生物陶瓷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。

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)。

01

— 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。

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。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

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。

氧化鋯生物陶瓷

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。

（用于外科植入的氧化鋁、氧化鋯陶瓷性能比較）

02

— 生物活性陶瓷 —

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。

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。

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-SiO2-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、無降解產(chǎn)物、無感染性。

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)良的可加工性及骨結(jié)合性。

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機(jī)物質(zhì)，植入人體后，其表面同人體組織可通過鍵的結(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）

各種磷酸鈣化合物均具有一定的溶解性，磷酸氫鈣、磷酸三鈣和羥基磷灰石的溶度積如下：各種磷酸鈣化合物高溫下的結(jié)構(gòu)與其鈣磷比、溫度、加熱速度、氣氛等因素有關(guān)；合成工藝的不同，也將影響其熱特性(主要是其熱穩(wěn)定性)。

磷酸氫鈣 pK=6.57

磷酸三鈣 pK=28.7

羥基磷灰石 pK=57.8

在水中磷酸氫鈣的溶解能力最強(qiáng)，磷酸三鈣次之，羥基磷灰石最穩(wěn)定。因此，由磷酸氫鈣及磷酸三鈣制作的骨修復(fù)材料可以逐漸溶解，同時(shí)沉淀結(jié)晶為羥基磷灰石。

B.羥基磷灰石陶瓷

羥基磷灰石( hydroxyapatite，簡(jiǎn)稱HA或HAP)組成與天然磷灰石礦物相近，是脊椎動(dòng)物骨和齒的主要無機(jī)成分，結(jié)構(gòu)亦非常接近，呈片狀微晶狀態(tài)。它作為骨代替物被用于骨移植。HA 有良好的生物相容性，植入體內(nèi)不僅安全，無毒，還能傳導(dǎo)骨生長(zhǎng)。

HA能使骨細(xì)胞附著在其表面, 隨著新骨的生長(zhǎng)，這個(gè)連接地帶逐漸萎縮，并且HA通過晶體外層成為骨的一部分, 新骨可以從HA植入體與原骨結(jié)合處沿著植入體表面或內(nèi)部貫通性孔隙攀附生長(zhǎng)。HA生物活性陶瓷是典型生物活性陶瓷，植入體內(nèi)后能與組織在界面上形成化學(xué)鍵性結(jié)合。HA生物活性陶瓷和骨鍵接的機(jī)制不像生物玻璃那樣需要通過在其表面形成富硅層，進(jìn)而形成中間鍵接帶以實(shí)現(xiàn)鍵合。致密羥基磷灰石陶瓷植入骨內(nèi)后，由成骨細(xì)胞在其表面直接分化形成骨基質(zhì)，產(chǎn)生一個(gè)寬為3~ 5 μm 的無定形電子密度帶，膠原纖維束長(zhǎng)入此區(qū)域和細(xì)胞之間，骨鹽結(jié)晶在這個(gè)無定形帶中發(fā)生。隨著礦化成熟，無定形帶縮小至0.05~ 0.2μm，羥基磷灰石植入體和骨的鍵合就是通過這個(gè)很窄的鍵接帶實(shí)現(xiàn)的。

經(jīng)HA表面涂層處理的人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后,周圍骨組織能很快直接沉積在羥基磷灰石表面，并與羥基磷灰石的鈣、磷離子形成化學(xué)鍵，結(jié)合緊密,中間無纖維膜。HA 生物陶瓷植入肌肉或韌帶等軟組織或被一薄層結(jié)締組織緊密包繞，無炎性細(xì)胞和微毛細(xì)管存在。作穿皮種植時(shí)，能在頸部和上皮組織密合，無炎癥和感染發(fā)生。因此，HA生物活性陶瓷也適用于穿皮器件及軟組織修復(fù)。

HA陶瓷的制備一般可從分解動(dòng)物的骨組織和人工合成獲得，后者又分濕法和固相反應(yīng)。最常用的方法是反應(yīng)共沉淀法，它是將鈣質(zhì)原料和磷酸鹽或磷酸，分別配制成合適濃度的液體，按鈣磷原子比1.67，在pH>7的環(huán)境下，控制適當(dāng)溫度進(jìn)行反應(yīng)合成，沉淀物經(jīng)脫水干燥，高溫煅燒得淺綠色合成晶體的團(tuán)聚體，純度達(dá)99.5% 以上，其化學(xué)組成主要為：CaO，P2O5。

單一的HA成形和燒結(jié)性能較差，易變形和開裂。加入ZrO2+ Y2O3，ZnO和含鎂鹽的CPM 復(fù)合試劑等，可使具有良好生物相容性和足夠機(jī)械強(qiáng)度，且無毒。連續(xù)熱等靜壓燒結(jié)是制備理論密度的高致密HA 的有效方法。這種材料主要用作生物硬組織的修復(fù)和替換材料, 如口腔種植，牙槽脊增高，牙周袋填補(bǔ)，額面骨缺損修復(fù)，耳小骨替換等。由于機(jī)械強(qiáng)度不夠高，只限用于以上不承受大載荷部位。由于自然骨優(yōu)異的強(qiáng)度和韌性，人們想到通過仿生的途徑來提高生物陶瓷修復(fù)骨修復(fù)材料的性能。Landis等人提出的骨微結(jié)構(gòu)的模型已經(jīng)廣為人們所引用，盡管其中尚有一些細(xì)節(jié)沒有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在磷酸鈣化合物中，研究得最多的是磷灰石，其化學(xué)通式為：M10(XO4)6Z2。M －－為二價(jià)金屬離子，XO4－－為五價(jià)陰離子，Z －－為一價(jià)陰離子。下面將詳細(xì)論述羥基磷灰石陶瓷。

C.羥基磷灰石陶瓷的性能應(yīng)用

合成的羥基磷灰石的結(jié)構(gòu)與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14，機(jī)械強(qiáng)度大于10MPa，對(duì)生物無毒，無刺激，生物相溶性好，不被吸收，能誘發(fā)新有的生長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)外已將羥基磷灰石用牙槽、骨缺損、腦外科手術(shù)的修補(bǔ)、填充等，用于制造耳聽骨鏈和整形整容的材料。此外，它還可以制成人工骨核治療骨結(jié)核。

磷酸三鈣

目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷β-磷酸三鈣( 簡(jiǎn)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(yōu)勢(shì)就是生物相容性好，植入機(jī)體后與骨直接融合，無任何局部炎性反應(yīng)及全身毒副作用。

鈣磷比在決定體內(nèi)溶解性和吸收趨勢(shì)上起著重要作用，所以和HA相比TCP更易于在體內(nèi)溶解，其溶解度約比HA 高10~ 20倍。常用的β-TCP植入體內(nèi)可逐漸降解，降解速率可因其表面構(gòu)造，結(jié)晶構(gòu)型，含孔率及植入動(dòng)物的不同而異，其強(qiáng)度常隨降解而減弱。已證實(shí)改變孔徑和材料純度能減緩降解速度，提高生物強(qiáng)度。

與其他陶瓷相比，β-TCP陶瓷更類似于人骨和天然牙的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)在生物體內(nèi)，羥基磷灰石的溶解是無害的，并且依靠從體液中補(bǔ)充鈣和磷酸根離子等形成新骨，可在骨骼接合界面產(chǎn)生分解、吸收和析出等反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)牢固結(jié)合。

β-TCP陶瓷的缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度偏低，經(jīng)不起力的沖擊。將β-TCP與其他材料混合，制成雙相或多相陶瓷，是提高其力學(xué)強(qiáng)度的方法之一。通常認(rèn)為雙相鈣磷陶瓷( biphasic calc ium phosphate，BCP)的骨傳導(dǎo)效應(yīng)優(yōu)于單一的HA或TCP，可以結(jié)合HA的強(qiáng)度高和TCP生物降解性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且化學(xué)成分與骨相似。Bruder等將骨髓基質(zhì)細(xì)胞( bone marrow stroma cells, BMS)接種于多孔BCP上，修復(fù)21mm 長(zhǎng)的犬股骨節(jié)段性缺損獲得成功。傅榮等發(fā)現(xiàn)，BCP上培養(yǎng)BMS能更好地表達(dá)成骨細(xì)胞特性，表明BCP更適用于骨組織工程的基質(zhì)材料。

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人類已不再滿足簡(jiǎn)單模仿人體器官的形狀，而是追求功能盡善盡美的新型材料。生物陶瓷已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一個(gè)不可缺少的重要部分。目前, 材料科學(xué)界已經(jīng)在這一方面進(jìn)行了很多的研究。隨著現(xiàn)代科學(xué)的飛速發(fā)展，技術(shù)上的改進(jìn)不斷完善,生物陶瓷的制備方法也越來越向著可行性發(fā)展。

多種Ca- P陶瓷與有機(jī)材料復(fù)合作為骨組織工程支架材料在臨床試驗(yàn)中，如TCP+ 膠原,納米晶HA + 膠原, TCP+ 富血小板血漿等。形狀記憶合金制備，有自膨脹和球囊擴(kuò)張式兩類。主要用于晚期惡性腫瘤引起的膽道狹理想的生物醫(yī)用材料應(yīng)該是對(duì)人體無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性等不良反應(yīng)。因此，了解生物醫(yī)用材料對(duì)人體的生物學(xué)反應(yīng)就顯得至關(guān)重要。這些反應(yīng)主要包括組織反應(yīng)、血液反應(yīng)及免疫反應(yīng)。

通過不斷的研究開發(fā)，生物陶瓷更多的優(yōu)良性能將被開發(fā)并應(yīng)用?？傊锾沾捎兄艽蟮难芯靠臻g和廣闊的發(fā)展前景。