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生物陶瓷漫谈

 生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料,生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能,例如陶瓷不同于金属, 它具有强共价键性质, 即使在生物体内苛刻的化学条件下, 也具有良好的化学稳定性, 排异反应迟缓,,具备长期使用的机械性质,因此可以用它来做生物医用材料,生物医学材料是生物医学工程学的物质基础,是一类与人类的生命和健康密切相关的新型,生物陶瓷在医学上的应用将极大的促进生物陶瓷的发展。与有机高分子材料相比, 生物体陶瓷耐热性好, 便于进行高压灭菌等。

    随着人类社会的不断发展, 陶瓷以它优异的性能已由单纯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。特别是在生物医学领域也有广泛的应用, 如人工牙、人工骨、人工关节等。这些主要用于人体内种植的陶瓷便称为“生物陶瓷”, 这是一个全球性关注的课题, 具有巨大的社会和经济效益。生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。根据使用情况, 生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。前者植入体内以恢复和增强生物体的机能, 是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂, 是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。


    植入陶瓷又称生物体陶瓷, 主要有人造牙、人造骨、人造心脏瓣膜、人造血管和其他医用人造气管和穿皮接头等。植入陶瓷要求其一要与生物体的亲和性好, 即植入的陶瓷被侵蚀、分解的产物无毒, 不使生物细胞发生变异、坏死, 不会引起炎症、生长肉芽等。二要在体内有长期功能, 且可靠性高, 即在10 年~ 20 年的长期使用中, 不会降低强度, 不发生表面变质, 对生物体无致癌作用等。三要易于在短期内成形加工。四要容易灭菌。
纳米陶瓷是用数量级为(1~100nm)的纳米陶瓷粉体经高压下压制成形, 再经过一定的热处理工艺制成的致密型纳米固体陶瓷材料,由于它的致密化程度高、均匀性好,使它具有极大的生物应用潜力,并具有相当可观的开发前景。
陶瓷膜主要是Al2O3 、ZrO2 、Ti02 和Si02 等无机材料制备的多孔膜,其孔径为2-50mm。具有化学稳定性好,能耐酸、耐碱、耐有机溶剂,机械强度大,可反向冲洗,抗微生物能力强,耐高温,孔径分布窄,分离效率高等特点,在食品工业、生物工程、环境工程、化学工业、石油化工、治金工业等领域得到了广泛的应用,例如陶瓷膜在污水净化中的应用就是当前陶瓷膜材料的应用热点之一。

 

生物陶瓷的发展

对于生物陶瓷的应用, 人们是经过了长期的摸索与研究。在18 世纪前, 人们就开始用柳枝、木、麻、象牙等天然材料作为骨修复材料; 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、铂等贵金属作牙修复及骨缺损修复; 本世纪中叶以前, 由于冶金技术的进步, 钴铬铝合金、纯钛和钛合金等被应用到人工骨的领域, 有机玻璃等高分子材料也开始用于临床; 本世纪60 年代初, 在新技术革命浪潮推动下, 材料科学迅速地发展, 人们开始有目的、有计划地探索、发现和合成新材料, 其中最有代表性的就是生物陶瓷的研究和高分子材料。到目前为止生物陶瓷的发展也就50 年左右, 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。生物玻璃因其杰出的生物相容性, 与骨骼形成化学键, 但其强度较低, 各国学者相继进行研究和改进, 出现今天的生物玻璃陶瓷, 它在保持良好的生物学性能的前提下, 提高了机械强度和化学稳定性, 成为新一代颇有前途的生物材料。

 

生物陶瓷的分类及应用
3.1 生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定, 生物相溶性好的陶瓷材料。这类陶瓷材料的结构都比较稳定, 分子中的键力较强, 而且都具有较高的机械强度, 耐磨性以及化学稳定性, 它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等, 又分为以下几种:
3.1.1 单晶、多晶和多孔氧化铝
单晶氧化铝c 轴方向具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好, 耐热性好, 可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈, 也不会溶解出有害离子, 与金属螺栓不同, 勿需取出体外。60 年代后期, 广泛用作硬组织修复。多晶化学性能十分稳定, 几乎不与组织液发生任何化学反应, 硬度高,机械强度高。总之氧化铝陶瓷具有良好的组织亲和性, 这是因为其表面具有亲水性, 即氧化铝结晶表面氧原子能捕获水分子而产生极化现象, 结果在其表面覆盖一层羟基, 它能吸附水分子, 在表面形成亲水层, 使表面呈强极性, 易被组织液浸润。在极性层外间构成水——金属离子——蛋白质的“三明治”式结构, 形成周期的氧化铝生物相容性。
氧化铝陶瓷和单晶氧化铝。氧化铝陶瓷由氧化铝粉料烧结制成, 单晶氧化铝可用引上法或火焰熔融法制取。氧化铝陶瓷表面为亲水性, 与生物体组织有良好的生物亲合性。目前, 在临床实用中除做人造骨、人造关节外, 还可制接骨用螺钉。
3.1.2 氧化锆陶瓷
部分稳定的氧化锆和氧化铝一样, 生物相容性良好, 在人体内稳定性高, 且比氧化铝断裂韧性、耐磨性更高, 有利减少植入物尺寸和实现低摩擦、磨损, 用以制造牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨、瓣膜等。
3.1.3 碳素类陶瓷
包括碳素、玻璃碳、碳纤维及热解石墨等, 其成分是碳元素, 玻璃碳的强度差, 在1300~ 1500℃加热分解碳氢化合物得到的热解石墨微粒, 质地致密坚硬; 碳纤维强度大, 挠性好。在20 世纪60 年代人们发现它们具有血液相容性、抗血栓性好, 且其弹性模量近似天然骨, 对组织力学刺激小, 与人体组织亲和性好、耐侵蚀、轻、耐疲劳、润滑与人体组织无反应、不溶解、能牢固的粘附在其它材料的表面。已用作人工心瓣膜、血管、尿管、支气管、胆管、韧带、腱、牙根、关节等。生物稳定的碳具有很好的生物体亲和性, 在较低温度炭化的碳水化合物制成的热解炭作为人造心脏瓣膜已有数十万实用病例。
3.2 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羟基, 还可做成多孔性, 生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合; 生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收, 在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃(磷酸钙系) , 羟基磷灰和陶瓷, 磷酸三钙陶瓷等几种。
3.2.1 生物玻璃陶瓷
这种材料的主要成分是CaO-Na2O-SiO2-P2O5, 比普通窗玻璃含有较多钙和磷, 与骨自然牢固地发生化学结合。医学家们将这种材料植入人体, 只有一个月表面就形成SiO2胶凝层, 进而与骨骼形成化学键。目前此种材料已用于修复耳小骨, 对恢复听力具有良好效果。但由于强度低, 只能用于人体受力不大的部位。
3.2.2 羟基磷灰石陶瓷
其组成与天然磷灰石矿物相近, 是脊椎动物骨和齿的主要无机成分, 结构亦非常接近, 呈片状微晶状态。人体最坚固的硬组织是牙釉质, 它约含98% 无机质, 主要为HAP, 余为磷酸钙, 与生命起源十分密切。
3.2.3 磷酸三钙
    磷酸钙品类繁多, 但生物学感兴趣的有六种, 作为人工骨生物磷酸钙陶瓷研究较多的是B-磷酸三钙和羟基磷酸钙。磷酸三钙的化学组成与羟基磷灰石类似, 只是钙磷比较羟基磷灰石低, 约为1.5, 在体内能降解, 其产物可随体内新陈代谢而被吸收或排出体外。缺点是机械强度偏低, 经不起力的冲击。
3..2.4 孔陶瓷载体
    多孔陶瓷有Al2O3 、ZrO2 、Ti02 和Si02,它们的耐碱性能都很好, 价格也比多孔玻璃低主要用作固定化酶的载体, 使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。例如在食品工业中, 分解蔗糖以制取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的转化酶,就适于以多孔陶瓷为载体。控制多孔陶瓷的细孔径,可以应用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。利用细孔还可以处理生活用水。
3.3 生物吸收性陶瓷
生物吸收性陶瓷指的是磷酸三钙、可溶性钙铝系、低结晶度羟基磷灰石等陶瓷材料。


四.生物陶瓷的优良性能
    生物陶瓷由于是高温处理工艺所成的无机非金属材料, 因此具有金属、高分子材料无法比拟的优点:
4.1  良好的生物机械性能
    由于它是在高温下烧结制成, 其结构中包括键强很大的离子键或共价键, 所以具有良好的机械强度、硬度、压缩强度高, 极其稳定; 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, 而且和人体组织的亲和性好, 几乎看不到与人体组织的排斥作用, 因此能满足种植学要求。
4.2  组成范围宽
   由于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,可降解生物陶瓷在体内不同部位的使用中, 希望能针对被置换骨的生长特点获得具有不同降解速度的陶瓷。否则, 当降解速度超过骨生长速度时, 就会产生“死区”, 影响修复。如果向此类材料中添加适当比例的非降解性生物陶瓷, 就能调整降解速度, 满足临床要求。
4.3 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、颅骨等。采用特殊的工艺还可以得到尺寸精密的人工骨制品。
4.4 后加工方便
    通常认为陶瓷很难加工, 但随陶瓷加工设备和技术的进步, 现在陶瓷的切割、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、钻等的可切割性生物陶瓷, 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。
4.5 易于着色
    利用生物陶瓷易于着色的性能,如陶瓷牙冠与天然牙逼真, 利于整容、美容。
几种新型生物陶瓷的介绍
5.1 带有治疗功能的生物陶瓷复合材料
    该类材料是利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点,使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。具体来说,由于肿瘤中血管供氧不足,当局部被加热到43~45 ℃时,癌细胞很容易被杀死。现在最常用的是将顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒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。现在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[4] 。(4  唐绍裘,等. 生物陶瓷材料在生物材料中的应用. 陶瓷工程,2000 (12) :41~43)
5.2 具有力学性能促进组织生长的生物陶瓷材料
[Ca10(PO4 )6(OH)2](简称HA)生物活性人工骨是一种新型骨和牙齿的修复和替换材料,属高技术陶瓷材料领域 。20 世纪70 年代初在国际上开始得到重视,20 世纪80 年代中后期研究工作进入高潮,一些制品正式投入临床使用。这类材料无毒、无刺激、不致畸、不致癌,而且植入人体后可与原骨结合成一体,形成牢固的骨性结合,在强力作用下,不在“界面”上与骨分离,即使偶然破裂,也能在体内自行愈合。因此,被称为生物活性材料。例如,HA 与骨形成蛋白(BMP) 复合,为缺损处新骨形成提供适宜的“骨支架”。复合BMP 后,活跃的成骨细胞及类骨质在HA 表面重新生成板层状骨。kamitakahara实验结果[9]表明,BMP 成网状分布于HA 孔隙壁上, 复合材料骨生成明显多于单纯HA ,孔径为90~200μm 时骨生成较早。体内缺损填充观察,3 周即可见有软骨及网状骨形成,6 周则转为板状骨及具有造血功能的骨髓组织,新骨与HA 之间有一定的亲和力[6] 。(6  陈非. 羟基磷灰石生物医用陶瓷材料的研究与发展.

5.3 陶瓷膜的生物污染控制及其抑菌改性
陶瓷膜因其具有耐高温高压、耐腐蚀、耐有机溶剂、膜通量高和使用寿命长等优点被广泛运用于水处理、食品饮料、医药、化工、电子以及环保等领域。但陶瓷膜的污染尤其是生物污染成为制约其实际运用的一个重要因素,因此陶瓷膜的抑菌改性越来越受到人们关注,目前对陶瓷膜的研究主要集中于膜的分离性能、传质机理等方面, 而对于其抑菌改性研究还处于探索阶段。陶瓷膜抑菌改性时不仅要考虑改性后陶瓷膜的抑菌性能, 更重要的是要注意膜在实际应用时的分离性能, 要尽可能使改性后的膜更具应用价值。陶瓷膜的抑菌改性可以有效减轻其在使用过程中的微生物污染问题, 延长其使用寿命, 具有良好的发展空间。
5.4 医用复合生物陶瓷材料的研究
    随着医学研究的进展,人们对因肿瘤及损伤等原因造成的组织或器官的缺损的修复越来越重视。由于自体组织移植作为修复材料的来源受到限制“并存在弊端”许多材料学家与医学工作者相结合把目光集中到各种人工材料上“可吸收的人工材料前段时间研究颇热”但是由于材料吸收速度与人体组织修复之间的时间差异等各种问题而使对其的研究受到了限制,而从20 世纪60年代开始研究的人体生物陶瓷由于良好的生物相容性$生物力学性能而得到广泛的关注,但是陶瓷的脆性始终限制了陶瓷的临床应用。最近“增韧陶瓷及纳米陶瓷材料的研究”正进一步深入并且取得了很大的成功, 科学家预言:“纳米技术是改善陶瓷脆性的战略途径。”纳米级复合生物陶瓷的各种生物力学性能更加符合人体硬组织的要求, 这给生物陶瓷的研究注入了新的活力。

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[9~10 ] 。
6.1 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。
6.2 骨骼填充陶瓷材料
在骨髓细胞中包含有能分化成骨细月包的干细胞, 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。
6.3 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, 采修复骨缺损部。
6.4 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。
6.5 热疗治癌的陶瓷
正常细胞耐热温度为48 ℃左右,而癌细胞缺乏养的供给不耐热,在43 ℃左右便死亡,把强磁性陶瓷小球送入癌部,再把该部位放于交流磁场下,磁性体就会因磁滞损耗而发热,从而达到局部加热癌部位的目的。现在正在开发有更加良好发热效率的强磁性微小球。


    经过近20 年的研究和发展,医用生物陶瓷材料经历了三个发展阶段:生物隋性材料、生物活性及可吸收材料和最近的可再生组织的生物活性材料。未来生物陶瓷的发展应重视下述几个方面:制备的材料应具有与母体尽可能相似的性质,其中无机材料的化学成分为HA 或其他钙盐及磷酸盐,物理状态应具有纳米或更细微的晶粒;为了使新骨易于和材料共生,因此希望材料有孔隙。在有些部位为了支撑,还需要有高机械强度,因此可利用水热法或sol-gel法以及热压烧结或微波烧结,以获得细晶粒、高强度的陶瓷。自然界中一些生物陶瓷材料,已给人们许多启示,如珍珠质、珊瑚和鸡蛋壳等,它们有近似的组成,且存在活组织,其中所孕育的生物矿物化机制已为人们所研究和重视,今后从中可能引导出制备有生命的陶瓷的方法。通过材料科学家、生命科学家和生物技术实验师的共同合作与努力,就可能制备出活的陶瓷,或至少能与活体相交融的材料,这样它才会在人体内很好地相容、共生、增殖或修补,在人类骨和齿的医疗上将可能上一个新台阶,造福人类。

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