淺談生物陶瓷材料的發展及其應用

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，因而可以與細胞組織等物質親和相容，所以被寄予厚望作為一種替代或者再生的組織修復材料廣泛應用于生物醫療等領域，且隨著科學技術的不斷更迭，其應用優勢愈加凸顯，因而探究生物陶瓷材料的應用現狀及發展前景不論是對醫學進步還是對科技發展來說都具有重要的價值和理論意義。

關鍵詞：生物陶瓷;應用;發展

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的一種材料，其誕生于上個世紀六十年代，到目前為止已有半個多世紀的研究歷程了。眾所周知，醫學領域一直就是一個解決人類病痛和延長生命的領域，且在醫學領域中出現細胞組織壞死或者破碎等情況司空見慣，因而一旦發生類似情況，就必須得另辟蹊徑，使用其他材料或者相關組織細胞進行培育以提高或延長生命體的生存質量和長度，因而在一段時間里醫學研究也嘗試使用金屬、塑料等材料進行替代和仿生，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憂，因而使得醫學研究曾一度陷入了困境。生物陶瓷的出現不僅彌補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，被醫學界大力追捧并廣泛用于生物醫學等領域，也由此解決了長期以來醫學上難以攻克的大關，且目前在醫學領域的使用已非常靈活和廣泛，效果也相當明顯。但是就目前而言，由于生物陶瓷用于生物醫學領域的時間較短，因而還是屬于一個新興發展的領域，且隨著其影響力和作用力的不斷發展和擴大，將會受到更多的關注和使用。

二、生物陶瓷材料的應用和發展前景

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別，其中生物吸收性陶瓷材料由于其生物學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，因而可以促進機體組織和材料之間很好的形成鍵合，進而幫助機體進行修復和再生，所以常被作為機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）等物質構成，因而在體液環境中其容易被溶解。所以，其工作原理就是當玻璃材料被溶解后玻璃的網絡結構被破壞，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行交換，進而形成大量的硅羥基基團，并在弱堿的環境下發生聚合形成富硅凝膠層，進而再吸附鈣和磷酸根離子使之沉積，再由此演變為磷酸鈣層，通過晶化，使碳酸根等離子進入晶格，進而形成羥基磷灰石，以此被機體吸收和使用，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，所以其對機體的代謝是否會產生影響也尚不清楚，此外，人體內環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，是否會對機體細胞等產生影響也有待驗證，所以近幾年生物活性玻璃也是醫學研究領域的大熱點，不過也有實驗驗證生物活性玻璃所制作的支架在骨質疏松的治療上效果顯現，所以未來希望活性玻璃材料能在骨質疏松治療方面發揮大的效用。

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，具有不同的相結構，主要有兩種相結構：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，且與HA相比TCP更容易溶解于體內，因而在醫學領域發熱發光。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，而在強度表現上也不是很好，脆性較大，因而不能用于身體承載，所以挖掘材料，使之與β-磷酸三鈣進行復合，制備出降解速度快、強度高、脆性低的復合型材料是未來醫學材料領域研究的重點。而硫酸鈣在自然界中主要以石膏礦的形式存在，而在醫學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環境中鈣離子的濃度產生太大的影響，因而常用作水溶性的抗生素載體而被植入體內，且其還具有良好的骨誘導性，因而在促進骨細胞增殖、分化等方面變現明顯，有助于骨基質的重塑和新生，因此用硫酸鈣制備支架材料也有一定的潛力空間，但也有研究發現，硫酸鈣骨水泥有引起肺栓塞的風險，因而硫酸鈣在醫學材料中的使用風險有待進一步驗證和改進。

生物惰性陶瓷材料，通俗地講就是在生物體內幾乎不會發生任何變化的材料，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節、骨骼、牙齒等修復和替換方面，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度和良好的耐磨性，在上個世紀70年代在人體關節置換方面就有所應用，但同樣的其也存在一定的風險，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，目前也主要應用于牙齒修復和人體關節方面，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，比如黏性強度不足，使得其穩定性較差，因而目前也有學者對其進行研究，也采用了一些辦法進行改進，但在效果上還是不是特別理想，有待進一步優化和改善。

結語

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，因而在各自領域的使用上都不能很好地展現其完美的一面，所以如何根據問題針對性的進行解決不僅急切所需，而且意義非凡。

參考文獻

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作者簡介：劉瑩濤（1995-06）男，籍貫：江西省萍鄉市，當前職務：技術員，當前職稱：助理工程師，學歷：碩士研究生，研究方向：非金屬性能分析崗。