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生物陶瓷材料的性質(zhì)及其應(yīng)用 摘要:本文綜述了陶瓷的特殊性質(zhì)及其在相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)和利用，并闡述了生物陶瓷的應(yīng)用前景。 引言：生物陶瓷是材料工業(yè)的一個(gè)新領(lǐng)域，受到廣泛的重視。生物陶瓷憑借自身的特性可用來構(gòu)成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某些組織、器官，或增進(jìn)其功能。人體是由諸多組織與器官組成，當(dāng)其中一部分由于病變、老化或意外事故而喪失功能時(shí)，為取代與修補(bǔ)此類器官與組織的功能，并能夠與生體組織及體液連接使用，這就是生物陶瓷材料。 關(guān)鍵詞：生物活性陶瓷；生物惰性陶瓷；復(fù)合生物陶瓷材料；生物陶瓷的應(yīng)用 一：生物陶瓷材料的概念及種類: 生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統(tǒng)稱為生物陶瓷。做為生物陶瓷材料，需具備如下條件：生物相容性；力學(xué)相容性；與生物組織有優(yōu)異的親和性；抗血栓；滅菌性并具有很好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。[1] 生物陶瓷材料可分為生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷和復(fù)合生物陶瓷材料三類。生物陶瓷材料因其與人的生活密切相關(guān)，故一直倍受材料科學(xué)工作者的重視。 二：生物陶瓷材料的特性： 生物陶瓷不僅具有不銹鋼、塑料所具有的特性，而且具有親水性、能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性，主要作為生物硬組織的代用材料，用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面，生物陶瓷也可用于測(cè)量和診斷治療等。生物陶瓷作為硬組織的代用材料來說，主要分為生物惰性和生物活性兩大類。生物惰性陶瓷材料，即化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相溶性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強(qiáng)，而且都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性，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(zhǎng)入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點(diǎn)是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長(zhǎng)。 [2] 三：生物陶瓷材料的性質(zhì)及其應(yīng)用: 1．生物活性陶瓷： 生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰和陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。 1．1玻璃生物陶瓷 玻璃陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷。 玻璃陶瓷是由結(jié)晶相和玻璃相組成的，無氣孔，不同于玻璃，也不同于陶瓷。其結(jié)晶相含量一般為50%-90%，玻璃相含量一般為5%-50%，結(jié)晶相細(xì)小，一般小于1-2/μm，且分布均勻。因此，玻璃陶瓷一般具有機(jī)械強(qiáng)度高，熱性能好，耐酸、堿性強(qiáng)等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外就SiO2-Na2O-CaO-P2O5系統(tǒng)玻璃陶瓷，Li2O-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃陶瓷，SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF系統(tǒng)玻璃陶瓷等進(jìn)行了生物臨床應(yīng)用。發(fā)現(xiàn)它們具有良好的生物相溶性，沒有異物反應(yīng)。此外生物硬組織代用材料還有碳質(zhì)材料，二氧化鈦陶瓷，二氧化鋯陶瓷材料等多種。 1．2單晶生物陶瓷 單晶生物陶瓷是一種新型的生物陶瓷材料，屬氧化鋁單晶。氧化鋁單晶也稱寶石，添加劑不同，制得單晶材料顏色不同，如紅寶石、藍(lán)寶石等。氧化鋁單晶有許多特性，如機(jī)械強(qiáng)度、硬度、耐腐蝕性都優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷，其生物相溶性、安定性、耐磨性也優(yōu)于多晶氧化鋁陶瓷。 在臨床上用作人工關(guān)節(jié)柄與氧化鋁多晶陶瓷相比具有比較高的機(jī)械強(qiáng)度，不易折斷。它還可以作為損傷骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺釘，比用金屬材料制成的人工骨螺釘強(qiáng)度高?？梢约庸こ筛鞣N齒用的尺寸小、強(qiáng)度大的牙根，由于氧化鋁單晶與人體蛋白質(zhì)有良好的親合性能，結(jié)合力強(qiáng)，因此有利于牙齦粘膜與異齒材料的附著。 1．3羥基磷灰石生物陶瓷 合成的羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14，機(jī)械強(qiáng)度大于10MPa，對(duì)生物無毒，無刺激，生物相溶性好，不被吸收，能誘發(fā)新有的生長(zhǎng)。 當(dāng)醫(yī)用生物陶瓷置入人體內(nèi)以后，機(jī)體則會(huì)產(chǎn)生以下反應(yīng)：1.抗原抗體反應(yīng)；2.消化作用（吸收）；3.包裹化（異物膜）；4.炎癥反應(yīng)；5.腫物化；6.壞死。陶瓷作為骨缺損修復(fù)材料應(yīng)具有以下特性：1.無毒性；2.無致癌性；3.無致敏性；4.不破壞鄰近組織；5.不阻礙骨形成過程；6.易消毒；7.易成型；8.易處理；9.一定時(shí)間后可以形成新骨；10.內(nèi)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，使用中可耐負(fù)重[3]。 因而，植入陶瓷要求是與生物機(jī)體相容的，對(duì)生物機(jī)體組織無毒、無刺激、無過敏反應(yīng)、無致畸、致突變和致癌等作用。二要在體內(nèi)有長(zhǎng)期功能，且可靠性高，即在10年～20年的長(zhǎng)期使用中，不會(huì)降低強(qiáng)度，不發(fā)生表面變質(zhì)，對(duì)生物體無致癌作用等。三要易于在短期內(nèi)成形加工。四要容易滅菌。陶瓷不同于金屬，它具有強(qiáng)共價(jià)鍵性質(zhì)，即使在生物體內(nèi)苛刻的化學(xué)條件下，也具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，排異反應(yīng)遲緩，具備長(zhǎng)期使用的機(jī)械性質(zhì)。與有機(jī)高分子材料相比，生物體陶瓷耐熱性好，便于進(jìn)行高壓滅菌。同時(shí)，它具有一定的力學(xué)要求，不僅具有足夠的強(qiáng)度，不發(fā)生災(zāi)難性的脆性破裂、疲勞、蠕變和腐蝕破裂等，而且其彈性形變應(yīng)當(dāng)和被替換的組織相匹配。這些對(duì)生物陶瓷的研究提出了更為客觀的要求。 目前已經(jīng)實(shí)用的植入陶瓷的品種如表所示。植入陶瓷的品種、用途生物活性陶瓷材料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(zhǎng)入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合。這類陶瓷在生物體內(nèi)基本不被吸收，材料有微量溶解，能促進(jìn)委員會(huì)體周圍新骨生成，并與骨組織形成牢固的化學(xué)鍵結(jié)合。生物吸收性陶瓷的特點(diǎn)是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能誘發(fā)新生骨的生長(zhǎng)。根據(jù)使用情況，生物陶瓷又可分為與生物體相關(guān)的植入陶瓷和與生物化學(xué)相關(guān)的生物工藝學(xué)陶瓷。前者植入體內(nèi)以恢復(fù)和增強(qiáng)生物體的機(jī)能，是直接與生物體接觸使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分離細(xì)菌和病毒以及作為生物化學(xué)反應(yīng)的催化劑，是使用時(shí)不直接與生物體接觸的生物陶瓷。植入陶瓷又稱生物體陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心臟瓣膜、人造血管和其他醫(yī)用人造氣管和穿皮接頭等[4]。 2．生物惰性陶瓷材料： 生物惰性陶瓷主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相溶性好的陶瓷材料。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵力較強(qiáng)，而且都具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，耐磨性以及化學(xué)穩(wěn)定性。植入骨組織后，能和骨組織產(chǎn)生直接的、持久性的骨性接觸，界面外一般無纖維組織介入，形成骨融合。它主要有氧化鋁陶瓷、單晶陶瓷、氧化鋯陶瓷、玻璃陶瓷等。使用最廣泛的惰性生物陶瓷是氧化鋁陶瓷和生物碳。致密、高度拋光的氧化鋁陶瓷在生理環(huán)境中具有高的抗壓強(qiáng)度、低的摩擦系數(shù)和磨損率，并能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，主要用于人造關(guān)節(jié)結(jié)合部的球和臼，也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。 3．復(fù)合生物陶瓷材料 復(fù)合生物陶瓷是指生物用復(fù)相陶瓷的總稱。由多種組分構(gòu)成，含有多相的生物用陶瓷材料。 Ivanchenko等人用硅硼酸鈉玻璃來增強(qiáng) HA，當(dāng)玻璃相為59%、燒結(jié)溫度小于 1000℃、孔隙率為 33%時(shí)，得到 HA的機(jī)械強(qiáng)度為47MPa。Towler運(yùn)用納米 ZrO 2在低溫下燒結(jié)制備了高致密度的 HA-ZrO 2復(fù)合生物陶瓷。該技術(shù)由于使用了納米 ZrO 2，故降低了燒結(jié)溫度。因 HA分解常發(fā)生在燒結(jié)過程中，但在 1200℃燒結(jié)時(shí)，因燒結(jié)溫度較低，故避免了 HA的分解，使主晶相仍為HA，且復(fù)合材料的強(qiáng)度高于純 HA。黃傳勇等采用化學(xué)共沉淀法制備了羥基磷灰石和二氧化鋯超細(xì)粉，并以此為原料，通過不同材料的優(yōu)化組合，用燒結(jié)法制備了 HA-ZrO2二元體系復(fù)合生物陶瓷材料，其抗折強(qiáng)度達(dá)到120MPa，斷裂韌性值為 l.74MPam -1/2，幾乎為純 HA的兩倍，接近骨組織（致密骨的抗折強(qiáng)度為 160MPa，斷裂韌性值為 2.2 MPam -1/2）。 研究結(jié)果表明，復(fù)合生物陶瓷材料具有較好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，是一種很有應(yīng)用前景的復(fù)合生物陶瓷材料?，F(xiàn)在國(guó)外已制備出含有 ZrO2的納米羥基磷灰石復(fù)合材料，其強(qiáng)度和韌性等綜合性能可達(dá)到甚至超過致密骨骼的相應(yīng)性能。另，通過調(diào)節(jié) ZrO 2與 HA含量，可使該納米復(fù)合人工骨材料具有優(yōu)良的生物相容性。Silva等研究了機(jī)體 HA/ZrO 2復(fù)合生物陶瓷材料的生物學(xué)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)該材料的相容性符合植入材料的要求。 四:生物陶瓷的發(fā)展前景: 生物硬組織代用材料有體骨、動(dòng)物骨，后來發(fā)展到采用不銹鋼和塑料，由于這些生物材料在生物體中使用，不銹鋼存在溶析、腐蝕和疲勞問題，塑料存在穩(wěn)定性差和強(qiáng)度低的問題。目前世界各國(guó)相繼發(fā)展了生物陶瓷材料，它不僅具有不銹鋼塑料所具有的特性，而且具有親水性、能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性。因此生物陶瓷具有廣闊的發(fā)展前景。 這種陶瓷的歷史很短，基礎(chǔ)研究從1965年開始，而臨床研究則是從1975年開始。在２０世紀(jì)７０年代～８０年代開發(fā)研制各種陶瓷材料，到９０年代已能真正應(yīng)用于人體生物體的修復(fù)，已在臨床現(xiàn)場(chǎng)取得重要成果。近年來，生物陶瓷材料的研究與應(yīng)用于臨床治療取得重大突破。如在生物陶瓷取代人體關(guān)節(jié)、骨骼修復(fù)、藥理功能與治療癌癥方面都有許多新的進(jìn)展，有的已成功運(yùn)用于臨床治療，取得療效[5]。 現(xiàn)在在生物陶瓷研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的美國(guó)、日本，及其他國(guó)家的科學(xué)家們、正在利用陶瓷材料所具有的特性，開發(fā)具有新功能的生物材料，展現(xiàn)出美好的前景。 參考文獻(xiàn)： [1].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2001,20(3):278-280 [2]鐘銳等 .骨組織工程支架材料生物陶瓷的研究進(jìn)展，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2005,26(4):26-28 [3]于方麗等 .羥基磷灰石生物材料的研究現(xiàn)狀、制備及發(fā)展前景.陶瓷，2006.2:7-12 [4]唐佩福等. 多孔結(jié)構(gòu)對(duì)碳酸化羥基磷灰石骨水泥溶解度的影響. 北京生物醫(yī)學(xué)工程.2006,6(3):296-299 [5] 王宙等 .生物陶瓷材料的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào)， 2001,22(6):57-61