生物医学陶瓷研究现状及发展趋势

1生物医学陶瓷研究现状及发展趋势随着科学技术的迅速发展，各学科之间互相交叉、渗透和结合，产生了许多边缘学科。在医学中，以口腔领面种植学、整（矫）形外科学为代表的一种边缘科学，就是现代硅酸盐工学中的陶瓷学科与现代生物医学工程学的结合。据医学界的科学家和专家们估计，在九十年代，模拟人体组织的生物材料将得到进一步发展；在现有金属、高分子和生物陶瓷三大种植材料中，生物陶瓷的发展前景最好。如果生物陶瓷材料继续改进或提高其功能，不仅可作为口腔、颌面外科手术中的植入物和骨科手术的人工骨，还可作为人工关节及人造心脏瓣膜的材料。因此，世界很多国家都集中一定的人力物力在进行研究，希望有一个更大的突破。一、生物陶瓷应具备的性能生物陶瓷是一种能植入生物体内代替硬组织使用的材料。因此，应具有高度的生物学性能。其中包括：与生物组织有良好的相容性；适当的生物力学和生物学性能；良好的加工性和临床操作性；耐消毒灭菌性能，等等。1、与生物组织有良好的相容性这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。在体内正常代谢作用下，不致产生变质或变性。在机体正常发育和增生吸收过程中，材料能长期保持稳定状态，不发生生物退变性。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。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。以口腔和领面种植学为例，要求植入的生物陶瓷应具有承受口腔内的静力和动力作用的足够强度，能发挥正常的咀嚼功能。特别是口腔硬组织的弹性模量必须相近似，以避免在功能作用下产生应力集中而造成对口腔硬组织的损伤和破坏，或造成新生骨的再吸收。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天然牙和骨2缺损缺失的生理外形，重建已丧失的生理功能。因此为修复这类复杂的牙、骨缺损，就要求种植的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在临床治疗过程中，操作简便，易于掌握。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）或丫射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。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）或丫射线消毒后，材料均不能因此而产生变性，且在液体或气体消毒后，不能含有残留的消毒物质，以保证对机体组织不产生危害。二、生物陶瓷的种类根据以上要求，科学家们进行了大量实验以检验及选择合适的生物陶瓷。实验方法是用小块陶瓷样品埋入动物体内或作组织培养，以观察其与生物组织的相容性[1]。结果表明只有少数陶瓷材料与生物组织有足够好的相容性，能植入生物体内。就目前来说，生物陶瓷大体有以下三类材料[1]。1、接近惰性（inert）的材料[1,6]，如致密的氧化铝陶瓷。2、能完全被吸收的陶瓷材料，如磷酸三钙（轻磷灰石）或者由它制成的陶瓷（1、2、6~11）。握磷灰石原为生物体硬组织（骨、牙齿）的主要成分，有人称之为人工骨[5]。用此材料制成的陶瓷植于生物体内能逐渐被生物体所吸收[1,7]。3、可控表面活性陶瓷和生物玻璃[1,4]。将它作可控表面涂层后可以得到具有抗疲劳强度及能与生物组织相结合的活性植入物。中国科学院上海硅酸盐研究所研制成功在金属人工骨及人工关节的表面用电弧等离子喷涂生物陶瓷也为此种生物陶瓷[21]。在上述三类生物陶瓷中，以氧化铝陶瓷、玻璃陶瓷和经基磷灰石陶瓷应用得最多，已较广泛的用于口腔领面外科手术。除上述三类生物陶瓷材料外，近来还发展了一种金属一陶瓷多孔复合种植材料。为了克服陶瓷材料的脆性，以钦金属作增强核，并模拟骨的成分结构，在钦金属的表面复合陶瓷。据报导，这种金属一陶瓷多孔复合种植材料与TC1，钦合金相比，3结合强度明显提高。经动物植入实验结果，随植人的时间推移，X线片所见骨密度不断增加，种植体与周围骨组织间隙消失，呈现骨的正常影象。医学家们认为，金属一陶瓷多孔复合种植材料是一种很有前途的复合种植材料。三、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，如陶瓷牙可与天然习媲美，利于整容、美容。四、生物陶瓷材料的研究进展1974—1975年，有学者发现羟基磷灰石（HAP）是脊椎动物的骨和齿的主要成分，与医用生物陶瓷中的其他材料相比，这种人工合成陶瓷与机体亲和性最为优良。目前这些人工合成的HAP已作为优良的人工骨材料及组织材料得到了广泛的应用（9）活性生物陶瓷是一种在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与人体组织形成化学键性结合的材料。目前主要包括羟基磷灰石、磷酸三钙及石膏等可降解吸收陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐地降解吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。随着医用生物陶瓷材料研究的深入，对医用生物陶瓷材料也提出了更高的要求。Edelhoff等[10]研究了过去的医用生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性。Sykaras等[11]从材料的组成和表面结构进行了对骨结合的影响研究。而现在组织电学适应性和能参与生物体物质及能量交换的功能，已成为生物材料应4具备的条件。因此，新近又提出了功能活性生物材料。该材料具有以下特性：（1）模拟人体硬组织成分和结构的生物陶瓷材料该类材料是将天然有机物（如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等）和无机生物材料复合，以改善材料的力学性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性；（2）带有治疗功能的复合生物陶瓷材料。主要是指利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时，利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织，也是研究方向之一。目前功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很光明的。三氧化二钇（Y2O3）稳定的四方相二氧化锆（ZrO2）陶瓷（Y-TZP）因具有很高的室温强度和断裂韧性而引起人们的广泛关注。在制备过程中，为使Y-TZP具有良好的烧结性能和微观结构，这就要求使用的粉体组分分布均匀、颗粒细且分布窄、团聚度低。人们还在探索新的合成方法，如乳浊液法[13]等。纳米氧化锆目前主要作为生物惰性陶瓷使用，用于人工关节，牙科用作烤瓷材料来减小冠的脆性，但研究主要集中在和其他材料复合的增韧作用。（3）HAP-ZrO2复合生物陶瓷复合生物陶瓷是指生物用复相陶瓷的总称。由多种组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料。因具有特殊的生理学特性，在医学上用于矫形或修复，可植入人或动物体内。必须具备对生理环境的相容性，在长期使用下无毒性，不会带来细菌和导致肿瘤也不影响免疫力和新陈代谢。通常方法制备的羟基磷灰石人工骨植入物，其强度和韧性都较低，不能满足临床应用要求。Towler[14]运用纳米ZrO2在低温下烧结制备了高致密度的HAP-ZrO2复合生物陶瓷，运用纳米ZrO2降低了烧结温度，保证了HA不会在高温下分解，主相5仍为ZrO2相。这种分解常发生在传统的烧结过程中，要求1200℃的烧结温度。而且复合材料的强度高于纯HA。黄传勇等[15]采用化学共沉淀法制备了羟基磷灰石和二氧化锆超细粉。以此为原料，通过不同材料的优化组合，采用烧结法制备了HAP-ZrO2二元体系复合生物陶瓷材料，并通过X射线衍射（XRD）、红外光谱分析（FTIR）、透射电镜（TEM）及扫描电镜（SEM）等测试手段揭示了材料的矿物组成及显微结构。HAP-ZrO2二元体系复合生物陶瓷的抗折强度达到120Mpa，断裂韧性值为1.74MPa·m-1/2,几乎为纯HA的两倍,接近骨组织。致密骨的抗折强度为160MPa，断裂韧性值为2.2MPa·m-1/2。研究结果表明，复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料。现在国外已制备出含有ZrO2的纳米羟基磷灰石复合材料，其强度和韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼的相应性能。通过调节ZrO2与HAP含量，可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性。Silva等[16]研究了机体HA/ZrO2复合生物陶瓷材料的生物学反应，发现该材料的相容性符合植入材料的要求。Xu等[17]用多孔HA/ZrO2复合生物陶瓷复合BMP材料代替自体骨植入椎骨处，发现12周后复合材料成骨后抗拉强度和自体骨无明显差异，证明用多孔HA/ZrO2复合生物陶瓷材料代替自体骨作为骨的移植材料是可行的。Kim等[18]采用多孔的ZrO2骨支架，表面采用羟基磷灰石涂层，在二氧化锆和羟基磷灰石之间喷涂氟磷灰石，氟磷灰石主要是在高温下比较稳定，阻止了羟磷灰石与二氧化锆的反应。因为羟基磷灰石和二氧化锆的反应不仅使材料的机械性能降低，而且使材料的生物相容性降低。Kim等[19]采用在二氧化锆和羟基磷灰石复合粉体间加入氟化钙，然后烧结成型制成复合生物陶瓷材料，研究发现氟化钙可以阻止两者反应而获得要求的HA/ZrO2复合生物陶瓷材料。Li等[20]用SPS方法在高压下快速烧结制备HA/ZrO2复合生物陶瓷材料，减少了两者之间的反应。而Lee等[21]研究的结果显示，作为涂层HA/ZrO2材料的生物相容性比HA要差，没有观察到HA/ZrO2与骨结合。生物相容性由于ZrO2的加入受到了影响。这可能是由于喷涂的工艺使两者发生反应而导致的，所以要想既要增强材料的力学性能，而又不影响材料的生物相容性，就必须阻止ZrO2与HA反应。6五、生物陶瓷发展的热点5.1仿生材料近20年来，试图仿制天然生物材料、利用生物学原理设计和制造仿生物的材料，已成为生物材料研究领域极为活跃的前沿研究方向。生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性，能与活性骨形成化学结合，但它是脆性材料，限制了在某些条件下的应用。近年来发展起来的仿生法模仿了自然界生理磷灰石的矿化机制，使磷灰石层在类似于人体环境条件的水溶液中自然沉积出来。5.2纳米技术的应用纳米技术在20世纪90年代得以迅速发展，由于纳米材料具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米材料呈现出广阔的应用前景。近年来，纳米技术在生物材料领域的应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领域有广阔的应用前景。英国的Bonfield成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质，该物质有望取代目前骨科常用的合金材料，而且不易骨折，并能与正常骨组织连接紧密。传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医用材料，但是由于工艺上的原因，普通陶瓷很难避免材料的脆性等问题。由于纳米陶瓷晶粒尺寸很小，材料中的内在气孔和缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的韧性和强度，而随着晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的移动，这使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。5.3复合材料生物医用复合材料根据应用需要进行设计，由基体材料与增强材料或功能材料组