医用碳/碳复合材料的研究进展

钟 萍(综述)，徐南伟(审校)

(南京医科大学附属常州市第二人民医院脊柱外科，江苏 常州 213003)

随着生命科学的不断发展和进步，生物材料的研究也掀起了很大的研究浪潮并取得了相关的成果。生物医用材料可分为硬组织材料(骨骼、牙齿、关节、金属支架)和软组织材料(人工皮肤、人工气管、人工血管等)。据不完全统计，1995年全球生物医用材料市场[1]已达120亿美元，而目前临床骨科用量较大的像人工关节、固定骨折的内固定钢板、钢棒、髓内钉、螺钉以及外固定支架等占有较大的比例，正因为硬组织替换材料的应用推广，临床需求量大，已逐渐成为目前开发和研究的重点。碳/碳复合材料是碳纤维增强碳基体的复合材料,是一种新型的超高温复合材料[2]。目前已广泛用于航天飞机结构部件、发动机，飞机及赛车的刹车装置等[3]。碳/碳复合材料种类多、性能各异,医用碳单质材料被认为是目前已知材料中生物相容性最好的材料[4]。碳/碳复合材料克服了单一碳材料的脆性,继承了碳材料固有的生物相容性,兼有高韧性、高强度、力学性能耐疲劳、质量轻、具有一定的假塑性、微孔有利于组织生长,特别是它的弹性模量与人骨相当,能够克服其他生物材料的不足,是潜在的骨替代和修复的生物材料。碳/碳复合材料应用于临床已开展了相关的研究。国内最早临床用碳质人工骨是由吉林碳素厂研究所提供的，截止1989年底，他们已进行了50例碳/碳人工颌骨及颞颌关节的置换，随访时间最长8年，最短1年，5年以上37例，成功率为94%[5]。而国际上对用于人工硬组织替换的碳/碳复合材料研究比较有进展的是俄罗斯、法国和美国。国外有研究表明，碳/碳材料植入人体内后可以防止血栓的形成[6]。亦有该材料用于人工气管修复方面的研究报道[7]。该文就医用碳/碳复合材料的研究进展予以综述。

1 医用碳/碳复合材料的制备

目前工业用碳/碳复合材料制备方法较多，较成熟，结合工业技术及国家人体植入物标准，医用碳/碳复合材料的制备首先由碳纤维[8]在平面、垂直方向通过编织工艺，整体贯穿成一体，获得碳纤维三维立体物，然后结合化学气相法和液相浸渍-碳化法，这两种方法分别采用低分子气体和树脂得到基体碳，将这两种方法得到的基体碳固化入预制体中，获得密度均匀的碳/碳复合材料。因为是用于人体，最主要的问题是去除其中的杂质，尤其是对人体有毒性的元素，所以更好的制备方法仍在进一步研究中。

2 医用碳/碳复合材料的特性

2.1在生物体内稳定且生物安全性好 相对于金属内植入物，碳/碳复合材料具有更佳的体内稳定性和生物安全性，碳/碳复合材料属生物惰性材料，不易与人体组织发生反应，能耐受体内酸碱环境的变化，不易变性，而金属植入物的金属颗粒脱落，进而沉积在人体的某些器官，被细胞吞噬，可能会引起机体中毒或其他的不良反应。碳作为人体的成分之一，碳质人工材料已在骨骼、肌腱、血管、齿根、心脏瓣膜等诸多方面获得应用，并体现了良好的安全性。碳/碳复合材料表面也会有颗粒的脱落，而这些颗粒会被附近组织中的巨噬细胞或淋巴细胞吞噬，但它对机体的功能没有影响，这也是该材料的优势之一。目前国内已有研究小组根据人体植入物的评价标准，对碳/碳复合材料进行血液、肌肉、软组织及骨骼等进行一系列安全性研究，结果发现其无全身毒性，机体对该材料的相容性及耐受性均达标，因此可应用到临床医学中[9]。国外已开展的短期临床研究也证实了这一点。

2.2生物相容性好 相对于其他生物材料，碳/碳复合材料由碳构成，更贴近人体的成分，这也决定了其优良的生物相容性，目前基础和临床的研究也证实了这一点。碳/碳复合材料植入机体后，血小板能很好的黏附上去，而纤维蛋白原及红细胞却很少黏附，导致不能凝血，具备一定的抗凝性。将碳/碳复合材料植入机体一段时间后，机体内软组织和该材料能紧密结合，有很好的亲和作用，而且随着软组织的结合，表皮能进一步的生长，这与金属植入物相比，具有更明显的优势。在硬组织修复方面，该材料同样具有良好的生物相容性，有研究将碳/碳复合材料用于大鼠股骨的情况，结果表明骨皮层组织的适应性良好，在碳/碳复台材料与骨之间没有出现炎性反应，也没有软组织层的出现。两者结合的较紧密，而金属植入物和骨之间一般有软组织的出现，有时甚至出现排异反应，这反映了碳/碳与骨组织间良好的亲和性[10-11]。经显微分析可观察到碳/碳的凹凸表面与骨组织结合得很紧密，有骨组织长入碳/碳复合材料中，表明该材料和机体复杂的内环境有较好的相容性。

2.3弹性模量和骨相近且具有高强度、高韧性 在骨科内植入物方面，目前合金材料的使用量非常大，使用的时间也比较长，针对这方面材料的临床研究比较成熟，它能提供坚强的支撑和固定作用，它的弹性模量和人体骨骼的弹性模量相差较大，植入人体后，会产生“应力遮挡”效应，一方面骨折易延迟愈合，且材料周围骨骼易吸收，同样内固定材料容易断裂，给患者带来极大的痛苦。而碳/碳复合材料由于其增强体和基体均由碳构成，碳/碳复合材料的弹性模量[12]为45～47 GPa，相比钴铬合金的弹性模量(240 GPa)、不锈钢的弹性模量(200 GPa)、钛合金的弹性模量(120 GPa)，与人体骨骼的弹性模量(10～40 GPa)非常相近，具有非常良好的应力传递能力，可避免“应力屏蔽”效应的发生。另外碳/碳材料强度也非常高，在工业上已有应用，它同样能满足人体对硬组织替换物强度的要求，是一种潜在的有优势的人体骨骼替换材料，随着研究的深入和技术的进步，个性化碳/碳复合材料植入物的成功研发也是可行的。

2.4射线下透明且磁共振下无伪影 自碳质人工心脏瓣膜研究成功以来，基于其优良的生物相容性，该瓣膜成为迄今为止应用于人体内最成功的碳材料假体[13]。判断人工心脏瓣膜的工作状况，必须借助影像学技术。鉴于碳材料在射线下是透明的，所以一定量的重金属钨加入了人工心脏瓣膜中。这样就可以借助于射线观察机械心瓣的活动，碳/碳材料这一特性在心脏外科应用中可能是个弱势，但在骨科临床中，特别是在脊柱外科中，却是它的优势所在。脊柱外科使用磁共振检查的频率较高，磁共振主要是用于判断脊髓及其周围组织的信号变化，在使用CT或磁共振检查时，金属植入物会产生相关的伪影，而伪影不利于临床医师对疾病作出更好的判断，该问题已困扰临床医师多年，基于该材料的特性，将它制成假体植入人体后，在CT和磁共振检查中不会有伪影产生，困扰临床医师多年的伪影问题有望得到解决。而不锈钢、钛合金、钴铬钼合金等假体的植入后在普通X线检查有明显的优势，也可以在碳/碳材料中加入少量的金属元素，使其能够通过普通X线来判断、评估临床效果，同时也不影响CT或磁共振的检查，这是研究者所期待的在影像学方面有优良表现的材料。

2.5成骨细胞长入良好 临床骨科植入物一方面需要有较高的强度，另外需于机体有良好的交互作用，这主要体现在机体骨细胞对材料的反应性上，这样才能达到优良的整合作用及持续的稳定性。现有的临床研究已表明，钴铬钼合金、不锈钢、钛合金植入人体后，有骨细胞的长入，但与骨组织接触面中间有结缔组织，这样成骨细胞和金属材料的黏附力下降，影响了材料周围新生骨的产生，它们之间的结合牢固性降低。有研究表明，碳/碳复合材料表面成骨细胞能长入，相对于金属材料而言更有优势，能与人体骨骼更好的结合，增强牢固程度，可与机体更好的融合在一起[14]。其原因与碳/碳材料本身特性有关，基于碳材料是人体组成之一，另外该材料表面和内部有微孔，利于骨长入，对于骨长入有诱导作用，通过工艺技术可适当调整材料内部孔径，使得骨长入的程度不同，同样可以调整材料的维度以及表面的粗糙度来刺激成骨细胞，诱导成骨细胞能更好的长入该材料，而未来若能将该材料塑性成骨小梁结构，可更好地使成骨细胞长入。

3 医用碳/碳复合材料的表面改性

医用碳/碳复合材料有很多的优势，它的研究也已经进行了很长时间，而目前在临床的使用很少，制约其临床应用的主要原因是该材料植入人体后表面摩擦导致碳颗粒的脱落，虽然该颗粒对机体无毒性及功能影响，但有黑肤效应产生。另外，该材料属生物惰性材料，将其植入体内后，由于固定周期长，且不能与骨形成化学键合[15]。因此，必须对其进行表面改性，一方面使得其具备生物活性，另外可以减少表面脱落颗粒在体内的游走，避免产生黑肤效应。

目前植入人体内的钛合金表面涂层主要有羟基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂层，在临床上应用也比较成熟，其他的涂层也有报道，如碳/碳复合材料表面碳化硅涂层的报道，而研究较多的还是HA涂层，该涂层主要使用等离子喷涂法，目前已商用[16-17]。现在生物活性涂层的制备技术很多,主要有以下几种。①等离子喷涂法[18]：等离子喷涂方法不能在复杂表面上获取均匀的HA涂层，涂层的覆盖性差，且等离子喷涂设备复杂，涂层制备的成本高。该方法在碳/碳表面制备的HA涂层结合强度远低于国际标准，不能满足体内植入要求。②电化学法[19]：该涂层的致密度和均匀性均得到改善，但致密度仍不高,内聚强度不高，通过该工艺制备HA涂层的结合强度已至极限，涂层与临床应用的标准仍有差距。③感应热沉积法：工艺简单，涂层可均匀覆盖在基体表面,解决了碳/碳复合材料基体与HA涂层间的结合强度难题，是一种值得继续研究和开发的新技术。④仿生法：涂层可均匀覆盖在材料表面，涂层成分更接近于人体骨无机质,具有较高的生物相容性和骨性结合能力。因此，此类涂层研究和开发的热点，但仍需解决内需强度低的缺点。目前这些方法多用于生物陶瓷、不锈钢、钛及其合金等生物材料的表面改性[17]。在碳/碳复合材料HA改性方面国内外学者已开展了一些有益的探讨。具有HA涂层的碳/碳复合材料能否进入临床应用的关键是两者的结合强度。

在临床特别是骨科，首先强调涂层的生物活性，HA在其他材料的临床使用中已得到肯定；其次就是涂层在材料表面的均匀性，以便与机体更好的整合；再次就是材料表面能形成很致密的一层，这样可以防止材料内部颗粒的散落；还有就是涂层本身的强度及与材料的结合牢固程度，涂层本身的强度越大，就越不易磨损，与材料的结合牢固越大，涂层就越不容易脱落，这样达到材料与涂层的完美结合，发挥各自的优势，在人体内更好地发挥作用。目前新的技术方法也在不断研究和探索中，期待并相信会有更好的方法能被开发出来并得到应用和推广。

4 展 望

与金属和陶瓷等承重骨替换材料在临床中的应用相比，碳/碳复合材料有鲜明的优势，同时也有劣势，而且有些还只是停留在理论阶段，碳/碳复合材料的医用研究还存在着许多急需解决的问题。尽管基础研究或动物实验已开展，但目前国内外专用于临床的碳/碳复合材料的研究报道仍很少，其在人体内的长期效应报道更少，目前主要用于工业领域。当前急需解决的问题是碳/碳材料表面的颗粒易脱落以及表面涂层的改性。因此，更应该加大对碳/碳复合材料的基础和临床研究，以便这一极具潜力的生物材料[20]能够早日应用到临床工作中，解决目前临床工作中的一些问题，为患者带来更多的益处。

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