硬組織修復(fù)材料的力學(xué)性能研究

摘 要：硬組織修復(fù)材料是臨床上需求最大的材料之一，研究生物硬組織材料的力學(xué)性能對于治療骨科和口腔疾病具有重要意義。本文針對硬組織材料的不同材質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行綜述，包括金屬材料、生物陶瓷材料、高分子材料和復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：硬組織材料；力學(xué)性能；復(fù)合材料

現(xiàn)代社會，由于交通事故、運動創(chuàng)傷、疾病以及人口老齡化等原因，越來越多的患者需要進(jìn)行硬組織修復(fù)手術(shù)，因此，硬組織修復(fù)材料成為臨床上需求量最大的材料之一。為滿足這一需求，圍繞新型硬組織修復(fù)材料的研發(fā)和技術(shù)成為目前研究的熱點[1]。

1 硬組織材料的分類

硬組織修復(fù)材料照屬性劃分主要有四大類，即金屬材料（Biomedical Metallic Materials）、生物陶瓷材料（Biomedical Ceramics）、高分子材料（Biomedical Polymer）和復(fù)合材料（Biomedical Composites）。

1.1 金屬材料

醫(yī)用金屬材料發(fā)展較早，在生物材料領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，其強(qiáng)度和韌性較高，耐磨性、可鍛性、耐腐蝕性和再現(xiàn)性好，是承受較高貨載的硬組織材料的修復(fù)和替換的首選材料，主要用于骨和牙齒等的修復(fù) 。目前，應(yīng)用較多的金屬材料主要有Co-Cr合金、鈦合金和316L不銹鋼三大類。從表1中可以看出不同合金的機(jī)械性能各有特點，不銹鋼易于加工；鈷鉻合金的耐磨性比鈦合金好；鈦合金具有比強(qiáng)度高、生物相容性好、耐腐蝕性等特點[2]。

1.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料的穩(wěn)定性和生物相容性良好，與醫(yī)用金屬材料相比，具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性和很高的機(jī)械強(qiáng)度等性能，分為惰性生物陶瓷材料和活性生物陶瓷材料。典型的惰性生物陶瓷如氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2）等，其主要性能參數(shù)如表2所示[2]。生物活性陶瓷是指在生理環(huán)境中能與組織細(xì)胞界面形成化學(xué)鍵合的生物陶瓷材料，主要包括羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）和磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）為代表的磷酸鈣（calcium phpaphate， Ca-P）陶瓷、生物玻璃陶瓷等。羥基磷灰石生物相容性良好，但是其力學(xué)性能欠佳，脆性大，韌性較差，如表3所示[3]；A-W生物活性玻璃微觀結(jié)構(gòu)均勻，具有良好的機(jī)械性能，抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到215MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1080MPa，易加工成各種形狀[3-4]。

1.3 高分子材料

隨著1963年第一例金屬骨股頭-聚四氟乙烯骸骨臼的人工關(guān)節(jié)的誕生，開啟了高分子人工硬組織材料的新紀(jì)元。高分子材料品種繁多，容易對材料表面改性，近年來已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。類材料主要有聚硅氧烷（silicone）、天然橡膠（natural rubber，NR）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（polymethylmethacrylate，PMMA）等，應(yīng)用于軟硬組織修復(fù)、人工器官、人工皮膚等[2，6]，典型的脂肪族聚酯包括聚羥基乙酸（PGA）、聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）和聚己內(nèi)酯（PCL），其拉伸強(qiáng)度分別為140MPa、107MPa、40MPa、60MPa，拉伸強(qiáng)度分別為7MPa、2.7MPa、1.9MPa和0.4MPa。

1.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料是指將兩種或兩種以上的材料相結(jié)合，這類材料不僅兼具單組份材料的性質(zhì)，而且還產(chǎn)生單組分沒有的新性質(zhì)。從仿生角度出發(fā)，理想的硬組織修復(fù)材料應(yīng)當(dāng)是生物活性無機(jī)材料與有機(jī)高分子材料大的復(fù)合。目前，用于骨修復(fù)方面的無機(jī)-有機(jī)仿生骨復(fù)合材料主要有納米磷灰石/膠原復(fù)合材料和納米磷灰石/聚合物復(fù)合材料等。納米磷灰石/膠原復(fù)合材料人工骨存在礦化物顆粒粗大、結(jié)晶度過高、有機(jī)-無機(jī)復(fù)合不均勻等缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)性能欠佳，目前廣泛應(yīng)用于不承重和小承重的骨缺損的修復(fù)，如骨缺損填充、顱面骨缺損修復(fù)等。納米磷灰石/聚合物復(fù)合材料由于其有機(jī)部分為合成高分子材料，具有良好的韌，彈性模量接近于人體，更有利于材料力學(xué)性能的提高。Bonfield和Doyle等人將熔融的高分子量聚乙烯和納米輕基磷灰石在高速攪拌下復(fù)合，所制備羥基磷灰石/聚乙烯（HA/PE）復(fù)合材料中羥基磷灰石含量達(dá)到約40%，彈性模量達(dá)到9GPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)到100MPa，其力學(xué)性能與天然骨接近，但是兩相間屬于單純的物理混合，不純在化學(xué)鍵合[6]。張興棟等人用原位復(fù)合法制備了納米輕基磷灰石/聚乳酸復(fù)合材料具有優(yōu)良的生物力學(xué)性能和降解性能，其復(fù)合物的彈性模量已達(dá)到5～12GPa，彎曲強(qiáng)度約為44～280 MPa，拉升強(qiáng)度約為10～30MPa，壓縮強(qiáng)度約為78～137 MPa，目前其研究已進(jìn)入臨床實驗階[7]。近年來，國外采用新型共混和精加工工藝，將HA均勻分散在左旋聚乳酸（PLLA）基體上，制備而成的超高強(qiáng)度生物可吸收PLLA-HA復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和模量隨著HA含量的增加而提高，最高彎曲強(qiáng)度達(dá)到280MPa，且在降解12周后仍然具有210MPa的彎曲強(qiáng)度，在骨折內(nèi)固定材料方面有望得到廣泛應(yīng)用。李玉寶等人研制的新型可自固化納米羥基磷灰石/聚酰胺（n-HA/PA66）復(fù)合材料其彎曲強(qiáng)度達(dá)到81～103MPa，壓縮強(qiáng)度達(dá)到103～121MPa，與人體皮質(zhì)骨類似，具有良好生物相容性和生物安全性[8-11]。

2 結(jié)語

根據(jù)硬組織修復(fù)材料的研究不難發(fā)現(xiàn)，硬組織修復(fù)材料在金屬、陶瓷、高分子和復(fù)合材料方面都取得了令人鼓舞的成就，但是這些傳統(tǒng)骨修復(fù)材料材料并非完美，并且存在一些缺陷。因此，確保材料植入機(jī)體后，不被免疫系統(tǒng)所排斥，被機(jī)體所接收，并且能夠取代機(jī)體某部分缺損功能，發(fā)揮其力學(xué)作用，從而實現(xiàn)對缺損硬組織的修復(fù)，這應(yīng)當(dāng)是未來研究硬組織材料研究的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]Giannoudis PV， Dinopoulos H， Tsiridis E. Bone substitutes： An update. Injury， 2007，365：520-527.

[2]徐曉宙.生物材料學(xué)[D].科學(xué)出版社，2006.

[3]李玉寶.生物醫(yī)學(xué)材料[D].化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[4]Shackelford JF. Bioceramics-applications of ceramic and glass materials in medicine. Trans Teeh Publieation.1999：37-64.

[5]Black J， Hastings G. Hand book of biomaterials properties. ChapmanHall，1998：355-363.

[6]Bonfield W. Composites for bone replacement. J Biomed Eng.1988（10）： 522～526.

[7]愈耀庭，張興棟.生物醫(yī)用材料[D].天津大學(xué)出版社，2000.

[8]王華楠.多孔羥基磷灰石/聚酰胺66復(fù)合材料骨組織工程支架的研究[R].四川大學(xué)碩士論文，2007.

[9]Yan Yonggang， Li Yubao， Wei Jie et al. Synthesis and properties of a copolymer of poly（1，4-phenylenesulfide）-poly（2，4-phenylene sulfide acid） and its HA reinforced composite. J Europ polym.2003（02）：411.

[10]Wei Jie， Li Yubao. Tissue engineering scaffold material of nano-apatite crystals and polyamide composite. J Europ polym.2004（40）：509.

[11]Zhang X， Li YB， Zuo Y et al. Influences of the crystallization behavior of n-HA reinforced PA66 biocomposite on its mechanical properties. Mater Sci Forum.2006（510）：898-901.

作者簡介：蔣佳春（1986-），女，四川遂寧人，碩士研究生，研究方向：材料的物理性能檢測分析。