【《生物陶瓷材料性能研究现状文献综述》2900字】

生物陶瓷材料性能研究现状文献综述生物陶瓷材料作为第三代人工骨缺损修复材料，直接与人体发生作用ADDINNE.Ref.{F46BA321-A97B-4435-81E1-361FE0D23369}[59]，因此当材料植入人体时，不仅要与植入部位的原生骨力学性能相似，替代原骨起到支撑、保护作用，还要适应体内生理环境，并促进新骨生成。因此，对生物陶瓷支架的力学性能和生物活性的研究一直是国内外研究的热点和重点。1.1生物陶瓷材料力学性能人体内从皮质骨到松质骨，骨的力学性能变化范围很大。皮质骨的杨氏模量在15-20GPa之间，而松质骨的杨氏模量在0.1-2GPa之间，皮质骨的抗压强度在100-150MPa之间，而松质骨的抗压强度在2-20MPa之间ADDINNE.Ref.{6A700303-FDFF-495B-BD63-7A5757EF4BAC}[60]。因此不同修复部位的生物陶瓷对力学性能的要求差别较大。由于材料本身的性质、烧结工艺、样件孔径等因素的差异，不同种类生物陶瓷的力学性能也大不相同。MonashUniversity的Boonlom等ADDINNE.Ref.{5047E17F-184E-436D-8791-92576D3345D6}[61]人采用DLP技术制备了孔径在550-870μm的45S5BG支架，其抗压强度可以达到2.2-9.2MPa，符合松质骨抗压强度的要求，适用于强度较低的骨缺损修复，但不能用于承重骨部位。另一种广泛应用的生物陶瓷材料β-TCP的力学强度也较低，LauraKerr等ADDINNE.Ref.{A6EAB8B2-0D91-432F-86DF-D7E3A4122B5D}[62]采用DLP技术制备了孔径在600-700μm的β-TCP支架，但是其抗压强度只有0.47-0.81MPa，也无法满足承重骨部位的缺损修复。同时生物陶瓷的力学性能不仅与材料本身特性相关，而且与样件孔径也有很大关系。其中不同体系生物陶瓷材料孔径及其相关力学性能如下表1.5所示：表1.5不同种类生物陶瓷材料孔径及其对应压缩强度ReferenceMaterialsCompressivestrength（MPa）Poresize（μm）Boonlometal.ADDINNE.Ref.{DF2319A1-5C3C-4FBA-B96A-D4BA5D03E1E7}[61]45S5BG2.2-9.2550-870Chenetal.ADDINNE.Ref.{19FFA71A-EB07-41EA-AE56-ED7E7172407C}[9]45S5BG0.27-0.42510-720Lietal.ADDINNE.Ref.{B8DB4FA5-53C1-43C7-967C-EED96AF6CBF3}[63]45S5BG0.1-0.2200-550Kolanetal.ADDINNE.Ref.{E827156A-5A0C-451D-A9FC-9B6DC929EA5C}[64]13-93BG20300Fuetal.ADDINNE.Ref.{0FFE118B-3BAE-4561-BA21-76FB1E8ECB26}[65]13-93BG10-12100-500Zhaoetal.ADDINNE.Ref.{106E190C-1C53-4ABF-8322-F18873E5A9AA}[66]Sr-MBG6.8-10.5400Shaoetal.ADDINNE.Ref.{C01BB972-DA70-44D2-A67E-C94FBFB32725}[27]Csi-BG38-45350-400Boaninietal.ADDINNE.Ref.{79C69846-8DAA-4FB7-BF10-0D1365B1C86D}[67]CaP3.6-9480-620Caietal.ADDINNE.Ref.{CD0D5CAB-6737-4A71-B48C-9E7EE9098110}[68]β-TCP1-2.5100-500Paredesetal.ADDINNE.Ref.{6D0D6DA6-0D60-4939-A5A6-0927EA893F68}[69]β-TCP9-15300-700Vomdranetal.ADDINNE.Ref.{39BACFC5-625E-43A3-B88C-3BCF7FB1630B}[53]β-TCP3.4-7.4500Wuetal.ADDINNE.Ref.{1B57AE9A-75F4-451E-A37C-00EFA061C7AC}[70]CaSiO33.3-3.571100Varnaetal.ADDINNE.Ref.{999F24A0-6193-41EF-AAED-DD1AE6E5978D}[71]HA155-159100-700Woodardetal.ADDINNE.Ref.{51F00744-3FD1-4192-A58F-708F1027BC3A}[72]HA23.2-31.6250-350从表中可以看出，不同生物陶瓷材料压缩强度相差较大，但大多在12MPa以下。许多研究工作表明，单一材料制备的支架力学性能较差，因此不少学者通过掺杂元素或多种生物陶瓷材料复合的途径来改善其力学性能ADDINNE.Ref.{BBE8DD9A-5ABF-4788-BCEA-F30E0775A180}[73]。Zhao等ADDINNE.Ref.{0BA2B5A6-A7D7-4167-A46C-D8BD50772F1C}[66]通过向BG中添加Sr元素，成功制备了孔径在400μm左右的了Sr-MBG支架，其压缩强度可达6.8-10.5MPa，相比于纯的MBG支架，压缩强度提高了3倍。而Fielding等ADDINNE.Ref.{72A027E6-4B23-40D4-929B-64C2CA4931DC}[74]人通过在β-TCP中掺杂二氧化硅和氧化锌，制备了β-TCP复合支架，由于掺杂成分起到强化、韧化的作用，增加了变形抗力，其力学强度是纯β-TCP支架的3.5倍。Shuai等ADDINNE.Ref.{6C9BB0F2-B159-4FB9-A447-73F93E471956}[75]人在硅酸钙中掺杂石墨烯，发现石墨烯掺杂在0.5w%上时，复合材料支架的抗压强度可达42.45MPa，是纯硅酸钙支架的2.4倍。Shao等ADDINNE.Ref.{C08899CE-4DED-48F4-8BEA-2A0CFA26EF0D}[27]人通过向BG中掺杂CSi，制备了孔径在350-400μm的复合支架，其抗压强度可以达到38-45MPa接近于皮质骨的抗压强度，可以满足部分承重骨的使用要求。可以看出，通过掺杂手段可以使生物陶瓷支架的力学性能得到大幅提升，但与皮质骨（100MPa）仍有一定的差距。另一种提高生物陶瓷力学性能的途径是通过孔道结构的设计。有研究表面，陶瓷的强度不仅与样品孔径有关，还与孔道结构和孔的取向有关ADDINNE.Ref.{90DE0BE5-8093-429B-8DFD-4273BB675F3B}[76]。Shao等ADDINNE.Ref.{4239CE9F-EAA1-4C43-99A8-E0D005AB501A}[27]通过设计不同的孔道结构如图1.11所示：图1.11不同孔道结构其中，蜂窝型结构的压缩强度是其他几种结构的2-3倍，可以达到85MPa，接近皮质骨的抗压强度。这是由于蜂窝型结构的孔洞在Z方向上相通，在X、Y方向上不相通，导致孔具有明显的取向性，提高了其力学性能。综上可以看出，相比于人体原骨，生物陶瓷材料的支架力学性能普遍偏低，但是通过材料的复合、孔洞大小的控制、孔道结构的设计等途径，支架的力学性能可以得到大幅度提升，完全可以满足颅骨、颌骨等部位的修复要求，是一种理想的替代材料。1.2生物陶瓷材料生物活性理想的生物陶瓷支架要求具备良好的生物相容性，当材料植入体内后，不出现全身或局部毒副反应，同时具有骨传导性，细胞能在其上粘附、增殖和形成细胞外基质ADDINNE.Ref.{9CD2C78E-B4C7-45E1-B964-90512D0E6E59}[59]，还必须具有骨诱导性，可以诱导新生骨形成，同时要具备良好的生物可降解性ADDINNE.Ref.{86747C56-2180-4678-87A1-B8190F6F8763}[77]，并且要求材料的降解速率与新生骨的生成速率相匹配，且材料降解产物没有毒性ADDINNE.Ref.{5EDD9AF3-356F-4636-8371-C1366B8AF105}[78]。因此，对生物陶瓷支架的生物活性有很高的要求。不同的生物陶瓷相互之间的生物相容性相差较大。Kerr等ADDINNE.Ref.{B7D45FD8-5A40-4453-B35F-77C6937B622D}[62]人研究发现，纯BG支架的细胞活性要优于纯TCP支架，如图1.12所示，72h后纯BG、纯TCP及二者复合支架的细胞活性都要远优于空白对照组，表明这几种生物陶瓷支架具有良好的生物相容性，有利于细胞增殖、分化，促进成骨细胞的生成。而对比单一材料可以看出，纯BG支架的生物活性要远优于纯TCP支架，这是因为BG支架的孔隙率高，适合细胞的增殖、分化。图1.12不同组分细胞活性随时间的影响并且在满足生物相容性的同时，生物陶瓷材料在体内的降解速率要与新骨生成速率相匹配。研究表明，TCP材料在体内的降解速率慢于新骨生成速率，而BG材料的降解速率快于新骨生成速率，为满足材料降解速率与新骨生成速率相匹配，可以通过两种材料按一定比例混合，这样可以有效控制复合支架的降解速率，达到与新生骨速率相匹配。另一种有效的途径是在生物陶瓷材料中掺杂元素。Huang等ADDINNE.Ref.{58B4FC89-C4B2-476D-86EF-A61917FF2CC2}[79]通过向BG材料中添加Zn元素，制备的复合支架在体外降解实验中发现，随着材料的降解，释放的Zn2+不断抑制Ca2+的释放，有效减少表面羟基磷灰石的形成，降低了BG支架的降解速率，这样通过控制Zn元素的掺杂量，可以控制BG支架的降解速率，使其与新骨生成速率相匹配，如图1.13所示：图1.13不同组分BG支架分别浸泡SBF（a）、Tris-HCl（b）溶液中失重率随时间变化一些学者通过对支架进行体内植入前的预处理来改善材料的成骨性能。Liu等ADDINNE.Ref.{CB5F30B9-3B28-4E9F-93B2-4870716C4242}[80]通过把13-93生物玻璃支架在磷酸溶液中浸泡一段时间，使样品表面沉积羟基磷灰石层，在植入六周后发现，浸泡1,3,6天后的支架，新生骨占支架内孔比例分别到达了46%、57%和45%，而没有经过处理的支架只占32%，大大提高了其成骨能力，如图1.14所示：图1.14不同处理条件支架新生骨占比图可以看出，相比于前几代骨修复材料，生物陶瓷材料的生物活性更好，可以实现从植入物缓慢降解到新骨生成替代的过程，满足骨修复替代材料的要求，并且多种生物陶瓷复合材料支架可以控制降解速率、提高生物活性，使得与原骨更好的匹配，是一种极具研究价值的骨修复替代材料。参考文献[1]CampanaV.,MilanoG.,PaganoE.etal.Bonesubstitutesinorthopaedicsurgery:frombasicsciencetoclinicalpractice[J].JournalofMaterialsScienceMaterialsinMedicine,2014,25（10）:2445-2461.[2]TLMueller,AJWirth,vanLentheGH.Mechanicalstabilityinahumanradiusfracturetreatedwithanoveltissue-engineeredbonesubstitute:anon-invasive,longitudinalassessmentusinghigh-resolutionpQCTincombinationwithfiniteelem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