一、生物陶瓷概述

生物陶瓷是材料工業(yè)發(fā)展的一個新領域，受到世界各國的重視。生物陶瓷是指用作特定生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體直接相關的生物、醫(yī)用、生物化學等的陶瓷材料。生物陶瓷不僅具有不銹鋼、塑料所具有的特性，而且具有親水性，能與細胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性，生物陶瓷主要是用于人體硬組織修復和重建的陶瓷材料，與傳統(tǒng)的陶瓷材料不同，它不單指多晶體，而且包括單晶體、非晶體生物玻璃和微晶玻璃、涂層材料、梯度材料、無機與金屬的復合、無機與無機、無機與有機或生物材料的復合材料。

生物陶瓷按其生物學性能可分為生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。生物惰性陶瓷的化學性能穩(wěn)定，生物相容性好，如氧化鋁、氧化鋯等，其物理機械性能及功能特性與人體組織相匹配，主要特點是力學強度高，耐磨性強。生物活性陶瓷包括表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，常見的生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣、硫酸鈣陶瓷等[1]。

根據(jù)生物陶瓷在生理環(huán)境中的化學活性，生物陶瓷又可分為3種類型：近于惰性的生物陶瓷，表面活性的生物陶瓷和可吸收生物陶瓷。生物陶瓷和其他材料所構成的復合材料可被認為是第4類陶瓷。近于惰性的生物陶瓷，如氧化鋁（Al2O3）和氧化鋯（ZrO2）生物陶瓷等，長期暴露于生理環(huán)境中不發(fā)生或僅發(fā)生十分微弱的化學反應，能保持長期穩(wěn)定。生物惰性陶瓷主要包括氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃陶瓷、復合材料與涂層、多孔質陶瓷材料。表面活性生物陶瓷主要是羥基磷灰石生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷及復合材料與涂層，在生理環(huán)境中可通過其表面發(fā)生的生物化學反應與組織形成化學鍵結合?？晌仗沾?，包括羥基磷灰石及磷酸鈣系統(tǒng)吸收骨置換材料，如石膏，磷酸三鈣陶瓷，在生理環(huán)境中可被逐步降解和吸收。常見生物陶瓷主要制備方法、相關特征比較及常見用途見表1。

二、生物陶瓷主要應用

不同種類的生物陶瓷的物理、化學和生物學性質差別很大，在醫(yī)學領域中有著不同的用途。在臨床中，生物陶瓷主要用于肌肉-骨骼系統(tǒng)的修復和替換，用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面，在臨床上已用于髖、膝關節(jié)、人造牙根、牙嵴增高和加固，頜面重建、心臟瓣膜、中耳聽骨等（圖1）。也可用于測量和診斷，用于心血管系統(tǒng)的修復和制作藥物釋放和傳遞載體。它們的生物相容性和磁性或放射性，能有效治療腫瘤。生物陶瓷藥物釋放載體是20世紀80年代末開始發(fā)展出來的一類新型藥物緩釋系統(tǒng)。生物陶瓷在臨床的部分應用見表2。

三、生物陶瓷市場分析

《全球生物材料與應用2020預測》報告預測全球生物材料市場將以復合年增長率16%的速度增長，將從2015年的620.6億美元達到2020年的1 305.7億美元[4]。Nanomarkets公司的《世界醫(yī)用陶瓷市場：2013》報道世界醫(yī)用陶瓷市場將從2013年的11億美元增加到2018年的23億美元[5]。

醫(yī)用生物陶瓷關鍵市場：醫(yī)用陶瓷的關鍵市場是移植生物陶瓷和具有分析及科學儀器的醫(yī)療設備。移植生物陶瓷包括用于齒和骨頭替換的醫(yī)療設備和移植體。生物陶瓷由于在生物構成的生物活性和與金屬制造成不同的復合材料，包括自然或合成聚合物、碳纖維或碳納米管，因此其作為移植材料有巨大的市場需求。

移植生物陶瓷市場：生物陶瓷的耐磨性和生物相容性使其適用許多醫(yī)療設備，從藥物傳遞裝置到人工關節(jié)，刺激器和電子傳感器。如氧化鋯和氧化鋁陶瓷能承受人體的不友好環(huán)境。牙齒和骨替代是移植陶瓷的2個主要市場。

牙科消費包括膠合劑、粘合劑、牙髓、復合材料、印模材料、牙齒正畸、移植和牙冠/牙樁，牙科設備包括如數(shù)字成像系統(tǒng)、痰盂、壓縮機、通信系統(tǒng)、椅子、消毒器和滅菌器等大設備，及小的設備例如超音波擦凈劑、復印機、實驗室設備、手持件擦凈劑、混汞器和除汞合金系統(tǒng)等。主要跨國制造商占有全球移植體市場的大致2/3。其余市場則由數(shù)百個競爭對手分割，大多數(shù)聚焦在某個區(qū)域國家或地區(qū)。全球牙移植體市場競爭激烈，市場上只有幾個主要公司，即Zimmer、Dentsply、Straumann和NobelBiocare。世界老齡人口增加，較低的牙移植率和壽命延長是主要的市場驅動因素，增加的城鎮(zhèn)人口和消費水平是另一個市場驅動因素。

氧化鋁和氧化鋯是骨移植體的關鍵陶瓷材料。如摩根工業(yè)陶瓷Vitox AMC陶瓷公司用在髖關節(jié)的氧化鋁復合材料磨損率低，Amedica研發(fā)的醫(yī)療級別氮化硅陶瓷可用于脊柱和關節(jié)置換。氧化鋁和氧化鋯還可以用于骨組織工程。

生物醫(yī)療設備用陶瓷：主要包括成像儀、醫(yī)學化驗設備、檢驗系統(tǒng)和超聲波設備。醫(yī)療設備用陶瓷數(shù)量取決于生產(chǎn)和使用的設備數(shù)量，因此可以預測，移植體生物陶瓷需求量將大于醫(yī)療設備陶瓷需求量。

移植體陶瓷市場機會：在牙齒保健行業(yè)，牙齒消耗最大，其次是牙科設備?？紤]平穩(wěn)增長的小移植體市場，可以預測生物陶瓷市場將在2013年的未來8年有顯著增長。生物材料供應商將從天然基質、復合材料和新生產(chǎn)技術中，如靜電紡和注射模型技術，獲得新的利潤。具有生物活性、長生命周期和低生產(chǎn)成本是提升臨床應用的關鍵。

納米陶瓷復合材料：納米陶瓷復合材料在骨組織重生方面有應用潛力。體外實驗已經(jīng)證明成骨細胞可在納米陶瓷顆粒和涂層組成的基質上增殖。但也有研究在用陶瓷與碳納米管的復合材料時觀察到了細胞毒性。并且，納米陶瓷與胺或酰胺形成復合材料可能引起有毒碎片累積，并引起炎癥或免疫反應導致移植體排斥。

四、中國生物陶瓷研究熱點

我國近幾年對生物陶瓷的研究主要集中在激光熔覆生物陶瓷涂層[6、7]，以及抗菌生物陶瓷功能方面、稀土在生物陶瓷領域的應用[8-10]。2014年度的生物陶瓷大會[11]關注研究熱點如組織再生的生物陶瓷及復合材料、用于疾病診斷/治療的納米無機材料、生物陶瓷涂層材料、用于藥物釋放的納米無機材料等。中國涉及生物陶瓷的國家重點實驗室有：新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室（清華大學）、高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室（中國科學院上海硅酸鹽研究所）、無機合成與制備化學國家重點實驗室（吉林大學）、材料復合新技術國家重點實驗室（武漢理工）、有機無機復合材料國家重點實驗室（北京化工大學）等。這些高校和研究機構對生物陶瓷領域一直在進行相關的研究。例如：中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究小組首次提出將骨組織工程與光熱治療相結合的思想，在制備用于治療與修復骨腫瘤缺損的光熱功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新進展[12]。該研究通過3D打印技術制備出生物陶瓷與氧化石墨烯復合支架（圖2），在超低功率近紅外光下可使支架溫度迅速升高，且其光熱性能可控。中國科學院寧波材料研究所李華團隊近期開發(fā)了一種新型的羥基磷灰石-石墨烯納米復合生物塊材解決了長期以來存在的陶瓷生物材料的增韌問題。材料表面改性例如納米結構以及石墨烯新材料的添加，極大地提高了羥基磷灰石生物陶瓷的生物特性。該材料具備的優(yōu)化的力學性能以及生物特性意味著該復合生物材料有望在生物醫(yī)學領域得到應用[13]。

此外，在企業(yè)方面，昆山華僑科技新材料有限公司是集生物醫(yī)用材料，醫(yī)用植入體以及先進制造工藝的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，在實際研發(fā)生產(chǎn)過程中和中國科學院上海硅酸鹽研究所在高科技產(chǎn)品的研發(fā)、促進科技成果轉化、推動科技成果產(chǎn)業(yè)化、合作共建研發(fā)平臺、加強人才培養(yǎng)與交流等方面建立了長期的合作關系。合作伙伴還有美國諾邦生物制品有限公司等。該公司擁有多項專利，同時定期與交通大學、美國生物材料研究中心等合作交流，確保在生物材料研發(fā)項目中始終處于國際先進水平中。該公司開發(fā)出的多孔生物活性玻璃已獲得國家發(fā)明專利，其產(chǎn)品遠銷美國、歐盟等國家和地區(qū)，并逐步推向國內(nèi)市場，在臨床上被廣泛的應用于骨科、整形外科、腦外科、五官科以及口腔科等領域，并且擁有超過65萬成功手術案例的保證[14]。

五、未來發(fā)展建議

目前全球的生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)高度集中或壟斷，產(chǎn)品多樣化、生產(chǎn)和銷售國際化研發(fā)的全球化等都是生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點和趨勢。同時，為適應國際貿(mào)易的發(fā)展，國際標準化組織（ISO）不斷制定和發(fā)布生物醫(yī)用材料和制品的國際標準[15]。高技術含量的研發(fā)實力和創(chuàng)新實力、先進精密的自動化生產(chǎn)、檢測設備、信息化技術已經(jīng)普及，保證了企業(yè)的產(chǎn)品先進性和市場的壟斷地位。生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)是一個新興的產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品和技術更新?lián)Q代周期短，通常僅10年左右，為保持技術的先進性和產(chǎn)品的市場競爭力，技術創(chuàng)新和升級是其生存和進一步發(fā)展的基礎。為此，發(fā)達國家企業(yè)在研究與開發(fā)方面的投入不斷增大，僅次于新藥研發(fā)，高達其銷售額的11%～13%，且持續(xù)增長。在我國常規(guī)高技術生物醫(yī)用材料市場基本上為外商壟斷的情況下，抓住生物材料科學與工程正在發(fā)生革命性變革的有利時機，前瞻未來20～30年的世界生物材料科學與產(chǎn)業(yè)，刻意提高創(chuàng)新能力，使我國生物材料科學與產(chǎn)業(yè)與世界先進水平接軌難得的機遇。

生物陶瓷在技術方面還存在著生物相容性和結構的穩(wěn)定性、自定義結構的生產(chǎn)和加工的產(chǎn)業(yè)化、原料材料性能改進及生物陶瓷制品的后處理工藝以及制造成本高等技術問題，但是隨著3D打印技術等先進的生產(chǎn)技術以及一些如納米技術、復合新材料等新興的材料的研發(fā)和應用，有關生物陶瓷的制備會越來越簡易，應用也越來越廣泛，在醫(yī)學、生物學以及日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中都會有廣泛的發(fā)展空間。

與國外研發(fā)主要集中在行業(yè)壟斷企業(yè)集中不同，目前我國有關生物陶瓷的研發(fā)還是主要集中在科研機構和高校的學術機構，科研轉化相對比較少。未來應當重點考慮教育、科研學術機構加大科技成果轉移轉化，將現(xiàn)有的或未來研發(fā)的內(nèi)容向企業(yè)進行成果轉移和轉化，加大對生物陶瓷市場的占有率。

參考文獻

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