納米生物醫用陶瓷的應用及展望

摘 要 本文概敘了納米生物醫用陶瓷的特性，介紹了納米陶瓷的主要制備方法，分析了納米陶瓷在生物醫學中的主要應用和發展#65377;

關鍵詞 生物陶瓷，納米技術，納米陶瓷

1生物陶瓷

生物陶瓷指與生物體或生物化學有關的新型陶瓷^[1]，是具有特殊生理行為的一類陶瓷材料，可用來構成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某些組織#65380;器官，或增進其功能#65377;所謂生物陶瓷的特殊生理行為，是指它必須滿足下述生物學要求:(1)它是與生物機體相容的，對生物機體組織無毒#65380;無刺激#65380;無過敏反應#65380;無致畸#65380;致突變和致癌等作用;(2)它具有一定的力學要求，不僅具有足夠的強度，而且其彈性形變應當和被替換的組織相匹配;(3)它能和人體其它組織相互結合#65377;

根據生理環境中所發生的生物化學反應，生物陶瓷可分為三種類型:(1)接近于生物惰性的陶瓷，如氧化鋁#65380;氧化鋯及氧化鈦陶瓷等;(2)表面活性生物陶瓷，包括致密羥基磷灰石陶瓷#65380;生物活性微晶玻璃等^[2];(3)可吸收生物陶瓷，如熟石膏#65380;磷酸三鈣及鋁酸鈣等#65377;

2納米陶瓷

2.1 納米陶瓷粉體

納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數量級(1～100nm)尺寸的亞穩態中間物質#65377;隨著粉體的超細化，其表面電子結構和晶體結構發生變化，產生了塊狀材料所不具有的特殊效應#65377;如極小的粒徑#65380;大的比表面積和高的化學活性等，可以顯著提高材料的燒結致密化程度#65380;節約能源;使陶瓷材料的組成結構致密化#65380;均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性#65377;

2.2 納米陶瓷的制備工藝

主要包括納米粉體的制備#65380;成形和燒結#65377;

納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成兩種#65377;

(1) 粉體制備

氣相合成:主要有氣相高溫裂解法#65380;噴霧轉化法和化學氣相合成法#65377;這種合成法增強了低溫下的可燒結性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度，粒徑可小至3～4nm#65377;

凝聚相合成(溶膠-凝膠法):是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制pH值#65380;反應溫度等條件讓其水解#65380;聚合，經溶膠-凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到產物的一種方法#65377;此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優越性#65377;凝聚相合成已被用于生產小于10nm的SiO₂#65380;Al₂O₃和TiO₂納米團#65377;

(2) 納米陶瓷成形

主要方法有:冷等靜壓成形#65380;超高壓成形#65380;橡膠等靜壓成形#65380;原位成形#65380;離心注漿成形#65380;凝膠直接成形#65380;凝膠澆注成形和滲透固化等#65377;

(3) 納米陶瓷燒結

納米陶瓷的燒結與其它陶瓷的燒結不同:普通陶瓷的燒結一般不必過分考慮晶粒的生長，而在納米陶瓷的燒結過程中必須控制晶粒長大#65377;目前，無壓燒結因設備簡單#65380;易于工業化生產，是最基本的燒結方法#65377;另外，還有很多其它方法，如:相變輔助燒結#65380;熱壓燒結#65380;燒結鍛壓等方法，根據不同的條件和要求，可選擇不同的燒結方法#65377;

2.3 納米陶瓷的特性

納米陶瓷的特性主要表現在其具有較高的硬度#65380;斷裂韌度和較好的低溫延展性等#65377;有關研究表明:納米陶瓷具有在較低溫度下燒結就能達到致密化的優越性，而且納米陶瓷的出現將有助于解決陶瓷的強化和增韌問題#65377;在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合性，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加;所得材料的硬度和斷裂韌性更好，而燒結溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結不需要任何添加劑，其硬度和斷裂韌性隨燒結溫度的增加(即孔隙度的降低)而增加，故低溫燒結能獲得好的力學性能#65377;

3用于生物材料的納米陶瓷

3.1納米陶瓷微粒用作生物材料

納米微粒的尺寸一般比生物體內的細胞#65380;紅血球小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑^[3]#65377;目前，關于這方面的研究還處于初始階段#65377;

3.1.1 用于細胞分離

80年代初，人們開始利用納米微粒進行細胞分離，建立了用納米SiO₂微粒實現細胞分離的新技術#65377;納米包覆體尺寸約30nm，因而膠體溶液在離心作用下很容易產生密度梯度;易實現納米SiO₂粒子與細胞的分離#65377;

3.1.2 用作藥物載體

人們利用納米級粒子使藥物在人體內的傳輸更為方便這一特點，將磁性納米粒子制成藥物載體，通過靜脈注射到動物體內，在外加磁場作用下通過納米微粒的磁性導航，使其移動到病變部位，達到定向治療的目的#65377;動物臨床實驗證實，帶有磁性的Fe2O₃粒子是發展這種技術的最有前途的對象#65377;該方法局部治療效果好#65380;副作用少#65377;

3.1.3 用于治療癌癥和腫瘤

利用納米微粒可在體內方便傳輸的特點，科學家開發出放射療法用的陶瓷微粒#65377;把可放射β-射線的化學元素摻入納米微粒內，制成β-射線源材料，把它植入腫瘤附近，就可直接照射癌細胞又不損傷周圍正常組織，這種材料有含釔和含磷的納米微粒#65377;

德國柏林沙里特臨床醫院的專家們利用癌細胞耐熱性差，加熱至43℃以上就死亡的規律，將納米氧化鐵微粒注入腫瘤內，并將患者置于交變磁場中，受磁場影響，腫瘤內的納米氧化鐵微粒升溫至 45～47℃，殺死癌細胞而不會傷及周圍的正常組織#65377;該方法在動物實驗中取得了較好的療效^[4]#65377;

此外，研究發現，羥基磷灰石(HAP)納米顆粒對癌細胞有一定的抑制作用#65377;1992年，Aoki在HAP納米顆粒的體外細胞培養實驗中發現，它對正常細胞無影響#65377;1994年，Kano用HAP納米顆粒吸附抗癌藥物的細胞培養實驗中，發現用作空白實驗的HAP微粒對癌細胞的生長有抑制作用#65377;我國武漢理工大學的李世普教授對HAP微粒抑癌作用進行了多年的研究^[3]#65377;他發現納米HAP材料要殺死癌細胞#65380;不傷害正常細胞必須具備兩個條件:1)納米粒子必須具有一定的尺度，在20～100nm之間;2)納米材料具有分散性#65377;他于1998年進行動物實驗，向小鼠體內腫瘤注射 HAP 納米粒子溶膠，7 天后抑瘤率66.1%，外觀上腫塊消失#65377;

3.1.4 具有抗菌性的生物材料

生物材料應用于人體后，其周圍組織有伴生感染的危險，這將導致材料的失效和手術的失敗，給患者帶來巨大的痛苦#65377;為此，人們開發出一些兼具抗菌性的納米生物材料#65377;如在合成羥基磷灰石納米粉的反應中，將銀#65380;銅等可溶性鹽的水溶液加入反應物中，使抗菌金屬離子進入磷灰石結晶產物中，制得抗菌磷灰石微粉，用于骨缺損的填充和其它方面^[5～6]#65377;

3.2 納米固體陶瓷用作生物材料

將納米超微顆粒在高壓下壓制成形，再經過一定的熱處理工藝可制成致密型納米固體陶瓷材料#65377;

美國的T.J.Webster博士研究了納米固體氧化鋁和納米固體磷灰石材料與常規的氧化鋁和磷灰石固體材料在體外模擬實驗中的差異#65377;結果發現，納米固體陶瓷材料具有更強的細胞吸附和繁殖能力#65377;此外，人們還利用納米微粒顆粒小#65380;比表面積大并有高的擴散速率的特點，將納米陶瓷粉體加入某些生物陶瓷材料中，以便提高此類材料的致密度和韌性，用作骨替代材料#65377;

1997年，四川大學的李玉寶教授將納米類骨磷灰石晶體與聚酰胺高分子制成復合體，并將納米晶體含量調節到與人骨所含的納米晶體比例相同，研制成功納米人工骨^[7]#65377;這種納米人工骨是一種高強#65380;柔韌的復合仿生生物活性材料#65377;由于這種復合材料具有優異的生物相容性#65380;力學相容性和生物活性，用它制成的納米人工骨不但能與自然骨形成生物鍵合，而且易與人體肌肉和血管牢牢長在一起，并可以誘導軟骨的生成，各種特性幾乎與人骨特性相當#65377;

納米固體陶瓷材料另一個頗具前景的應用方向是制造人工眼球的外殼#65377;即將納米陶瓷晶體作成人工眼球，這種眼球不僅可以象真眼睛一樣同步移動，也可以通過電脈沖刺激大腦神經，看到精彩世界#65377;這種新穎大膽的構思也是四川大學李玉寶教授首次提出的#65377;理想中的納米生物陶瓷眼球可與眼肌組織達到很好的融合，并可以實現同步移動#65377;

4納米生物陶瓷的應用前景和展望

應該指出的是:和其它一些已經獲得商業應用的納米材料相比，納米陶瓷盡管經過了二十多年的研究，但由于這一體系在理論上尚不完善，在經驗上缺少積累，因此到現在為止，在商業應用方面尚未取得突破性進展#65377;

首先，如何在低成本下獲得大批高質量的納米粉體?到目前為止，要想獲得“理想粉體”(即同時滿足組分均勻#65380;顆粒細#65380;粒徑分布窄#65380;無團聚#65380;比表面積大等苛刻條件)依然十分困難;更重要的是，雖然制備其中某種特性或幾種特性比較突出的高質量的納米粉體并不太難，但其成本往往比較高#65377;因此，如何進一步研究制備過程中納米粉體的形成#65380;生長機制及各種條件的影響;研究各種納米粉體在化學制備過程中的團聚體形成機理;尋求低成本下獲得大批量#65380;高質量納米粉體的途徑等，是納米陶瓷獲得廣泛應用的前提#65377;

其次，如何獲得大體積的相對密度較高，同時結構均勻的納米陶瓷素坯?如何發展新的成形工藝，使得在較低的成本下獲得大體積#65380;結構均勻的素坯，將是今后納米陶瓷的干法成形研究的主要方面#65377;另一方面，對納米陶瓷濕法成形的研究不多，到目前為止只有過很少量的報道#65377;但是，從已有的研究結果來看，納米陶瓷的濕法成形已顯示出很多干法成形無法比擬的獨特優點，可以預計，今后濕法成形有可能成為納米陶瓷成形的主要方法之一#65377;

第三，如何燒結大塊的納米陶瓷?除了粉體制備#65380;素坯成形等方面的原因外，燒結工藝也是很重要的一個原因#65377;這是由于納米陶瓷的燒結本身有很多特殊性，一般的燒結理論不能對其起到有效的指導作用^[8]#65377;因此，研究在特殊的燒結工藝(如高溫等靜壓#65380;微波燒結#65380;超高溫燒結#65380;爆炸燒結和放電等離子燒結等)條件下納米粉體的燒結動力學#65380;控制燒結過程的晶粒生長#65380;研究材料的不同性質與相應尺寸效應的關系#65380;分析相應的物理化學機理等都是納米陶瓷領域必須研究的內容#65377;

完善和發展陶瓷粉體#65380;納米陶瓷的結構和性能的表征測試方法，也是今后要著力加強的一項內容#65377;現在很多表征方法并不是專門針對納米粉體或納米陶瓷的，有時并不能完全滿足粉體和納米陶瓷的表征需要#65377;因此，有必要研究新的表征方法和工具，對納米粉體和陶瓷要作出更具體#65380;更深入的分析;更全面地把握其結構#65380;性能，從而設計出更切實的工藝，制備出更多更好的納米陶瓷^[9]#65377;

盡管目前看來，納米陶瓷無論是理論研究還是工藝技術都還遠不成熟，離推廣應用還有一段距離，但作為一種新型的陶瓷材料，納米陶瓷所顯示出來的潛在優異性能是其它陶瓷所無法代替的#65377;

參考文獻

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Development and Application Prospect of Nano-biomedical Ceramics

Tu HaoYan Yuhua

( Biomedical Materials and Engineering CenterWuhan University of Technology 430070)

Abstract: The characteristics and preparation of nano-biomedical ceramics were summarized in this paper，and its development and application prospect in biomedical related fields were also analysed.

Keywords: bioceramics，nano-technology，nanoceramics