氧化鋯復(fù)合生物陶瓷用于人體硬組織修復(fù)的研究進(jìn)展

氧化鋯陶瓷是一種應(yīng)用十分廣泛的工程陶瓷材料，它具有良好的物理和化學(xué)性能，其應(yīng)用涉及到功能材料、復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、國防工業(yè)、紡織工業(yè)、能源工業(yè)和航空航天等領(lǐng)域。它屬于生物惰性陶瓷，不僅具有高強(qiáng)度和高韌性，而且具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，是一種優(yōu)良的人體硬組織修復(fù)材料。近年來氧化鋯作為增強(qiáng)增韌第二相材料，在人體硬組織修復(fù)體方面取得了較大的進(jìn)展。本文將氧化鋯復(fù)合生物陶瓷用于人體硬組織修復(fù)的研究進(jìn)展綜述如下。

1 氧化鋯復(fù)合生物陶瓷用于人體硬組織修復(fù)的研究現(xiàn)狀

1．1 氧化鋯復(fù)合生物陶瓷在骨修復(fù)中的應(yīng)用

1．1．1 羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)／氧化鋯復(fù)合生物陶瓷：HAP是脊椎動物骨和齒的主要無機(jī)成分，結(jié)構(gòu)也非常相近。能與人體骨組織發(fā)生化學(xué)結(jié)合，具有良好的生物相容性，無毒、無致畸、致敏及致癌等副作用，被認(rèn)為是最有前途的陶瓷人工齒和人工骨置換材料。因為該材料受到本身脆性高、抗折強(qiáng)度低的限制，因此它在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用僅限于小的非承載種植體、粉末、涂層和低承載的多孔種植體。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，人們采用在HA中添加第一一：相來改善其力學(xué)性能。四方氧化鋯具有相變增韌效果、良好的生物相容性和較高的強(qiáng)度，且比氧化鋁具有更好的韌性，與HA的膨脹系數(shù)也接近。所以，利用部分穩(wěn)定氧化鋯的相變增韌作用來提高HA材料強(qiáng)度和韌性是最佳選擇。

唐月軍等探討了HA－氧化鋯復(fù)合陶瓷作為骨缺損替代材料的可行性，在人工代血漿及平衡液中，模擬體內(nèi)環(huán)境及升高溫度對材料進(jìn)行了降解實(shí)驗。實(shí)驗結(jié)果表明HA－氧化鋯復(fù)合陶瓷具有較好的生物相容性。徐衛(wèi)國等研究也表明，HA－氧化鋯復(fù)合陶瓷生物活性好，含20wt％Y－氧化鋯增韌HA陶瓷斷裂韌性和彎曲強(qiáng)度，相當(dāng)于人體致密骨，是較為理想的長骨大段骨缺損的骨移植替代材料。HA－氧化鋯體系中，氧化鋯含量的增加有助于材料力學(xué)性能的提高，但是會降低材料的生物活性。Zafer Evis研究發(fā)現(xiàn)HA－氧化鋯體系在1100℃和1300℃無壓燒結(jié)過程中，隨著氧化鋯的增加，HA降解量增加；這是因為在HA和氧化鋯之間發(fā)生了Ca和氧化鋯的交換。較大的氧化鋯。引起了HA結(jié)構(gòu)的溶脹，產(chǎn)生的張力增加了HA的降解率。降解產(chǎn)生的水分使燒結(jié)體的孔隙增加。這會影響材料的致密性，必將會對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利的影響。

為了解決此問題，人們進(jìn)行了更加深入的研究。劉繼進(jìn)等在HA－氧化鋯復(fù)合材料中加入CaF，實(shí)驗結(jié)果表明，氟部分能取代羥基磷灰石的OH，形成了氟羥基磷灰石FHA，提高HA－氧化鋯的熱穩(wěn)定性和燒結(jié)性能，從而改善了HA－氧化鋯復(fù)合材料的力學(xué)性能。Hongbo Guo，Xigeng Miao等采用放電等離子燒結(jié)(Spark Plasma Sintering，SPS)技術(shù)對復(fù)合陶瓷進(jìn)行了燒結(jié)，研究發(fā)現(xiàn)，SPS能在很短的時間內(nèi)使復(fù)合陶瓷達(dá)到較高的致密度，1200℃燒結(jié)后，HA－YSZ復(fù)合陶瓷的顯微硬度達(dá)到9GPa，楊氏模量達(dá)到160GPa，斷裂強(qiáng)度達(dá)到200MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了單一HA陶瓷。肖秀峰等采用水熱電化學(xué)法制備的HA／zr02復(fù)合涂層結(jié)合強(qiáng)度高，生物活性好。倪軍等在正丁醇介質(zhì)采用電泳沉積制備了外形較好的HA－Ti－Y2Q／氧化鋯復(fù)合涂層。王周成等采用電泳沉積法在鈦合金表面制備了YSZ／HAp納米復(fù)合涂層。隨著研究的深入，HA－氧化鋯復(fù)合陶瓷在承重修復(fù)領(lǐng)域?qū)⒄紦?jù)重要地位。

1．1．2 生物活性玻璃陶瓷(Bloaetlve GlassCeramic，BGC)／氧化鋯復(fù)合生物陶瓷：BGC是一種新型的具有生物活性的鈣磷骨替代材料，通過界面反應(yīng)，它能與骨組織和軟組織形成親密的化學(xué)鍵結(jié)合。臨床應(yīng)用研究表明，脆性大是此材料的最大弱點(diǎn)，增強(qiáng)其韌性是其進(jìn)入臨床推廣應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。通過添加機(jī)械性能良好的氧化鋯粒子對BGC改性，能提高材料的力學(xué)性能，擴(kuò)大其在承重修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

Bosetti等用生物活性玻璃包覆氧化鋯，體外測試表明，復(fù)合體能與骨形成良好結(jié)合。Verne通過粘流燒結(jié)法制各的含氧化鋯20wt％的BGC／氧化鋯復(fù)合陶瓷，既具有BSC的生物活性，又具有氧化鋯可靠的機(jī)械性能。Kasuga T通過熱壓工藝將氧化鋯與MgO－CaO－P2O－Si玻璃混合，四方多晶氧化鋯的存在提高了復(fù)合陶瓷的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性，經(jīng)模擬體液(SPS)浸泡試驗，強(qiáng)度也沒有發(fā)生退化。同時Kasuga還考察了氧化鋯增韌玻璃復(fù)合陶瓷在生物體內(nèi)的穩(wěn)定性。此復(fù)合陶瓷移植狗皮下組織12周后，材料的強(qiáng)度都沒有退化。黃孝龍等研究了Y－PSZ／BGC復(fù)合陶瓷材料力學(xué)性能和生物學(xué)磨損性能，BGC的加入量在10％～15％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，復(fù)合陶瓷的納米力學(xué)性能最佳，同超高分子量聚乙烯配副時的摩擦因數(shù)和磨損率也最小。

1．2 氧化鋁復(fù)合生物陶瓷在牙科修復(fù)中的應(yīng)用

1．2．1 玻璃離子粘固劑(glass lonomer cement，GIC)／HA－氧化鋯復(fù)合生物陶瓷：GIC是由Wilson和Kent20世紀(jì)60年代晚期首先發(fā)明的，它由丙烯酸水溶液和可酸解的氟代鋁硅酸玻璃粉組成。能與牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)發(fā)生粘附，同時釋放氟化物，預(yù)防齲齒，應(yīng)用于臨床牙科已超過30年。但是其脆性和較差的耐磨損性限制了它進(jìn)一步的應(yīng)用，為了解決這些問題，研究者們進(jìn)行了廣泛的研究。Jan，Van Dijken對樹脂修飾的GIC在臨床上的應(yīng)用進(jìn)行了研究統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)其擁有更好的臨床保持力，年失敗率僅為2％。Kawano等研究表明短纖維強(qiáng)化的GIC擁有更高的強(qiáng)度。Milanita Lucas認(rèn)為添加HA的玻璃離子粘固劑是一種可靠的修復(fù)材料，它具有改良的斷裂韌性、長期的牙質(zhì)粘附力和持續(xù)穩(wěn)定的氟化物釋放能力。綜合比較各種改良方法，將納米HA／氧化鋯填充到GIC中是一種較好的選擇。HA能進(jìn)一步改善生物相容性，氧化鋯與玻璃和HA粒子相比，擁有高強(qiáng)度，高模量和高硬度等優(yōu)點(diǎn)。Gu等研究發(fā)現(xiàn)，HA提高了復(fù)合陶瓷與周圍骨和連接組織的生物相容性和生物活性，復(fù)合了4、12vol％HA／氧化鋯的GIC比最初的GIC呈現(xiàn)更好的機(jī)械特性，且HA／氧化鋯－GIC的機(jī)械特性比HA－GIC要好很多。

1．2．2 復(fù)合生物陶瓷：ZA陶瓷因為優(yōu)良的力學(xué)性能、生物相容性和較好的美觀性廣泛應(yīng)用于牙科全瓷修復(fù)。目前已有多種系列的全瓷修復(fù)材料面世(如Procera Allceram、Vita In－Ceram、IPS·Empress 2和GI·Ⅱ等)，其中VITA公司生產(chǎn)的In－Ceram系列是迄今應(yīng)用于臨床最為成功的全瓷系列。In－Ceram陶瓷屬于氧化鋯增韌的陶瓷(Zirconia Toughed Alumina，ZTA)，它擁有足夠的力學(xué)性能，可用于后牙冠橋修復(fù)。

要獲得優(yōu)良的陶瓷材料，其陶瓷粉體的性能和燒結(jié)加工技術(shù)都是重要的影響因素。柴楓等探討氧化鋯粉體微觀粒度、級配與材料增韌補(bǔ)強(qiáng)效果之間的關(guān)系，期望通過改變氧化鋯粉體的性能來獲得更加優(yōu)良的修復(fù)材料。梁曉峰等利用等靜壓技術(shù)制備了高密度的牙科氧化鋯陶瓷坯體，提高了成型效率，改善陶瓷的燒結(jié)性能。Dakskobler等也發(fā)現(xiàn)高致密度的坯體經(jīng)等靜壓處理后的燒結(jié)體的斷裂韌性和Weibull模量得到提高。通過添加HA，可以使zA陶瓷的生物相容性得到極大加強(qiáng)。Young－Min Kong研究發(fā)現(xiàn)，通過Pechini法制備的ZA－HA陶瓷比傳統(tǒng)混合的ZA－HA陶瓷具有更高的彎曲強(qiáng)度。體外成骨細(xì)胞測試表明，ZA－HA納米復(fù)合陶瓷對細(xì)胞反應(yīng)的增殖和分化隨HA的增加而逐漸增加。通過機(jī)械和生物學(xué)評估，30vol％HA＋70vol％ZA的復(fù)合陶瓷最適宜應(yīng)用于承重修復(fù)方面。

針對氧化鋯致密燒結(jié)體難以應(yīng)用CAD／CAM系統(tǒng)直接加工的問題，人們進(jìn)行了研究。包廣潔等通過向ZTA陶瓷添加復(fù)合添加劑進(jìn)行液相燒結(jié)，獲得了適宜CAD／CAM加工的牙科陶瓷。趙華等通過改變磷酸鈣／氧化鋯復(fù)合體系中磷酸鈣含量可以獲得高密度的適于CAD／CAM加工的口腔修復(fù)材料。張保衛(wèi)等研究發(fā)現(xiàn)磷酸鑭含量可以增加氧化鋯／磷酸鑭復(fù)相陶瓷可切削性能并降低其機(jī)械性能，18％磷酸鑭含量氧化鋯／磷酸鑭復(fù)相陶瓷采用冷等靜壓(200MPa)成型，空氣中常壓在1580℃燒結(jié)，可以得到致密的復(fù)合陶瓷，具有較佳的綜合力學(xué)性能。

2 需要進(jìn)一步解決的問題

氧化鋯作為第二相添加劑，極大地改善了復(fù)合材料的力學(xué)性能，在實(shí)際臨床應(yīng)用中獲得成功。但是氧化鋯復(fù)合生物陶瓷要想在硬組織修復(fù)領(lǐng)域有更大的發(fā)展，必需在以下幾方面有所突破：①降低成品成本：由于氧化鋯的高強(qiáng)、高韌和耐高溫性，導(dǎo)致其燒結(jié)溫度高，加工成型較復(fù)雜；②研究范圍有待擴(kuò)大：針對氧化鋯復(fù)合陶瓷在人體不同部位的應(yīng)用，應(yīng)充分考慮應(yīng)用的環(huán)境，對修復(fù)體的長期行為和相關(guān)機(jī)理進(jìn)行研究；③修復(fù)體的綜合性能還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。除了滿足功能性要求外，修復(fù)體還要在美觀性方面滿足要求。