摘 要 本文概敘了納米生物醫(yī)用陶瓷的特性，介紹了納米陶瓷的主要制備方法，分析了納米陶瓷在生物醫(yī)學(xué)中的主要應(yīng)用和發(fā)展#65377;

關(guān)鍵詞 生物陶瓷，納米技術(shù)，納米陶瓷

1生物陶瓷

生物陶瓷指與生物體或生物化學(xué)有關(guān)的新型陶瓷^[1]，是具有特殊生理行為的一類(lèi)陶瓷材料，可用來(lái)構(gòu)成人類(lèi)骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某些組織#65380;器官，或增進(jìn)其功能#65377;所謂生物陶瓷的特殊生理行為，是指它必須滿(mǎn)足下述生物學(xué)要求:(1)它是與生物機(jī)體相容的，對(duì)生物機(jī)體組織無(wú)毒#65380;無(wú)刺激#65380;無(wú)過(guò)敏反應(yīng)#65380;無(wú)致畸#65380;致突變和致癌等作用;(2)它具有一定的力學(xué)要求，不僅具有足夠的強(qiáng)度，而且其彈性形變應(yīng)當(dāng)和被替換的組織相匹配;(3)它能和人體其它組織相互結(jié)合#65377;

根據(jù)生理環(huán)境中所發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)，生物陶瓷可分為三種類(lèi)型:(1)接近于生物惰性的陶瓷，如氧化鋁#65380;氧化鋯及氧化鈦陶瓷等;(2)表面活性生物陶瓷，包括致密羥基磷灰石陶瓷#65380;生物活性微晶玻璃等^[2];(3)可吸收生物陶瓷，如熟石膏#65380;磷酸三鈣及鋁酸鈣等#65377;

2納米陶瓷

2.1 納米陶瓷粉體

納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級(jí)(1～100nm)尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)#65377;隨著粉體的超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊效應(yīng)#65377;如極小的粒徑#65380;大的比表面積和高的化學(xué)活性等，可以顯著提高材料的燒結(jié)致密化程度#65380;節(jié)約能源;使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化#65380;均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性#65377;

2.2 納米陶瓷的制備工藝

主要包括納米粉體的制備#65380;成形和燒結(jié)#65377;

納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應(yīng)用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成兩種#65377;

(1) 粉體制備

氣相合成:主要有氣相高溫裂解法#65380;噴霧轉(zhuǎn)化法和化學(xué)氣相合成法#65377;這種合成法增強(qiáng)了低溫下的可燒結(jié)性，并且有相對(duì)高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度，粒徑可小至3～4nm#65377;

凝聚相合成(溶膠-凝膠法):是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物，通過(guò)控制pH值#65380;反應(yīng)溫度等條件讓其水解#65380;聚合，經(jīng)溶膠-凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，再脫水焙燒得到產(chǎn)物的一種方法#65377;此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性#65377;凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO₂#65380;Al₂O₃和TiO₂納米團(tuán)#65377;

(2) 納米陶瓷成形

主要方法有:冷等靜壓成形#65380;超高壓成形#65380;橡膠等靜壓成形#65380;原位成形#65380;離心注漿成形#65380;凝膠直接成形#65380;凝膠澆注成形和滲透固化等#65377;

(3) 納米陶瓷燒結(jié)

納米陶瓷的燒結(jié)與其它陶瓷的燒結(jié)不同:普通陶瓷的燒結(jié)一般不必過(guò)分考慮晶粒的生長(zhǎng)，而在納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中必須控制晶粒長(zhǎng)大#65377;目前，無(wú)壓燒結(jié)因設(shè)備簡(jiǎn)單#65380;易于工業(yè)化生產(chǎn)，是最基本的燒結(jié)方法#65377;另外，還有很多其它方法，如:相變輔助燒結(jié)#65380;熱壓燒結(jié)#65380;燒結(jié)鍛壓等方法，根據(jù)不同的條件和要求，可選擇不同的燒結(jié)方法#65377;

2.3 納米陶瓷的特性

納米陶瓷的特性主要表現(xiàn)在其具有較高的硬度#65380;斷裂韌度和較好的低溫延展性等#65377;有關(guān)研究表明:納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性，而且納米陶瓷的出現(xiàn)將有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問(wèn)題#65377;在室溫壓縮時(shí)，納米顆粒已有很好的結(jié)合性，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加;所得材料的硬度和斷裂韌性更好，而燒結(jié)溫度卻要比工程陶瓷低400～600℃，且燒結(jié)不需要任何添加劑，其硬度和斷裂韌性隨燒結(jié)溫度的增加(即孔隙度的降低)而增加，故低溫?zé)Y(jié)能獲得好的力學(xué)性能#65377;

3用于生物材料的納米陶瓷

3.1納米陶瓷微粒用作生物材料

納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞#65380;紅血球小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑^[3]#65377;目前，關(guān)于這方面的研究還處于初始階段#65377;

3.1.1 用于細(xì)胞分離

80年代初，人們開(kāi)始利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離，建立了用納米SiO₂微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的新技術(shù)#65377;納米包覆體尺寸約30nm，因而膠體溶液在離心作用下很容易產(chǎn)生密度梯度;易實(shí)現(xiàn)納米SiO₂粒子與細(xì)胞的分離#65377;

3.1.2 用作藥物載體

人們利用納米級(jí)粒子使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便這一特點(diǎn)，將磁性納米粒子制成藥物載體，通過(guò)靜脈注射到動(dòng)物體內(nèi)，在外加磁場(chǎng)作用下通過(guò)納米微粒的磁性導(dǎo)航，使其移動(dòng)到病變部位，達(dá)到定向治療的目的#65377;動(dòng)物臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)，帶有磁性的Fe2O₃粒子是發(fā)展這種技術(shù)的最有前途的對(duì)象#65377;該方法局部治療效果好#65380;副作用少#65377;

3.1.3 用于治療癌癥和腫瘤

利用納米微?？稍隗w內(nèi)方便傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出放射療法用的陶瓷微粒#65377;把可放射β-射線(xiàn)的化學(xué)元素?fù)饺爰{米微粒內(nèi)，制成β-射線(xiàn)源材料，把它植入腫瘤附近，就可直接照射癌細(xì)胞又不損傷周?chē)＝M織，這種材料有含釔和含磷的納米微粒#65377;

德國(guó)柏林沙里特臨床醫(yī)院的專(zhuān)家們利用癌細(xì)胞耐熱性差，加熱至43℃以上就死亡的規(guī)律，將納米氧化鐵微粒注入腫瘤內(nèi)，并將患者置于交變磁場(chǎng)中，受磁場(chǎng)影響，腫瘤內(nèi)的納米氧化鐵微粒升溫至 45～47℃，殺死癌細(xì)胞而不會(huì)傷及周?chē)恼＝M織#65377;該方法在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了較好的療效^[4]#65377;

此外，研究發(fā)現(xiàn)，羥基磷灰石(HAP)納米顆粒對(duì)癌細(xì)胞有一定的抑制作用#65377;1992年，Aoki在HAP納米顆粒的體外細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，它對(duì)正常細(xì)胞無(wú)影響#65377;1994年，Kano用HAP納米顆粒吸附抗癌藥物的細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)用作空白實(shí)驗(yàn)的HAP微粒對(duì)癌細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用#65377;我國(guó)武漢理工大學(xué)的李世普教授對(duì)HAP微粒抑癌作用進(jìn)行了多年的研究^[3]#65377;他發(fā)現(xiàn)納米HAP材料要?dú)⑺腊┘?xì)胞#65380;不傷害正常細(xì)胞必須具備兩個(gè)條件:1)納米粒子必須具有一定的尺度，在20～100nm之間;2)納米材料具有分散性#65377;他于1998年進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，向小鼠體內(nèi)腫瘤注射 HAP 納米粒子溶膠，7 天后抑瘤率66.1%，外觀(guān)上腫塊消失#65377;

3.1.4 具有抗菌性的生物材料

生物材料應(yīng)用于人體后，其周?chē)M織有伴生感染的危險(xiǎn)，這將導(dǎo)致材料的失效和手術(shù)的失敗，給患者帶來(lái)巨大的痛苦#65377;為此，人們開(kāi)發(fā)出一些兼具抗菌性的納米生物材料#65377;如在合成羥基磷灰石納米粉的反應(yīng)中，將銀#65380;銅等可溶性鹽的水溶液加入反應(yīng)物中，使抗菌金屬離子進(jìn)入磷灰石結(jié)晶產(chǎn)物中，制得抗菌磷灰石微粉，用于骨缺損的填充和其它方面^[5～6]#65377;

3.2 納米固體陶瓷用作生物材料

將納米超微顆粒在高壓下壓制成形，再經(jīng)過(guò)一定的熱處理工藝可制成致密型納米固體陶瓷材料#65377;

美國(guó)的T.J.Webster博士研究了納米固體氧化鋁和納米固體磷灰石材料與常規(guī)的氧化鋁和磷灰石固體材料在體外模擬實(shí)驗(yàn)中的差異#65377;結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米固體陶瓷材料具有更強(qiáng)的細(xì)胞吸附和繁殖能力#65377;此外，人們還利用納米微粒顆粒小#65380;比表面積大并有高的擴(kuò)散速率的特點(diǎn)，將納米陶瓷粉體加入某些生物陶瓷材料中，以便提高此類(lèi)材料的致密度和韌性，用作骨替代材料#65377;

1997年，四川大學(xué)的李玉寶教授將納米類(lèi)骨磷灰石晶體與聚酰胺高分子制成復(fù)合體，并將納米晶體含量調(diào)節(jié)到與人骨所含的納米晶體比例相同，研制成功納米人工骨^[7]#65377;這種納米人工骨是一種高強(qiáng)#65380;柔韌的復(fù)合仿生生物活性材料#65377;由于這種復(fù)合材料具有優(yōu)異的生物相容性#65380;力學(xué)相容性和生物活性，用它制成的納米人工骨不但能與自然骨形成生物鍵合，而且易與人體肌肉和血管牢牢長(zhǎng)在一起，并可以誘導(dǎo)軟骨的生成，各種特性幾乎與人骨特性相當(dāng)#65377;

納米固體陶瓷材料另一個(gè)頗具前景的應(yīng)用方向是制造人工眼球的外殼#65377;即將納米陶瓷晶體作成人工眼球，這種眼球不僅可以象真眼睛一樣同步移動(dòng)，也可以通過(guò)電脈沖刺激大腦神經(jīng)，看到精彩世界#65377;這種新穎大膽的構(gòu)思也是四川大學(xué)李玉寶教授首次提出的#65377;理想中的納米生物陶瓷眼球可與眼肌組織達(dá)到很好的融合，并可以實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)#65377;

4納米生物陶瓷的應(yīng)用前景和展望

應(yīng)該指出的是:和其它一些已經(jīng)獲得商業(yè)應(yīng)用的納米材料相比，納米陶瓷盡管經(jīng)過(guò)了二十多年的研究，但由于這一體系在理論上尚不完善，在經(jīng)驗(yàn)上缺少積累，因此到現(xiàn)在為止，在商業(yè)應(yīng)用方面尚未取得突破性進(jìn)展#65377;

首先，如何在低成本下獲得大批高質(zhì)量的納米粉體?到目前為止，要想獲得“理想粉體”(即同時(shí)滿(mǎn)足組分均勻#65380;顆粒細(xì)#65380;粒徑分布窄#65380;無(wú)團(tuán)聚#65380;比表面積大等苛刻條件)依然十分困難;更重要的是，雖然制備其中某種特性或幾種特性比較突出的高質(zhì)量的納米粉體并不太難，但其成本往往比較高#65377;因此，如何進(jìn)一步研究制備過(guò)程中納米粉體的形成#65380;生長(zhǎng)機(jī)制及各種條件的影響;研究各種納米粉體在化學(xué)制備過(guò)程中的團(tuán)聚體形成機(jī)理;尋求低成本下獲得大批量#65380;高質(zhì)量納米粉體的途徑等，是納米陶瓷獲得廣泛應(yīng)用的前提#65377;

其次，如何獲得大體積的相對(duì)密度較高，同時(shí)結(jié)構(gòu)均勻的納米陶瓷素坯?如何發(fā)展新的成形工藝，使得在較低的成本下獲得大體積#65380;結(jié)構(gòu)均勻的素坯，將是今后納米陶瓷的干法成形研究的主要方面#65377;另一方面，對(duì)納米陶瓷濕法成形的研究不多，到目前為止只有過(guò)很少量的報(bào)道#65377;但是，從已有的研究結(jié)果來(lái)看，納米陶瓷的濕法成形已顯示出很多干法成形無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)計(jì)，今后濕法成形有可能成為納米陶瓷成形的主要方法之一#65377;

第三，如何燒結(jié)大塊的納米陶瓷?除了粉體制備#65380;素坯成形等方面的原因外，燒結(jié)工藝也是很重要的一個(gè)原因#65377;這是由于納米陶瓷的燒結(jié)本身有很多特殊性，一般的燒結(jié)理論不能對(duì)其起到有效的指導(dǎo)作用^[8]#65377;因此，研究在特殊的燒結(jié)工藝(如高溫等靜壓#65380;微波燒結(jié)#65380;超高溫?zé)Y(jié)#65380;爆炸燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等)條件下納米粉體的燒結(jié)動(dòng)力學(xué)#65380;控制燒結(jié)過(guò)程的晶粒生長(zhǎng)#65380;研究材料的不同性質(zhì)與相應(yīng)尺寸效應(yīng)的關(guān)系#65380;分析相應(yīng)的物理化學(xué)機(jī)理等都是納米陶瓷領(lǐng)域必須研究的內(nèi)容#65377;

完善和發(fā)展陶瓷粉體#65380;納米陶瓷的結(jié)構(gòu)和性能的表征測(cè)試方法，也是今后要著力加強(qiáng)的一項(xiàng)內(nèi)容#65377;現(xiàn)在很多表征方法并不是專(zhuān)門(mén)針對(duì)納米粉體或納米陶瓷的，有時(shí)并不能完全滿(mǎn)足粉體和納米陶瓷的表征需要#65377;因此，有必要研究新的表征方法和工具，對(duì)納米粉體和陶瓷要作出更具體#65380;更深入的分析;更全面地把握其結(jié)構(gòu)#65380;性能，從而設(shè)計(jì)出更切實(shí)的工藝，制備出更多更好的納米陶瓷^[9]#65377;

盡管目前看來(lái)，納米陶瓷無(wú)論是理論研究還是工藝技術(shù)都還遠(yuǎn)不成熟，離推廣應(yīng)用還有一段距離，但作為一種新型的陶瓷材料，納米陶瓷所顯示出來(lái)的潛在優(yōu)異性能是其它陶瓷所無(wú)法代替的#65377;

參考文獻(xiàn)

1 全國(guó)第二屆納米材料和技術(shù)應(yīng)用會(huì)議論文集.中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)，2001

2 Scheerder ID，Szilard M，Yaniming H，et al.Evaluation of the biocompatibility of two new dia mondlike stentcoating(Dylyn) in a porcine coronary stent[J]. J Invasive Cardio，2000，12(8):389～394

3 李世普，陳曉明.生物陶瓷[M].武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社，1989

4 Cuneyt A T，Korkusuz F.et al.An investigation of HA and Tcp bioceramics with control of their strength and phase purity[J].J.Mater.Sci.Mater.Med，1997，8:29～37

5 Bostman O，Pihlajamaki H.Partio E， et al.Clinicalbiocompatibility and degradation of levolactide

screws in the ankle[J].Clin Orthop，1995，320:101～1096 Bao G.Mechanics of biomol ecul esJ.Mec.Phys[J]. Solids，2002，50(11):2237～2274

7 李玉寶，顧 寧，魏于全.納米生物醫(yī)藥材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.3

8 鄭華秀等.納米粉體燒結(jié)特性及性能的影響[J]，材料研究學(xué)報(bào)，1996，10(3):307～309

9 閻玉華等.生物陶瓷及制品的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J]. 中國(guó)陶瓷，1998，34(2):36～38

Development and Application Prospect of Nano-biomedical Ceramics

Tu HaoYan Yuhua

( Biomedical Materials and Engineering CenterWuhan University of Technology 430070)

Abstract: The characteristics and preparation of nano-biomedical ceramics were summarized in this paper，and its development and application prospect in biomedical related fields were also analysed.

Keywords: bioceramics，nano-technology，nanoceramics