生物陶瓷文献综述

1生物陶瓷文献综述引言：公元18世纪生物陶瓷材料正式作为生物医学材料被应用于临床，1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿，1871年，羟基磷灰石被人工合成，1971年有羟基磷灰石被成功研制并作为陶瓷骨替代材料扩大到临床应用。而如今生物陶瓷的发展仍在继续。一、定义与性质世界上最早的生物陶瓷的临床应用是作为镶牙材料，陶齿的出现揭开了生物陶瓷发展的序幕，随着科技的发展，生物陶瓷的定义也发生了质的变化，最开始的生物陶瓷仅仅是用来替换坏掉的牙齿，而如今生物陶瓷是具有与生物体或生物化学有关区别于传统陶瓷的新型材料，具有着传统陶瓷不具有的特殊功能。由于大部分生物陶瓷的应用是用于人体损伤组织的替换，作为取代人体组织的生物陶瓷被要求不能对人体产生毒害作用，因此生物陶瓷应具有以下性质：1、生物相容性，力学相容性，具有很好的物理、化学稳定性2、与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性具体性质要求：①与生物体的亲和性好，即植入的陶瓷被侵蚀、分解的产物无毒，不使生物细胞发生变异、坏死，不会引起炎症、生长肉芽等。②在体内有长期功能且可靠性高，即在10～20年的长期使用中，不会降低强度，不发生表面变质，对生物体无致癌作用等。③易于在短期内成形加工。④容易灭菌，陶瓷不同于金属，它具有强共价键性质，即使在生物体内苛刻的化学条件下，也具有良好的化学稳定性，排异反应迟缓，具备长期使用的机械性质。与有机高分子材料相比，生物体陶瓷耐热性好，便于进行高压灭菌。二、具体分类由于应用到人体内不同位置要求生物陶瓷具有不同的性质，于是有了生物陶瓷的分类，根据物理化学性质可将生物陶瓷分为三类：活性生物陶瓷、惰性生物陶瓷、复合生物陶瓷。（一）活性生物陶瓷：表面生物活性陶瓷：通常含有羟基，还可做成多2孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合具有骨传导性，它作为一个支架，成骨在其表面进行；生物吸收性陶瓷：特点是能被身体部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。；它还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。具体种类有：1、生物玻璃陶瓷这种材料的主要成分是CaO-Na2O-SiO2-P2O5,比普通窗玻璃含有较多钙和磷,与骨自然牢固地发生化学结合。此种材料用于修复耳小骨,对恢复听力具有良好效果。但由于强度低,只能用于人体受力不大的部位。2、羟基磷灰石陶瓷其组成与天然磷灰石矿物相近,是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构亦非常接近,呈片状微晶状态。人体最坚固的硬组织是牙釉质,它约含98%无机质,主要为HAP,余为磷酸钙,与生命起源十分密切。3、磷酸三钙磷酸钙品类繁多,但生物学感兴趣的有六种,作为人工骨生物磷酸钙陶瓷研究较多的是B-磷酸三钙和羟基磷酸钙。磷酸三钙的化学组成与羟基磷灰石类似,只是钙磷比较羟基磷灰石低,约为1.5,在体内能降解,其产物可随体内新陈代谢而被吸收或排出体外。缺点是机械强度偏低,经不起力的冲击。4、多孔陶瓷载体多孔陶瓷有Al2O3、ZrO2、Ti02和Si02,它们的耐碱性能都很好,价格也比多孔玻璃低主要用作固定化酶的载体,使固定化酶能长时间发挥高效催化作用。例如在食品工业中,分解蔗糖以制取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的转化酶,就适于以多孔陶瓷为载体。控制多孔陶瓷的细孔径,可以应用于细菌、病毒、各种核酸、氨基酸等的分离和提纯。利用细孔还可以处理生活用水。（二）惰性生物陶瓷：生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定、生物相溶性好的陶瓷材料。如氧化铝、氧化锆等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键合力较强，而且都具有较高的强度、耐磨性及3化学稳定性。具体分类有：1、单晶、多晶和多孔氧化铝单晶氧化铝：具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好,耐热性好,可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈,也不会溶解出有害离子,与金属螺栓不同,勿需取出体外。2、氧化锆陶瓷部分稳定的氧化锆和氧化铝一样,生物相容性良好,在人体内稳定性高,且比氧化铝断裂韧性、耐磨性更高,有利减少植入物尺寸和实现低摩擦、磨损,用以制造牙根、骨、股关节、复合陶瓷人工骨、瓣膜等。3、碳素类陶瓷包括碳素、玻璃碳、碳纤维及热解石墨等,其成分是碳元素,玻璃碳的强度差,在1300～1500℃加热分解碳氢化合物得到的热解石墨微粒,质地致密坚硬;碳纤维强度大,挠性好。（三）复合生物陶瓷复合生物陶瓷是生物陶瓷材料发展方向，为提高生物陶瓷材料的力学性能、稳定性和生物相容性，许多材料工作者在复合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，并取得了较大进步。目前，常用的基体材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷等材料，增强材料有碳纤维、不锈钢或钴基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。利用硅硼酸钠玻璃来增强HAp，当玻璃相为59%，可使HA的机械强度增加到47MPa。还有学者将惰性生物材料和活性生物材料进行复合，即满足了复合材料对力学性能的要求，也弥补了惰性生物材料生物相容性差的缺点。具体种类有：涂层生物陶瓷材料在诸多生物骨科材料中，生物陶瓷涂层材料由于将金属(或合金)基材优良的机械性能4和生物陶瓷涂层良好的生物学性能结合在一起，成为临床上广泛应用的生物骨科材料之一。三、我国在生物陶瓷领域的发展作为陶瓷大国，中国20世纪70年代初期便开始研究生物陶瓷，并用于临床。1974年开展微晶玻璃用于人工关节的研究；1977年氧化铝陶瓷在临床上获得应用；1979年高纯氧化铝单晶用于临床，以后又有新型生物陶瓷材料不断出现，并应用于临床。中国上海硅酸盐研究所、华南理工大学、北京市口腔医学研究所等单位对生物陶瓷都进行了深入的研究。几年前，我国自行研发的等离子喷涂生物陶瓷人造骨及关节技术已臻于成熟。最新跟踪随访显示,相关植入假体的临床使用寿命已突破25年。在临床医学、生物工程、机械制造等“三位一体”的合作模式下,等离子喷涂生物陶瓷人造骨及关节技术进行了动物试验和假体强度物理机械系列试验并取得成功。四、应用与设想目前生物陶瓷主要应用于人工骨、人工关节、人工义眼、人工齿根、人工气管、人工血管、骨充填材料、骨置换材料、骨结合材料、还可应用于、人工肌腱，经皮引线可应用于体内医学监测等。另外多种Ca-P陶瓷与有机材料复合作为骨组织工程支架材料在临床试验中还会有更多应用，如TCP+胶原,纳米晶HA+胶原,TCP+富血小板血浆等。在许多科幻游戏或电影者等影视作品中有很多奇妙设想，在游戏孤岛危机中，主角身上的纳米服中就包含一种可以防辐射的纳米陶瓷，在一些其他的科幻题材的游戏中，主人公被改造成超级战士，体内植入可快速生长的生物陶瓷用以在骨骼受到重创后可以迅速将骨骼归位并粘结损伤骨组织。设想是美好的，但若想实现这些还有很多问题有待解决。五、问题现状目前的生物陶瓷存在的问题对我们的具体要求：（1）应提高现有生物陶瓷的可靠性，提高其强度，降低杨氏模量，改善韧性。（2）应深入研究种植体与骨界面的作用过程以及种植体与骨和软组织结合的机理，了解腐蚀、疲劳过程。（3）应提高非活性材料与生物的亲和作用及活性材料的强度。（4）目前除了喷涂陶瓷的钛合金外，其余陶瓷基生物材料还不能用于承载骨的置换，这对5于材料科学是一个挑战。总体来说就是生物陶瓷仍面临着强度不够高、亲和度不够好以及复合材料不好找的问题，若想解决这些问题，我们可以选择以下几种途径：1、β-TCP陶瓷的缺点是机械强度偏低，经不起力的冲击。将β-TCP与其他材料混合，制成双相或多相陶瓷，是提高其力学强度的方法之一。通常认为双相钙磷陶瓷(biphasiccalciumphosphate，BCP)的骨传导效应优于单一的HA或TCP，可以结合HA的强度高和TCP生物降解性能好的优点，而且化学成分与骨相似。2、基于仿生原理，制备类似于自然组织的组成、结构和性质的理想生物陶瓷，应该是生物陶瓷的一个发展方向。磷酸钙盐生物陶瓷人工骨，虽然与骨盐的组成相同，但不同部位的骨性质是不尽相同的，为此组成和结构类似于骨骼连续变化的多孔磷酸钙陶瓷的研究是正在进行的非常有价值的课题。对于可生物降解的磷酸钙生物陶瓷而言，磷酸钙陶瓷在体内从无生命到有生命的转变过程，即无机物的钙磷是如何转变成为生物体内的有机钙磷，其中是否存在一个晶型转变或晶型转变的过程是如何进行的；材料降解后其产物在体内的分布和代谢途径以及各分支的量的关系等等也应引起材料工作者的高度重视。3、磷酸钙陶瓷的主要缺点是其脆性。致密磷酸钙陶瓷可以通过添加增强相提高它的断裂韧性，多孔磷酸钙陶瓷虽然可被新生骨长入而极大增强，但是在再建骨完全形成之前，为及早代行其功能，也必须对它进行增韧补强。磷酸钙陶瓷基复合材料，已经成为磷酸钙生物陶瓷的发展方向之一。4、研究结果表明，复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料。现在国外已制备出含有ZrO2的纳米羟基磷灰石复合材料，其强度和韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼的相应性能。另，通过调节ZrO2与HA含量，可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性。Silva等[17]研究了机体HA/ZrO2复合生物陶瓷材料的生物学反应，发现该材料的相容性符合植入材料的要求。Kim等采用多孔的ZrO2骨支架，表面采用羟基磷灰石涂层，在二氧化锆和羟基磷灰石之间喷涂氟磷灰石（氟磷灰石在高温下比较稳定，可阻止羟磷灰石与二氧化锆的反应。因为羟基磷灰石和二氧化锆的反应不仅使材料的机械性能降低，而且会使材料的生物相容性降低），制备出了符合要求的生物陶瓷材料。Kim等采用在二氧化锆和羟基磷灰石复合粉体间加入氟化钙，然后烧结成型制成复合生物陶瓷材料。研究发现氟化钙可以有效地阻止两者反应，可获得良好的HA/ZrO2复合生物陶瓷材料。6Li等用SPS方法在高压下快速烧结制备HA/ZrO2复合生物陶瓷材料，减少了两者之间的反应。而Lee等研究的结果显示，作为涂层HA/ZrO2材料的生物相容性比HA要差，没有观察到HA/ZrO2与骨结合。生物相容性由于ZrO2的加入受到了影响，这可能是由于喷涂的工艺使两者发生反应而导致的。为此，为了既考虑要增强材料的力学性能，而又不影响材料的生物相容性，就必须阻止ZrO2与HA反应。六、发展前景除复合陶瓷外纳米材料也是解决生物陶瓷问题的一个重要发展方向，纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领域有广阔的应用前景。英国的Webster成功地合成了模拟骨骼亚结构的纳米物质，该物质有望取代目前骨科常用的合金材料，而且不易骨折，并能与正常骨组织连接紧密。传统的氧化物生物陶瓷存在材料的脆性等问题，而利用纳米技术制成的陶瓷材料，由于纳米陶瓷晶粒尺寸很小，材料中的内在气孔和缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的韧性和强度，并随着晶粒尺寸变小同时又使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的移动，使纳米陶瓷塑性增强，易于加工。在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模拟精细天然骨结构为主。在自然骨的骨质中，羟基磷灰石主要以长10~60nm、宽2~6nm的针状结晶为主。因此，目前HAp纳米材料的研究主要集中在纳米HAp晶体，纳米HAp/高聚物复合材料和纳米HAp涂层材料方面。七、总结在医用方面,生物陶瓷已成为生物材料的一个重要领域，有着不可估量的医用前景，未来的生物陶瓷会向着仿生化、纳米化的方向发展，随着材料科学与生命科学的发展，生物陶瓷将不再仅仅作为人体组织的取代物，还将在模拟生命体，改造生命体等领域起到重要作用。参考资料《江苏大学材料科学课程设计》生物陶瓷材料的研究2012年1月《生物陶瓷材料性质及其应用》网络公开论文资源2010年4月《生物陶瓷材料的分类》网络公开论文资源2013年5月《生物陶瓷材料的研究进展》百度文库公开资源2014年1月《临床合理用药》口腔医学领域生物陶瓷研究现状2015年1月、