生物醫用陶瓷材料的研究進展

周厚蓄

【摘 要】 生物陶瓷已經成為當今醫學領域不可缺少的部分，本文具體介紹了氧化鋯，氧化鋁等生物惰性陶瓷，羥基磷灰石，生物活性玻璃等表面活性陶瓷，以及硫酸鈣等可吸收性生物陶瓷。并對各醫用陶瓷的性能和應用現狀進行了分析，最后展望了生物醫用陶瓷的發展前景。

【關鍵詞】 生物醫用惰性陶瓷；表面生物活性陶瓷 ；可吸收性生物活性陶瓷；骨組織修復

【中圖分類號】R715 【文獻標志碼】

A 【文章編號】1005-0019（2018）14-294-01

生物醫用陶瓷材料是陶瓷材料中應用于生物醫學領域中的一類，植入人體后具有一定的生理或化學行為。在組織工程學領域，生物醫用陶瓷材料的重要性毋庸置疑。為了造福骨科方面的患者，人們一直在研究一種具有傳導性和骨誘導性，又具有降解性，還可用來構成人體骨骼和牙齒的某些部分，甚至能夠修復或替換人體的某些組織或器官以增進其功能的生物陶瓷材料。按生物學性能來分，生物陶瓷可分為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體內不會發生生理反應的一類生物陶瓷材料。這類陶瓷不具有活性，化學性能穩定，生物相容性好。另一方面，力學性能高，耐磨性強。主要包括氧化鋯、氧化鋁陶瓷等。

1.1 氧化鋯陶瓷 氧化鋯是常見的惰性生物陶瓷，由高純二氧化鋯經高溫燒結制備得到。主要用于人體關節、牙種植體等硬組織的修復和替換。李立剛等在氧化鋯陶瓷表面搭載成骨細胞，并在體外共同培養一段時間，結果表明氧化鋯陶瓷具有良好的生物相容性與細胞相容性[1]。氧化鋯陶瓷在假牙方面技術已經十分成熟。而在人工關節方面氧化鋯陶瓷主要是作為人工髖關節。但其壽命一般不長，因其假體容易磨損。因此，有研究者通過將氧化鋯與聚乙烯復合來減少磨損。另外，氧化鋯陶瓷粘結性不強，可采用一些陶瓷表面處理手段（如噴砂、酸蝕等）來增加陶瓷的粘結穩定性。另一方面，氧化鋯陶瓷的脆性大，所以很少單獨使用，可采用與高分子材料復合等方法進行增韌，從而彌補其不足。

1.2 氧化鋁陶瓷

氧化鋁生物陶瓷是由高純度一氧化鋁構成的一種惰性的生物陶瓷，亦稱純剛玉生物陶瓷材料。它在生物環境中不易被腐蝕或溶解，它還可用作牙種植體、耳聽骨修復體和藥物釋放載體等，因其彈性模量遠高于自然骨，拉伸強度低，易發生老化和疲勞破壞，故不直接用作承受復雜應力的骨替換材料。但氧化鋁陶瓷具有優異的耐磨性以及較高的硬度，使之在骨科髖關節置換術領域有著廣泛的應用。20世紀70年代氧化鋁陶瓷開始應用于人工髖關節置換技術[2]。

2 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷是指在植入生物體的過程中能夠與人體骨細胞發生相互作用或者直接通過化學鍵與骨組織結合的材料，可分為表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷兩類。常見的活性陶瓷有羥基磷灰石陶瓷、生物活性玻璃、硫酸鈣陶瓷等。

2.1 羥基磷灰石

羥基磷灰石是骨骼中的主要無機成分。有研究指出人體自然骨組織的主要無機礦物成分就是納米羥基磷灰石針狀晶體，因此納米級羥基磷灰石也是研究者研究的重點[3]。人工合成的羥基磷灰石材料的成分、形態和結構與自然骨的礦物成分非常接近，具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等優勢，應用非常廣泛。近些年缺鈣羥基磷灰石得到研究者的廣泛關注，與標準鈣磷比的羥基磷灰石相比，缺鈣羥基磷灰石對成骨細胞的增殖效果更為明顯，同時對堿性磷酸酶（ALP）的表達也有良好的促進作用。羥基磷灰石常用于涂層，這樣有效地彌補了它脆性大、生物性能不佳等缺陷。鈣磷類生物活性陶瓷表面類骨磷灰石的形成及機理一直是人工骨修復材料研究的重點，羥基磷灰石因化學成分與自然骨的無機物質非常相似，具有良好的生物相容性、無毒副作用等優點，成為生物材料的最佳增強材料。納米級羥基磷灰石還能夠用于離子噴霧涂層，對人工假體等進行噴涂，以增加植入物穩定性[4]。

2.2 生物活性玻璃

生物活性玻璃主要是由SiO2、P2O5、CaO等組成。它具有降解性，人體可以用它們的溶解產物來刺激新骨生長。在高定等人做的大鼠試驗中，生物活性玻璃能夠在體內逐步降解，并且能夠促進新生骨成長，在骨質疏松等一些的因骨密度缺損而引發的病癥治療方面具有較大的應用潛力[5]。據實驗表明，生物活性玻璃還具有促進血管生成的能力，這樣不光對硬組織，而且還對軟組織的修復再生起到了很大的幫助[6]。但任何材料并不是完美無缺的，生物活性玻璃與基體材料之間的結合力較弱，容易造成骨修復的失敗。將其與鈦合金等材料復合，可以解決這一問題。另一方面，生物活性玻璃降解性能不甚理想，其代謝機理仍未定論。而且材料降解易使局部pH值產生變化，進而對周邊細胞生長產生影響，甚至影響體內的離子平衡。

2.3 硫酸鈣

硫酸鈣作為醫用骨水泥材料，在臨床上取得了廣泛的應用。骨移植是目前除輸血外應用最廣泛的組織移植，自體骨是骨移植材料中常見的類型，但存在增加骨創傷、骨量受限、供區并發癥等缺陷。雖說現在用硫酸鈣代替自體骨移植的技術還不完善，但劉鵬、趙建華等人已經將醫用硫酸鈣用于治療四肢良性骨腫瘤所致的骨缺損及脊柱融合病癥中，并且取得了良好的臨床效果。醫用硫酸鈣能夠在體內完全降解，對生物體學鈣含量沒有明顯影響。另一方面，半水硫酸鈣與水結合后發生轉變，變成二水硫酸鈣，這種固體植入物還可作為水溶性抗生素載體。Dressman等使用醫用硫酸鈣作為骨缺損填充劑進行骨缺損的治療，Petrova等以狗骨缺損作為模型進行了體內動物實驗，取得了不錯的成骨效果[7]。但硫酸鈣降解速率過快，降解后易引起周圍局部pH值環境呈酸性，這也是限制其進一步發展的主要缺點。將其與高分子材料或者其它降解速率慢的陶瓷材料相復合，有望調節其降解速率，使之與新骨再生速率相匹配。

3 結論與展望

生物復合材料目前研究較多的是將乳酸材料與生物活性陶瓷材料以不同的結構相結合，以此改善復合材料的各種性能，擴大其適用范圍。同時我們可以思考是否可以將一些生物惰性陶瓷材料與生物活性材料相復合，得到具有多重特性的新型材料，以此來治療更多的疑難雜癥（如骨質疏松等）。生物復合材料的性能已經超越了單獨的生物惰性和活性材料。例如，將聚乳酸與硅灰石生物陶瓷復合制備出有機無機復合材料，研究結果表明復合材料具有優異的力學性能以及良好的生物活性和生物相容性[8]。

另一方面，從仿生原理組織工程的思想出發，制備與人體自然組織結構及性能相似的理想生物材料，也是今后生物醫用陶瓷的主要發展方向。

參考文獻

[1] 李立剛，常曉峰. 氧化鋯材料的生物相容性研究[J]. 陜西醫學雜志，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進展[J]. 西南國防醫藥，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] 劉鵬，趙建華等. 骨移植替代物醫用硫酸鈣初步臨床應用[J]. 中國修復重建外科雜志，2006，20（20）：1066-1069.

[8] 徐梁，熊成東. 幾種聚乳酸/生物活性陶瓷復合材料細胞相容性的比較[J]. 重慶工學院學報（自然科學），2009，23（5）：41-44.