簡析生物陶瓷材料

1、 簡析生物陶瓷材料 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 摘要：生物陶瓷是一種具有與生物體或生物化學(xué)有關(guān)的區(qū)別于傳統(tǒng)陶瓷材料的新型材料，有著傳統(tǒng)陶瓷所不具備的特殊功能。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，生物陶瓷材料越來越為人們所重視和關(guān)注，應(yīng)用也越來越廣泛，成為生物醫(yī)學(xué)材料中不可或缺的一部分。本文將回顧生物陶瓷材料的發(fā)展，介紹生物陶瓷材料的分類、性能和優(yōu)點(diǎn)，并展望其發(fā)展熱點(diǎn)。關(guān)鍵詞：生物陶瓷材料 種類 性能 應(yīng)用 發(fā)展熱點(diǎn)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，人們對(duì)生物醫(yī)學(xué)材料的需求越來越大，而在這眾多生物材料中，目前應(yīng)用比較廣泛且生產(chǎn)工藝比較成熟的是生物陶瓷材料。它是指與生物體或生物化學(xué)有關(guān)的新型陶瓷。它能同人體骨骼起生物化學(xué)作用，導(dǎo)致成骨過程

2、，使移植體或骨骼修補(bǔ)物能于人體組織長合在一起，從而達(dá)到治療目的。生物陶瓷材料的發(fā)展備受關(guān)注也越發(fā)迅速，本文將回顧生物陶瓷材料的發(fā)展，對(duì)其分類、性能、優(yōu)點(diǎn)以及發(fā)展前景等作簡要介紹。1生物陶瓷材料的發(fā)展簡史 當(dāng)今人類社會(huì)使用的材料可分為三大類：金屬及其合金材料、有機(jī)材料、無機(jī)非金屬材料。這些材料都曾先后被用作人工硬組織的代替物, 并在應(yīng)用中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)?；仡櫄v史, 可分為以下幾個(gè)階段。 1.1人工骨研究的啟蒙階段  18世紀(jì)前, 主要采用天然材料作為骨修復(fù)材料, 如柳枝、木、麻、象牙及貴金屬等。 1.2自然發(fā)展階段&#

3、160; 約19世紀(jì)前, 由于冶金技術(shù)和陶瓷制備工藝的發(fā)展, 開始用純金、純銀、鉑等貴金屬。 1.3探索階段  20世紀(jì)中葉以前, 由于冶金的進(jìn)步, 純欽和欽合金年等被應(yīng)用到人工骨領(lǐng)域, 開始有目的地探索新材料, 有機(jī)玻璃等高分子材料年也開始應(yīng)用臨床, 并在醫(yī)學(xué)種植技術(shù)與病例選擇方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，但基礎(chǔ)理論的研究還很不深人。1.4迅速發(fā)展階段 20世紀(jì)60年代初, 在新技術(shù)革命浪潮推動(dòng)下, 材料科學(xué)迅速發(fā)展。人們開始有目的、有計(jì)劃地探索、發(fā)現(xiàn)和合成新材料, 其中最

4、有代表性的生物陶瓷的研究和應(yīng)用獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。生物陶瓷的發(fā)展雖然還不到幾十年, 但也同樣經(jīng)歷了上述時(shí)期。起初以單晶氧化鋁陶瓷為先導(dǎo), 隨后是多晶氧化鋁、表面呈珊瑚狀的氧化鋁等。其后是生物活性陶瓷, 包括生物玻璃, 經(jīng)基磷灰石和玻璃陶瓷類。自20世紀(jì)70年代起, 生物陶瓷顯露頭角, 世界各國相繼開展了理論和應(yīng)用研究, 并且不斷取得突破性進(jìn)展。 2生物陶瓷材料的分類2.1 根據(jù)其用途分類根據(jù)用途，廣義的生物陶瓷可以分為以下兩大類： （1） 植入陶瓷 ：又稱生物體陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心臟瓣膜、人造血管等

5、。他們大多具有良好的生物相容性，且目前已經(jīng)實(shí)用的品種大致有氧化鋁陶瓷和單晶氧化鋁磷酸鈣系陶瓷其他陶瓷等三類。（2）生物工藝學(xué)陶瓷：在生物工藝學(xué)和生物化學(xué)領(lǐng)域中，主要應(yīng)用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。多孔玻璃具有單位質(zhì)量表面積大，細(xì)菌不易侵入，受pH和溫度影響小，材質(zhì)堅(jiān)硬、強(qiáng)度好等優(yōu)點(diǎn)；而多孔陶瓷則具有耐堿性能好，價(jià)格也比多孔玻璃低等優(yōu)點(diǎn)。2.2 根據(jù)其與生物組織的作用機(jī)理分類 目前，世界上能植入體內(nèi)的生物陶瓷，根據(jù)與生物組織的作用機(jī)理，大致可分為三類 ： （1）生物惰性陶瓷：包括多晶氧化鋁陶瓷、碳素陶瓷、氮化硅陶瓷等。它們與生物體組織形成的是物理結(jié)合而不是化學(xué)結(jié)合，它們固定于生物體內(nèi)時(shí)，需要在植入體

6、上鉆孔或在其表面制成螺紋或溝狀進(jìn)行連接，其界面關(guān)系的研究還不十分深透，但這類材料具有較長期的穩(wěn)定性。（2）生物活性陶瓷：包括生物玻璃、低密度羥基磷灰石類陶瓷、磷酸鈣玻璃陶瓷等。用這類材料制成的生物陶瓷，因?yàn)楹型ㄟ^正常新陳代謝途徑而進(jìn)行置換的磷、鈣、水、二氧化碳等元素和化合物，植入生物體內(nèi)能逐漸被生物體所吸收。但其缺點(diǎn)是在被吸收過程中它的強(qiáng)度嚴(yán)重下降，故在設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)真考慮機(jī)械因素，使機(jī)體組織和再吸收陶瓷結(jié)構(gòu)在愈合進(jìn)程中不致斷裂。（3） 生物吸收性陶瓷。如磷酸三鈣、可溶性鈣鋁系低結(jié)晶度羥基磷灰石等。3生物陶瓷材料的性能和優(yōu)點(diǎn)3.1生物陶瓷材料的性能（1） 與生物組織有良好的相容性 生物陶瓷材料代

7、替硬組織牙齒、骨等植入人體內(nèi)后，與機(jī)體組織如軟組織、硬組織以及血液、組織液等接觸時(shí)，具有良好的親和性能。它們?cè)隗w內(nèi)正常代謝作用下，不會(huì)產(chǎn)生變質(zhì)或變性。而且在機(jī)體正常發(fā)育和增生吸收過程中，材料也能長期保持穩(wěn)定狀態(tài)，不發(fā)生生物退變性。此外，材料還應(yīng)對(duì)周圍組織具有無毒性、無刺激性、無免疫排斥性等特點(diǎn)。（2） 有適當(dāng)?shù)纳锪W(xué)和生物學(xué)性能 材料的力學(xué)性能與機(jī)體組織的生物力學(xué)性能相一致，不產(chǎn)生對(duì)組織的損傷和破壞作用。以口腔和領(lǐng)面種植學(xué)為例，要求植入的生物陶瓷應(yīng)具有承受口腔內(nèi)的靜力和動(dòng)力作用的足夠強(qiáng)度，能發(fā)揮正常的咀嚼功能。特別是口腔硬組織的彈性模量必須相近似，以避免在功能作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成對(duì)口腔硬

8、組織的損傷和破壞。（3） 具有良好的加工性和臨床操作性 生物陶瓷植入的目的，是通過人工材料替代和恢復(fù)各種原因造成的天然牙和骨缺損缺失的生理外形，重建已喪失的生理功能。因此為修復(fù)這類復(fù)雜的牙、骨缺損，就要求種植的生物陶瓷具有良好的加工成形性，且在臨床治療過程中，操作簡便，易于掌握。（4） 具有耐消毒滅菌性能 生物陶瓷材料是長期植入體內(nèi)的材料，植入前須進(jìn)行嚴(yán)格的消毒滅菌處理 因此無論是高壓煮沸、液體浸泡、氣體（環(huán)氧乙烷）或射線消毒后，材料均不能因此而產(chǎn)生變性，且在液體或氣體消毒后，不能含有殘留的消毒物質(zhì)，以保證對(duì)機(jī)體組織不產(chǎn)生危害。 3.2生物陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn) 生物陶瓷由于是高溫處理工藝所成的無機(jī)非

9、金屬材料， 因此具有金屬、高分子材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）它的結(jié)構(gòu)中含有鍵強(qiáng)很大的離子鍵或共價(jià)鍵，所以具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、壓縮強(qiáng)度高，極其穩(wěn)定；而且它在體內(nèi)難于溶解，不易氧化、不易腐蝕變質(zhì)，熱穩(wěn)定性好，便于加熱消毒、耐磨、有一定潤滑性能，不易產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，而且和人體組織的親和性好，幾乎看不到與人體組織的排斥作用，因此能滿足種植學(xué)要求。（2）陶瓷的組成范圍比較寬，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求設(shè)計(jì)組成，控制性能的變化。例如可降解生物陶瓷在體內(nèi)不同部位的使用中，希望能針對(duì)被置換骨的生長特點(diǎn)獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則，當(dāng)降解速度超過骨生長速度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“死區(qū)”，影響修復(fù)。如果向此類材料中添加適

10、當(dāng)比例的非降解性生物陶瓷，就能調(diào)整降解速度，滿足臨床要求。（3）陶瓷容易成型，可根據(jù)需要制成各種形態(tài)和尺寸，如顆粒形、柱形、管形、致密型或多孔型，也可制成骨螺釘、骨夾板、關(guān)節(jié)、長骨、顱骨等。采用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨制品。（4）后加工方便。通常認(rèn)為陶瓷很難加工，但隨陶瓷加工設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在陶瓷的切割、研磨、拋光等已是成熟的工藝。近年來又發(fā)展了可用普通金屬加工機(jī)床進(jìn)行車銑、刨、鉆等的可切割性生物陶瓷，利用玻璃陶瓷結(jié)晶化之前的高溫流動(dòng)性，可制成精密鑄造的玻璃陶瓷。（5）易于著色。如陶瓷牙冠與天然牙逼真，利于整容、美容。4生物陶瓷材料的發(fā)展熱點(diǎn) 在醫(yī)用方面，生物陶瓷已成為生物材料

11、的一個(gè)重要領(lǐng)域，有著不可估量的醫(yī)用前景，其發(fā)展發(fā)向有人工陶瓷關(guān)節(jié)、骨骼填充陶瓷材料、臨床可以成形的人工骨、用作放射療法治療癌癥的陶瓷、熱療治癌的陶瓷等，其發(fā)展熱點(diǎn)則有以下幾個(gè)方面：1、仿生材料  生物活性陶瓷具有良好的生物相容性和生物活性,能與活性骨形成化學(xué)結(jié)合等特性,使得它在仿生材料中很受關(guān)注。但它同時(shí)是脆性材料,限制了其在某些條件下的應(yīng)用。近20年來,試圖仿制天然生物材料、利用生物學(xué)原理設(shè)計(jì)和制造仿生物的材料,已成為生物材料研究領(lǐng)域極為活躍的前沿研究方向。  2、與納米技術(shù)相結(jié)合納米技術(shù)在當(dāng)今發(fā)展迅速,由于其具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)及量子效應(yīng)等獨(dú)特性

12、能,使納米材料呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來,納米技術(shù)在生物材料領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)受到關(guān)注。 納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒等硬組織替代材料制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。英國的成功地合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)有望取代目前骨科常用的合金材料,而且不易骨折,并能與正常骨組織連接緊密。 由于工藝上的原因,普通陶瓷很難避免材料的脆性等問題。但由于納米陶瓷晶粒尺寸很小,材料中的內(nèi)在氣孔和缺陷尺寸大大減少,材料不易造成穿晶斷裂,從而提高了材料的韌性和強(qiáng)度,而且隨著晶粒尺寸變小的同時(shí)，晶界數(shù)量大大增加,有助于晶粒間的移動(dòng),這使得納米陶瓷表現(xiàn)出獨(dú)特的超塑性。 3、復(fù)合材料  為提高生物陶瓷材料的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和生物相容性，許多材料工作者在復(fù)合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，并取得了較大進(jìn)步。目前，常用的基體材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷等材料， 增強(qiáng)材料有碳纖維、不銹鋼或鈷基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強(qiáng)體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強(qiáng)體。還有學(xué)者將惰性生物材料和活性生物材料進(jìn)行復(fù)合，即滿足了復(fù)合材料對(duì)力學(xué)性能的要求，也彌補(bǔ)了惰性生物材料生物相容性差的缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)1 趙海濤.生物陶瓷的研究與