生物医用陶瓷材料的研究进展

周厚蓄

【摘 要】 生物陶瓷已经成为当今医学领域不可缺少的部分，本文具体介绍了氧化锆，氧化铝等生物惰性陶瓷，羟基磷灰石，生物活性玻璃等表面活性陶瓷，以及硫酸钙等可吸收性生物陶瓷。并对各医用陶瓷的性能和应用现状进行了分析，最后展望了生物医用陶瓷的发展前景。

【关键词】 生物医用惰性陶瓷；表面生物活性陶瓷 ；可吸收性生物活性陶瓷；骨组织修复

【中图分类号】R715 【文献标志码】

A 【文章编号】1005-0019（2018）14-294-01

生物医用陶瓷材料是陶瓷材料中应用于生物医学领域中的一类，植入人体后具有一定的生理或化学行为。在组织工程学领域，生物医用陶瓷材料的重要性毋庸置疑。为了造福骨科方面的患者，人们一直在研究一种具有传导性和骨诱导性，又具有降解性，还可用来构成人体骨骼和牙齿的某些部分，甚至能够修复或替换人体的某些组织或器官以增进其功能的生物陶瓷材料。按生物学性能来分，生物陶瓷可分为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体内不会发生生理反应的一类生物陶瓷材料。这类陶瓷不具有活性，化学性能稳定，生物相容性好。另一方面，力学性能高，耐磨性强。主要包括氧化锆、氧化铝陶瓷等。

1.1 氧化锆陶瓷 氧化锆是常见的惰性生物陶瓷，由高纯二氧化锆经高温烧结制备得到。主要用于人体关节、牙种植体等硬组织的修复和替换。李立刚等在氧化锆陶瓷表面搭载成骨细胞，并在体外共同培养一段时间，结果表明氧化锆陶瓷具有良好的生物相容性与细胞相容性[1]。氧化锆陶瓷在假牙方面技术已经十分成熟。而在人工关节方面氧化锆陶瓷主要是作为人工髋关节。但其寿命一般不长，因其假体容易磨损。因此，有研究者通过将氧化锆与聚乙烯复合来减少磨损。另外，氧化锆陶瓷粘结性不强，可采用一些陶瓷表面处理手段（如喷砂、酸蚀等）来增加陶瓷的粘结稳定性。另一方面，氧化锆陶瓷的脆性大，所以很少单独使用，可采用与高分子材料复合等方法进行增韧，从而弥补其不足。

1.2 氧化铝陶瓷

氧化铝生物陶瓷是由高纯度一氧化铝构成的一种惰性的生物陶瓷，亦称纯刚玉生物陶瓷材料。它在生物环境中不易被腐蚀或溶解，它还可用作牙种植体、耳听骨修复体和药物释放载体等，因其弹性模量远高于自然骨，拉伸强度低，易发生老化和疲劳破坏，故不直接用作承受复杂应力的骨替换材料。但氧化铝陶瓷具有优异的耐磨性以及较高的硬度，使之在骨科髋关节置换术领域有着广泛的应用。20世纪70年代氧化铝陶瓷开始应用于人工髋关节置换技术[2]。

2 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷是指在植入生物体的过程中能够与人体骨细胞发生相互作用或者直接通过化学键与骨组织结合的材料，可分为表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷两类。常见的活性陶瓷有羟基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃、硫酸钙陶瓷等。

2.1 羟基磷灰石

羟基磷灰石是骨骼中的主要无机成分。有研究指出人体自然骨组织的主要无机矿物成分就是纳米羟基磷灰石针状晶体，因此纳米级羟基磷灰石也是研究者研究的重点[3]。人工合成的羟基磷灰石材料的成分、形态和结构与自然骨的矿物成分非常接近，具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等优势，应用非常广泛。近些年缺钙羟基磷灰石得到研究者的广泛关注，与标准钙磷比的羟基磷灰石相比，缺钙羟基磷灰石对成骨细胞的增殖效果更为明显，同时对碱性磷酸酶（ALP）的表达也有良好的促进作用。羟基磷灰石常用于涂层，这样有效地弥补了它脆性大、生物性能不佳等缺陷。钙磷类生物活性陶瓷表面类骨磷灰石的形成及机理一直是人工骨修复材料研究的重点，羟基磷灰石因化学成分与自然骨的无机物质非常相似，具有良好的生物相容性、无毒副作用等优点，成为生物材料的最佳增强材料。纳米级羟基磷灰石还能够用于离子喷雾涂层，对人工假体等进行喷涂，以增加植入物稳定性[4]。

2.2 生物活性玻璃

生物活性玻璃主要是由SiO2、P2O5、CaO等组成。它具有降解性，人体可以用它们的溶解产物来刺激新骨生长。在高定等人做的大鼠试验中，生物活性玻璃能够在体内逐步降解，并且能够促进新生骨成长，在骨质疏松等一些的因骨密度缺损而引发的病症治疗方面具有较大的应用潜力[5]。据实验表明，生物活性玻璃还具有促进血管生成的能力，这样不光对硬组织，而且还对软组织的修复再生起到了很大的帮助[6]。但任何材料并不是完美无缺的，生物活性玻璃与基体材料之间的结合力较弱，容易造成骨修复的失败。将其与钛合金等材料复合，可以解决这一问题。另一方面，生物活性玻璃降解性能不甚理想，其代谢机理仍未定论。而且材料降解易使局部pH值产生变化，进而对周边细胞生长产生影响，甚至影响体内的离子平衡。

2.3 硫酸钙

硫酸钙作为医用骨水泥材料，在临床上取得了广泛的应用。骨移植是目前除输血外应用最广泛的组织移植，自体骨是骨移植材料中常见的类型，但存在增加骨创伤、骨量受限、供区并发症等缺陷。虽说现在用硫酸钙代替自体骨移植的技术还不完善，但刘鹏、赵建华等人已经将医用硫酸钙用于治疗四肢良性骨肿瘤所致的骨缺损及脊柱融合病症中，并且取得了良好的临床效果。医用硫酸钙能够在体内完全降解，对生物体学钙含量没有明显影响。另一方面，半水硫酸钙与水结合后发生转变，变成二水硫酸钙，这种固体植入物还可作为水溶性抗生素载体。Dressman等使用医用硫酸钙作为骨缺损填充剂进行骨缺损的治療，Petrova等以狗骨缺损作为模型进行了体内动物实验，取得了不错的成骨效果[7]。但硫酸钙降解速率过快，降解后易引起周围局部pH值环境呈酸性，这也是限制其进一步发展的主要缺点。将其与高分子材料或者其它降解速率慢的陶瓷材料相复合，有望调节其降解速率，使之与新骨再生速率相匹配。

3 结论与展望

生物复合材料目前研究较多的是将乳酸材料与生物活性陶瓷材料以不同的结构相结合，以此改善复合材料的各种性能，扩大其适用范围。同时我们可以思考是否可以将一些生物惰性陶瓷材料与生物活性材料相复合，得到具有多重特性的新型材料，以此来治疗更多的疑难杂症（如骨质疏松等）。生物复合材料的性能已经超越了单独的生物惰性和活性材料。例如，将聚乳酸与硅灰石生物陶瓷复合制备出有机无机复合材料，研究结果表明复合材料具有优异的力学性能以及良好的生物活性和生物相容性[8]。

另一方面，从仿生原理组织工程的思想出发，制备与人体自然组织结构及性能相似的理想生物材料，也是今后生物医用陶瓷的主要发展方向。

参考文献

[1] 李立刚，常晓峰. 氧化锆材料的生物相容性研究[J]. 陕西医学杂志，2013，42（6）：657-658.

[2] Tateiwa T， Clarke IC， Williams PA， et al.Safety and risk of ceramic total hip arthroplasty in the United States [J]. Am Jorthop （Belle Mead NJ）， 2008， 37（2）.

[3] Slepko A， Demkov AA. Study on the first principle of hydroxyapatite surface [J]. J Chem Phys， 2013，139（4）.

[4] Boe BG， Rohrl SM， et al.A prospective randomized study of electrodeposition of hydroxyapatite and plasma hydroxyapatite on titanium and zinc [J]. Acta Orthop， 2011，82（1）：13-19.

[5] 高定，徐永清，李福兵. 生物陶瓷材料的應用及其进展[J]. 西南国防医药，2014，24（9）：1028-1030.

[6] Gerhardt LC， Erol MM， et al.Genetic properties of multifunctional bioactive glass composite scaffold， 2011，32（17）：4096-4108.

[7] 刘鹏，赵建华等. 骨移植替代物医用硫酸钙初步临床应用[J]. 中国修复重建外科杂志，2006，20（20）：1066-1069.

[8] 徐梁，熊成东. 几种聚乳酸/生物活性陶瓷复合材料细胞相容性的比较[J]. 重庆工学院学报（自然科学），2009，23（5）：41-44.