十幾年中得到了迅猛的發展。特別是隨著組織工程研究和人們對材料與組織及細胞相互作用認識的不斷深入，對生物醫用陶瓷材料的性能和功能的要求
更高、更加多樣化，而材料的設計理念和制備技術的不斷創新使得相關材料的應用范圍或應用前景得到進一步拓展。從用于制作人工關節或口腔種植體的生物惰性陶瓷，到能夠與組織發生化學鍵合的生物活性材料，進而向具有基因激活、組織誘導功能、承載細胞的組織工程支架材料，以及具有藥物緩釋與靶向控釋功能的載體材料發展。納米技術與仿生技術的運用則使得生物醫用陶瓷材料的研究深入到分子水平。
一、生物醫用陶瓷的優良性能
生物陶瓷由于是高溫處理工藝所成的無機非金屬材料，因此具有金屬、高分子材料無法比擬的優點：
1、由于它是在高溫下燒結制成，其結構中包括鍵強很大的離子鍵或共價鍵, 所以具有良好的機械強度、硬度、壓縮強度高, 極其穩定；在體內難于溶解,不易氧化、不易腐蝕變質, 熱穩定性好,便于加熱消毒、耐磨、有一定潤滑性能，不易產生疲勞現象，而且和人體組織的親和性好, 幾乎看不到與人體組織的排斥作用，因此能滿足種植學要求。
2、陶瓷的組成范圍比較寬。可以根據實際應用的要求設計組成, 控制性能的變化。例如可
降解生物陶瓷在體內不同部位的使用中, 希望能針對被置換骨的生長特點獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則, 當降解速度超過骨生長速度時, 就會產生“死區”, 影響修復。如果向此類材料中添加適當比例的非降解性生物陶瓷, 就能調整降解速度, 滿足臨床要求。
3、陶瓷容易成型。可根據需要制成各種形態和尺寸, 如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型, 也可制成骨螺釘、骨夾板、制成牙根、關節、長骨、顱骨等。采用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨制品。
4、后加工方便，通常認為陶瓷很難加工, 但隨陶瓷加工設備和技術的進步, 現在陶瓷的切割、研磨、拋光等已是成熟的工藝。近年來又發展了可用普通金屬加工機床進行車銑、刨、鉆等的可切割性生物陶瓷, 利用玻璃陶瓷結晶化之前的高溫流動性, 可制成精密鑄造的玻璃陶瓷。
5、易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真, 利于整容、美容。
二、醫用陶瓷的分類
生物醫用陶瓷材料又稱生物醫用無機非金屬材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等無機非金屬材
料。此類材料化學性能穩定，具有良好的生物相容性。一般來說，生物陶瓷材料根據其在生物體內的活性可分為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學性能穩定，生物相 容性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結構都比較穩 定，分子中的鍵力較強，而且都具有較高的機械強度、耐磨性以及化學穩定性。主要由氧化陶瓷、非氧化陶瓷以及陶材組成，其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物應用最為廣泛。
2.1.1 氧化鋁陶瓷
早在1969年，Talbert[2]就將不同孔隙率的顆粒狀Al2O3陶瓷作為永久、永久性可移植骨假體，植入成年雜狗的股骨中進行實驗，發現多晶氧化鋁陶瓷對包括生物環境內的任何環境都呈現惰性及其優越的耐磨損性和高的抗壓強度。使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化鋁陶瓷材料已經應用于人造骨、人工關節及人造齒根的制作方面。
氧化鋁陶瓷植入人體后，體內軟組織在其表面生成極薄的纖維組織包膜，在體內可見纖維細胞增生，界面無化學反應，多用于全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接[3]。單晶氧化鋁陶瓷的機械性能更優于多晶氧化鋁，適用于負重大、耐磨要求高的部位。但是由于Al2O3屬脆性材料，沖擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，可能引起骨組織的應力，從而引起骨組織的萎縮和關節松動，在使用過程中，常出現脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結合。
目前，國外有關學者通過各種方法，使Al2O3陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提高[4],如在陶瓷表面涂上骨親和性高的陶瓷，特別是能和骨發生化學結合的磷灰石，已經制造出更加先進的人工關節。通過相變或微裂等方法，使材料內部產生微裂紋，只要微裂紋的尺寸足夠小，則均勻分布的微裂紋會起到應力分散的作用。也可以提高材料的韌性[5]。
2.1.2 氧化鋯陶瓷
部分穩定的氧化鋯和氧化鋁一樣, 生物相容性良好, 在人體內穩定性高, 且比氧化鋁斷裂韌性、耐磨性更高, 有利減少植入物尺寸和實現低摩擦、磨損, 用以制造牙根、骨、股關節、
復合陶瓷人工骨、瓣膜等。中國科學院上海硅酸鹽研究所的科學家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關節陶瓷涂層材料, 并獲得了國家發明獎。
2.1.3 惰性生物陶瓷的缺陷
惰性生物陶瓷在體內被纖維組織包裹或與骨組織之間形成纖維組織界面的特性影響了該材料在骨缺損修復中的應用，因為骨與材料之間存在纖維組織界面，阻礙了材料與骨的結合，也影響材料的骨傳導性，長期滯留體內產生結構上的缺陷，使骨組織產生力學上的薄弱。
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羥基, 還可做成多孔性, 生物組織可長入并同其表面發生牢固的鍵合; 生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收, 在生物體內能誘發新生骨的生長。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸鈣系）、羥基磷灰石陶瓷, 磷酸三鈣陶瓷等幾種。
2.2.1生物玻璃陶瓷
這種材料的主要成分是CaO?Na2O?SiO2?P2O5 ，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷, 與骨自然牢固地發生化學結合。醫學家們將這種材料植入人體, 只有一個月表面就形成SiO2膠凝層, 進而與骨骼形成化學鍵。目前此種材料已用于修復耳小骨, 對恢復聽力具有良好效果。但由于強度低, 只能用于人體受力不大的部位。
2.2.2羥基磷灰石陶瓷
羥基磷灰石陶瓷，簡稱HAP，化學式為Ca10(PO4)6(OH)2，屬表面活性材料，由于生物體硬組織(牙齒、骨)的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關注。
其制備一般可從分解動物的骨組織和人工合成獲得, 后者又分濕法和固相反應。但固相反應和灼燒哺乳動物骨骼在高溫中一部分羥基會丟失, 且難以消除雜相, 故少用。反應共沉淀是將鈣質原料和磷酸鹽或磷酸, 分別配制成合適濃度的液體, 按Ca /P 原子比1. 67，pH> 7, 控制適當溫度進行反應合成, 沉淀物經脫水干燥、高溫煅燒得淺綠色合成晶體的團聚體, 純度達99. 5%以上, 其化學組成主要為CaO、P2O5。單一的HAP 的成形和燒結性能較差,
易變形和開裂。加入ZrO2+ 、Y2O3 、ZnO 和含鎂鹽的CPM復合試劑等, 可使具有良好生物相容性和足夠機械強度, 且無毒。連續熱等靜壓燒結是制備理論密度的高致密HAP的有效方法。這種材料主要用作生物硬組織的修復和替換材料, 如口腔種植、牙槽脊增高、牙周袋填補、額面骨缺損修復、耳小骨替換等。由于機械強度不夠高, 只限用于以上不承受大載荷部位[6]。
為提高羥基磷灰石的力學性能，人們開展了致密HAP陶瓷的研究。研究得到的致密HAP機械性能得到了一定的提高，但表面顯氣孔率較小，植入人體內后，只能在表面形成骨質，缺乏誘導骨形成的能 力，僅可作為骨形成的支架[7]。因此，近年來，人們又將研究重點放在了多孔羥基磷灰石陶瓷方面。研究發現，多孔鈣磷種植體模仿了骨基質的結構，具有骨誘導性，它能為新生骨組織的長入提供支架和通道，因此植入體內后其組織響應較致密陶瓷有很大改善。
但羥基磷灰石的主要缺點在于本身的力學性能 較差、強度低、脆性大，這一缺點影響了它在醫學臨床的廣泛應用，同時也促使人們研究 HAP系列的各種復合材料，以期獲得力學性能優良、生物活性好的生物醫學復合材料。
2.2.3磷酸三鈣
磷酸鈣品類繁多, 但生物學感興趣的有六種, 作為人工骨生物磷酸鈣陶瓷研究較多的是β磷酸三鈣和羥基磷酸鈣。磷酸三鈣的化學組成與羥基磷灰石類似, 只是鈣磷比較羥基磷灰石低, 約為1. 5;在體內能降解, 其產物可隨體內新陳代謝而被吸收或排出體外。缺點是機械強度偏低, 經不起力的沖擊。
