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無機非金屬材料在生物醫學中的應用

更新時間:2023-06-10 23:26:08 閱讀：評論：0

無機非金屬材料在生物醫學中的應用

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【摘要】

介紹無機非金屬材料在生物醫學各個領域中的應用和發展前景等。

【關鍵字】

無機非金屬生物材料，惰性無機非金屬生物醫用材料，表面生物活性陶瓷材料，可吸收和降解生物陶瓷材料，臨床應用，前景。

【正文】

無機非金屬材料品種和名目極其繁多,用途各異,因此,還沒有一個統一而完善的。

無機非金屬材料分類

通常把它們分為普通的(傳統的)和先進的(新型的)無機非金屬材料兩大類。傳統的無機非金屬

材料是工業和基本建設所必需的基礎材料。如水泥是一種重要的建筑材料;耐火材料與高溫技術,尤其與鋼鐵工業的發展關系密切;各種規格的平板玻璃、儀器玻璃和普通的光學玻璃以及日用陶瓷、衛生陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷和電瓷等與人們的生產、生活休戚相關。它們產量大,用途廣。其他產品,如搪瓷、磨料(碳化硅、氧化鋁)、鑄石(輝綠巖、玄武巖等)、碳素材料、非金屬礦(石棉、云母、大理石等)也都屬于傳統的無機非金屬材料。新型無機非金屬材料是20世紀中期以后發展起來的,具有特殊性能和用途的材料。它們是現代新技術、新產業、傳統工業技術改造、現代國防和生物醫學所不可缺少的物質基礎。主要有先進陶瓷(advanced ceramics)、非晶態材料(noncrystal material〉、人工晶體〈artificial crys-tal〉、無機涂層(inorganic coating)、無機纖維(inorganic fibre〉等。

下面我們重點來談談無機非金屬材料在生物方面的應用

一、無機非金屬材料以及無機非金屬生物醫用材料的特點

無機非金屬材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱。無機非金屬材料的提法是20世紀40年

代以后,隨著現代科學技術的發展從傳統的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。

在晶體結構上,無機非金屬的晶體結構遠比金屬復雜，并且沒有自由的電子。具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質。

陶瓷不生銹、不燃燒，而且抗腐蝕，強度也比較好，可以大大彌補金屬材料和有機材料的缺陷。陶瓷不僅可以制成具有優良生物惰性的材料，而且也可以制成具有優良生物活性的材料。生物醫用材料根據在生物體內的活性，分為三類：惰性生物陶瓷材料，主要是氧化鋁陶瓷材料、碳質材料等，植入體內后與周圍組織之間形成纖維包膜；表面生物活性陶瓷材料，如生物醫用玻璃和玻璃陶瓷、羥基磷灰石等，植入體內后材料能與周圍組織形成牢固的化學鍵結合（骨性結合）；可吸收和降解生物陶瓷材料，主要是磷酸三鈣陶瓷材料，植入體內后會逐漸被降解、吸收，從而被新生組織替代。目前，約有40余種生物陶瓷材料在醫學、整形外科方面制成了50余種復制和代用品，發揮著非常重要的作用。

二、三類無機非金屬生物醫用材料的性能及應用

1、惰性無機非金屬生物醫用材料

●生物醫用陶瓷：

惰性生物醫用陶瓷主要分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷以及陶材三類。

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。

氧化物陶瓷：氧化鋁陶瓷

生物醫用氧化鋁陶瓷由高純三氧化二鋁組成。氧化鋁陶瓷（簡稱鋁瓷）是指主晶相為剛玉的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷在與機體組織的結合方面屬生物惰性材料。并且這種陶瓷還具有較高的機械強度、硬度、耐磨性和化學惰性。

醫用氧化鋁陶瓷的重要性能（按照ISO6474）

基本性能	重要性原因
高的抗腐蝕性優異的剛性及良好的表面拋光性能高楊氏模量和高抗壓強度高的機械強度高純度	保證生物惰性保證高耐磨性保證堅硬不變形保證良好的疲勞性能以及安全性和可靠性保證長期穩定性

由于氧化鋁陶瓷是生物惰性材料，在人體內不發生化學變化，對人體無害，親和性也很好，在臨床醫療中廣泛用于股骨、骨關節、牙根、骨修補物和骨骼螺栓等。Boutin等人1970年提出使用全氧化鋁陶瓷植入物，并且首次在臨床上使用氧化鋁陶瓷材料人工髖關節，之后又有許多國家開始廣泛使用氧化鋁陶瓷制作人工牙根、人工關節和人工骨。在近三十年的臨床實踐中，使用氧化鋁假體進行人工關節固定，取得了令人滿意的結果。現在高密度、高純氧化鋁陶瓷是內修復手術主要的關節材料，長期臨床實踐已經說明了氧化鋁陶瓷頭和聚乙烯臼之間具有優異的抗磨損性能。有學者復查了最近20年來，118例髖部手術的病人，期中86例使用骨水泥填充孔隙，32例沒有使用骨水泥填充而是用了三枚螺絲釘固定。不用骨水泥比用骨水泥獲得了滿意的效果，88.5%不用翻修，且在骨盆正位片上沒有測量到明顯的磨損。

氧化鋯陶瓷

純的氧化鋯不能作為醫用材料，因為在燒結過程中從高溫降到室溫以上時會發生從四方到單斜的晶相轉變，這一相轉變同時伴隨著3%~4%的體積擴展，使材料內部產生內應力和裂紋。加入氧化錳或氧化釔會抑制相變的發生。

由于具有更高的斷裂強度使得氧化鋯陶瓷能夠被設計成氧化鋁陶瓷不能達到的幾何尺寸和形狀仍然具有可靠性的髖關節頭。由于這些優異的力學性能，人們認識到可以將其應用在牙修復領域和膝關節股骨組件。另外，它還用在跖趾外科手術上（作為可拆卸的間隔罩杯）和肩修復手術上。氧化鋯與聚乙烯結合被證明與體外實驗中的氧化鋁與聚乙烯結合有相似的磨損率，但是在體內試驗中結果并不樂觀，在體內試驗中氧化鋯陶瓷的年磨損率會逐年增加，而氧化鋁相對變化平穩。

非氧化物陶瓷材料：非氧化物陶瓷材料是以難熔化合物為基礎制成的，而這些化合物又是由B、C、N、Al、Si形成，主要呈共價化學鍵形式，在極寬的溫度范圍和其它外作用條件下具有很高的穩定性。非氧化物陶瓷材料作為生物醫用材料的報道較少，主要用作硬組織的替換材料。例如碳化硅和氮化硅陶瓷材料。

●醫用碳材料：碳材料具有許多優良的性質，植入人體后化學穩定性好，與人體親和性好，沒有毒性，沒有排異反應。碳有許多同素異構體，在醫學上廣泛應用的主要包括熱解各項同性碳（LTI）和碳纖維復合材料，在早期使用的玻璃質碳因為使軟組織變黑而很少再用。下面是醫用碳材料的類型以及應用。

碳材料	醫用的重要原因以及應用
石墨	潤滑性能好，有些心臟瓣膜架用石墨集體表面涂覆熱解碳，有些瓣架是全熱解碳而瓣葉是石墨集體表面涂覆熱解碳。還可用作外置固定骨架。
熱解碳：耐久性、生物穩定性好。低溫各項同性熱解碳（LTIC）材料化學穩定性生物相容性非常好，以及有優良的力學性能	在臨床醫學中廣泛應用，如用于制造人工心臟瓣膜（幾乎是唯一可選用的機械瓣膜材料，目前先進的雙葉瓣膜都是用熱解碳為基本材料）、人工髖關節以及其它人工運動磨損表面（如牙齒），還具有罕見的抗血凝性能。
玻璃碳：屬于特殊碳材料	兼有碳材料和玻璃的特性，優點：密度小、抗滲透、各項同性、耐高溫耐腐蝕。
碳纖維：碳元素組成的特種纖維	比鋁輕、比鋼強、比人發細，柔軟可加工、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕。
碳/碳復合材料	高的比強度、高的斷裂韌性、耐腐蝕性。它的出現解決了傳統碳材料的強度與韌性問題，是一種極具潛力的新型生物醫用材料，在人體骨修復與骨替代材料（人工齒根、人工骨、人工關節）方面具有較好的應用前景。

●惰性生物玻璃和玻璃陶瓷

生物玻璃材料大致可分為兩類：1.非活性的近似惰性的2.生物活性的。

惰性玻璃陶瓷主要應用于口腔醫學領域：

云母系玻璃陶瓷：可鑄造玻璃陶瓷主要是由氧化硅、氧化鉀、氧化鎂等氧化物及少量氟化物組成的八硅氟云母晶體，還含有微量的氧化鋁和氧化鋅。	在口腔環境中耐腐蝕，與組織有良好的生物相容性，透明度高，收縮率小，邊緣適合性好的特點，而且與牙釉質的硬度接近而明顯低于烤瓷，所以可以制作各類嵌體，前牙及后牙的瓷全冠、瓷罩及樁冠。
白榴石玻璃陶瓷（IPS-Empress可鑄玻璃陶瓷就是一種白榴石強化陶瓷）	白榴石作為內部增強劑用于牙科陶瓷，以提高全瓷修復體的強度。由于具有良好的生物相容性，優良的耐磨性及耐腐蝕性，和獨特的美學性能，可用于制作前后牙的牙冠，還被制作嵌體和貼面。

2.表面活性無機非金屬生物醫用材料

●表面活性生物醫用玻璃和玻璃陶瓷

這類材料作為生物醫用材料具有金屬、高分子及生物惰性材料不可比擬的優勢，能與人體骨形成直接的化學結合。

類型	性能及應用
活性生物醫用玻璃：一般為CaO-SiO2-P2O5系統。	易溶解釋放一價或二價金屬離子，使生物玻璃表面具有溶解性。大量生物移植實驗都證明，生物玻璃的確能與生物組織相聯接。然而這種生物醫學玻璃抗折強度很低，不能用于強度要求高的人工骨和人工關節替換，它可以埋在拔牙后的齒槽孔內，防止齒槽骨萎縮，也可以用做中耳的錘骨等。
活性生物醫用玻璃陶瓷	1.系玻璃陶瓷：此種微晶玻璃的機械性能仍然較差，不能用于承重部位，只能用于聽小骨等不受力的部位。 2.系玻璃陶瓷：主要產品被制成顆粒型人工骨、致密牙根、多孔型塊骨、微孔型額骨并在一定范圍取得了臨床應用。 3.可切削生物玻璃陶瓷：實驗證明有很好的生物相容性，植入112d之后已于骨形成牢固結合。

近幾十年來，具有良好的生物相容性、生物活性和化學穩定性等優異性能的生物活性玻璃作為理想的骨移植材料得到了大量的發展及應用。早期主要應用是口腔方面，如用于下頜骨置換、牙周病治療、拔牙窩充填等。目前國際上已發展為產品的牙科用生物玻璃陶瓷有兩種：一是ERMI，形如牙根，用于牙根拔出后的牙窩填充，以防止牙床萎縮；其二是PERIOGLAS粉，用于治療牙周炎中牙根與牙床的脫裂。此外，生物玻璃也被用于耳聾方面的治療，如制成中耳骨，植入耳中，能是某些耳聾病人恢復不同程度的聽力；還用做人工喉管支架、眼晶狀體修復等。

●羥基磷灰石

羥基磷灰石簡稱HA，屬于磷酸鹽系無機非金屬材料。其化學成分和晶體結構與脊椎動物的骨和牙齒中的礦物成分非常接近。作為人和動物骨骼及牙齒的主要無機成分，羥基磷灰石具有良好的生物相容性，無生物毒性，是與骨組織生物相容性最好的生物活性材料，植入骨組織后能在界面上形成很強的化學鍵合，已經廣泛作為生物硬組織修復和替換的材料。

羥基磷灰石生物陶瓷的分類	性能及應用
致密型HA生物陶瓷	有較好的機械性能，有一定的可加工性，在臨床使用中極為方便，但植入人體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，主要用于人工齒根種植體。
多孔型HA生物陶瓷	優良的機械性能
復合型HA生物陶瓷	類似于多孔型HA陶瓷，具有良好的生物活性和機械性能。
混合型HA生物陶瓷	彌補了多孔和致密HA陶瓷的缺點，兼顧了兩者的優點，獲得較好的效果。制成的人工齒根，其機械強度與致密型HA生物陶瓷接近，而生物活性相當于多孔型HA生物陶瓷和復合型HA生物陶瓷。
涂層及復合HA材料	在提高材料的機械強度和力學性能方面有著較好的發展前景。