齊晶晶,盧勇

(蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué),甘肅 蘭州 730000)

生物陶瓷材料是一種用于特定生物或生理功能的陶瓷材料。這一類陶瓷材料首先需要具備良好的生物相容性、力學(xué)相容性和很好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性[1],其次在生物體內(nèi)作用的時(shí)候要與生物組織有優(yōu)異的親和性、抗血栓、滅菌性[2]。

1 生物陶瓷的組成

生物陶瓷主要由無(wú)機(jī)非金屬材料構(gòu)成,主要包括氧化鋁、氧化鋯、生物活性玻璃等[3]。這些材料具有良好的生物相容性、抗腐蝕性和美觀性,可以用于一些特殊的口腔疾病治療。

2 生物陶瓷的分類

2.1 據(jù)生物相容性分類

2.1.1 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性和骨傳導(dǎo)性,能夠與人體組織緊密結(jié)合,促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)和愈合,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.1.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷與人體組織沒(méi)有直接反應(yīng),具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性,廣泛用于牙科修復(fù)、骨科植入物等領(lǐng)域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

2.2 根據(jù)降解性分類

2.2.1 生物可降解陶瓷

生物可降解陶瓷在人體內(nèi)能夠逐漸降解,被人體吸收和排出,通常用于藥物載體、止血材料等功能性植入物,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.2.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷在人體內(nèi)不降解,長(zhǎng)期存在于人體內(nèi),具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性,通常用于人工關(guān)節(jié)、牙種植體等領(lǐng)域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

2.3 根據(jù)材料尺度分類

2.3.1 納米生物陶瓷

納米生物陶瓷具有納米尺度的材料特性,能夠促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)和分化,提高材料的生物相容性和骨傳導(dǎo)性,例如納米氧化物陶瓷等。

2.3.2 生物陶瓷復(fù)合材料

生物陶瓷復(fù)合材料由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成,具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、生物相容性和耐磨性等性能,用于多種醫(yī)療領(lǐng)域,例如氧化鋁/聚合物復(fù)合材料等。

2.4 根據(jù)功能化分類

2.4.1 功能化生物陶瓷

功能化生物陶瓷具有某種特定功能,如藥物控釋、抗菌、抗腫瘤等,可用于藥物載體、抗感染植入物等領(lǐng)域,例如藥物控釋氧化鋁等。

2.4.2 非功能化生物陶瓷

非功能化生物陶瓷沒(méi)有特定功能,主要用作基礎(chǔ)材料,用于牙科修復(fù)、骨科植入物等領(lǐng)域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

3 生物陶瓷的特點(diǎn)

3.1 優(yōu)點(diǎn)

3.1.1 良好的生物相容性和生物活性

生物陶瓷在應(yīng)用的時(shí)候需要直接用于人體,所以就需要它能與人體組織緊密結(jié)合,促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)和愈合,具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性,可以長(zhǎng)期穩(wěn)定地存在于人體內(nèi)。因此生物陶瓷具有生物相容性、力學(xué)相容性以及與生物組織有優(yōu)異的親和性[1],還具有抗血栓、滅菌性,并具有很好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性[2]。此外,生物陶瓷還具有與血液相容性好、無(wú)組織反應(yīng)和無(wú)細(xì)胞毒性的特點(diǎn)。例如,氧化鋯陶瓷和碳都是生物惰性陶瓷,它們既無(wú)毒性又具有良好的機(jī)械性能。同時(shí),它們還可以通過(guò)與生物活性陶瓷形成復(fù)合物來(lái)實(shí)現(xiàn)生物活性。例如,生物玻璃和玻璃陶瓷既無(wú)毒性,又可與骨骼形成化學(xué)結(jié)合。微晶玻璃具有骨誘導(dǎo)性,而磷酸鈣陶瓷也對(duì)組織無(wú)毒性且可被生物吸收。

3.1.2 良好的物理和化學(xué)性能

生物陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、優(yōu)良的電性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 易于加工和成型

生物陶瓷可以制成各種形狀和尺寸的部件,適用于不同的醫(yī)療領(lǐng)域。

3.2 缺點(diǎn)

3.2.1 力學(xué)性能差

生物陶瓷材料的基體材料依然是陶瓷,而陶瓷材料自身的力學(xué)性能較差,所以生物陶瓷材料的強(qiáng)度低、脆性高、韌性低、抗折強(qiáng)度低,這些缺陷都影響了它在醫(yī)學(xué)臨床領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[3]。

3.2.2 制備工藝復(fù)雜

生物陶瓷材料在制備燒結(jié)的過(guò)程中,非常容易產(chǎn)生裂紋和孔洞,這些缺陷都將會(huì)影響它的性能和使用壽命[4]。

4 生物陶瓷的制備方法及優(yōu)缺點(diǎn)

生物陶瓷的制備方法有多種,包括固相法、液相法、氣相法等。各種制備方法都有其優(yōu)缺點(diǎn),需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和要求選擇合適的制備方法。同時(shí),在制備過(guò)程中需要注意控制材料的純度、化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素,以保證生物陶瓷的生物相容性和生物活性。

4.1 固相法

固相法是最常用的制備方法,包括燒結(jié)法、熱壓法、熱等靜壓法等。優(yōu)點(diǎn):制備過(guò)程簡(jiǎn)單,易于控制,適用于大規(guī)模生產(chǎn)。缺點(diǎn):可能引入雜質(zhì),如殘留物和添加劑,影響材料的純度和生物相容性。

4.2 液相法

液相法包括溶膠-凝膠法、水熱法等。優(yōu)點(diǎn):可以獲得高純度的材料,制備過(guò)程相對(duì)溫和,可以精確控制化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn):制備過(guò)程可能涉及有毒或有害物質(zhì),如有機(jī)溶劑和模板劑,可能對(duì)環(huán)境和人體健康造成影響。

4.3 氣相法

氣相法包括化學(xué)氣相沉積法、物理氣相沉積法等。優(yōu)點(diǎn):可以獲得高純度、高致密度的材料,表面質(zhì)量好,適用于制備薄膜和復(fù)雜形狀的部件。缺點(diǎn):制備過(guò)程需要高溫或高真空度,成本較高,對(duì)設(shè)備要求較高。

5 生物陶瓷的制備方法對(duì)其性能的影響

不同的制備方法可以獲得具有不同特性的生物陶瓷,從而影響其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用效果。

5.1 結(jié)構(gòu)性能

生物陶瓷的制備方法會(huì)影響其晶體結(jié)構(gòu)和相純度。例如,普通燒結(jié)法是制備生物陶瓷最傳統(tǒng)的方法,但該方法的制備周期長(zhǎng)、燒結(jié)溫度高、材料純度低等問(wèn)題導(dǎo)致其應(yīng)用不廣泛。相轉(zhuǎn)化法和微波燒結(jié)法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型制備方法,這兩種方法可以在較低的溫度條件下制備生物陶瓷材料,并且所得材料具有較高的生物相容性和生物活性,因此受到廣泛關(guān)注。

5.2 力學(xué)性能

生物陶瓷的制備方法還會(huì)影響其力學(xué)性能和耐磨性。例如,氧化鋁和氧化鋯等生物陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性,可用于制作人工關(guān)節(jié)、牙種植體等。而生物活性玻璃和生物活性碳/石墨材料等則具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性,可用于促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)和愈合。

5.3 生物性能

生物陶瓷的制備方法也會(huì)影響其藥物載體和生物功能。例如,納米生物陶瓷可以作為藥物載體,通過(guò)控制藥物釋放速度和藥物作用時(shí)間來(lái)提高藥物的療效和減少副作用。而功能化生物陶瓷則具有抗菌、與骨組織無(wú)害的相互作用,不引起明顯的免疫反應(yīng)和組織排斥。此外,生物陶瓷的形態(tài)和結(jié)構(gòu)也對(duì)其生物相容性有著很大的影響。例如,在種植體中,具有某種特殊結(jié)構(gòu)的生物陶瓷材料表面可以增加細(xì)胞和組織的黏附性和完整性,從而提高材料的生物相容性和融合性。

6 生物陶瓷材料在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

6.1 牙科修復(fù)

生物陶瓷材料在牙科修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。高精度的生物陶瓷義齒可以逼真地模擬天然牙齒的顏色和形狀,同時(shí)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性,能夠長(zhǎng)時(shí)間保持美觀和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作牙種植體,這些種植體可以與周圍組織相容,并促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng),從而提高種植牙的穩(wěn)定性和使用壽命。

6.2 骨科植入物

在骨科手術(shù)中,生物陶瓷材料可以用于制作人工關(guān)節(jié)、人工骨和人工肌腱等植入物。這些植入物可以與人體組織相容,并促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng),從而加速骨折的愈合和功能的恢復(fù)。生物陶瓷人工關(guān)節(jié)具有優(yōu)異的耐磨性和耐腐蝕性,可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性和功能。

6.3 心血管系統(tǒng)

生物陶瓷材料可以用于制作心血管系統(tǒng)中的血管、心臟瓣膜和心臟支架等植入物。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長(zhǎng)時(shí)間保持功能和穩(wěn)定性。此外,生物陶瓷還可以用于制作藥物載體,將藥物直接輸送到病變部位,從而提高藥物的療效和減少副作用。

6.4 眼科

生物陶瓷材料可以用于制作眼科手術(shù)中的植入物,如人工晶體、人工角膜和人工虹膜等。這些植入物具有良好的光學(xué)性能和生物相容性,可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作隱形眼鏡材料,為近視患者提供更好的視覺(jué)體驗(yàn)。

6.5 神經(jīng)外科

生物陶瓷材料可以用于制作神經(jīng)外科手術(shù)中的植入物,如人工腦膜、人工顱骨和人工神經(jīng)導(dǎo)管等。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作藥物載體,將藥物直接輸送到病變部位,從而提高藥物的療效和減少副作用。

6.6 耳鼻喉科

生物陶瓷材料可以用于制作耳鼻喉科手術(shù)中的植入物,如人工耳蝸、人工鼻梁和人工喉頭等。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作聽(tīng)力輔助裝置的材料,為聽(tīng)力障礙患者提供更好的聽(tīng)力體驗(yàn)。

6.7 外科手術(shù)

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,因此在外科手術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。例如,在肝臟手術(shù)中,生物陶瓷可以用于制作止血材料和藥物載體;在心血管手術(shù)中,生物陶瓷可以用于制作血管修復(fù)材料和藥物載體;在骨科手術(shù)中,生物陶瓷可以用于制作人工關(guān)節(jié)和人工骨等植入物。

6.8 美容整形

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,因此在美容整形領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。例如,高精度的生物陶瓷義齒可以用于牙齒美容;生物陶瓷人工骨可以用于面部整形手術(shù);生物陶瓷人工肌腱可以用于治療肌肉松弛等。

總之,生物陶瓷材料在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低,生物陶瓷將在未來(lái)發(fā)揮更加重要的作用。

7 生物陶瓷材料的發(fā)展史

7.1 早期生物陶瓷材料

在早期的生物陶瓷材料中,人們使用的是天然生物材料,如骨頭、牙齒等。這些材料具有良好的生物相容性和生物活性,但是它們的數(shù)量和形狀有限,無(wú)法滿足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的需求。

7.2 生物活性玻璃陶瓷材料

隨著材料科學(xué)的發(fā)展,人們開(kāi)始研制具有生物活性的玻璃陶瓷材料。這種材料具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性,能夠與人體組織良好的結(jié)合,同時(shí)能夠促進(jìn)細(xì)胞的生長(zhǎng)和分化。這種材料的應(yīng)用范圍廣泛,包括人工關(guān)節(jié)、牙種植等。

7.3 生物可降解高分子材料

生物可降解高分子材料是一種能夠被人體吸收和分解的材料。這種材料在體內(nèi)能夠逐漸降解,同時(shí)釋放藥物或營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),起到治療和促進(jìn)組織修復(fù)的作用。這種材料的應(yīng)用范圍包括藥物載體、組織工程支架等。

7.4 生物相容性金屬材料

生物相容性金屬材料是一種能夠與人體組織良好結(jié)合的金屬材料。這種材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和耐腐蝕性,同時(shí)具有良好的生物相容性和生物活性。這種材料的應(yīng)用范圍包括人工關(guān)節(jié)、血管支架等。

7.5 生物陶瓷涂層材料

生物陶瓷涂層材料是一種在金屬或高分子材料表面涂覆一層生物陶瓷材料的復(fù)合材料。這種材料能夠提高金屬或高分子材料的生物相容性和生物活性,同時(shí)能夠保護(hù)基材不受腐蝕和磨損。這種材料的應(yīng)用范圍包括牙種植、血管支架等。

7.6 生物陶瓷復(fù)合材料

生物陶瓷復(fù)合材料是一種由生物陶瓷和其他材料組成的復(fù)合材料。這種材料能夠綜合利用各種材料的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)提高材料的機(jī)械性能和生物相容性。這種材料的應(yīng)用范圍包括人工關(guān)節(jié)、牙種植等。

7.7 生物陶瓷材料的表面改性

表面改性技術(shù)是一種通過(guò)改變材料表面的化學(xué)和物理性質(zhì)來(lái)提高材料的生物相容性和生物活性的技術(shù)。這種技術(shù)包括離子注入、等離子體處理、納米涂層等。這種技術(shù)的應(yīng)用能夠提高材料的生物相容性和生物活性,同時(shí)能夠改善材料的機(jī)械性能和耐腐蝕性。

8 生物陶瓷材料的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技的不斷發(fā)展,生物陶瓷作為一種重要的生物材料,在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。未來(lái),生物陶瓷將會(huì)朝著材料優(yōu)化、定制化生產(chǎn)、智能材料、生物活性、納米技術(shù)、綠色生產(chǎn)、臨床應(yīng)用拓展、跨學(xué)科合作等方面發(fā)展。

8.1 材料優(yōu)化

生物陶瓷材料的性能和穩(wěn)定性是影響其應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。未來(lái),將會(huì)更加注重生物陶瓷材料的優(yōu)化和改進(jìn),以提高其性能和穩(wěn)定性。例如,通過(guò)改變生物陶瓷材料的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì),可以改善其與人體組織的相容性和結(jié)合能力。

8.2 定制化生產(chǎn)

隨著個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展,生物陶瓷材料的定制化生產(chǎn)將會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。通過(guò)3D打印等技術(shù),可以根據(jù)患者的具體情況和需求,定制符合其生理特征的生物陶瓷材料,提高治療效果和減少并發(fā)癥。

8.3 智能材料

智能材料是指具有感應(yīng)、響應(yīng)、自適應(yīng)等能力的材料,可以自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化并作出相應(yīng)的調(diào)整。未來(lái),生物陶瓷材料將會(huì)朝著智能化的方向發(fā)展,通過(guò)引入智能材料的概念和技術(shù),提高生物陶瓷材料的自適應(yīng)能力和安全性。

8.4 生物活性

生物活性是指生物材料與人體組織或細(xì)胞相互作用的能力。未來(lái),生物陶瓷材料將會(huì)更加注重其生物活性的研究和提升,以促進(jìn)骨細(xì)胞和組織的生長(zhǎng)和愈合。例如,通過(guò)引入生長(zhǎng)因子等活性物質(zhì),可以增強(qiáng)生物陶瓷材料的生物活性。

8.5 納米技術(shù)

納米技術(shù)可以使材料具有更高的表面能和更精細(xì)的結(jié)構(gòu),從而提高材料的性能和穩(wěn)定性。未來(lái),納米技術(shù)將會(huì)在生物陶瓷材料的制備和應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用,例如通過(guò)納米涂層技術(shù)提高生物陶瓷材料的耐磨性和耐腐蝕性。

8.6 綠色生產(chǎn)

隨著環(huán)保意識(shí)的不斷提高,綠色生產(chǎn)將會(huì)成為未來(lái)的重要趨勢(shì)。在生物陶瓷的生產(chǎn)過(guò)程中,將會(huì)更加注重環(huán)保和節(jié)能減排,例如通過(guò)采用環(huán)保型的原料和生產(chǎn)工藝,降低能源消耗和減少?gòu)U棄物排放。

8.7 臨床應(yīng)用拓展

未來(lái),生物陶瓷將會(huì)在更多的臨床領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如,在口腔科領(lǐng)域中,可以通過(guò)使用生物陶瓷材料制作牙種植體和牙冠等;在骨科領(lǐng)域中,可以使用生物陶瓷材料制作人工關(guān)節(jié)和骨板等。此外,在神經(jīng)外科、心血管等領(lǐng)域中也有廣泛的應(yīng)用前景。

8.8 跨學(xué)科合作

生物陶瓷材料的研究和應(yīng)用涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,比如材料科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)等[5]。未來(lái),各學(xué)科之間的合作將會(huì)更加緊密,共同推動(dòng)生物陶瓷材料的研發(fā)和應(yīng)用。例如,生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的專家可以提供人體組織和細(xì)胞的樣本和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),為材料科學(xué)家提供研究方向和思路;材料科學(xué)領(lǐng)域的專家可以提供先進(jìn)的制備技術(shù)和理論支持,為醫(yī)學(xué)專家提供更好的醫(yī)療設(shè)備和方案。