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6.5生物陶瓷本章主要内容：1引言2生物陶瓷的发展简史3生物陶瓷应具备的性能4生物陶瓷的优点5生物陶瓷的种类6新型生物陶瓷及应用前景展望7生物陶瓷发展趋势1引言随着经济的发展和人口老龄化，以及工业、交通、体育等事故导致的创伤增加，人们对生物医用材料及其制品的需求量越来越大。近三十年来，生物医用材料的研究与开发取得了令人瞩目的成就，使数以百万计的患者获得康复，大大提高了骨伤患者的生活质量。由于陶瓷可在相当大的范围内改变其成分和结构，并影响其理化性能，因此，陶瓷已由单一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，陶瓷在生物医学领域也有广泛应用，如人工牙、人工骨、人工关节等。以人工关节为例，目前国内人工关节置换手术平均35000例/年，年销售额2.5亿人民币/年。随着经济的稳定发展、健康观念的更新进步，关节置换率将以每年约15%-20%的速度递增，将来有可能达到100万例/年的水平，也就是说，人工关节产品在中国有一个80亿人民币/年的潜在市场。从医用角度来看，生物材料属于功能材料范围，其主要功能是：(1)代替患病、缺损或衰老的骨组织；(2)矫治先天畸形；(3)恢复硬组织的形态或功能；(4)美容、整容等。这类人工骨材料伴随宿主一生，要经受复杂动态的生理环境的长期考验。2生物陶瓷的发展简史当今人类社会使用的材料可分为金属(及其合金)材料、有机材料和无机非金属材料三大类。这些材料都曾先后被用作人工硬组织的代替物，并在应用中取得了宝贵的经验、教训。回顾历史，可分为几个阶段。2.1人工骨研究的启蒙阶段18世纪前，主要采用天然材料作为骨修复材料，如柳枝、木、麻、象牙及贵金属等。2.2自然发展阶段约19世纪前，由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展，开始用纯金、纯银、铂等贵金属。2.3探索阶段本世纪中叶以前，由于冶金的进步，钴铬铝合金(1930年)、纯钛和钛合金(1940年)等被应用到人工骨领域，开始有目的地探索新材料，有机玻璃等高分子材料(1936年)也开始应用临床，并在医学种植技术与病例选择方面积累了丰富经验。但基础理论的研究还很不深入。2.4迅速发展阶段20世纪60年代初，在新技术革命浪潮推动下，材料科学迅速发展。人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料，其中最有代表性的生物陶瓷的研究和应用获得了突飞猛进的发展。生物陶瓷的发展虽然还不到50年，也同样经历了上述时期。起初以单晶氧化铝陶瓷为先导，随后是多晶氧化铝、表面呈珊瑚状的氧化铝等。其后是生物活性陶瓷，包括生物玻璃，羟基磷灰石和玻璃陶瓷类。自20世纪70年代起，生物陶瓷显露头角，世界各国相继开展了理论和应用研究，并且不断取得突破性进展。3生物陶瓷应具备的性能3.1与生物组织有良好的相容性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。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。3.2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。3.3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牙和骨缺损，就要求植入的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床冶疗过程中，操作简便，易于掌握。3.4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γ射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气全消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。4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，如陶瓷牙可与天然牙媲美，利于整容、美容。5生物陶瓷的种类根据生物组织的作用机理，能植入体内的生物陶瓷大致可分为三类：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷、可控表面活性陶瓷。5.1生物惰性陶瓷包括多晶氧化铝陶瓷、单晶氧化铝陶瓷、高密度羟基磷灰石陶瓷、碳素陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷等。它们植入生物体组织内不与生物体组织形成化学结合，在固定于生物体内时，这类材料具有较长期的稳定性。5.2生物活性陶瓷包括生物玻璃、低密度羟基磷灰石类陶瓷(锆-羟基磷灰石陶瓷、氟-羟基磷灰石陶瓷、钙-羟基磷灰石陶瓷)、磷酸钙玻璃陶瓷等。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。用这类材料制成的生物陶瓷，因为含有通过正常新陈代谢途径而进行置换的磷、钙、水、二氧化碳等元素和化合物，植入生物体内能逐渐被生物体所吸收。但其缺点是在被吸收过程中强度严重下降。5.3可控表面活性陶瓷是将生物陶瓷作表面涂层后得到具有抗疲劳强度并能与生物组织结合的一种活性陶瓷。中国科学院上海硅酸盐研究所研制成功的在金属人工骨及人工关节的表面用电弧等离子喷涂的生物陶瓷，就属于这种可控表面活性陶瓷。上述三类生物陶瓷，以氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷和羟基磷灰石陶瓷应用得最多，已经广泛用于口腔颌面外科手术。生物氧化铝陶瓷显微结构陶瓷牙齿及制造氧化锆陶瓷人工关节球陶瓷关节6新型生物陶瓷及应用前景展望6.1几种新型的生物陶瓷1)生物磁性材料一种新型的生物陶瓷是Fe2O3-Li2O-P2O5-SiO2-Al2O3-ZnO-Mg系统的磁性材料，可用于治疗肿瘤，也可将该材料与磷酸三钙材料复合制成人工骨材料用于修复骨缺损。2)改性羟基磷灰石目前，已研制出一种新型改性羟基磷灰石-含碳酸盐氟羟磷灰石材料，经初步生物学检测，证实该材料对比机体安全而无毒害作用，并且与HAP具有同样良好的细胞相容性。3)陶瓷-金属-高分子复合陶瓷金属、聚合体与陶瓷复合而成的生物陶瓷是较好的生物材料，它是把HAP粒子注入到超塑性钛合金中，现已通过磷酸化处理表面，成功地增强了生物纤维的性质，这种复合陶瓷可用于过滤器，人造导管等，它有很好的应用前景。6.2生物陶瓷的应用前景展望在医用方面，生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域，生物陶瓷有着不可估量的医用前景。1)人工陶瓷关节人们正在研制开发机械强度、韧性、硬度及化学稳定性优良，臼盖和骨头的吻合性能更好，且容易制作的陶瓷材料，更理想的是手术时不必切除支撑关节面的骨骼，仅仅用于修复关节面就可以的新型陶瓷材料和技术。2)骨骼填充陶瓷材料在骨髓细胞中包含有能分化成骨细胞的干细胞，所以预先从患者身上采一些骨细胞，把它放置于多孔性的人体活性陶瓷之中，在体外培养直至分化出骨芽细胞，再把它随同陶瓷埋人骨缺损部，这时骨形成就更有效，人们正期待着开发出这种骨填充陶瓷材料。3)临床可以成型的人工骨人们正期待研制成与骨缺损形状完全吻合的人工骨材料：把粉末和体液混合在一起后，数分钟内有流动性，然后固化，与周围的骨结合在一起，具有与人骨相似的力学性质，陶瓷人工骨可用注射器将它注人患部，来修复骨缺损部。4)用作放射治疗癌症的陶瓷放射疗法是以保存患部只杀癌细胞为目的，很多时候是体外照射，最理想的方法是只对体内癌部进行局部放射线照射，用高频感应热等离子体方法，可以得到只有YPO4微结晶组成的小球，有着很好的化学稳定性，用这些小球进行放疗治癌的动物试验正准备进行。5)热疗治癌的陶瓷正常细胞耐热温度为48℃左右，而癌细胞缺乏氧的供给，因而不耐热，在43℃左右便死亡，把强磁性陶瓷小球送入癌部，再把该部放于交流磁场下，那么磁性体就会因磁滞损耗而发热，从而达到只局部加热癌部的目的。现在正在开发有更加良好发热效率的强磁性微小球。7生物陶瓷发展趋势(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，最有希望的途径是研制复合材料，如金属-陶瓷复合、陶瓷纤维增强生物陶瓷、聚合物-陶瓷复合、骨胶原-生物陶瓷复合等。(2)深入研究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，这对了解腐蚀、疲劳过程，探索预防和控制的途径具有重要意义，也会为研制新材料提供信息。(3)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可靠依据；还应积极开展材料应用技术的研究，人们还没有超越模仿天然器官的阶段。这主要是材料应用技术的研究跟不上需要。这一技术应包括人体器官测量、分析、形态和结构设计，加工成型技术和评价技术。(4)需要外科医生、口腔医生紧密合作。除材料研究、应用技术外，临床适应症的选择和手术设计与实施也是种植成功的要素之一。(5)非活性生物陶瓷的强度较高，但与生物无亲和作用(如Al2O3陶瓷)；活性生物陶瓷具有亲和作用，可与生物体长在一起，但强度较低(如磷酸钙陶瓷)。在非活性陶瓷上涂敷活性生物陶瓷，使之兼具两者优点。(6)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。总之，要以无生命的陶瓷取代人体某部位有生命的组织，共同承担人体的生命功能，是生物陶瓷工作者一项长期、艰巨的科研课题，其核心是新材料的探索。这有待于各专业学者、专家的通力合作，协同攻关，以满足人们对生物陶瓷材料品种和数量的新要求。