無機非金屬材料在生物醫(yī)學中的應用

1、 無機非金屬材料在生物醫(yī)學中的應用西南交通大學材料科學與工程學院-李森-20085650【摘要】介紹無機非金屬材料在生物醫(yī)學各個領(lǐng)域中的應用和發(fā)展前景等?！娟P(guān)鍵字】無機非金屬生物材料，惰性無機非金屬生物醫(yī)用材料，表面生物活性陶瓷材料，可吸收和降解生物陶瓷材料，臨床應用，前景?！菊摹恳?、無機非金屬材料以及無機非金屬生物醫(yī)用材料的特點無機非金屬材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料。是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱。無機非金屬材料的提法是20世

2、紀40年代以后,隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展從傳統(tǒng)的硅酸鹽材料演變而來的。無機非金屬材料是與有機高分子材料和金屬材料并列的三大材料之一。在晶體結(jié)構(gòu)上,無機非金屬的晶體結(jié)構(gòu)遠比金屬復雜，并且沒有自由的電子。具有比金屬鍵和純共價鍵更強的離子鍵和混合鍵。這種化學鍵所特有的高鍵能、高鍵強賦予這一大類  材料以高熔點、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、高強度和良好的抗氧化性等基本屬性,以及寬廣的導電性、隔熱性、透光性及良好的鐵電性、鐵磁性和壓電性。硅酸鹽材料是無機非金屬材料的主要分支之一，硅酸鹽材料是陶瓷的主要組成物質(zhì)。陶瓷不生銹、不燃燒，而且抗腐蝕，強度也比較好，可以大大彌補金屬材料和有機材料的缺

3、陷。陶瓷不僅可以制成具有優(yōu)良生物惰性的材料，而且也可以制成具有優(yōu)良生物活性的材料。生物醫(yī)用材料根據(jù)在生物體內(nèi)的活性，分為三類：惰性生物陶瓷材料，主要是氧化鋁陶瓷材料、碳質(zhì)材料等，植入體內(nèi)后與周圍組織之間形成纖維包膜；表面生物活性陶瓷材料，如生物醫(yī)用玻璃和玻璃陶瓷、羥基磷灰石等，植入體內(nèi)后材料能與周圍組織形成牢固的化學鍵結(jié)合（骨性結(jié)合）； 可吸收和降解生物陶瓷材料，主要是磷酸三鈣陶瓷材料，植入體內(nèi)后會逐漸被降解、吸收，從而被新生組織替代。目前，約有40余種生物陶瓷材料在醫(yī)學、整形外科方面制成了50余種復制和代用品，發(fā)揮著非常重要的作用。2、 三類無機非金屬生物醫(yī)用材料的性能及應用 1、惰性無機非

4、金屬生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用陶瓷：惰性生物醫(yī)用陶瓷主要分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷以及陶材三類。氧化物陶瓷主要是Al、Mg、Ti、Zr、等的氧化物。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物等。陶材則主要是由多種氧化物礦物構(gòu)成的長石、石英、高嶺土等原料制成。氧化物陶瓷：氧化鋁陶瓷生物醫(yī)用氧化鋁陶瓷由高純?nèi)趸X組成。氧化鋁陶瓷（簡稱鋁瓷）是指主晶相為剛玉的陶瓷材料。氧化鋁陶瓷在與機體組織的結(jié)合方面屬生物惰性材料。并且這種陶瓷還具有較高的機械強度、硬度、耐磨性和化學惰性。醫(yī)用氧化鋁陶瓷的重要性能（按照ISO6474）基本性能重要性原因高的抗腐蝕性優(yōu)異的剛性及良好的表面拋光性能高楊氏模量和高抗壓強度高

5、的機械強度高純度保證生物惰性保證高耐磨性保證堅硬不變形保證良好的疲勞性能以及安全性和可靠性保證長期穩(wěn)定性由于氧化鋁陶瓷是生物惰性材料，在人體內(nèi)不發(fā)生化學變化，對人體無害，親和性也很好，在臨床醫(yī)療中廣泛用于股骨、骨關(guān)節(jié)、牙根、骨修補物和骨骼螺栓等。Boutin等人1970年提出使用全氧化鋁陶瓷植入物，并且首次在臨床上使用氧化鋁陶瓷材料人工髖關(guān)節(jié)，之后又有許多國家開始廣泛使用氧化鋁陶瓷制作人工牙根、人工關(guān)節(jié)和人工骨。在近三十年的臨床實踐中，使用氧化鋁假體進行人工關(guān)節(jié)固定，取得了令人滿意的結(jié)果。現(xiàn)在高密度、高純氧化鋁陶瓷是內(nèi)修復手術(shù)主要的關(guān)節(jié)材料，長期臨床實踐已經(jīng)說明了氧化鋁陶瓷頭和聚乙烯臼之間具有

6、優(yōu)異的抗磨損性能。有學者復查了最近20年來，118例髖部手術(shù)的病人，期中86例使用骨水泥填充孔隙，32例沒有使用骨水泥填充而是用了三枚螺絲釘固定。不用骨水泥比用骨水泥獲得了滿意的效果，88.5%不用翻修，且在骨盆正位片上沒有測量到明顯的磨損。氧化鋯陶瓷純的氧化鋯不能作為醫(yī)用材料，因為在燒結(jié)過程中從高溫降到室溫以上時會發(fā)生從四方到單斜的晶相轉(zhuǎn)變，這一相轉(zhuǎn)變同時伴隨著3%4%的體積擴展，使材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應力和裂紋。加入氧化錳或氧化釔會抑制相變的發(fā)生。由于具有更高的斷裂強度使得氧化鋯陶瓷能夠被設計成氧化鋁陶瓷不能達到的幾何尺寸和形狀仍然具有可靠性的髖關(guān)節(jié)頭。由于這些優(yōu)異的力學性能，人們認識到可以將其

7、應用在牙修復領(lǐng)域和膝關(guān)節(jié)股骨組件。另外，它還用在跖趾外科手術(shù)上（作為可拆卸的間隔罩杯）和肩修復手術(shù)上。氧化鋯與聚乙烯結(jié)合被證明與體外實驗中的氧化鋁與聚乙烯結(jié)合有相似的磨損率，但是在體內(nèi)試驗中結(jié)果并不樂觀，在體內(nèi)試驗中氧化鋯陶瓷的年磨損率會逐年增加，而氧化鋁相對變化平穩(wěn)。非氧化物陶瓷材料：非氧化物陶瓷材料是以難熔化合物為基礎(chǔ)制成的，而這些化合物又是由B、C、N、Al、Si形成，主要呈共價化學鍵形式，在極寬的溫度范圍和其它外作用條件下具有很高的穩(wěn)定性。非氧化物陶瓷材料作為生物醫(yī)用材料的報道較少，主要用作硬組織的替換材料。例如碳化硅和氮化硅陶瓷材料。醫(yī)用碳材料：碳材料具有許多優(yōu)良的性質(zhì)，植入人體后化

8、學穩(wěn)定性好，與人體親和性好，沒有毒性，沒有排異反應。碳有許多同素異構(gòu)體，在醫(yī)學上廣泛應用的主要包括熱解各項同性碳（LTI）和碳纖維復合材料，在早期使用的玻璃質(zhì)碳因為使軟組織變黑而很少再用。醫(yī)用碳材料的類型以及應用碳材料醫(yī)用的重要原因以及應用石墨潤滑性能好，有些心臟瓣膜架用石墨集體表面涂覆熱解碳，有些瓣架是全熱解碳而瓣葉是石墨集體表面涂覆熱解碳。還可用作外置固定骨架。熱解碳：耐久性、生物穩(wěn)定性好。低溫各項同性熱解碳（LTIC）材料化學穩(wěn)定性生物相容性非常好，以及有優(yōu)良的力學性能在臨床醫(yī)學中廣泛應用，如用于制造人工心臟瓣膜（幾乎是唯一可選用的機械瓣膜材料，目前先進的雙葉瓣膜都是用熱解碳為基本材料）

9、、人工髖關(guān)節(jié)以及其它人工運動磨損表面（如牙齒），還具有罕見的抗血凝性能。玻璃碳：屬于特殊碳材料兼有碳材料和玻璃的特性，優(yōu)點：密度小、抗?jié)B透、各項同性、耐高溫耐腐蝕。碳纖維：碳元素組成的特種纖維比鋁輕、比鋼強、比人發(fā)細，柔軟可加工、耐高溫、耐摩擦、耐腐蝕。碳/碳復合材料高的比強度、高的斷裂韌性、耐腐蝕性。它的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)碳材料的強度與韌性問題，是一種極具潛力的新型生物醫(yī)用材料，在人體骨修復與骨替代材料（人工齒根、人工骨、人工關(guān)節(jié)）方面具有較好的應用前景。惰性生物玻璃和玻璃陶瓷生物玻璃材料大致可分為兩類：1.非活性的近似惰性的2.生物活性的。惰性玻璃陶瓷主要應用于口腔醫(yī)學領(lǐng)域：云母系玻璃陶瓷：可

10、鑄造玻璃陶瓷主要是由氧化硅、氧化鉀、氧化鎂等氧化物及少量氟化物組成的八硅氟云母晶體，還含有微量的氧化鋁和氧化鋅。在口腔環(huán)境中耐腐蝕，與組織有良好的生物相容性，透明度高，收縮率小，邊緣適合性好的特點，而且與牙釉質(zhì)的硬度接近而明顯低于烤瓷，所以可以制作各類嵌體，前牙及后牙的瓷全冠、瓷罩及樁冠。白榴石玻璃陶瓷（IPS-Empress可鑄玻璃陶瓷就是一種白榴石強化陶瓷）白榴石作為內(nèi)部增強劑用于牙科陶瓷，以提高全瓷修復體的強度。由于具有良好的生物相容性，優(yōu)良的耐磨性及耐腐蝕性，和獨特的美學性能，可用于制作前后牙的牙冠，還被制作嵌體和貼面。2. 表面活性無機非金屬生物醫(yī)用材料表面活性生物醫(yī)用玻璃和玻璃陶瓷

11、這類材料作為生物醫(yī)用材料具有金屬、高分子及生物惰性材料不可比擬的優(yōu)勢，能與人體骨形成直接的化學結(jié)合。類型性能及應用活性生物醫(yī)用玻璃：一般為CaO-SiO2-P2O5系統(tǒng)。易溶解釋放一價或二價金屬離子，使生物玻璃表面具有溶解性。大量生物移植實驗都證明，生物玻璃的確能與生物組織相聯(lián)接。然而這種生物醫(yī)學玻璃抗折強度很低，不能用于強度要求高的人工骨和人工關(guān)節(jié)替換，它可以埋在拔牙后的齒槽孔內(nèi)，防止齒槽骨萎縮，也可以用做中耳的錘骨等?；钚陨镝t(yī)用玻璃陶瓷1.系玻璃陶瓷：此種微晶玻璃的機械性能仍然較差，不能用于承重部位，只能用于聽小骨等不受力的部位。2.系玻璃陶瓷：主要產(chǎn)品被制成顆粒型人工骨、致密牙根、多孔

12、型塊骨、微孔型額骨并在一定范圍取得了臨床應用。3.可切削生物玻璃陶瓷：實驗證明有很好的生物相容性，植入112d之后已于骨形成牢固結(jié)合。近幾十年來，具有良好的生物相容性、生物活性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)異性能的生物活性玻璃作為理想的骨移植材料得到了大量的發(fā)展及應用。早期主要應用是口腔方面，如用于下頜骨置換、牙周病治療、拔牙窩充填等。目前國際上已發(fā)展為產(chǎn)品的牙科用生物玻璃陶瓷有兩種：一是ERMI，形如牙根，用于牙根拔出后的牙窩填充，以防止牙床萎縮；其二是PERIOGLAS粉，用于治療牙周炎中牙根與牙床的脫裂。此外，生物玻璃也被用于耳聾方面的治療，如制成中耳骨，植入耳中，能是某些耳聾病人恢復不同程度的聽力；

13、還用做人工喉管支架、眼晶狀體修復等。羥基磷灰石羥基磷灰石簡稱HA，屬于磷酸鹽系無機非金屬材料。其化學成分和晶體結(jié)構(gòu)與脊椎動物的骨和牙齒中的礦物成分非常接近。作為人和動物骨骼及牙齒的主要無機成分，羥基磷灰石具有良好的生物相容性，無生物毒性，是與骨組織生物相容性最好的生物活性材料，植入骨組織后能在界面上形成很強的化學鍵合，已經(jīng)廣泛作為生物硬組織修復和替換的材料。羥基磷灰石生物陶瓷的分類性能及應用致密型HA生物陶瓷有較好的機械性能，有一定的可加工性，在臨床使用中極為方便，但植入人體后只能在表面形成骨質(zhì)，缺乏誘導骨形成的能力，僅可作為骨形成的支架，主要用于人工齒根種植體。多孔型HA生物陶瓷優(yōu)良的機械性

14、能復合型HA生物陶瓷類似于多孔型HA陶瓷，具有良好的生物活性和機械性能。混合型HA生物陶瓷彌補了多孔和致密HA陶瓷的缺點，兼顧了兩者的優(yōu)點，獲得較好的效果。制成的人工齒根，其機械強度與致密型HA生物陶瓷接近，而生物活性相當于多孔型HA生物陶瓷和復合型HA生物陶瓷。涂層及復合HA材料在提高材料的機械強度和力學性能方面有著較好的發(fā)展前景。羥基磷灰石的臨床應用：1. 在眼科修復中的應用：主要用于因外傷或眼病眼球摘除后在眼眶內(nèi)放入植入體，填補眼球所占空間，防止安裝義眼后造成眼窩凹陷等畸形。2. 羥基磷灰石人工聽骨：用于聽骨鏈重建手術(shù)，提高患者聽力。3. 羥基磷灰石在口腔醫(yī)科中的應用：口腔修復，如萎縮牙

15、槽嵴的增高，頜骨囊腫骨腔填塞，牙周缺陷修復，根管充填及蓋髓等?？谇槐＝?，羥基磷灰石具有吸附并除去牙齒表面組成牙菌斑的蛋白質(zhì)、氨基酸、脂質(zhì)和葡聚糖等成分的作用另外還有抑菌作用，再擴化作用以及增白作用。4. 羥基磷灰石涂層的臨床應用：合成的羥基磷灰石粉末的生物相容性好，有一定的成骨效應?？梢灾谱鞲鞣N羥基磷灰石涂層人工關(guān)節(jié)，誘發(fā)骨質(zhì)生長，起生物固定作用。5.羥基磷灰石在美容整形外科中的應用：由于生物相容性好在整形外科中廣泛應用，如用羥基磷灰石人工骨用于隆鼻術(shù)，頦部充填術(shù)和顳部充填術(shù)，具有造型自然，逼真的特點，并無任何毒副作用，明顯由于固體硅膠。骨水泥 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）骨水泥的應用對人工關(guān)

16、節(jié)的發(fā)展起過巨大的推動作用，并在骨缺損、骨癌刮除后的空洞填充修復中的到廣泛的應用。磷酸鈣骨水泥是一類將兩種或兩種以上磷酸鈣粉體加入液相調(diào)和劑，通過磷酸鈣發(fā)生水化硬化，在人體環(huán)境和溫度下轉(zhuǎn)化為與人體硬組織成分相似的羥基磷灰石的生物活性無機材料。又稱為羥基磷灰石骨水泥，簡稱CPC。CPC具有良好的生物相容性，無毒，無刺激，有良好的血液相容性和組織相容性，有骨引導活性并在體內(nèi)可生物降解。CPC通過骨傳導作用而成骨，一般認為它不具有誘導成骨作用。由于CPC具有能與骨質(zhì)緊密接觸和快速凝固性能以及其遠高于松質(zhì)骨的力學性能，現(xiàn)已廣泛應用于骨折治療和骨缺陷修復。3. 可降解無機非金屬生物醫(yī)用材料生物陶瓷在生理

17、環(huán)境中產(chǎn)生結(jié)構(gòu)或物質(zhì)衰變，其產(chǎn)物被機體吸收利用或通過循環(huán)系統(tǒng)排除體外，稱為陶瓷的生物降解行為。最終使缺陷的部位完全被新生的骨組織所替代，而植入的生物可降解材料只起到臨時支架作用。在體內(nèi)通過系列的生化反應一部分排出體外，一部分參與新骨的形成。最早應用的生物降解陶瓷為石膏，它具有良好的生物相容性，但是被吸收速率快，與新骨生長速率不能匹配。目前廣泛應用和研究的可降解和吸收的生物陶瓷主要是指磷酸鈣類生物陶瓷材料，它包括磷酸三鈣和磷酸四鈣和羥基磷灰石以及它們的混合物等，這類磷酸鈣類陶瓷材料植入體內(nèi)后經(jīng)過一段時間，可部分或全部吸收，發(fā)生陶瓷生物降解，其中生物降解顯著的為ß-磷酸三鈣陶瓷（ß-TCP），它具有良好的生物降解性、生物相容性和無生物毒性，降解下來的Ca，P能進入活體循環(huán)系統(tǒng)形成新生骨，因此它作為理想的骨替代材料已成為世界各國學者研究的重點之一。ß-TCP陶瓷作為一種體內(nèi)植入材料用于骨修補和替換，其生物相容性和安全性是至關(guān)重要的，ß-TCP的體外實驗現(xiàn)實，該材料具有良好的細胞相容性，動物或人體細胞可以在材料上正常生長、分化及繁殖。ß-TCP陶瓷的臨床應用ß-TCP良好的生物相容性和生物降解性成為理想的骨移植材料，用于修復因創(chuàng)傷、腫瘤或骨病等原因所造成的骨缺陷