生物陶瓷材料的研究及應(yīng)用匯總

生物陶瓷材料的研究及應(yīng)用張波化工07-3班13304069摘要介紹了生物陶瓷的定義，對羥基磷灰石生物陶瓷材料、磷酸鈣生物陶瓷材料、復(fù)合生物陶瓷材料、涂層生物陶瓷材料和氧化鋁生物陶瓷的特性和制備辦法進(jìn)行了較為進(jìn)一步的分析，在當(dāng)代醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用及發(fā)展前景。核心詞生物陶瓷，磷酸鈣，復(fù)合生物陶瓷材料，涂層生物陶瓷材料，氧化鋁陶瓷，生物陶瓷應(yīng)用。BioceramicMaterialsResearchandApplicationZhangboChemicalEngineeringandTechnology073class13304069AbstractThispaperintroducesthedefinitionofbio-ceramics,bio-ceramicmaterialofhydroxyapatite,calciumphosphatebio-ceramicmaterials,compositebio-ceramicmaterials,coatingmaterials,bio-ceramicsandaluminaceramicsofbiologicalcharacteristicsandpreparationmethodsforamorein-depthanalysisInmodernmedicinetheapplicationanddevelopmentprospects.Keywordsbio-ceramics,calciumphosphate,compositebio-ceramicmaterials,coatingmaterials,bio-ceramic,aluminaceramic,bio-ceramicapplications.1引言生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功效的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體有關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。做為生物陶瓷材料，需含有以下條件：生物相容性；力學(xué)相容性；與生物組織有優(yōu)秀的親和性；抗血栓；滅菌性并含有較好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷（如Al2O3、ZrO2等）、生物活性陶瓷(如致密羥基磷灰石、生物活性微晶玻璃等)和生物復(fù)合材料三類。生物陶瓷材料因其與人的生活親密有關(guān)，故始終倍受材料科學(xué)工作者的重視。2生物陶瓷材料的發(fā)展現(xiàn)在世界各國相繼發(fā)展了生物陶瓷材料，它不僅含有不銹鋼塑料所含有的特性，并且含有親水性、能與細(xì)胞等生物組織體現(xiàn)出良好的親和性。因此生物陶瓷含有廣闊的發(fā)展前景。生物陶瓷的應(yīng)用范疇也正在逐步擴(kuò)大，現(xiàn)可應(yīng)用于人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒根、骨充填材料、骨置換材料、骨結(jié)合材料、還可應(yīng)用于人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經(jīng)皮引線可應(yīng)用于體內(nèi)醫(yī)學(xué)監(jiān)測等。2.1磷酸鈣生物陶瓷材料β-磷酸三鈣(簡稱β-TCP)，屬三方晶系，鈣磷原子比為1.5，是磷酸鈣的一種高溫相。β-TCP的最大優(yōu)勢就是含有良好的生物相容性和降解性，植入機(jī)體后與骨直接融合，無任何局部炎性反映及全身毒副作用。但缺少誘導(dǎo)沉積類骨羥基磷灰石(HAp)的能力［1，2］，HAp的形成有助于增進(jìn)材料的骨傳導(dǎo)和骨再生，并增進(jìn)材料同軟／硬組織間形成緊密的化學(xué)鍵合［3，4］。磷酸鈣鹽生物陶瓷人工骨，即使與骨鹽的構(gòu)成相似，但不同部位的骨性質(zhì)是不盡相似的，鈣磷比在決定體內(nèi)溶解性和吸取趨勢上起著重要作用，因此和HA相比，TCP更易于在體內(nèi)溶解，其溶解度約比HA高10-20倍。β-TCP的降解速率與其表面構(gòu)造、結(jié)晶類型、孔隙率及植入動物的不同有關(guān)。例如，隨表面積增大，結(jié)晶度減少、晶體結(jié)晶完整性下降、晶粒減小以及CO32-、F-、Mg2+等離子取代而使降解加緊。為此控制β-TCP的微觀構(gòu)造及構(gòu)成，能夠制備出不同降解速度的材料。JorgHandschel等人研究發(fā)現(xiàn)在無負(fù)重骨處沒有直接和TCP相連的骨，同樣在界面處也沒有造骨細(xì)胞，而這部分是由于TCP降解后造成介質(zhì)酸化所造成的［5］。這同樣也證明了介質(zhì)的pH值不會隨所使用的TCP顆粒的濃度而變化，它取決于造骨細(xì)胞和顆粒直接的互相作用，涉及造骨細(xì)胞功效的削弱。Inone等人研究發(fā)現(xiàn)，TCP從第三周起開始降解，同時從第三周起骨開始形成，他們還比較了空隙率分別為50%、60%、75%的TCP的性能，發(fā)現(xiàn)75%的TCP是較好的骨替代物，但機(jī)械強(qiáng)度不高，只能用于無負(fù)重處或與固定裝置結(jié)合［5］。另外，用Si穩(wěn)定TCP能夠增加其骨傳導(dǎo)性和骨組織的修復(fù)。2.2復(fù)合生物陶瓷材料復(fù)合生物陶瓷是指生物用復(fù)相陶瓷的總稱，多個組分構(gòu)成，含有多相的生物用陶瓷材料，含有較好的力學(xué)性能、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，是一種很有應(yīng)用前景的復(fù)合生物陶瓷材料[6,7,8]。復(fù)合生物陶瓷材料的制備辦法有諸多，許多材料工作者進(jìn)行了進(jìn)一步的探討[9,19]。李亞軍等［20］將HA粉體和聚丙交酯及造孔劑氯化鈉混合后加入三氯甲烷和聚乙烯醇溶液，混煉后模壓制得了多孔聚乳酸/基磷灰石復(fù)合材料，該材料能夠提高高分子的力學(xué)性能及骨誘導(dǎo)特性，且對羥基磷灰石的過快降解含有控制作用，確保了骨組織恢復(fù)速度與降解速度一致。Ivanchenko等人[5]用硅硼酸鈉玻璃來增強(qiáng)HA，當(dāng)玻璃相為59%、燒結(jié)溫度不大于1000℃、孔隙率為33%時，得到HA的機(jī)械強(qiáng)度為47MPa。Towler運(yùn)用納米ZrO2在低溫下燒結(jié)制備了高致密度的HA-ZrO2復(fù)合生物陶瓷。該技術(shù)由于使用了納米ZrO2，故減少了燒結(jié)溫度。因HA分解常發(fā)生在燒結(jié)過程中，但在1200℃燒結(jié)時，因燒結(jié)溫度較低，故避免了HA的分解，使主晶相仍為HA，且復(fù)合材料的強(qiáng)度高于純HA[9]。黃傳勇等[10]采用化學(xué)共沉淀法制備了羥基磷灰石和二氧化鋯超細(xì)粉，并以此為原料，通過不同材料的優(yōu)化組合，用燒結(jié)法制備了HA-ZrO2二元體系復(fù)合生物陶瓷材料，其抗折強(qiáng)度達(dá)成120MPa，斷裂韌性值為l.74MPa·m-1/2，幾乎為純HA的兩倍，靠近骨組織（致密骨的抗折強(qiáng)度為160MPa，斷裂韌性值為2.2MPa·m-1/2）。Kim等[12]采用多孔的ZrO22.3涂層生物陶瓷材料在諸多生物骨科材料中，生物陶瓷涂層材料由于將金屬(合金)基材優(yōu)良的機(jī)械性能和生物陶瓷涂層良好的生物學(xué)性能結(jié)合在一起，成為臨床上廣泛應(yīng)用的生物骨科材料之一[13]。作為生物陶瓷涂層材料的基體普通規(guī)定為含有高強(qiáng)度、高韌性、低密度的金屬及其合金，如不銹鋼、鈦及合金、鈷鉻鉬合金、鈷鉻合金等，其中鈦及其合金應(yīng)用最為廣泛。涂層的厚度對涂層與骨骼的結(jié)合有一定的影響[14]。首先需要有一定的厚度，以確保涂層在體液作用下存在足夠的時間，增進(jìn)植入物與骨骼組織的結(jié)合；另首先，隨著涂層厚度的增加，涂層殘存應(yīng)力增大，涂層材料本身的性質(zhì)也容易體現(xiàn)出來，植入生物體內(nèi)后，將影響材料與骨骼的結(jié)合。近年來的研究表明，抱負(fù)的涂層厚度在50μm左右(30～90μm)。在涂層厚度一定的前提下，涂層結(jié)晶度和相構(gòu)成是決定涂層在體液作用下保存時間的重要因素。高結(jié)晶度的涂層(>90％)，比較穩(wěn)定，溶解較少；較低的結(jié)晶度(60％～70％)則容易發(fā)生溶解及降解。普通認(rèn)為，涂層的結(jié)晶度與涂層和基體的結(jié)合狀況成反比，含有較低結(jié)晶度的涂層有著較好的結(jié)合力。涂層晶粒越小，涂層與基體的潤濕性越好，涂層與基體的結(jié)合性就會越牢固。人造羥基磷灰石即使化學(xué)構(gòu)成與生物組織很相似，但其結(jié)晶程度和構(gòu)造穩(wěn)定性要比自然骨骼中的羥基磷灰石晶體高，因此植入生物體后長久不易降解，始終作為一種異質(zhì)體殘留在骨骼缺損組織中。在涂層中摻人少量固溶雜質(zhì)元素，就能夠改善材料生物活性和生物降解率。制備涂層生物陶瓷材料的核心問題之一是涂層與基材的結(jié)合問題。由于生物陶瓷材料與金屬基底的界面處不易產(chǎn)生良好的結(jié)合。金屬為金屬鍵，陶瓷為共價鍵、離子鍵，兩者品格類型不同。陶瓷普通化學(xué)穩(wěn)定性好，金屬與陶瓷的相容性差；金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)相差很大，噴后熱應(yīng)力很高，加之陶瓷材料普通熔點較高等。2.3.1生物陶瓷涂層制備辦法1高溫噴涂涂層：涉及火焰噴涂法，等離子噴涂法，爆炸噴涂法2熱擴(kuò)散噴涂：料漿包滲法，氣滲圖層法3其它圖層：碳熱解圖層法，氣相沉積法，輝光放電濺射法，真空鍍膜涂層法等例如，陳德敏等[15]采用液相反映法，即在氫氧化鍶和氫氧化鈣懸濁液中不停滴入稀硫酸，通過控制pH值反映合成摻鍶羥基磷灰石固溶體。實驗成果表明，用鍶元素?fù)诫s于羥基磷灰石構(gòu)造中，形成的摻鍶羥基磷灰石比純的羥基磷灰石含有更加好的骨骼缺損修復(fù)能力。摻雜還能夠增強(qiáng)生物陶瓷涂層的構(gòu)造穩(wěn)定性。張亞平等[16]在鈦合金表面用激光涂覆生物陶瓷涂層時，在一定配比的CaHPO4·2H2O和CaCO3中摻人少量Y2O3粉末，發(fā)現(xiàn)少量Y2O3有助于激光化學(xué)反映合成HA，并增加其構(gòu)造穩(wěn)定性，使涂層組織成為含有一定擇優(yōu)取向的細(xì)小的不規(guī)則的多邊形晶體。其原理是：激光涂覆時，化學(xué)位與濃度梯度是熔體內(nèi)傳質(zhì)擴(kuò)散的推動力，而少量Y2O3能使上述兩種梯度差增大，增進(jìn)HA的生成。2.4羥基磷灰石生物陶瓷材料生物活性陶瓷中應(yīng)用最多的是羥基磷灰石(簡稱HA或HAP)，其理論構(gòu)成為Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P為1.67。HAP晶體為六方晶系，屬L6Pc對稱型和P63/m空間群，其構(gòu)造為六角柱體(見圖1)，其中0H-位于晶胞的4個角上，10個Ca2+分別占據(jù)2種位置，4個ca2+占據(jù)ca(I)位置，即z=O和z=1/2位置各2個，該位置處在6個O構(gòu)成的ca-O八面體的中心。6個Ca2+處在ca(Ⅱ)位置，即z=l/4和z=3／4位置各有3個，位置處在3個0構(gòu)成的三配位體中心。6個P043-四配位體分別位于z=1/4和z=3/4的平面上，這些P043-四周體的網(wǎng)絡(luò)使得HAP構(gòu)造含有較好的穩(wěn)定性。羥基磷灰石是人體和動物骨骼的重要無機(jī)成分，對于羥基磷灰石材料的研究成了國內(nèi)外生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的重要課題之一。羥基磷灰石生物活性陶瓷含有良好的生物相容性，植入體內(nèi)不僅安全無毒，還能引導(dǎo)骨生長。因此，它重要用于人體硬組織(骨、牙)的修復(fù)和替代，也用于人工血管、氣管等軟組織及藥品控釋和輸送載體，還是一種優(yōu)良的生物化學(xué)吸附劑。盡管羥基磷灰石陶瓷材料含有良好的生物相容性和生物活性，但是其抗彎強(qiáng)度低、脆性大，在生理環(huán)境中抗疲勞性不高，只能應(yīng)用于不承重或者僅承受純壓力負(fù)荷的環(huán)境中。Poter等人發(fā)現(xiàn)不同比例的摻Si的HA的溶解速率不不大于純HA[5]，這表明Si的引入可加速HAP的溶解，同時HA界面增加的Ca、P、Si離子可加速骨磷灰石的沉淀及陶瓷表面的骨的形成，從而增加了HA的生物活性。MarkT等人評定了幾個HA的溶解性和降解速率后發(fā)現(xiàn)，通過燒結(jié)的HA由于高的結(jié)晶性以及沒有可置換的離子，因此其溶解度較其它HAP低[5]。這表明結(jié)晶是影響HAP解的一種因素，且高結(jié)晶的HAP比貧晶的HAP更穩(wěn)定而不易降解。他們同時發(fā)現(xiàn)，顆粒越大，其溶解度和降解率越低。2.4.1羥基磷灰石生物陶瓷材料的制備辦法1沉淀法這種辦法通過把一定濃度的鈣鹽和磷鹽混合攪拌，控制在一定的pH值和溫度條件下，使溶液中發(fā)生化學(xué)反映生成HAP沉淀，沉淀物在400-600℃甚至更高的溫度下煅燒，可獲得符合一定比例的HA2溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是近些年才發(fā)展起來的新辦法，已引發(fā)了廣泛的關(guān)注。溶膠-凝膠法是將醇鹽溶解于有機(jī)溶劑中，通過加入蒸餾水使醇鹽水解、聚合，形成溶膠，溶膠形成后，隨著水的加入轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，凝膠在真空狀態(tài)下低溫干燥，得到疏松的干凝膠，再將干凝膠做高溫煅燒解決，即可得到納米粉體。3水熱法水熱法是在特制的密閉反映容器中(高壓釜)，采用水溶液作為反映介質(zhì)，在高溫高壓環(huán)境中，使得原來難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶的辦法。這種辦法普通以磷酸氫鈣等為原料，在水溶液體系，溫度為200-400℃的高壓釜中制備4超聲波合成法超聲波在水介質(zhì)中引發(fā)氣穴現(xiàn)象，使微泡在水中形成、生長和破裂。這能激活化學(xué)物種的反映活性，從而有效地加速液體和固體反映物之間非均相化學(xué)反映的速度。5固態(tài)合成法把固態(tài)磷酸鈣及其它化合物均勻混合在一起，在有水蒸氣存在的條件下，反映溫度高于1000℃6自蔓延高溫合成法自蔓延高溫合成技術(shù)(SHS)是運(yùn)用反映放熱制備材料的新技術(shù)。SHS技術(shù)能夠制備出納米羥基磷灰石。該技術(shù)是運(yùn)用硝酸鹽與羧酸反映，在低溫下實現(xiàn)原位氧化自發(fā)燃燒，快速合成HAP前驅(qū)體粉末。制備的HAP粉體含有純度高、成分均勻、顆粒尺寸大小適宜，無硬團(tuán)等特性。2.5氧化鋁生物陶瓷材料氧化鋁陶瓷植入人體后表面生成極薄的纖維膜，界面無化學(xué)反映，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及股骨和髖骨部連接。高純氧化鋁陶瓷化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好，呈生物惰性；由于其硬度高，耐磨性能好，因此磨損率比其它材料最少小1～2個數(shù)量級[18]。單晶氧化鋁陶瓷的機(jī)械性能更優(yōu)于多晶氧化鋁，合用于負(fù)重大、耐磨規(guī)定高的部位?；鹧嫒廴诜ㄖ圃斓膯尉а趸X，強(qiáng)度很高，耐磨性好，可精細(xì)加工，制成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化鋁，即剛玉，強(qiáng)度大，用于制作雙杯式人工髖關(guān)節(jié)、人工骨、人工牙根和關(guān)節(jié)。Boutint在1972年首先報道了用氧化鋁陶瓷制作的人體髖關(guān)節(jié)在生理和摩擦學(xué)方面的優(yōu)越性極其在臨床上的應(yīng)用[8]。氧化鋁屬脆性材料，沖擊韌性較低；彈性模量和骨相差大，陶瓷的高彈性模量，可能引發(fā)骨組織的應(yīng)力，從而引發(fā)骨組織的萎縮和關(guān)節(jié)松動，在使用過程中，常出現(xiàn)脆性破壞和骨損傷。運(yùn)用ZrO2相變增韌或微裂紋增韌，以及在瓷體中人為造成裂紋擴(kuò)散的障礙等，獲得了明顯的效果。3結(jié)語生物陶瓷的研究內(nèi)容涉及材料、醫(yī)學(xué)物理、生物化學(xué)和當(dāng)代高技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我相信生物陶瓷材料會成為醫(yī)學(xué)工程學(xué)中的重要構(gòu)成部分，由于它含有對機(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、替代與再生的特殊功效。在過去，應(yīng)用最廣泛的生物醫(yī)學(xué)材料為金屬和有機(jī)材料，其存在著許多缺點。生物陶瓷材料作為一種無機(jī)生物醫(yī)學(xué)材料，與生物組織含有良好的相容性和優(yōu)秀的親和性，穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，可滅菌性及無毒性等優(yōu)點，將會越來越受到人們的重視。參考文獻(xiàn)KleinCPAT,GrootKKD,DrissenAA,etal.Biomaterials,1985,6(3):189-192HenchLL.J.Am.Ceram.Soc.,1991,74(7):1487-1510鐘吉品，HenchLL(ZHONGJi-Pin,etal).無機(jī)材料學(xué)報(JournalofInorganicMaterials),1995,10(2):129-138HenchLL,XyonsI,EdgarA,etal.無機(jī)材料學(xué)報(JournalofInorganicMaterials),,17(5):897-909鐘銳等，骨組織工程支架材料生物陶瓷的研究進(jìn)展［J］，醫(yī)療衛(wèi)生裝備，，26(4):26-28馬寧等.多空納米羥基磷灰石/膠原復(fù)合材料的制備及性能［J］，吉林大學(xué)報，，1(1):90-93[7]金仁夫等.二氧化鋯梯度復(fù)合羥基磷灰石生物材料的制備及其生物相容性[J].復(fù)合材料學(xué)報，，6（3）：114-122[8]涂浩，閆玉華.納米羥基磷灰石復(fù)合材料在骨組織工程中的應(yīng)用[J].生物骨科材料與臨床研究，，6（3）：47-49[9]唐月軍等.醫(yī)用復(fù)合生物陶瓷的研究進(jìn)展[J].國際生物醫(yī)學(xué)工程雜志，，29(2):114-116[10]黃傳勇等.生物陶瓷復(fù)合材料的研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報，，19(3):281-287[11]SilvaVV，LameirasFS，LobatoZI．Biologicalreactivityofzirconia-hydroxyapatitecomposites[J]．BiomedMaterRes,,63(5):583-590[12]KimHW，LeeSY，PorousZrO2bonescaffoldcoatedwithhydroxyapatitewithfluorapati