[科普中國(guó)]-生物陶瓷

生物陶瓷(Bioceramics)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直接相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。作為生物陶瓷材料，需要具備如下條件：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。

發(fā)展生物陶瓷材料作為生物醫(yī)學(xué)材料始于18世紀(jì)初。1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒，而后在1871年，羥基磷灰石被人工合成。1894年，H.Dreeman報(bào)道使用熟石膏作為骨替換材料。1926年Bassett用X-射線衍射分析發(fā)現(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線譜相似。1928年，Leriche和Policard開(kāi)始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料。1930年，Naray-Szabo 和Mehmel獨(dú)立地應(yīng)用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結(jié)構(gòu)。1963年在生物陶瓷發(fā)展史上也是重要的一年，該年Smith 報(bào)告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料。由于技術(shù)方面的限制，直到1971年才有羥基磷灰石被成功研制并擴(kuò)大到臨床應(yīng)用的報(bào)道。1974年，Hench在設(shè)計(jì)玻璃成分時(shí)，曾有意識(shí)地尋求一種容易降解的玻璃，當(dāng)把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時(shí)，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng)，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼和牙齒的一部分。這種將無(wú)機(jī)材料與生物醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的開(kāi)創(chuàng)性研究成果，很快得到了各國(guó)學(xué)者的高度重視。

中國(guó)20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始研究生物陶瓷，并用于臨床。1974年開(kāi)展微晶玻璃用于人工關(guān)節(jié)的研究；1977年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得應(yīng)用；1979年高純氧化鋁單晶用于臨床，以后又有新型生物陶瓷材料不斷出現(xiàn)，并應(yīng)用于臨床。中國(guó)上海硅酸鹽研究所、華南理工大學(xué)、北京市口腔醫(yī)學(xué)研究所等單位對(duì)生物陶瓷都進(jìn)行了深入的研究。生物陶瓷的應(yīng)用范圍也正在逐步擴(kuò)大，現(xiàn)可應(yīng)用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒根、骨充填材料、骨置換材料、骨結(jié)合材料、還可應(yīng)用于人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經(jīng)皮引線可應(yīng)用于體內(nèi)醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)等。

分類生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷(如Al2O3，ZrO2等)和生物活性陶瓷(如致密羥基磷灰石，生物活性玻璃等)。

生物惰性陶瓷

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。如氧化鋁、氧化鋯以及醫(yī)用碳素材料等。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵合力較強(qiáng)，而且都具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性。

1． 氧化鋁生物陶瓷

單晶氧化鋁c 軸方向具有相當(dāng)高的抗彎強(qiáng)度，耐磨性能好，耐熱性好，可以直接與骨固定。已被用作人工骨、牙根、關(guān)節(jié)、螺栓。并且該螺栓不生銹，也不會(huì)溶解出有害離子，與金屬螺栓不同，勿需取出體外。60年代后期，廣泛用作硬組織修復(fù)。70年代至80年代中期，世界許多國(guó)家如美國(guó)、日本、瑞士等國(guó)家，都對(duì)氧化物陶瓷，特別是氧化鋁生物陶瓷進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用。由于氧化鋁陶瓷植入人體后表面生成極薄的纖維膜，界面無(wú)化學(xué)反應(yīng)，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及股骨和髖骨部連接。通過(guò)火焰熔融法制造的單晶氧化鋁，強(qiáng)度很高，耐磨性好，可精細(xì)加工，制成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化鋁，即剛玉，強(qiáng)度大，用于制作人工髖關(guān)節(jié)，人工骨，人工牙根和關(guān)節(jié)。單晶氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能更優(yōu)于多晶氧化鋁，適用于負(fù)重大、耐磨要求高的部位，但其不足之處在于加工困難。中國(guó)陶瓷在實(shí)驗(yàn)室研究水準(zhǔn)上完全可達(dá)到ISO 標(biāo)準(zhǔn)，但用于臨床仍有一定差距，材料未達(dá)到ISO 標(biāo)準(zhǔn)。

（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)于醫(yī)用氧化鋁植入制品的要求）

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**氧化鋁單晶的生產(chǎn)工藝：**氧化鋁單晶的生產(chǎn)工藝有提拉法、導(dǎo)模法、氣相化學(xué)沉積生長(zhǎng)法、焰熔法等。

a、提拉法

即是把原料裝入坩堝內(nèi)，將坩堝置于單晶爐內(nèi)，加熱使原料完全熔化，把裝在籽晶桿上的籽晶浸漬到熔體中與液面接觸，精密地控制和調(diào)整溫度，緩緩地向上提拉籽晶桿，并以一定的速度旋轉(zhuǎn)，使結(jié)晶過(guò)程在固液界面上連續(xù)地進(jìn)行，直到晶體生長(zhǎng)達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度為止。提拉籽晶桿的速度1.0-4mm/min 坩堝的轉(zhuǎn)速為10r/min，籽晶桿的轉(zhuǎn)速為25r/min

b、導(dǎo)模法

簡(jiǎn)稱EFG法。在擬定生長(zhǎng)的單晶物質(zhì)熔體中，放頂面下所擬生長(zhǎng)的晶體截面形狀相同的空心模子即導(dǎo)模，模子用材料應(yīng)能使熔體充分潤(rùn)濕，而又不發(fā)生反應(yīng)。由于毛細(xì)管的現(xiàn)象，熔體上升，到模子的頂端面形成一層薄的熔體面。將晶種浸漬到基中，便可提拉出截面與模子頂端截面形狀相同的晶體。

c、氣相化學(xué)沉積生長(zhǎng)法

將金屬的氫氧化物、鹵化物或金屬有機(jī)物蒸發(fā)成氣相，或用適當(dāng)?shù)臍怏w做載體，輸送到使其凝聚的較低溫度帶內(nèi)，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在一定的襯底上沉積形成薄膜晶體。

d、焰熔法

將原料裝在料斗內(nèi)，下降通過(guò)倒裝的氫氧焰噴嘴，將其熔化后沉積在保溫爐內(nèi)的耐火材料托柱上，形成一層熔化層，邊下降托柱邊進(jìn)行結(jié)晶。用這種方法晶體生長(zhǎng)速度快、工藝較簡(jiǎn)單，不需要昂貴的銥金坩堝和容器，因此較經(jīng)濟(jì)。

e、單晶氧化鋁臨床應(yīng)用。

它用作人工關(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。

2． 氧化鋯陶瓷

氧化鋯陶瓷(Zirconia Bioceramics)是以ZrO2為主要成分的生物惰性陶瓷，其顯著特征是具有高斷裂韌性、高斷裂強(qiáng)度和低彈性模量。氧化鋯(ZrO2)具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(Tm=2953K)，在生理環(huán)境中呈現(xiàn)惰性，具有很好的生物相容性。純氧化鋯具有三種同素異型體，在一定條件下可以發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變(相變)。在承受外力作用時(shí)，其 t 相向 m 相轉(zhuǎn)變的過(guò)程需吸收較高的能量，使裂紋尖端應(yīng)力松弛，增加裂紋擴(kuò)散阻力而增韌，因而具有非常高的斷裂韌性。

部分穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁一樣，生物相容性良好，在人體內(nèi)穩(wěn)定性高，且比氧化鋁斷裂韌性、耐磨性更高，有利減少植入物尺寸和實(shí)現(xiàn)低摩擦、磨損, 用以制造牙根、骨、股關(guān)節(jié)、復(fù)合陶瓷人工骨、瓣膜等。上海的科學(xué)家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關(guān)節(jié)陶瓷涂層材料，并獲得了國(guó)家發(fā)明獎(jiǎng)。

（用于外科植入的氧化鋁、氧化鋯陶瓷性能比較）

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氧化鋯陶瓷的制備工藝：自然界含有豐富的鋯英石(ZrSiO4)，采用化學(xué)法可以制備純氧化鋯粉體，加入助熔劑及適當(dāng)改性劑輔料后，經(jīng)成型、燒結(jié)得到氧化鋯陶瓷。

生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用：基于氧化鋯陶瓷優(yōu)良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高斷裂強(qiáng)度和低彈性模量，適合制作需承受高剪切應(yīng)力的人工關(guān)節(jié)。氧化鋯/氧化鋯對(duì)磨時(shí)，其磨損率是氧化鋁/氧化鋁對(duì)磨的磨損率的5000倍；但形成氧化/UHMWPE摩擦副時(shí)卻表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

3.碳素生物材料

自然界中碳的分布很廣，有單質(zhì)碳，但更多以化合物形式存在。單質(zhì)碳有多種同素異型體，主要有金剛石結(jié)構(gòu)、石墨結(jié)構(gòu)和無(wú)定形結(jié)構(gòu)。碳是生物惰性的材料，在人體中化學(xué)穩(wěn)定性好、無(wú)毒性、與人體組織親和性好、無(wú)排異反應(yīng)。特別需指出的是，無(wú)定形碳除具有優(yōu)良的機(jī)械性能外，可以調(diào)整組成和結(jié)構(gòu)改變其性能，滿足不同的應(yīng)用要求。無(wú)定形碳雖然不與人體組織形成化學(xué)鍵合，但允許人體軟組織長(zhǎng)入碳的空隙，形成牢固結(jié)合，碳周圍的人體軟組織可迅速再生，有人認(rèn)為無(wú)定形碳具有誘發(fā)組織生長(zhǎng)的作用。由于無(wú)定形碳獨(dú)特的表面組成和表面結(jié)構(gòu)，與血液長(zhǎng)期接觸引起的凝血作用非常小，不會(huì)誘發(fā)血栓，因而廣泛應(yīng)用作心血管材料。

在醫(yī)學(xué)中常用的無(wú)定形碳包括：低溫各向同性碳、玻璃狀碳、超低溫各向同性碳、類金剛石碳、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合碳材料。

A、低溫各向同性熱解碳(Low Temperature Isotropic Pyrolytic Carbon，LTIC)、玻璃狀碳(Glass Carbon)、超低溫各向同性碳(Ultralow Temperature Isotropic Carbon，ULTIC)均為無(wú)序晶格晶格，統(tǒng)稱為渦輪層碳。渦輪層碳(Turbostratic Carbon)的微觀結(jié)構(gòu)為無(wú)序結(jié)構(gòu)，看起來(lái)很復(fù)雜，但實(shí)際上與石墨結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。從生物醫(yī)學(xué)材料的觀點(diǎn)出發(fā)，渦輪層碳的最大特點(diǎn)是具有優(yōu)良的細(xì)胞生物相容性和抗凝血性，以LTIC和ULTIC更為突出。

（渦輪層碳素材料的性質(zhì)）

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B、玻璃狀碳。玻璃狀碳是一種不可石墨化的單塊碳，具有很高的各向同性特征，原生表面及斷面有玻璃體外貌特征，但僅限于外觀，并無(wú)硅酸鹽玻璃的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。玻璃狀碳由無(wú)規(guī)則的大約5nm的晶粒組成，具有非常低的孔隙率，對(duì)液體和氣體的滲透性很低。

C、類金剛石碳。類金剛石碳(Diamond-like Carbon，DLC)中除無(wú)定型結(jié)構(gòu)的碳之外，還包含有少量的金剛石微晶、石墨微晶等，其物理性能與金剛石非常相似。由于制備類金剛石的原料為碳?xì)浠衔?，因此在類金剛石中除碳外，還含有較多的碳－氫基團(tuán)；隨其中碳－氫基團(tuán)的種類和數(shù)量不同，類金剛石的性質(zhì)亦有較大變化。它具有高硬度（Hv (kg/mm2) 1200-1800）、高耐磨損、低摩擦系數(shù)、高耐腐蝕、組織相容和血液相容的優(yōu)良特性。其制備工藝包括：等離子體化學(xué)氣相沉積、離子束增強(qiáng)沉積、離子鍍和 PIII－IBED等。

（醫(yī)用碳素材料的應(yīng)用）

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生物活性陶瓷

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)。生物活性陶瓷具有骨傳導(dǎo)性，它作為一個(gè)支架，成骨在其表面進(jìn)行；它還可作為多種物質(zhì)的外殼或填充骨缺損。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣陶瓷等幾種。

1． 生物活性玻璃及玻璃陶瓷(Bioactive Glass & Glass-ceramics)

生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO-Na2O-S iO2-P2O5，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發(fā)生化學(xué)結(jié)合。它具有區(qū)別于其他生物材料的獨(dú)特屬性，能在植入部位迅速發(fā)生一系列表面反應(yīng)，最終導(dǎo)致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內(nèi)，無(wú)排斥、炎性及組織壞死等反應(yīng)，能與骨形成骨性結(jié)合；與骨結(jié)合強(qiáng)度大，界面結(jié)合能力好，并且成骨較快。目前此種材料已用于修復(fù)耳小骨，對(duì)恢復(fù)聽(tīng)力具有良好效果。但由于強(qiáng)度低，只能用于人體受力不大的部位。目前制備生物活性玻璃的方法主要是采用溶膠- 凝膠法制備，采用該方法制備的材料具有特殊的化學(xué)組成，納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)和微孔，因而比表面積較大，生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好。由于溶膠- 凝膠法制備的材料純度好、均勻性高、生物活性好和比表面積大等特點(diǎn)，具有更好的研究及應(yīng)用價(jià)值，特別是生物活性玻璃多孔材料在用作骨組織工程支架方面具有很好的前景。

生物活性玻璃及玻璃陶瓷最顯著的特征是植入人體后，表面狀況隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化，表面形成生物活性的碳酸羥基磷灰石(HCA)層，為組織提供了鍵合界面。

A、組成：生物活性玻璃的組成主要為：SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。生物活性玻璃陶瓷是在生物活性玻璃的基礎(chǔ)上，控制晶化得到的多晶體。與傳統(tǒng)鈉鈣硅體系玻璃相比，具有三大組成特征：SiO2含量低；Na2O、CaO含量高；CaO / P2O5比例高。

B、性質(zhì)：快速的表面反應(yīng)；無(wú)定形二維結(jié)構(gòu)使強(qiáng)度及斷裂韌性低；彈性模量(30-35MPa)低，與皮質(zhì)骨接近；可切削生物玻璃具有良好的加工性能。

C、制備工藝：生物活性玻璃的制備工藝與傳統(tǒng)的玻璃制備工藝基本相同，包括稱重、混合、熔合、熔化、均勻化、玻璃形成等。玻璃陶瓷則還需在一定的熱處理制度下控制玻璃成核與晶粒生長(zhǎng)。

D、臨床應(yīng)用：a) 45S5生物活性玻璃用于中耳小骨置換、頜骨缺損修復(fù)、牙周缺損修復(fù)、骨嵴維護(hù)植入體，不引起細(xì)胞損傷、無(wú)降解產(chǎn)物、無(wú)感染性。b) Ceravital生物活性玻璃陶瓷用于中耳外科手術(shù)，是一種低鈉、鉀的生物活性玻璃陶瓷。c) 磷灰石-硅灰石活性玻璃－－A-WGC，用作脊椎假體、胸、額骨修復(fù)以及骨缺損修復(fù)，已成功應(yīng)用于數(shù)萬(wàn)名患者。d) 可切削生物活性玻璃－MBGC]，主要用在頜面、脊椎、牙槽硬組織修復(fù)以及 口腔修復(fù)，其特點(diǎn)是優(yōu)良的可加工行及骨結(jié)合性。

2.磷酸鈣生物活性陶瓷

磷酸鈣陶瓷(CPC)是生物活性陶瓷材料中的重要種類，目前研究和應(yīng)用最多的是羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)。磷酸鈣陶瓷含有CaO和P2O5兩種成份，是構(gòu)成人體硬組織的重要無(wú)機(jī)物質(zhì)，植入人體后，其表面同人體組織可通過(guò)鍵的結(jié)合，達(dá)到完全親和。其中，HA在組成和結(jié)構(gòu)上與人骨和牙齒非常相似，具有較高的力學(xué)性能，在人體生理環(huán)境中可溶解性較低；TCP與骨的結(jié)合性好，無(wú)排異反應(yīng)，在水溶液中的溶解程度遠(yuǎn)高于HA，能被體液緩慢降解、吸收，為新骨的生長(zhǎng)提供豐富的鈣、磷，促進(jìn)新骨的生長(zhǎng)。除了這二者，磷酸鈣生物陶瓷還包括可降解、吸收的鋅－鈣－磷氧化物陶瓷(ZCAP)、硫酸鋅－磷酸鈣陶瓷(ZSCAP)、磷酸鋁鈣陶瓷(ALCAP)和鐵－鈣－磷氧化物陶瓷(FECAP)等。

A、組成和物化性能概述

磷酸鈣化合物的分類通常是按照具有的Ca/P原子比(鈣磷比)進(jìn)行，磷酸鈣陶瓷是具有不同鈣磷比磷酸鈣陶瓷的總稱。

（磷酸鈣按照Ca/P進(jìn)行分類）

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