生物陶瓷材料(科學)

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，即直接用於人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。

基本介紹

• 中文名：生物陶瓷
• 外文名：Bioceramics
• 作用：套用於生物學、醫學、生物化學

概念：

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，即直接用於人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。廣義講，凡屬生物工程的陶瓷材料統稱為生物陶瓷。

做為生物陶瓷材料，需具備如下條件：生物相容性；力學相容性；與生物組織有優異的親和性；抗血栓；滅菌性並具有很好的物理、化學穩定性。生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物複合材料三類。生物陶瓷材料因其與人的生活密切相關，故一直倍受材

料科學工作者的重視。

生物陶瓷發展概況

生物陶瓷材料作為生物醫學材料始於18 世紀初。

1808 年初成功製成了用於鑲牙的陶齒，而後在1871 年，羥基磷灰石被人工合成。1894 年，H.Dreeman報導使用熟石膏作為骨替換材料。1926 年，Bassett 用X- 射線衍射分析發現骨和牙的礦物質與羥基磷灰石的X射線譜相似。1928 年，Leriche 和Policard 開始研究和套用磷酸鈣作為骨替換材料。1930 年，Naray-Szabo 和Mehmel 獨立地套用X-ray 衍射分析確定了氟磷灰石的結構。1963 年在生物陶瓷發展史上也是重要的一年，該年Smith 報告發展了一種陶瓷骨替代材料。由於技術方面的限制，直到1971 年才有羥基磷灰石被成功研製並擴大到臨床套用的報導。

1974 年，Hench 在設計玻璃成分時，曾有意識地尋求一種容易降解的玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內作為骨骼和牙齒的替代物時，發現有些材料中的組織可以和生物體內的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的性質，構成新生骨骼和牙齒的一部分。這種將無機材料與生物醫學相聯繫的開創性研究成果，很快得到了各國學者的高度重視。

中國20 世紀70 年代初期開始研究生物陶瓷，並用於臨床。1974 年開展微晶玻璃用於人工關節的研究；1977 年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得套用；1979 年高純氧化鋁單晶用於臨床，以後又有新型生物陶瓷材料不斷出現，並套用於臨床[7]。中國上海矽酸鹽研究所、華南理工大學、北京市口腔醫學研究所等單位對生物陶瓷都進行了深入的研究。

生物陶瓷的套用範圍也正在逐步擴大，現可套用於人工骨、人工關節、人工齒根、骨充填材料、骨置換材料、骨結合材料、還可套用於人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經皮引線可套用於體內醫學監測等。

生物陶瓷材料發展動態

生物材料工業的全球年營業額約為120 億美元，其中硬組織的修復和替換占了23 億[8]，據不完全統計，在世界範圍內，已有50 萬例全髓置換，並且正以每年近10萬例的數目增長。

生物陶瓷材料雖然已成功地套用到人類硬組織上，但仍存在各種問題，為此對生物陶瓷材料的研究日益加強。

2.1 羥基磷灰石生物陶瓷材料

生物活性陶瓷中套用最多的是羥基磷灰石(hydroxyapatite，簡稱HA 或HAP)。羥基磷灰石是人體和動物骨骼的主要無機成分，對於羥基磷灰石材料的研究成了國內外生物醫用材料領域的主要課題之一。羥基磷灰石具有良好的生物相容性，植入體內不僅安全、無毒，還具有一定的骨傳導性。Poter 等人發現不同百分比的摻Si 的HA 的溶解速率是1.5wt%Si-HA>0.8wt%Si-HA>純HA[9]，這表明Si 的引入可加速HA 的溶解，同時HA界面增加的Ca、P、Si 離子可加速骨磷灰石的沉澱及陶瓷表面的骨的形成，從而增加了HA 的生物活性。MarkT 等人評估了幾種HA 的溶解性和降解速率後發現，經過燒結的HA 由於高的結晶性以及沒有可置換的離子，所以其溶解度較其它HA 更低[9]。這表明結晶是影響HA降解的一個因素，且高結晶的HA 比貧晶的HA 更穩定而不易降解。他們同時發現，顆粒越大，其溶解度和降解率越低。

就羥基磷灰石生物陶瓷來說，目前從緻密向多孔發展是一個引人矚目的課題[10]。針對HA 生物陶瓷力學性能差的特點，人們首先進行的是緻密HAP 陶瓷的研究。緻密HA 的表面顯氣孔率較小，經電鏡觀察孔徑為80μm，有較好的機械性能。緻密HA 具有一定的可加工生物陶瓷材料及其發展動態性，在臨床使用中極為方便，但因其植入人體內後，只能在表面形成骨質，缺乏誘導骨形成的能力，僅可作為骨形成的支架，主要用於人工齒根種植體。

近10 年來，多孔羥基磷灰石陶瓷受到重視，其巨觀多孔生物材料的興起，更加引起了材料工作者的極大興趣，取得了相應的科研成果[11-13]。如果植入骨基質的替換物為骨單位提供支持框架，則骨單位可以此為依託生長，骨缺陷可以重建和修復，如果為骨缺陷提供骨基質替換物在孔隙結構上與骨單位及脈管連線方式相一致，則植入材料會促進骨組織的重建。因此，植入體( 生物陶瓷) 應當模仿骨結構，在充分研究骨結構的基礎上，應加快設計生物陶瓷種植體的形狀及結構。

對於多孔生物陶瓷種植體而言，孔徑、氣孔率及孔的內部連通性是骨長入方式和數量的決定因素。孔隙的大小應滿足骨單位和骨細胞生長所需的空間，當種植體內部連通氣孔和孔徑為5-40μm 時允許纖維組織長入；孔徑為40-100μm 時允許非礦化的骨樣組織長入；孔徑大於150μm 時能為骨組織的長入提供理想場所；孔徑大於200μm 是骨傳導的基本要求；孔徑為200-400μm 最有利於新骨生長。

多孔HA 具有誘導骨形成的作用和能力，研究表明，多孔HA 植入人體後能使界面的軟硬組織都長入孔隙內，形成纖維組織和新生骨組織交叉結合狀態，能保持正常的代謝關係。多孔HA 生物陶瓷因其強度較低，只能用於一些強度相對低的部位，在口腔醫療中主要用於頜骨的置換及修補，在外科醫療主要用於整容。

2.2 磷酸鈣生物陶瓷材料

目前廣泛套用的生物降解陶瓷為β- 磷酸三鈣( 簡稱β-TCP)，屬三方晶系，鈣磷原子比為1.5，是磷酸鈣的一種高溫相。β-TCP 的最大優勢就是生物相容性好，植入機體後與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。其不足是高切口敏感性導致的低疲勞強度，較高剛性和脆性使其難以加工成型或固定鑽孔。

基於仿生原理，製備類似於自然組織的組成、結構和性質的理想生物陶瓷，應該是生物陶瓷的一個發展方向。磷酸鈣鹽生物陶瓷人工骨，雖然與骨鹽的組成相同，但不同部位的骨性質是不盡相同的，為此組成和結構類似於骨骼連續變化的多孔磷酸鈣陶瓷的研究是正在進行的非常有價值的課題。

對於可生物降解的磷酸鈣生物陶瓷而言，磷酸鈣陶瓷在體內從無生命到有生命的轉變過程，即無機物的鈣磷是如何轉變成為生物體內的有機鈣磷，其中是否存在一個晶型轉變或晶型轉變的過程是如何進行的；材料降解後其產物在體內的分布和代謝途徑以及各分支的量的關係等等也應引起材料工作者的高度重視。

鈣磷比在決定體內溶解性和吸收趨勢上起著重要作用，所以和HA 相比，TCP 更易於在體內溶解，其溶解度約比HA 高10-20 倍。β-TCP 的降解速率與其表面構造、結晶類型、孔隙率及植入動物的不同有關。例如，隨表面積增大，結晶度降低、晶體結晶完整性下降、晶粒減小以及CO32- 、F-、Mg2+ 等離子取代而使降解加快。為此控制β-TCP 的微觀結構及組成，可以製備出不同降解速度的材料。

Jorg Handschel 等人研究發現在無負重骨處沒有直接和TCP 相連的骨，同樣在界面處也沒有造骨細胞，而這部分是由於TCP 降解後導致介質酸化所造成的[9]。這同樣也證明了介質的pH 值不會隨所使用的TCP 顆粒的濃度而改變，它取決於造骨細胞和顆粒直接的相互作用，包括造骨細胞功能的減弱。Inone 等人研究發現，TCP 從

第三周起開始降解，同時從第三周起骨開始形成，他們還比較了空隙率分別為50%、60%、75% 的TCP 的性能，發現75% 的TCP 是較好的骨替代物，但機械強度不高，只能用於無負重處或與固定裝置結合[9]。此外，用Si 穩定TCP 可以增加其骨傳導性和骨組織的修復。

磷酸鈣陶瓷的主要缺點是其脆性。緻密磷酸鈣陶瓷可以通過添加增強相提高它的斷裂韌性，多孔磷酸鈣陶瓷雖然可被新生骨長入而極大增強，但是在再建骨完全形成之前，為及早代行其功能，也必須對它進行增韌補強。磷酸鈣陶瓷基複合材料，已經成為磷酸鈣生物陶瓷的發展方向之一[14]。

2.3 複合生物陶瓷材料

複合生物陶瓷是指生物用復相陶瓷的總稱。由多種組分構成，含有多相的生物用陶瓷材料。

生物陶瓷的強度是一個非常重要的指標，為了提高生物陶瓷的強度，許多材料工作者進行了深入的探討

Ivanchenko 等人[9] 用矽硼酸鈉玻璃來增強HA，當玻璃相為59%、燒結溫度小於1000℃、孔隙率為33% 時，得到HA 的機械強度為47MPa。Towler 運用納米ZrO2在低溫下燒結製備了高緻密度的HA-ZrO2 複合生物陶瓷。該技術由於使用了納米ZrO2，故降低了燒結溫度。因HA 分解常發生在燒結過程中，但在1200℃燒結時，因燒結溫度較低，故避免了HA 的分解，使主晶相仍為HA，且複合材料的強度高於純HA[15]。黃傳勇等[16] 採用化學共沉澱法製備了羥基磷灰石和二氧化鋯超細粉，並以此為原料，通過不同材料的最佳化組合，用燒結法製備了HA-ZrO2 二元體系複合生物陶瓷材料，其抗折強度達到120MPa， 斷裂韌性值為l.74MPa·m-1/2， 幾乎為純HA的兩倍，接近骨組織（緻密骨的抗折強度為160MPa，斷裂韌性值為2.2 MPa·m-1/2）。

研究結果表明，複合生物陶瓷材料具有較好的力學性能、化學穩定性和生物相容性，是一種很有套用前景的複合生物陶瓷材料[13,22,23]。現在國外已製備出含有ZrO2 的納米羥基磷灰石複合材料，其強度和韌性等綜合性能可達到甚至超過緻密骨骼的相應性能。另，通過調節ZrO2 與HA 含量，可使該納米複合人工骨材料具有優良的生物相容性。Silva 等[17] 研究了機體HA/ZrO2 複合生物陶瓷材料的生物學反應，發現該材料的相容性符合植入材料的要求。

Kim 等[18] 採用多孔的ZrO2 骨支架，表面採用羥基磷灰石塗層，在二氧化鋯和羥基磷灰石之間噴塗氟磷灰石（氟磷灰石在高溫下比較穩定，可阻止羥磷灰石與二氧化鋯的反應。因為羥基磷灰石和二氧化鋯的反應不僅使材料的機械性能降低，而且會使材料的生物相容性降低），製備出了符合要求的生物陶瓷材料。Kim 等[19] 採用在二氧化鋯和羥基磷灰石複合粉體間加入氟化鈣，然後燒結成型製成複合生物陶瓷材料。研究發現氟化鈣可以有效地阻止兩者反應，可獲得良好的HA/ZrO2 複合生物陶瓷材料。

Li 等[20] 用SPS 方法在高壓下快速燒結製備HA/ZrO2 複合生物陶瓷材料，減少了兩者之間的反應。而Lee 等[21] 研究的結果顯示，作為塗層HA/ZrO2 材料的生物相容性比HA 要差，沒有觀察到HA/ZrO2 與骨結合。生物相容性由於ZrO2 的加入受到了影響，這可能是由於噴塗的工藝使兩者發生反應而導致的。為此，為了既考慮要增強材料的力學性能，而又不影響材料的生物相容性，就必須阻止ZrO2 與HA 反應。

2.4 塗層生物陶瓷材料

在諸多生物骨科材料中，生物陶瓷塗層材料由於將金屬( 或合金) 基材優良的機械性能和生物陶瓷塗層良好的生物學性能結合在一起，成為臨床上廣泛套用的生物骨科材料之一[24]。

作為生物陶瓷塗層材料的基體一般要求為具有高強度、高韌性、低密度的金屬及其合金，如不鏽鋼、鈦及合金、鈷鉻鉬合金、鈷鉻合金等，其中鈦及其合金套用最為廣泛。製備生物陶瓷塗層的方法主要有：熱噴塗、物理氣相沉積、化學氣相沉積、溶膠- 凝膠法、電化學、水熱反應、玻璃粘附燒結和高分子複合樹脂粘結劑法等。此外，還有金屬表面改性，如氮化、碳化以及熔燒、電鍍等工藝技術等。

近幾年日本的T．kokubo 開展了用化學方法( 如用NaOH 溶液) 處理純鈦的研究，通過處理使其表面活化，經模擬體液(SBF) 浸泡獲得表面鈣磷塗層，其結合強度較高。活化後的純鈦表面生成了TiO2 凝膠，其具有誘導鈣磷沉積的能力，即使在表面誘導沉積鈣磷層溶解後，露出的TiO2 基體仍具有骨骼結合能力。此方法是否適用於鈦合金還有待於進一步的研究，因為化學處理可能造成有害元素釩(V) 的活化，加速釩離子從鈦合金表面溶出。其可能的方法是在鈦合金表面鍍鈦，或者將鈦合金表面淨化，去除表層區域的釩元素。

塗層的厚度對塗層與骨骼的結合有一定的影響[25]。一方面需要有一定的厚度，以保證塗層在體液作用下存在足夠的時間，促進植入物與骨骼組織的結合；另一方面，隨著塗層厚度的增加，塗層殘餘應力增大，塗層材料本身的性質也容易表現出來，植入生物體內後，將影響材料與骨骼的結合。近年來的研究表明，理想的塗層厚度在50μm 左右(30 ～90μm)。在塗層厚度一定的前提下，塗層結晶度和相組成是決定塗層在體液作用下保留時間的重要因素。高結晶度的塗層(>90%)，比較穩定，溶解較少；較低的結晶度(60%～70%) 則容易發生溶解及降解。一般認為，塗層的結晶度與塗層和基體的結合狀況成反比，具有較低結晶度的塗層有著較好的結合力。塗層晶粒越小，塗層與基體的潤濕性越好，塗層與基體的結合性就會越牢固。

人造羥基磷灰石雖然化學組成與生物組織很相似，但其結晶程度和結構穩定性要比自然骨骼中的羥基磷灰石晶體高，因此植入生物體後長期不易降解，始終作為一種異質體殘留在骨骼缺損組織中。在塗層中摻人少量固溶雜質元素，可以改善材料生物活性和生物降解率。陳德敏等[26] 採用液相反應法，即在氫氧化鍶和氫氧化鈣懸濁液中不斷滴入稀硫酸，通過控制pH 值反應合成摻鍶羥基磷灰石固溶體。實驗結果表明，用鍶元素摻雜於羥基磷灰石結構中，形成的摻鍶羥基磷灰石比純的羥基磷灰石具有更好的骨骼缺損修復能力。摻雜還可以增強生物陶瓷塗層的結構穩定性。張亞平等[27] 在鈦合金表面用雷射塗覆生物陶瓷塗層時，在一定配比的CaHPO4·2H2O和CaCO3 中摻人少量Y2O3 粉末， 發現少量Y2O3 有利於雷射化學反應合成HA，並增加其結構穩定性，使塗層組織成為具有一定擇優取向的細小的不規則的多邊形晶體。其原理是：雷射塗覆時，化學位與濃度梯度是熔體內傳質擴散的推動力，而少量Y2O3 能使上述兩種梯度差增大，促進HA 的生成。

2.5 氧化鋁生物陶瓷材料

1933 年Rock 首先建議將Al2O3 陶瓷用於臨床；1963 年由Smith 用於矯形外科[28]。70 年代至80 年代中期，世界許多國家如美國、日本、瑞士等國家，都對氧化物陶瓷，特別是氧化鋁生物陶瓷進行了廣泛的研究和套用。由於氧化鋁陶瓷植入人體後表面生成極薄的纖維膜，界面無化學反應，多用於全臀復位修復術及股骨和髖骨部連線。通過火焰熔融法製造的單晶氧化鋁，強度很高，耐磨性好，可精細加工，製成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化鋁，即剛玉，強度大，用於製作雙杯式人工髖關節、人工骨、人工牙根和關節。

Boutint 在1972 年首先報導了用氧化鋁陶瓷製作的人體髖關節在生理和摩擦學方面的優越性極其在臨床上的套用[23]。高純氧化鋁陶瓷化學性能穩定，生物相容性好，呈生物惰性；由於其硬度高，耐磨性能好，因此磨損率比其它材料至少小1 ～2 個數量級[29]。

單晶氧化鋁陶瓷的機械性能更優於多晶氧化鋁，適用於負重大、耐磨要求高的部位，但其不足之處在於加工困難。中國陶瓷在實驗室研究水準上完全可達到ISO標準，但用於臨床仍有一定差距，材料未達到ISO 標準,另外氧化鋁屬脆性材料，衝擊韌性較低；彈性模量和骨相差大，陶瓷的高彈性模量，可能引起骨組織的應力，從而引起骨組織的萎縮和關節鬆動，在使用過程中，常出現脆性破壞和骨損傷。近年來，國外有關學者在氧化鋁陶瓷增韌方面作了大量的工作，諸如改變材料的顯微結構；利用ZrO2 相變增韌或微裂紋增韌，以及在瓷體中人為造成裂紋擴散的障礙等，取得了顯著的效果。

結 語

在材料科學的發展中，生物材料科學是發展最快、最受人關注的學科之一。目前在美國、西歐和日本等國家，無機生物材料的研究已成為獨立的學科。其重要性在於它跨越了材料、醫學、物理、生物化學和現代高科技等諸多學科領域，並與人類自身發展息息相關。生物材料走過了18, 19 世紀漫長的探索階段，而在剛過去的20 世紀得到飛速的發展並廣泛套用於臨床醫學。隨著材料科學與生命科學的發展，生物材料的研究已從被動地適應生物環境發展到有目的地設計材料組分，以達到與生物組織的有機連線。|