生物陶瓷為什麼越來越受到重視

2021-01-15 粉體網


近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得進展。該研究團隊通過對傳統的白色生物活性陶瓷材料（矽酸鹽和磷酸鹽等）進行熱還原處理，研製出新一代「黑色生物活性陶瓷」，將傳統生物活性陶瓷材料的應用領域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。


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。生物陶瓷不僅具有不鏽鋼、塑料等所具有的特性，而且具有親水性，能與細胞等生物組織表現出良好的親和性，它是材料工業發展的一個新領域，受到世界各國的重視。


生物陶瓷分為生物惰性陶瓷與生物活性陶瓷兩類。



生物惰性陶瓷材料的結構比較穩定，分子中的鍵合力較強，而且都具有較高的強度、耐磨性和化學穩定性。



目前氧化鋁陶瓷已經應用於人造骨、人工關節及人造齒根的製作方面。氧化鋁陶瓷在體外對熱纖維細胞只有微弱的毒性，長時間存於體內環境，力學特性也無明顯改變，硬度超過2000維氏單位。近些年隨著熱等靜壓成型技術和雷射刻蝕技術的應用，使三代氧化鋁陶瓷晶粒更小，純度及密度更高，強度和硬度得到顯著增加，破裂率顯著降低。氧化鋁陶瓷超強的硬度，良好的抗磨損能力，使之成為骨科THA中主要的生物材料。



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陶瓷的斷裂韌性，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。


生物活性陶瓷又叫生物降解陶瓷，包括活性陶瓷和生物吸收性陶瓷。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；生物吸收陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內能夠誘發新生骨的生長。



主要是由SiO2、P2O5、CaO、Na2O構成，可以鍵合到現有的骨組織中，可降解，並通過它們的溶解產物對細胞的作用刺激新骨生長。它具有區別於其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。



生物活性陶瓷中應用最多的是羥基磷灰石，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，因此有人也把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。



目前廣泛應用的生物降解陶瓷為β-磷酸三鈣，β-磷酸三鈣的最大優勢就是生物相容性好，植入基體與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。其不足是高切口敏感性導致的低疲勞強度，較高剛性和脆性使其難以加工成型或固定鑽孔。


該團隊採用鎂熱還原法，將傳統的白色生物活性陶瓷粉進行熱還原處理，製備出一系列黑色生物活性陶瓷材料，包括矽酸鹽（即CaSiO3，MgSiO3）和磷酸鹽（即Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3(OH)）兩種體系的生物活性陶瓷。與傳統白色生物陶瓷相比，黑色生物陶瓷材料的晶體內部存在大量的氧空位和結構缺陷，其降解性能得到明顯改善，對於成骨細胞和皮膚細胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細胞生物活性有更好的促進作用。在慢性皮膚創傷及大塊骨缺損修復動物實驗中，黑色生物陶瓷對於皮膚和骨組織修復效果明顯優於白色陶瓷，表現出顯著的促進軟/硬組織多功能再生活性。


此外，在低功率的近紅外光照射下，黑色生物活性陶瓷材料表現出明顯的光熱升溫效果，可導致材料周圍的腫瘤細胞死亡，在體內實驗中成功抑制皮膚癌和骨腫瘤的增長，具有優異的光熱抗腫瘤效果。綜上所述，黑色生物活性陶瓷材料兼具促進多種組織再生活性及腫瘤治療等多功能特性，該研究將生物活性陶瓷的應用範圍由組織再生拓展到腫瘤治療，有力推動生物陶瓷的學科發展和臨床應用。

參考資料

[1]上海矽酸鹽所研製出多功能黑色生物活性陶瓷材料.上海矽酸鹽研究所

[2]焦永峰、趙磊.生物陶瓷材料的研究進展

[3]高定、徐永清等.生物陶瓷材料的應用及其研究進展

[4]談國強、賀中亮等.生物陶瓷的應用和研究現狀


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