淺談生物陶瓷材料的發(fā)展及其應(yīng)用

劉瑩濤 潘柳 吳濤 黃力

摘要：生物陶瓷材料由于其極好的生物特性，因而可以與細(xì)胞組織等物質(zhì)親和相容，所以被寄予厚望作為一種替代或者再生的組織修復(fù)材料廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域，且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更迭，其應(yīng)用優(yōu)勢愈加凸顯，因而探究生物陶瓷材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景不論是對醫(yī)學(xué)進(jìn)步還是對科技發(fā)展來說都具有重要的價值和理論意義。

關(guān)鍵詞：生物陶瓷;應(yīng)用;發(fā)展

一、生物陶瓷材料概述

生物陶瓷材料，顧名思義，就是可以用在生物體內(nèi)的一種材料，其誕生于上個世紀(jì)六十年代，到目前為止已有半個多世紀(jì)的研究歷程了。眾所周知，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一直就是一個解決人類病痛和延長生命的領(lǐng)域，且在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中出現(xiàn)細(xì)胞組織壞死或者破碎等情況司空見慣，因而一旦發(fā)生類似情況，就必須得另辟蹊徑，使用其他材料或者相關(guān)組織細(xì)胞進(jìn)行培育以提高或延長生命體的生存質(zhì)量和長度，因而在一段時間里醫(yī)學(xué)研究也嘗試使用金屬、塑料等材料進(jìn)行替代和仿生，但由于金屬和塑料材料容易腐蝕、不能親和等原因，致使其用于生物體后不僅效用較小還讓人異常擔(dān)憂，因而使得醫(yī)學(xué)研究曾一度陷入了困境。生物陶瓷的出現(xiàn)不僅彌補(bǔ)了金屬材料和塑料材料中的這些弊病，還由于其自身具有很好的親和性和降解性，可以直接用于人體或者生物體體內(nèi)，被醫(yī)學(xué)界大力追捧并廣泛用于生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也由此解決了長期以來醫(yī)學(xué)上難以攻克的大關(guān)，且目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用已非常靈活和廣泛，效果也相當(dāng)明顯。但是就目前而言，由于生物陶瓷用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的時間較短，因而還是屬于一個新興發(fā)展的領(lǐng)域，且隨著其影響力和作用力的不斷發(fā)展和擴(kuò)大，將會受到更多的關(guān)注和使用。

二、生物陶瓷材料的應(yīng)用和發(fā)展前景

生物陶瓷材料的種類很多，按其活性劃分，可以分為生物活性陶瓷材料、生物吸收性陶瓷材料以及生物惰性陶瓷材料這三種，且由于其活性和降解等原因的不同，致使其在使用場景上也有所區(qū)別，其中生物吸收性陶瓷材料由于其生物學(xué)性能也常被歸于生物活性材料范疇。

生物活性陶瓷材料，其主要特點是無毒、相容、副作用小，因而可以促進(jìn)機(jī)體組織和材料之間很好的形成鍵合，進(jìn)而幫助機(jī)體進(jìn)行修復(fù)和再生，所以常被作為機(jī)體組織的一種很好的替代材料，其代表材料有生物活性玻璃和羥基磷灰石（HA）等，而羥基磷石灰其本身就是人體和動物骨骼中的重要組成部分，因而在生物體中使用該材料也是合情合理的，而生物活性玻璃，其是一種硅酸鹽材料，主要由二氧化硅（SiO2）、碳酸鈣（CaO）、氧化鈉（Na2O）、五氧化二磷（P2O5）等物質(zhì)構(gòu)成，因而在體液環(huán)境中其容易被溶解。所以，其工作原理就是當(dāng)玻璃材料被溶解后玻璃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被破壞，與此同時還會釋放出大量的離子，包括硅離子、鈣離子、鈉離子等，這些離子在游離的過程中會快速的與體液中存在的氫離子進(jìn)行交換，進(jìn)而形成大量的硅羥基基團(tuán)，并在弱堿的環(huán)境下發(fā)生聚合形成富硅凝膠層，進(jìn)而再吸附鈣和磷酸根離子使之沉積，再由此演變?yōu)榱姿徕}層，通過晶化，使碳酸根等離子進(jìn)入晶格，進(jìn)而形成羥基磷灰石，以此被機(jī)體吸收和使用，但又由于活性玻璃中有硅的成分，硅是一種非金屬材料，因而不能很好的降解，所以其對機(jī)體的代謝是否會產(chǎn)生影響也尚不清楚，此外，人體內(nèi)環(huán)境中本身就有許多游離的鈉離子存在，因而在降解的過程中鈉離子的增加，是否會對機(jī)體細(xì)胞等產(chǎn)生影響也有待驗證，所以近幾年生物活性玻璃也是醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的大熱點，不過也有實驗驗證生物活性玻璃所制作的支架在骨質(zhì)疏松的治療上效果顯現(xiàn)，所以未來希望活性玻璃材料能在骨質(zhì)疏松治療方面發(fā)揮大的效用。

生物吸收性陶瓷材料是一類相容且容易降解的陶瓷材料，這一概念最早是由Driskell在上個世紀(jì)70年代提出的，同樣可以用于人體中損傷部位的替換，其代表材料有β-磷酸三鈣（β-TCP）和硫酸鈣（CS）等。β-磷酸三鈣屬于三方晶系，因而在其鈣磷比不同時，具有不同的相結(jié)構(gòu)，主要有兩種相結(jié)構(gòu)：高溫相和低溫相。而高溫相主要用于骨水泥的制作，而低溫相不僅具有極好的生物相容性且還可促使骨組織新生，因而在使用的過程中可以與骨組織很好的融合，并無任何毒副作用和局部炎癥反應(yīng)，且與HA相比TCP更容易溶解于體內(nèi)，因而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)熱發(fā)光。但與此同時也存在著一些缺點，比如降解速度慢，需要用到大于半年甚至是更久的時間，而在強(qiáng)度表現(xiàn)上也不是很好，脆性較大，因而不能用于身體承載，所以挖掘材料，使之與β-磷酸三鈣進(jìn)行復(fù)合，制備出降解速度快、強(qiáng)度高、脆性低的復(fù)合型材料是未來醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域研究的重點。而硫酸鈣在自然界中主要以石膏礦的形式存在，而在醫(yī)學(xué)中其主要是以半水化合物晶體的形式存在，由于其降解不會對內(nèi)環(huán)境中鈣離子的濃度產(chǎn)生太大的影響，因而常用作水溶性的抗生素載體而被植入體內(nèi)，且其還具有良好的骨誘導(dǎo)性，因而在促進(jìn)骨細(xì)胞增殖、分化等方面變現(xiàn)明顯，有助于骨基質(zhì)的重塑和新生，因此用硫酸鈣制備支架材料也有一定的潛力空間，但也有研究發(fā)現(xiàn)，硫酸鈣骨水泥有引起肺栓塞的風(fēng)險，因而硫酸鈣在醫(yī)學(xué)材料中的使用風(fēng)險有待進(jìn)一步驗證和改進(jìn)。

生物惰性陶瓷材料，通俗地講就是在生物體內(nèi)幾乎不會發(fā)生任何變化的材料，因而該類材料主要具有耐腐耐磨、不容易降解的特征，目前主要用于人體關(guān)節(jié)、骨骼、牙齒等修復(fù)和替換方面，其代表材料主要有氧化鋁和氧化鋯陶瓷材料。氧化鋁陶瓷材料由于其強(qiáng)度和良好的耐磨性，在上個世紀(jì)70年代在人體關(guān)節(jié)置換方面就有所應(yīng)用，但同樣的其也存在一定的風(fēng)險，因為氧化鋁陶瓷具有微毒性，因而在使用的量度上需要關(guān)注，而氧化鋯陶瓷由于其得天獨厚的硬度條件，目前也主要應(yīng)用于牙齒修復(fù)和人體關(guān)節(jié)方面，且氧化鋯陶瓷材料還具有一定的抗菌性，所以某些研究還將其合成藥物，但值得注意的是，氧化鋯陶瓷材料也存在其不足的地方，比如黏性強(qiáng)度不足，使得其穩(wěn)定性較差，因而目前也有學(xué)者對其進(jìn)行研究，也采用了一些辦法進(jìn)行改進(jìn)，但在效果上還是不是特別理想，有待進(jìn)一步優(yōu)化和改善。

結(jié)語

不難看出，生物陶瓷材料都具有極好的生物相容性且各有特色，但是其缺點也非常明顯，因而在各自領(lǐng)域的使用上都不能很好地展現(xiàn)其完美的一面，所以如何根據(jù)問題針對性的進(jìn)行解決不僅急切所需，而且意義非凡。

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作者簡介：劉瑩濤（1995-06）男，籍貫：江西省萍鄉(xiāng)市，當(dāng)前職務(wù)：技術(shù)員，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：非金屬性能分析崗。