生物醫(yī)用陶瓷材料的研究進(jìn)展

周厚蓄

【摘 要】 生物陶瓷已經(jīng)成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域不可缺少的部分，本文具體介紹了氧化鋯，氧化鋁等生物惰性陶瓷，羥基磷灰石，生物活性玻璃等表面活性陶瓷，以及硫酸鈣等可吸收性生物陶瓷。并對各醫(yī)用陶瓷的性能和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，最后展望了生物醫(yī)用陶瓷的發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】 生物醫(yī)用惰性陶瓷；表面生物活性陶瓷 ；可吸收性生物活性陶瓷；骨組織修復(fù)

【中圖分類號】R715 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】

A 【文章編號】1005-0019（2018）14-294-01

生物醫(yī)用陶瓷材料是陶瓷材料中應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的一類，植入人體后具有一定的生理或化學(xué)行為。在組織工程學(xué)領(lǐng)域，生物醫(yī)用陶瓷材料的重要性毋庸置疑。為了造福骨科方面的患者，人們一直在研究一種具有傳導(dǎo)性和骨誘導(dǎo)性，又具有降解性，還可用來構(gòu)成人體骨骼和牙齒的某些部分，甚至能夠修復(fù)或替換人體的某些組織或器官以增進(jìn)其功能的生物陶瓷材料。按生物學(xué)性能來分，生物陶瓷可分為生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。

1 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷指在生物體內(nèi)不會發(fā)生生理反應(yīng)的一類生物陶瓷材料。這類陶瓷不具有活性，化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好。另一方面，力學(xué)性能高，耐磨性強(qiáng)。主要包括氧化鋯、氧化鋁陶瓷等。

1.1 氧化鋯陶瓷 氧化鋯是常見的惰性生物陶瓷，由高純二氧化鋯經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制備得到。主要用于人體關(guān)節(jié)、牙種植體等硬組織的修復(fù)和替換。李立剛等在氧化鋯陶瓷表面搭載成骨細(xì)胞，并在體外共同培養(yǎng)一段時間，結(jié)果表明氧化鋯陶瓷具有良好的生物相容性與細(xì)胞相容性[1]。氧化鋯陶瓷在假牙方面技術(shù)已經(jīng)十分成熟。而在人工關(guān)節(jié)方面氧化鋯陶瓷主要是作為人工髖關(guān)節(jié)。但其壽命一般不長，因其假體容易磨損。因此，有研究者通過將氧化鋯與聚乙烯復(fù)合來減少磨損。另外，氧化鋯陶瓷粘結(jié)性不強(qiáng)，可采用一些陶瓷表面處理手段（如噴砂、酸蝕等）來增加陶瓷的粘結(jié)穩(wěn)定性。另一方面，氧化鋯陶瓷的脆性大，所以很少單獨(dú)使用，可采用與高分子材料復(fù)合等方法進(jìn)行增韌，從而彌補(bǔ)其不足。

1.2 氧化鋁陶瓷

氧化鋁生物陶瓷是由高純度一氧化鋁構(gòu)成的一種惰性的生物陶瓷，亦稱純剛玉生物陶瓷材料。它在生物環(huán)境中不易被腐蝕或溶解，它還可用作牙種植體、耳聽骨修復(fù)體和藥物釋放載體等，因其彈性模量遠(yuǎn)高于自然骨，拉伸強(qiáng)度低，易發(fā)生老化和疲勞破壞，故不直接用作承受復(fù)雜應(yīng)力的骨替換材料。但氧化鋁陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性以及較高的硬度，使之在骨科髖關(guān)節(jié)置換術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代氧化鋁陶瓷開始應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié)置換技術(shù)[2]。

2 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷是指在植入生物體的過程中能夠與人體骨細(xì)胞發(fā)生相互作用或者直接通過化學(xué)鍵與骨組織結(jié)合的材料，可分為表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷兩類。常見的活性陶瓷有羥基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃、硫酸鈣陶瓷等。

2.1 羥基磷灰石

羥基磷灰石是骨骼中的主要無機(jī)成分。有研究指出人體自然骨組織的主要無機(jī)礦物成分就是納米羥基磷灰石針狀晶體，因此納米級羥基磷灰石也是研究者研究的重點(diǎn)[3]。人工合成的羥基磷灰石材料的成分、形態(tài)和結(jié)構(gòu)與自然骨的礦物成分非常接近，具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應(yīng)、不致癌、可降解、可與骨直接結(jié)合等優(yōu)勢，應(yīng)用非常廣泛。近些年缺鈣羥基磷灰石得到研究者的廣泛關(guān)注，與標(biāo)準(zhǔn)鈣磷比的羥基磷灰石相比，缺鈣羥基磷灰石對成骨細(xì)胞的增殖效果更為明顯，同時對堿性磷酸酶（ALP）的表達(dá)也有良好的促進(jìn)作用。羥基磷灰石常用于涂層，這樣有效地彌補(bǔ)了它脆性大、生物性能不佳等缺陷。鈣磷類生物活性陶瓷表面類骨磷灰石的形成及機(jī)理一直是人工骨修復(fù)材料研究的重點(diǎn)，羥基磷灰石因化學(xué)成分與自然骨的無機(jī)物質(zhì)非常相似，具有良好的生物相容性、無毒副作用等優(yōu)點(diǎn)，成為生物材料的最佳增強(qiáng)材料。納米級羥基磷灰石還能夠用于離子噴霧涂層，對人工假體等進(jìn)行噴涂，以增加植入物穩(wěn)定性[4]。

2.2 生物活性玻璃

生物活性玻璃主要是由SiO2、P2O5、CaO等組成。它具有降解性，人體可以用它們的溶解產(chǎn)物來刺激新骨生長。在高定等人做的大鼠試驗(yàn)中，生物活性玻璃能夠在體內(nèi)逐步降解，并且能夠促進(jìn)新生骨成長，在骨質(zhì)疏松等一些的因骨密度缺損而引發(fā)的病癥治療方面具有較大的應(yīng)用潛力[5]。據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，生物活性玻璃還具有促進(jìn)血管生成的能力，這樣不光對硬組織，而且還對軟組織的修復(fù)再生起到了很大的幫助[6]。但任何材料并不是完美無缺的，生物活性玻璃與基體材料之間的結(jié)合力較弱，容易造成骨修復(fù)的失敗。將其與鈦合金等材料復(fù)合，可以解決這一問題。另一方面，生物活性玻璃降解性能不甚理想，其代謝機(jī)理仍未定論。而且材料降解易使局部pH值產(chǎn)生變化，進(jìn)而對周邊細(xì)胞生長產(chǎn)生影響，甚至影響體內(nèi)的離子平衡。

2.3 硫酸鈣

硫酸鈣作為醫(yī)用骨水泥材料，在臨床上取得了廣泛的應(yīng)用。骨移植是目前除輸血外應(yīng)用最廣泛的組織移植，自體骨是骨移植材料中常見的類型，但存在增加骨創(chuàng)傷、骨量受限、供區(qū)并發(fā)癥等缺陷。雖說現(xiàn)在用硫酸鈣代替自體骨移植的技術(shù)還不完善，但劉鵬、趙建華等人已經(jīng)將醫(yī)用硫酸鈣用于治療四肢良性骨腫瘤所致的骨缺損及脊柱融合病癥中，并且取得了良好的臨床效果。醫(yī)用硫酸鈣能夠在體內(nèi)完全降解，對生物體學(xué)鈣含量沒有明顯影響。另一方面，半水硫酸鈣與水結(jié)合后發(fā)生轉(zhuǎn)變，變成二水硫酸鈣，這種固體植入物還可作為水溶性抗生素載體。Dressman等使用醫(yī)用硫酸鈣作為骨缺損填充劑進(jìn)行骨缺損的治療，Petrova等以狗骨缺損作為模型進(jìn)行了體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)，取得了不錯的成骨效果[7]。但硫酸鈣降解速率過快，降解后易引起周圍局部pH值環(huán)境呈酸性，這也是限制其進(jìn)一步發(fā)展的主要缺點(diǎn)。將其與高分子材料或者其它降解速率慢的陶瓷材料相復(fù)合，有望調(diào)節(jié)其降解速率，使之與新骨再生速率相匹配。

3 結(jié)論與展望

生物復(fù)合材料目前研究較多的是將乳酸材料與生物活性陶瓷材料以不同的結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以此改善復(fù)合材料的各種性能，擴(kuò)大其適用范圍。同時我們可以思考是否可以將一些生物惰性陶瓷材料與生物活性材料相復(fù)合，得到具有多重特性的新型材料，以此來治療更多的疑難雜癥（如骨質(zhì)疏松等）。生物復(fù)合材料的性能已經(jīng)超越了單獨(dú)的生物惰性和活性材料。例如，將聚乳酸與硅灰石生物陶瓷復(fù)合制備出有機(jī)無機(jī)復(fù)合材料，研究結(jié)果表明復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及良好的生物活性和生物相容性[8]。

另一方面，從仿生原理組織工程的思想出發(fā)，制備與人體自然組織結(jié)構(gòu)及性能相似的理想生物材料，也是今后生物醫(yī)用陶瓷的主要發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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