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生物陶瓷材料的性质及其应用

作者:千亿体育    更新时间:2020-10-19 04:29

  本文综述了陶瓷的特殊性质及其在相关领域的开发和利用,并阐述了生物陶瓷的应用前景。 :生物陶瓷是材料工业的一个新领域,受到广泛的重视。生物陶瓷凭借自身的特性可 用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分,甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组 织、器官,或增进其功能。人体是由诸多组织与器官组成,当其中一部分由于病变、老化 或意外事故而丧失功能时,为取代与修补此类器官与组织的功能,并能够与生体组织及体 液连接使用,这就是生物陶瓷材料。 :生物活性陶瓷;生物惰性陶瓷;复合生物陶瓷材料;生物陶瓷的应用 生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体 相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。广义讲,凡属生物工程的陶瓷材料统称为生 物陶瓷。做为生物陶瓷材料,需具备如下条件:生物相容性;力学相容性;与生物组织有 优异的亲和性;抗血栓;灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。 生物陶瓷材料可分为生物活性陶瓷、生物惰性陶瓷和复合生物陶瓷材料三类。生物陶 瓷材料因其与人的生活密切相关,故一直倍受材料科学工作者的重视。 生物陶瓷不仅具有不锈钢、塑料所具有的特性,而且具有亲水性、能与细胞等生物组 织表现出良好的亲和性,主要作为生物硬组织的代用材料,用于骨科、整形外科、牙科、 口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面,生物陶瓷也可用于测量和 诊断治疗等。生物陶瓷作为硬组织的代用材料来说,主要分为生物惰性和生物活性两大类。 生物惰性陶瓷材料,即化学性能稳定,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,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 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。1.1 玻璃生物陶瓷 玻璃陶瓷也称微晶玻璃或微晶陶瓷。 玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的,无气孔,不同于玻璃,也不同于陶瓷。其结晶 相含量一般为 50%-90%,玻璃相含量一般为 5%-50%,结晶相细小,一般小于 1-2/μ SiO2-Na2O-CaO-P2O5系统玻璃陶瓷, Li2O-Al2O3-SiO2 系统玻璃陶瓷, SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-CaF 系统玻璃陶瓷等进行了生物临床应用。发现它们具有良好的生 物相溶性,没有异物反应。此外生物硬组织代用材料还有碳质材料,二氧化钛陶瓷,二氧 化锆陶瓷材料等多种。 1.2 单晶生物陶瓷 单晶生物陶瓷是一种新型的生物陶瓷材料,属氧化铝单晶。氧化铝单晶也称宝石,添 加剂不同,制得单晶材料颜色不同,如红宝石、蓝宝石等。氧化铝单晶有许多特性,如机 械强度、硬度、耐腐蚀性都优于多晶氧化铝陶瓷,其生物相溶性、安定性、耐磨性也优于 多晶氧化铝陶瓷。 在临床上用作人工关节柄与氧化铝多晶陶瓷相比具有比较高的机械强度,不易折断。 它还可以作为损伤骨的固定材料,主要用于制作人工骨螺钉,比用金属材料制成的人工骨 螺钉强度高。可以加工成各种齿用的尺寸小、强度大的牙根,由于氧化铝单晶与人体蛋白 质有良好的亲合性能,结合力强,因此有利于牙龈粘膜与异齿材料的附着。 1.3 羟基磷灰石生物陶瓷 合成的羟基磷灰石的结构与生物骨组织相似,因此合成羟基磷灰石具有与生物体硬组 织相同的性能。如 Ca:P1.67,密度3.14,机械强度大于 10MPa,对生物无毒,无刺 激,生物相溶性好,不被吸收,能诱发新有的生长。 当医用生物陶瓷置入人体内以后,机体则会产生以下反应:1.抗原抗体反应;2.消化 作用(吸收);3.包裹化(异物膜);4.炎症反应;5.肿物化;6.坏死。陶瓷作为骨缺损修 复材料应具有以下特性:1.无毒性;2.无致癌性;3.无致敏性;4.不破坏邻近组织;5.不 阻碍骨形成过程;6.易消毒;7.易成型;8.易处理;9.一定时间后可以形成新骨;10.内 有足够的机械强度,使用中可耐负重 因而,植入陶瓷要求是与生物机体相容的,对生物机体组织无毒、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用。二要在体内有长期功能,且可靠性高,即在 10 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。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。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。同时,它具有 一定的力学要求,不仅具有足够的强度,不发生灾难性的脆性破裂、疲劳、蠕变和腐蚀破 裂等,而且其弹性形变应当和被替换的组织相匹配。这些对生物陶瓷的研究提出了更为客 观的要求。 目前已经实用的植入陶瓷的品种如表所示。植入陶瓷的品种、用途生物活性陶瓷材料 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。这 类陶瓷在生物体内基本不被吸收,材料有微量溶解,能促进委员会体周围新骨生成,并与 骨组织形成牢固的化学键结合。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。根据使用情况,生物陶瓷又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 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。 植入骨组织后,能和骨组织产生直接的、持久性的骨性接触,界面外一般无纤维组织介入, 形成骨融合。它主要有氧化铝陶瓷、单晶陶瓷、氧化锆陶瓷、玻璃陶瓷等。使用最广泛的 惰性生物陶瓷是氧化铝陶瓷和生物碳。致密、高度抛光的氧化铝陶瓷在生理环境中具有高 的抗压强度、低的摩擦系数和磨损率,并能长期保持稳定,主要用于人造关节结合部的球 和臼,也能被用作人造牙根、中耳小骨和心瓣膜。 复合生物陶瓷是指生物用复相陶瓷的总称。由多种组分构成,含有多相的生物用陶瓷 材料。 Ivanchenko 等人用硅硼酸钠玻璃来增强 HA,当玻璃相为59%、烧结温度小于 1000、 孔隙率为 33%时,得到 HA 的机械强度为47MPa。Towler 运用纳米 ZrO 在低温下烧结制备了高致密度的 HA-ZrO 复合生物陶瓷。该技术由于使用了纳米ZrO 2,故降低了烧结 温度。因 HA 分解常发生在烧结过程中,但在 1200烧结时,因烧结温度较低,故避免了 HA 的分解,使主晶相仍为HA,且复合材料的强度高于纯 HA。黄传勇等采用化学共沉淀法 制备了羟基磷灰石和二氧化锆超细粉,并以此为原料,通过不同材料的优化组合,用烧结 法制备了 HA-ZrO2 二元体系复合生物陶瓷材料,其抗折强度达到 120MPa,断裂韧性值为 l.74MPam -1/2,几乎为纯 HA 的两倍,接近骨组织(致密骨的抗折强度为 160MPa,断 裂韧性值为 2.2 MPam -1/2)。 研究结果表明,复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性和生物相容性, 是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料。现在国外已制备出含有 ZrO2 的纳米羟基磷灰 石复合材料,其强度和韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼的相应性能。另,通过调 HA含量,可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性。Silva 等研究 了机体 HA/ZrO 复合生物陶瓷材料的生物学反应,发现该材料的相容性符合植入材料的要求。 生物硬组织代用材料有体骨、动物骨,后来发展到采用不锈钢和塑料,由于这些生物 材料在生物体中使用,不锈钢存在溶析、腐蚀和疲劳问题,塑料存在稳定性差和强度低的 问题。目前世界各国相继发展了生物陶瓷材料,它不仅具有不锈钢塑料所具有的特性,而 且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。因此生物陶瓷具有广阔的发展 前景。 这种陶瓷的历史很短,基础研究从1965 年开始,而临床研究则是从1975 年开始。在 20世纪70年代~80年代开发研制各种陶瓷材料,到90年代已能真正应用于人体生 物体的修复,已在临床现场取得重要成果。近年来,生物陶瓷材料的研究与应用于临床治 疗取得重大突破。如在生物陶瓷取代人体关节、骨骼修复、药理功能与治疗癌症方面都有 现在在生物陶瓷研究领域处于领先地位的美国、日本,及其他国家的科学家们、正在利用陶瓷材料所具有的特性,开发具有新功能的生物材料,展现出美好的前景。 [1].中国生物医学工程学报,2001,20(3):278-280 骨组织工程支架材料生物陶瓷的研究进展,医疗卫生装备,2005,26(4):26-28 多孔结构对碳酸化羟基磷灰石骨水泥溶解度的影响.北京生物医学工 程.2006,6(3):296-299 .生物陶瓷材料的发展与现状[J].大连大学学报,2001,22(6):57-61

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