生物陶瓷材料的分類與應用

2021-01-15 先進陶瓷展




生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用於人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。生物陶瓷是經高溫處理工藝所成的無機非金屬材料，具有金屬、高分子材料無法比擬的優點：

（1）良好的機械強度、硬度、壓縮強度高，極其穩定，在體內難於溶解，不易氧化，不易腐蝕變質，便於加熱消毒、耐磨，和人體組織的親和性好，因此能滿足種植學要求；

（2） 陶瓷的組成範圍比較寬，可根據實際應用的要求設計組成，控制性能的變化。例如可降解生物陶瓷在體內不同部位的使用中，希望能針對被置換骨的生長特點獲得具有不同降解速度的陶瓷。否則，當降解速度超過骨生長速度時，就會產生「死區「，影響修復。如果向此類材料中添加適當比例的非降解性生物陶瓷，就能調整降解速度，滿足臨床要求。

（3）陶瓷容易成型，可根據需要製成各種形態和尺寸，如顆粒形、柱形、管形、緻密型或多孔型，也可製成骨螺釘、骨夾板、製成牙根、關節、長骨、顱骨等。採用特殊的工藝還可以得到尺寸精密的人工骨製品。

（4）後加工方便，易於著色。

根據種植材料與生物體組織的反應程度，可將種植類陶瓷分為兩類：生物惰性陶瓷材料和生物活性陶瓷材料。


生物惰性陶瓷材料

生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定，生物相容性好，在生物體內與組織幾乎不發生反應或反應很小。如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷等。這類陶瓷材料的結構都比較穩定，分子中的鍵力較強，而且都具有較高的機械強度、耐磨性以及化學穩定性。主要由氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷組成，其中，以Al、Mg、Ti、Zr的氧化物應用最為廣泛。

多晶氧化鋁陶瓷對包括生物環境在內的任何環境都呈現惰性及其優越的耐磨損性和高抗壓強度，使氧化鋁陶瓷材料成為最早獲得臨床應用的生物惰性陶瓷材料，目前已應用於人造骨、人工關節及人造齒根的製作方面。氧化鋁陶瓷植入人體後，體內軟組織在其表面生成極薄的纖維組織包膜，在體內可見纖維細胞增生，界面無化學反應，多用於全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接。

陶瓷骨假體

但由於氧化鋁屬脆性材料，衝擊韌性較低，且彈性模量和人骨相差較大，在使用過程中常出現脆性破壞和骨損傷，且不能直接與骨結合。目前，國內外相關學者通過各類方法，使氧化鋁陶瓷在韌性和相容性方面取得了顯著提高，如在陶瓷表面土下骨親和性高的陶瓷，特別是能和骨發生化學結合的磷灰石，已經製造出更加先進的人工關節。通過相變或微裂等增韌方法，也可以提高材料的韌性。近年來，氧化鋯陶瓷由於其優良的力學性能，尤其是其遠高於氧化鋁的斷裂韌性，使其作為增強增韌第二相材料在人體硬組織修復體方面取得了較大的研究進展。


生物活性陶瓷材料

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入並同其表面發生牢固的鍵合。生物吸收性陶瓷的特點是：能部分吸收或全部吸收，在生物體內能誘發新生骨的生長。生物活性陶瓷有：生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。

羥基磷灰石，簡稱HAP，屬表面活性材料，由於生物體硬組織（牙齒、骨）的主要成分是羥基磷灰石，因此也將羥基磷灰石陶瓷稱為「人工骨「。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料。

主要生物醫用磷灰石材料

羥基磷灰石的主要缺點在於本身的力學性能較差、強度低、脆性大，這一缺點影響了它在醫學臨床的廣泛應用，同時也促使人們研究HAP系列的各種複合材料，以期獲得力學性能優良、生物活性好的生物醫學複合材料，如羥基磷灰石與金屬相結合、羥基磷灰石與惰性生物陶瓷材料相複合與羥基磷灰石與有機物相複合等。


HAP生物陶瓷聽小骨置換假體

隨著陶瓷研究進一步發展，生物陶瓷材料也在向提高現有生物陶瓷的可靠性，提高其強度，降低楊氏模量，改善韌性方向發展，如製成各類複合材料，如金屬-陶瓷複合，陶瓷纖維增強生物陶瓷，聚合物-陶瓷複合，骨膠原-生物陶瓷複合等。


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