生物陶瓷材料的应用及其发展前景

生物陶瓷材料的应用及其发展前景

生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料,即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料,需具备如下条件:生物相容性,力学相容性,与生物组织有优异的亲和性,抗血栓,灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。进入21世纪,世界科技迅猛发展,生物陶瓷材料及其复合材料的应用,在生物材料更新及硬组织工程中占据不可替代的地位。因此,对生物陶瓷材料的研究与三类植入物及硬组织工程材料开发倍受医疗器械和生物医用材料界的重视。

1 生物陶瓷材料的发展早在18 世纪前,人们就开始用象牙、木头等材料作为骨修复材料; 19 世纪前,由于冶金技术和陶瓷制备工艺的发展,开始用纯金、纯银、铂等贵金属作牙修复及骨缺损修复; 20世纪前半,由于冶金技术的进步,钴铬铝合金、纯钛和钛合金等被应用到人工骨的领域,有机玻璃等高分子材料也开始用于临床;到20世纪60 年后,人们开始研究生物活性陶瓷, 包括生物玻璃、羟基磷灰石等[ 1 ] 。在这同时, Hench等还开创了用表面活性材料玻璃陶瓷的研究工作 。最近生物陶瓷又有了很大的新进展,其标志是羟基磷灰石陶瓷骨诱导机理研究进展[ 3 ]和高年增长率及大批量的成功应用[ 4 ] 。生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大,现可应用于人工骨,人工关节,人工齿根,骨充填材料,骨置换材料,骨结合材料,还可应用于人造心脏瓣膜,人工肌腱,人工血管,人工气管,经皮引线可应用于体内医学监测等[ 4 ] 。 2 生物陶瓷分类

2. 1 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷主要是指化学性能稳定、生物相溶性好的陶瓷材料。如氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定,分子中的键合力较强,而且都具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。

2. 1. 1 氧化铝陶瓷

单晶氧化铝c轴方向具有相当高的抗弯强度,耐磨性能好, 耐热性好, 可以直接与骨固定。已被用作人工骨、牙根、关节、螺栓。并且该螺栓不生锈,也不会溶解出有害离子,与金属螺栓不同,勿需取出体外。60 年代后期,广泛用作硬组织修复。70 年代至80年代中期,世界许多国家如美国、日本、瑞士等国家,都对氧化物陶瓷,特别是氧化铝生物陶瓷进行了广泛的研究和应用。由于氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜,界面无化学反应,多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。通过火焰熔融法制造的单晶氧化铝,强度很高,耐磨性好,可精细加工,制成人工牙根、骨折固定器等。

2. 2 生物活性陶瓷

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羟基,还可做成多孔性,生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合;生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷具有骨传导性,它作为一个支架,成骨在其表面进行;它还可作为多种物质的外壳或填充骨缺损。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等几种。

2. 2. 1 生物玻璃陶瓷

生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO - Na2O - SiO2- P2O5 ,比普通窗玻璃含有较多钙和磷,能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性,能在植入部位迅速发生一系列表面反应,最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好,材料植入体内,无排斥、炎性及组织坏死等反应,能与骨形成骨性结合;与骨结合强度大,界面结合能力好,并且成骨较快。目前此种材料已用于修复耳小骨,对恢复听力具有良好效果。但由于强度低,只能用于人体受力不大的部位。目前制备生物活性玻璃的方法主要是采用溶胶- 凝胶法制备,采用该方法制备的材料具有特殊的化学组成,纳米团簇结构和微孔,因而比表面积

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