生物医用陶瓷--论文

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生物医用陶瓷的研究发展摘要:简要介绍了生物医用陶瓷的优良性能，并分别对惰性生物陶瓷和活性生物陶瓷的种类、性能与应用做了深入的分析。概括了当今生物医用陶瓷材料的发展现状，并对其前景作了展望。关键词:物医用陶瓷、惰性、活性、研究现状、发展趋势TheresearchanddevelopmentofbiomedicalceramicAbstract:Thispaperbrieflyintroducestheexcellentpropertiesofbiomedicalceramic,andanalysthetypes,propertiesandapplicationsofbioinertceramicsandbioactiveceramicsdeeply.Itsummarizesthedevelopmentofbiomedicalceramiccurrently,andalsodescribesit’sprospects.Keywords:Biomedicalceramic、inertia、activity、researchstatus、developingtrend随着材料科学的发展，生物材料由于具有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能，已成为当今生物医学工程学中的重要组成部分。其研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域。过去，应用最广泛的生物医学材料为金属和有机材料，其存在着许多缺点。如金属材料植入人体内后，容易发生腐蚀，产生对人体有毒的金属离子，并且金属磨屑会引起周围生物组织发生变化等问题；而有机材料大多强度较低，难以满足力学性能和耐久性的要求[1]。陶瓷以它优异的性能已由单纯的器皿发展为结构材料、功能材料。由日常生活进入到各行各业,直到尖端科技领域，特别是在生物医学领域也有广泛的应用,如人工牙、人工骨、人工关节等。这些主要用于人体内种植的陶瓷便称为“生物陶瓷”,生物陶瓷材料作为一种无机生物医学材料，与生物组织具有良好的相容性和优异的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，越来越受到人们的重视。这是一个全球性关注的课题,具有巨大的社会和经济效益。生物医用陶瓷材料的研究作为一个多学科交叉领域，伴随着材料科学、生物学、医学、纳米技术的突破性进展，在近十几年中得到了迅猛的发展。特别是随着组织工程研究和人们对材料与组织及细胞相互作用认识的不断深入，对生物医用陶瓷材料的性能和功能的要求更高、更加多样化，而材料的设计理念和制备技术的不断创新使得相关材料的应用范围或应用前景得到进一步拓展。从用于制作人工关节或口腔种植体的生物惰性陶瓷，到能够与组织发生化学键合的生物活性材料，进而向具有基因激活、组织诱导功能、承载细胞的组织工程支架材料，以及具有药物缓释与靶向控释功能的载体材料发展。纳米技术与仿生技术的运用则使得生物医用陶瓷材料的研究深入到分子水平。一、生物医用陶瓷的优良性能生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料，因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点： 1、由于它是在高温下烧结制成，其结构中包括键强很大的离子键或共价键,所以具有良好的机械强度、硬度、压缩强度高,极其稳定；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，而且和人体组织的亲和性好,几乎看不到与人体组织的排斥作用，因此能满足种植学要求。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。例如可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中,希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则,当降解速度超过骨生长速度时,就会产生“死区”,影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷,就能调整降解速度,满足临床要求。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、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。4、后加工方便，通常认为陶瓷很难加工,但随陶瓷加工设备和技术的进步,现在陶瓷的切割、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、钻等的可切割性生物陶瓷,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。如陶瓷牙冠与天然牙逼真,利于整容、美容。二、医用陶瓷的分类生物医用陶瓷材料又称生物医用无机非金属材料，包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。一般来说，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。2.1惰性生物陶瓷材料生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定，生物相容性好的陶瓷材料。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。主要由氧化陶瓷、非氧化陶瓷以及陶材组成，其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物应用最为广泛。2.1.1氧化铝陶瓷早在1969年，Talbert[2]就将不同孔隙率的颗粒状Al2O3陶瓷作为永久、永久性可移植骨假体，植入成年杂狗的股骨中进行实验，发现多晶氧化铝陶瓷对包括生物环境内的任何环境都呈现惰性及其优越的耐磨损性和高的抗压强度。使氧化铝陶瓷材料成为最早获得临床应用的生物惰性陶瓷材料。目前氧化铝陶瓷材料已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面。氧化铝陶瓷植入人体后，体内软组织在其表面生成极薄的纤维组织包膜，在体内可见纤维细胞增生，界面无化学反应，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接[3]。单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，适用于负重大、耐磨要求高的部位。但是由于Al2O3 属脆性材料，冲击韧性较低，且弹性模量和人骨相差较大，可能引起骨组织的应力，从而引起骨组织的萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤，且不能直接与骨结合。目前，国外有关学者通过各种方法，使Al2O3陶瓷在韧性和相容性方面取得了显著提高[4],如在陶瓷表面涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关节。通过相变或微裂等方法，使材料内部产生微裂纹，只要微裂纹的尺寸足够小，则均匀分布的微裂纹会起到应力分散的作用。也可以提高材料的韧性[5]。2.1.2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。中国科学院上海硅酸盐研究所的科学家还研制成功了等离子喷涂氧化锆人工骨与关节陶瓷涂层材料,并获得了国家发明奖。2.1.3惰性生物陶瓷的缺陷惰性生物陶瓷在体内被纤维组织包裹或与骨组织之间形成纤维组织界面的特性影响了该材料在骨缺损修复中的应用，因为骨与材料之间存在纤维组织界面，阻碍了材料与骨的结合，也影响材料的骨传导性，长期滞留体内产生结构上的缺陷，使骨组织产生力学上的薄弱。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）、羟基磷灰石陶瓷,磷酸三钙陶瓷等几种。2.2.1生物玻璃陶瓷这种材料的主要成分是CaO•Na2O•SiO2•P2O5，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SiO2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。2.2.2羟基磷灰石陶瓷羟基磷灰石陶瓷，简称HAP，化学式为Ca10(PO4)6(OH)2，属表面活性材料，由于生物体硬组织(牙齿、骨)的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。其制备一般可从分解动物的骨组织和人工合成获得,后者又分湿法和固相反应。但固相反应和灼烧哺乳动物骨骼在高温中一部分羟基会丢失,且难以消除杂相,故少用。反应共沉淀是将钙质原料和磷酸盐或磷酸,分别配制成合适浓度的液体,按Ca/P原子比1.67，pH>7,控制适当温度进行反应合成, 沉淀物经脱水干燥、高温煅烧得浅绿色合成晶体的团聚体,纯度达99.5%以上,其化学组成主要为CaO、P2O5。单一的HAP的成形和烧结性能较差,易变形和开裂。加入ZrO2+、Y2O3、ZnO和含镁盐的CPM复合试剂等,可使具有良好生物相容性和足够机械强度,且无毒。连续热等静压烧结是制备理论密度的高致密HAP的有效方法。这种材料主要用作生物硬组织的修复和替换材料,如口腔种植、牙槽脊增高、牙周袋填补、额面骨缺损修复、耳小骨替换等。由于机械强度不够高,只限用于以上不承受大载荷部位[6]。为提高羟基磷灰石的力学性能，人们开展了致密HAP陶瓷的研究。研究得到的致密HAP机械性能得到了一定的提高，但表面显气孔率较小，植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架[7]。因此，近年来，人们又将研究重点放在了多孔羟基磷灰石陶瓷方面。研究发现，多孔钙磷种植体模仿了骨基质的结构，具有骨诱导性，它能为新生骨组织的长入提供支架和通道，因此植入体内后其组织响应较致密陶瓷有很大改善。但羟基磷灰石的主要缺点在于本身的力学性能较差、强度低、脆性大，这一缺点影响了它在医学临床的广泛应用，同时也促使人们研究HAP系列的各种复合材料，以期获得力学性能优良、生物活性好的生物医学复合材料。2.2.3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β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。目前,磷酸三钙主要制成多孔陶瓷作为骨骼填充剂,或作颅骨置换等。但在随后的研究中发现,磷酸三钙被植入后,溶解产物是“粒子”而不是“离子”,那些未被肌体吸收的粒子在基体体内聚集可能会引起淋巴结增生,对人体不利。与其他陶瓷相比,磷酸钙陶瓷更类似于人骨和天然牙的性质和结构在生物体内,羟基磷灰石的溶解是无害的,并且依靠从体液中补充Ca和PO4离子等形成新骨,可在骨骼接合界面产生分解、吸收和析出等反应,实现牢固结合。因此,各国都在积极研制,对其在生物体方面的应用寄予很大希望[8]。羟基磷灰石可用氯化钙和磷酸通过水溶液湿法反应、水蒸气中高温固相反应或者高温高压水蒸气下反应等方法合成。目前,已制成气孔率分别为50%和90%的多孔体,气孔率在0.1%以下的致密烧结体以及供固化用的粉料。用于人造骨、人造关节、人造鼻软骨、穿皮接头、人造血管和人造气管等。三、生物医用陶瓷需解决的问题及发展前景3.1生物医用陶瓷需解决的问题随着社会的进步,人类已不再满足简单模仿人体器官的形状,而是追求功能尽善尽美的新型材料。通过多年的研究摸索,我们仍有以下问题需要解决： 　（1）提高现有生物陶瓷的可靠性,提高其强度,降低杨氏模量,改善韧性。（2）深入研究种植体与骨界面的作用过程以及种植体与骨和软组织结合的机理,这对了解腐蚀、疲劳过程,摸索预防和控制的途径有重要意义。开展人工骨应用基础理论研究,建立和完善材料综合评判系统,以寻求在实验室条件下预测种植体变化和寿命的方法,为建立生物医学材料标准提供依据[9]。（3）提高非活性材料与生物的亲和作用及活性材料的强度。（4）目前除了喷涂HAP的钛合金外,其余HAP基生物材料还不能用于承载骨的置换,这对于材料科学是一个挑战[10]3.2生物医用陶瓷的发展前景综上，我们可以看出，生物陶瓷材料已得到了各国的高度重视并取得了巨大的发展，但是在韧性以及生物的相容性上仍存在不足，今后，生物陶瓷材料发展方向主要有：（1）通过研究与人体组织结构具有相同有机和无机成分的复合材料，提高现有生物陶瓷的可靠性、强度，改善韧性，使之与人体内部组织具有相似的力学性能。（2）开展人工骨应用基础理论研究，深入探索种植与骨界面的作用过程以及种植与骨和软组织结合的机理，开发与人体组织力学相适应性好，又具有促进组织生长的生物陶瓷材料[11]。（3）由于生物材料大多直接植入人体，这就要求其在人体内可以降解，不排异，研究在人体内可生物半降解的无机生物材料，同时，可根据人体在恢复过程中所需物质，研究含人体生理活性物质和有效微成分的无机生物材料[12]。（4）在移植陶瓷应用范围不断扩大基础上，人造血管和人造气管等软组织材料的应用将是今后的重点研究课题[13]。参考文献[1]王宙,李智,蔡军.生物陶瓷材料的发展与现状.大连大学学报[J],2001,22(6):57~62.[2]TalberCD,ThesisMS.ClemsonUniversity,Gemson,SouthCar-olina,1969.[3]陈德敏.生物陶瓷材料(二).口腔材料器械杂志[J],2005,14(4):210~212.[4]代新祥,等.人工关节的发展及未来.武汉工业大学学报[J],1998,20(4):12~14.[5]陈伟民,陈楷.ZrO2在微晶玻璃中的增韧作用.材料科学与工程[J],1998,16(3):73~76.[6]樱井良文等著,陈俊彦等译.新型陶瓷.北京:中国建筑工业出版社,1983.[7]张艳丽.生物陶瓷材料及其发展动态.中国陶瓷[J],2007,43(3):14~17.[8]金丹,裴国献,王前著.中国修复重建外科杂志,2000.[9]杨英惠.生物陶瓷植入体的发展前景.现代材料动态,2002.[10]谈国强,苗鸿雁,宁青菊等.生物陶瓷材料.北京:化学工业出版社,2006.[11]CalesB,StefaniY,LilleyE.JournalofBiomedicalMaterialsRe-search,1994,28(5):619~624.[12]唐绍裘等．生物陶瓷材料在生物材料中的应用．陶瓷工程，2000(12)：41~43． [13]赵海涛．生物陶瓷的研究与应用前景展望．长春光学精密机械学院学报，2002，25(3)：61~63．