生物陶瓷材料的特点和发展前景探讨

齐晶晶,卢勇

(兰州石化职业技术大学,甘肃 兰州 730000)

生物陶瓷材料是一种用于特定生物或生理功能的陶瓷材料。这一类陶瓷材料首先需要具备良好的生物相容性、力学相容性和很好的物理和化学稳定性[1],其次在生物体内作用的时候要与生物组织有优异的亲和性、抗血栓、灭菌性[2]。

1 生物陶瓷的组成

生物陶瓷主要由无机非金属材料构成,主要包括氧化铝、氧化锆、生物活性玻璃等[3]。这些材料具有良好的生物相容性、抗腐蚀性和美观性,可以用于一些特殊的口腔疾病治疗。

2 生物陶瓷的分类

2.1 据生物相容性分类

2.1.1 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷具有优异的生物相容性和骨传导性,能够与人体组织紧密结合,促进骨细胞生长和愈合,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.1.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷与人体组织没有直接反应,具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性,广泛用于牙科修复、骨科植入物等领域,例如氧化铝、氧化锆等。

2.2 根据降解性分类

2.2.1 生物可降解陶瓷

生物可降解陶瓷在人体内能够逐渐降解,被人体吸收和排出,通常用于药物载体、止血材料等功能性植入物,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.2.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷在人体内不降解,长期存在于人体内,具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,通常用于人工关节、牙种植体等领域,例如氧化铝、氧化锆等。

2.3 根据材料尺度分类

2.3.1 纳米生物陶瓷

纳米生物陶瓷具有纳米尺度的材料特性,能够促进细胞生长和分化,提高材料的生物相容性和骨传导性,例如纳米氧化物陶瓷等。

2.3.2 生物陶瓷复合材料

生物陶瓷复合材料由两种或两种以上的不同材料复合而成,具有优异的机械强度、生物相容性和耐磨性等性能,用于多种医疗领域,例如氧化铝/聚合物复合材料等。

2.4 根据功能化分类

2.4.1 功能化生物陶瓷

功能化生物陶瓷具有某种特定功能,如药物控释、抗菌、抗肿瘤等,可用于药物载体、抗感染植入物等领域,例如药物控释氧化铝等。

2.4.2 非功能化生物陶瓷

非功能化生物陶瓷没有特定功能,主要用作基础材料,用于牙科修复、骨科植入物等领域,例如氧化铝、氧化锆等。

3 生物陶瓷的特点

3.1 优点

3.1.1 良好的生物相容性和生物活性

生物陶瓷在应用的时候需要直接用于人体,所以就需要它能与人体组织紧密结合,促进骨细胞生长和愈合,具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,可以长期稳定地存在于人体内。因此生物陶瓷具有生物相容性、力学相容性以及与生物组织有优异的亲和性[1],还具有抗血栓、灭菌性,并具有很好的物理、化学稳定性[2]。此外,生物陶瓷还具有与血液相容性好、无组织反应和无细胞毒性的特点。例如,氧化锆陶瓷和碳都是生物惰性陶瓷,它们既无毒性又具有良好的机械性能。同时,它们还可以通过与生物活性陶瓷形成复合物来实现生物活性。例如,生物玻璃和玻璃陶瓷既无毒性,又可与骨骼形成化学结合。微晶玻璃具有骨诱导性,而磷酸钙陶瓷也对组织无毒性且可被生物吸收。

3.1.2 良好的物理和化学性能

生物陶瓷具有高强度、高硬度、优良的电性能和稳定的化学性能等优点。

3.1.3 易于加工和成型

生物陶瓷可以制成各种形状和尺寸的部件,适用于不同的医疗领域。

3.2 缺点

3.2.1 力学性能差

生物陶瓷材料的基体材料依然是陶瓷,而陶瓷材料自身的力学性能较差,所以生物陶瓷材料的强度低、脆性高、韧性低、抗折强度低,这些缺陷都影响了它在医学临床领域的进一步应用[3]。

3.2.2 制备工艺复杂

生物陶瓷材料在制备烧结的过程中,非常容易产生裂纹和孔洞,这些缺陷都将会影响它的性能和使用寿命[4]。

4 生物陶瓷的制备方法及优缺点

生物陶瓷的制备方法有多种,包括固相法、液相法、气相法等。各种制备方法都有其优缺点,需要根据具体的应用场景和要求选择合适的制备方法。同时,在制备过程中需要注意控制材料的纯度、化学成分和微观结构等关键因素,以保证生物陶瓷的生物相容性和生物活性。

4.1 固相法

固相法是最常用的制备方法,包括烧结法、热压法、热等静压法等。优点:制备过程简单,易于控制,适用于大规模生产。缺点:可能引入杂质,如残留物和添加剂,影响材料的纯度和生物相容性。

4.2 液相法

液相法包括溶胶-凝胶法、水热法等。优点:可以获得高纯度的材料,制备过程相对温和,可以精确控制化学成分和微观结构。缺点:制备过程可能涉及有毒或有害物质,如有机溶剂和模板剂,可能对环境和人体健康造成影响。

4.3 气相法

气相法包括化学气相沉积法、物理气相沉积法等。优点:可以获得高纯度、高致密度的材料,表面质量好,适用于制备薄膜和复杂形状的部件。缺点:制备过程需要高温或高真空度,成本较高,对设备要求较高。

5 生物陶瓷的制备方法对其性能的影响

不同的制备方法可以获得具有不同特性的生物陶瓷,从而影响其在生物医学领域的应用效果。

5.1 结构性能

生物陶瓷的制备方法会影响其晶体结构和相纯度。例如,普通烧结法是制备生物陶瓷最传统的方法,但该方法的制备周期长、烧结温度高、材料纯度低等问题导致其应用不广泛。相转化法和微波烧结法是近年来发展起来的新型制备方法,这两种方法可以在较低的温度条件下制备生物陶瓷材料,并且所得材料具有较高的生物相容性和生物活性,因此受到广泛关注。

5.2 力学性能

生物陶瓷的制备方法还会影响其力学性能和耐磨性。例如,氧化铝和氧化锆等生物陶瓷材料具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,可用于制作人工关节、牙种植体等。而生物活性玻璃和生物活性碳/石墨材料等则具有良好的生物相容性和骨传导性,可用于促进骨细胞生长和愈合。

5.3 生物性能

生物陶瓷的制备方法也会影响其药物载体和生物功能。例如,纳米生物陶瓷可以作为药物载体,通过控制药物释放速度和药物作用时间来提高药物的疗效和减少副作用。而功能化生物陶瓷则具有抗菌、与骨组织无害的相互作用,不引起明显的免疫反应和组织排斥。此外,生物陶瓷的形态和结构也对其生物相容性有着很大的影响。例如,在种植体中,具有某种特殊结构的生物陶瓷材料表面可以增加细胞和组织的黏附性和完整性,从而提高材料的生物相容性和融合性。

6 生物陶瓷材料在医疗领域的应用

6.1 牙科修复

生物陶瓷材料在牙科修复领域应用广泛。高精度的生物陶瓷义齿可以逼真地模拟天然牙齿的颜色和形状,同时具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性,能够长时间保持美观和功能。此外,生物陶瓷还可以用于制作牙种植体,这些种植体可以与周围组织相容,并促进骨细胞生长,从而提高种植牙的稳定性和使用寿命。

6.2 骨科植入物

在骨科手术中,生物陶瓷材料可以用于制作人工关节、人工骨和人工肌腱等植入物。这些植入物可以与人体组织相容,并促进骨细胞生长,从而加速骨折的愈合和功能的恢复。生物陶瓷人工关节具有优异的耐磨性和耐腐蚀性,可以长时间保持稳定性和功能。

6.3 心血管系统

生物陶瓷材料可以用于制作心血管系统中的血管、心脏瓣膜和心脏支架等植入物。这些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,可以长时间保持功能和稳定性。此外,生物陶瓷还可以用于制作药物载体,将药物直接输送到病变部位,从而提高药物的疗效和减少副作用。

6.4 眼科

生物陶瓷材料可以用于制作眼科手术中的植入物,如人工晶体、人工角膜和人工虹膜等。这些植入物具有良好的光学性能和生物相容性,可以长时间保持稳定性和功能。此外,生物陶瓷还可以用于制作隐形眼镜材料,为近视患者提供更好的视觉体验。

6.5 神经外科

生物陶瓷材料可以用于制作神经外科手术中的植入物,如人工脑膜、人工颅骨和人工神经导管等。这些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,可以长时间保持稳定性和功能。此外,生物陶瓷还可以用于制作药物载体,将药物直接输送到病变部位,从而提高药物的疗效和减少副作用。

6.6 耳鼻喉科

生物陶瓷材料可以用于制作耳鼻喉科手术中的植入物,如人工耳蜗、人工鼻梁和人工喉头等。这些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,可以长时间保持稳定性和功能。此外,生物陶瓷还可以用于制作听力辅助装置的材料,为听力障碍患者提供更好的听力体验。

6.7 外科手术

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,因此在外科手术中得到了广泛应用。例如,在肝脏手术中,生物陶瓷可以用于制作止血材料和药物载体;在心血管手术中,生物陶瓷可以用于制作血管修复材料和药物载体;在骨科手术中,生物陶瓷可以用于制作人工关节和人工骨等植入物。

6.8 美容整形

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,因此在美容整形领域应用广泛。例如,高精度的生物陶瓷义齿可以用于牙齿美容;生物陶瓷人工骨可以用于面部整形手术;生物陶瓷人工肌腱可以用于治疗肌肉松弛等。

总之,生物陶瓷材料在医疗领域具有广泛的应用前景。随着技术的不断发展和成本的降低,生物陶瓷将在未来发挥更加重要的作用。

7 生物陶瓷材料的发展史

7.1 早期生物陶瓷材料

在早期的生物陶瓷材料中,人们使用的是天然生物材料,如骨头、牙齿等。这些材料具有良好的生物相容性和生物活性,但是它们的数量和形状有限,无法满足现代医学的需求。

7.2 生物活性玻璃陶瓷材料

随着材料科学的发展,人们开始研制具有生物活性的玻璃陶瓷材料。这种材料具有优良的生物相容性和生物活性,能够与人体组织良好的结合,同时能够促进细胞的生长和分化。这种材料的应用范围广泛,包括人工关节、牙种植等。

7.3 生物可降解高分子材料

生物可降解高分子材料是一种能够被人体吸收和分解的材料。这种材料在体内能够逐渐降解,同时释放药物或营养物质,起到治疗和促进组织修复的作用。这种材料的应用范围包括药物载体、组织工程支架等。

7.4 生物相容性金属材料

生物相容性金属材料是一种能够与人体组织良好结合的金属材料。这种材料具有优异的机械性能和耐腐蚀性,同时具有良好的生物相容性和生物活性。这种材料的应用范围包括人工关节、血管支架等。

7.5 生物陶瓷涂层材料

生物陶瓷涂层材料是一种在金属或高分子材料表面涂覆一层生物陶瓷材料的复合材料。这种材料能够提高金属或高分子材料的生物相容性和生物活性,同时能够保护基材不受腐蚀和磨损。这种材料的应用范围包括牙种植、血管支架等。

7.6 生物陶瓷复合材料

生物陶瓷复合材料是一种由生物陶瓷和其他材料组成的复合材料。这种材料能够综合利用各种材料的优点,同时提高材料的机械性能和生物相容性。这种材料的应用范围包括人工关节、牙种植等。

7.7 生物陶瓷材料的表面改性

表面改性技术是一种通过改变材料表面的化学和物理性质来提高材料的生物相容性和生物活性的技术。这种技术包括离子注入、等离子体处理、纳米涂层等。这种技术的应用能够提高材料的生物相容性和生物活性,同时能够改善材料的机械性能和耐腐蚀性。

8 生物陶瓷材料的未来发展趋势

随着科技的不断发展,生物陶瓷作为一种重要的生物材料,在医疗领域中的应用越来越广泛。未来,生物陶瓷将会朝着材料优化、定制化生产、智能材料、生物活性、纳米技术、绿色生产、临床应用拓展、跨学科合作等方面发展。

8.1 材料优化

生物陶瓷材料的性能和稳定性是影响其应用效果的关键因素。未来,将会更加注重生物陶瓷材料的优化和改进,以提高其性能和稳定性。例如,通过改变生物陶瓷材料的表面结构和化学性质,可以改善其与人体组织的相容性和结合能力。

8.2 定制化生产

随着个性化医疗的发展,生物陶瓷材料的定制化生产将会越来越受到关注。通过3D打印等技术,可以根据患者的具体情况和需求,定制符合其生理特征的生物陶瓷材料,提高治疗效果和减少并发症。

8.3 智能材料

智能材料是指具有感应、响应、自适应等能力的材料,可以自动适应环境变化并作出相应的调整。未来,生物陶瓷材料将会朝着智能化的方向发展,通过引入智能材料的概念和技术,提高生物陶瓷材料的自适应能力和安全性。

8.4 生物活性

生物活性是指生物材料与人体组织或细胞相互作用的能力。未来,生物陶瓷材料将会更加注重其生物活性的研究和提升,以促进骨细胞和组织的生长和愈合。例如,通过引入生长因子等活性物质,可以增强生物陶瓷材料的生物活性。

8.5 纳米技术

纳米技术可以使材料具有更高的表面能和更精细的结构,从而提高材料的性能和稳定性。未来,纳米技术将会在生物陶瓷材料的制备和应用中发挥更大的作用,例如通过纳米涂层技术提高生物陶瓷材料的耐磨性和耐腐蚀性。

8.6 绿色生产

随着环保意识的不断提高,绿色生产将会成为未来的重要趋势。在生物陶瓷的生产过程中,将会更加注重环保和节能减排,例如通过采用环保型的原料和生产工艺,降低能源消耗和减少废弃物排放。

8.7 临床应用拓展

未来,生物陶瓷将会在更多的临床领域得到应用。例如,在口腔科领域中,可以通过使用生物陶瓷材料制作牙种植体和牙冠等;在骨科领域中,可以使用生物陶瓷材料制作人工关节和骨板等。此外,在神经外科、心血管等领域中也有广泛的应用前景。

8.8 跨学科合作

生物陶瓷材料的研究和应用涉及多个学科领域,比如材料科学、生命科学、医学、化学等[5]。未来,各学科之间的合作将会更加紧密,共同推动生物陶瓷材料的研发和应用。例如,生物学和医学领域的专家可以提供人体组织和细胞的样本和实验数据,为材料科学家提供研究方向和思路;材料科学领域的专家可以提供先进的制备技术和理论支持,为医学专家提供更好的医疗设备和方案。