生物陶瓷材料的研究及应用汇总

生物陶瓷材料的研究及应用张波化工07-3班13304069摘要介绍了生物陶瓷的定义，对羟基磷灰石生物陶瓷材料、磷酸钙生物陶瓷材料、复合生物陶瓷材料、涂层生物陶瓷材料和氧化铝生物陶瓷的特性和制备办法进行了较为进一步的分析，在当代医学中的应用及发展前景。核心词生物陶瓷，磷酸钙，复合生物陶瓷材料，涂层生物陶瓷材料，氧化铝陶瓷，生物陶瓷应用。BioceramicMaterialsResearchandApplicationZhangboChemicalEngineeringandTechnology073class13304069AbstractThispaperintroducesthedefinitionofbio-ceramics,bio-ceramicmaterialofhydroxyapatite,calciumphosphatebio-ceramicmaterials,compositebio-ceramicmaterials,coatingmaterials,bio-ceramicsandaluminaceramicsofbiologicalcharacteristicsandpreparationmethodsforamorein-depthanalysisInmodernmedicinetheapplicationanddevelopmentprospects.Keywordsbio-ceramics,calciumphosphate,compositebio-ceramicmaterials,coatingmaterials,bio-ceramic,aluminaceramic,bio-ceramicapplications.1引言生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功效的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体有关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。做为生物陶瓷材料，需含有以下条件：生物相容性；力学相容性；与生物组织有优秀的亲和性；抗血栓；灭菌性并含有较好的物理、化学稳定性。生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷（如Al2O3、ZrO2等）、生物活性陶瓷(如致密羟基磷灰石、生物活性微晶玻璃等)和生物复合材料三类。生物陶瓷材料因其与人的生活亲密有关，故始终倍受材料科学工作者的重视。2生物陶瓷材料的发展现在世界各国相继发展了生物陶瓷材料，它不仅含有不锈钢塑料所含有的特性，并且含有亲水性、能与细胞等生物组织体现出良好的亲和性。因此生物陶瓷含有广阔的发展前景。生物陶瓷的应用范畴也正在逐步扩大，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。2.1磷酸钙生物陶瓷材料β-磷酸三钙(简称β-TCP)，属三方晶系，钙磷原子比为1.5，是磷酸钙的一种高温相。β-TCP的最大优势就是含有良好的生物相容性和降解性，植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎性反映及全身毒副作用。但缺少诱导沉积类骨羟基磷灰石(HAp)的能力［1，2］，HAp的形成有助于增进材料的骨传导和骨再生，并增进材料同软／硬组织间形成紧密的化学键合［3，4］。磷酸钙盐生物陶瓷人工骨，即使与骨盐的构成相似，但不同部位的骨性质是不尽相似的，钙磷比在决定体内溶解性和吸取趋势上起着重要作用，因此和HA相比，TCP更易于在体内溶解，其溶解度约比HA高10-20倍。β-TCP的降解速率与其表面构造、结晶类型、孔隙率及植入动物的不同有关。例如，随表面积增大，结晶度减少、晶体结晶完整性下降、晶粒减小以及CO32-、F-、Mg2+等离子取代而使降解加紧。为此控制β-TCP的微观构造及构成，能够制备出不同降解速度的材料。JorgHandschel等人研究发现在无负重骨处没有直接和TCP相连的骨，同样在界面处也没有造骨细胞，而这部分是由于TCP降解后造成介质酸化所造成的［5］。这同样也证明了介质的pH值不会随所使用的TCP颗粒的浓度而变化，它取决于造骨细胞和颗粒直接的互相作用，涉及造骨细胞功效的削弱。Inone等人研究发现，TCP从第三周起开始降解，同时从第三周起骨开始形成，他们还比较了空隙率分别为50%、60%、75%的TCP的性能，发现75%的TCP是较好的骨替代物，但机械强度不高，只能用于无负重处或与固定装置结合［5］。另外，用Si稳定TCP能够增加其骨传导性和骨组织的修复。2.2复合生物陶瓷材料复合生物陶瓷是指生物用复相陶瓷的总称，多个组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料，含有较好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料[6,7,8]。复合生物陶瓷材料的制备办法有诸多，许多材料工作者进行了进一步的探讨[9,19]。李亚军等［20］将HA粉体和聚丙交酯及造孔剂氯化钠混合后加入三氯甲烷和聚乙烯醇溶液，混炼后模压制得了多孔聚乳酸/基磷灰石复合材料，该材料能够提高高分子的力学性能及骨诱导特性，且对羟基磷灰石的过快降解含有控制作用，确保了骨组织恢复速度与降解速度一致。Ivanchenko等人[5]用硅硼酸钠玻璃来增强HA，当玻璃相为59%、烧结温度不大于1000℃、孔隙率为33%时，得到HA的机械强度为47MPa。Towler运用纳米ZrO2在低温下烧结制备了高致密度的HA-ZrO2复合生物陶瓷。该技术由于使用了纳米ZrO2，故减少了烧结温度。因HA分解常发生在烧结过程中，但在1200℃烧结时，因烧结温度较低，故避免了HA的分解，使主晶相仍为HA，且复合材料的强度高于纯HA[9]。黄传勇等[10]采用化学共沉淀法制备了羟基磷灰石和二氧化锆超细粉，并以此为原料，通过不同材料的优化组合，用烧结法制备了HA-ZrO2二元体系复合生物陶瓷材料，其抗折强度达成120MPa，断裂韧性值为l.74MPa·m-1/2，几乎为纯HA的两倍，靠近骨组织（致密骨的抗折强度为160MPa，断裂韧性值为2.2MPa·m-1/2）。Kim等[12]采用多孔的ZrO22.3涂层生物陶瓷材料在诸多生物骨科材料中，生物陶瓷涂层材料由于将金属(合金)基材优良的机械性能和生物陶瓷涂层良好的生物学性能结合在一起，成为临床上广泛应用的生物骨科材料之一[13]。作为生物陶瓷涂层材料的基体普通规定为含有高强度、高韧性、低密度的金属及其合金，如不锈钢、钛及合金、钴铬钼合金、钴铬合金等，其中钛及其合金应用最为广泛。涂层的厚度对涂层与骨骼的结合有一定的影响[14]。首先需要有一定的厚度，以确保涂层在体液作用下存在足够的时间，增进植入物与骨骼组织的结合；另首先，随着涂层厚度的增加，涂层残存应力增大，涂层材料本身的性质也容易体现出来，植入生物体内后，将影响材料与骨骼的结合。近年来的研究表明，抱负的涂层厚度在50μm左右(30～90μm)。在涂层厚度一定的前提下，涂层结晶度和相构成是决定涂层在体液作用下保存时间的重要因素。高结晶度的涂层(>90％)，比较稳定，溶解较少；较低的结晶度(60％～70％)则容易发生溶解及降解。普通认为，涂层的结晶度与涂层和基体的结合状况成反比，含有较低结晶度的涂层有着较好的结合力。涂层晶粒越小，涂层与基体的润湿性越好，涂层与基体的结合性就会越牢固。人造羟基磷灰石即使化学构成与生物组织很相似，但其结晶程度和构造稳定性要比自然骨骼中的羟基磷灰石晶体高，因此植入生物体后长久不易降解，始终作为一种异质体残留在骨骼缺损组织中。在涂层中掺人少量固溶杂质元素，就能够改善材料生物活性和生物降解率。制备涂层生物陶瓷材料的核心问题之一是涂层与基材的结合问题。由于生物陶瓷材料与金属基底的界面处不易产生良好的结合。金属为金属键，陶瓷为共价键、离子键，两者品格类型不同。陶瓷普通化学稳定性好，金属与陶瓷的相容性差；金属与陶瓷的热膨胀系数相差很大，喷后热应力很高，加之陶瓷材料普通熔点较高等。2.3.1生物陶瓷涂层制备办法1高温喷涂涂层：涉及火焰喷涂法，等离子喷涂法，爆炸喷涂法2热扩散喷涂：料浆包渗法，气渗图层法3其它图层：碳热解图层法，气相沉积法，辉光放电溅射法，真空镀膜涂层法等例如，陈德敏等[15]采用液相反映法，即在氢氧化锶和氢氧化钙悬浊液中不停滴入稀硫酸，通过控制pH值反映合成掺锶羟基磷灰石固溶体。实验成果表明，用锶元素掺杂于羟基磷灰石构造中，形成的掺锶羟基磷灰石比纯的羟基磷灰石含有更加好的骨骼缺损修复能力。掺杂还能够增强生物陶瓷涂层的构造稳定性。张亚平等[16]在钛合金表面用激光涂覆生物陶瓷涂层时，在一定配比的CaHPO4·2H2O和CaCO3中掺人少量Y2O3粉末，发现少量Y2O3有助于激光化学反映合成HA，并增加其构造稳定性，使涂层组织成为含有一定择优取向的细小的不规则的多边形晶体。其原理是：激光涂覆时，化学位与浓度梯度是熔体内传质扩散的推动力，而少量Y2O3能使上述两种梯度差增大，增进HA的生成。2.4羟基磷灰石生物陶瓷材料生物活性陶瓷中应用最多的是羟基磷灰石(简称HA或HAP)，其理论构成为Ca10(PO4)6(OH)2，Ca/P为1.67。HAP晶体为六方晶系，属L6Pc对称型和P63/m空间群，其构造为六角柱体(见图1)，其中0H-位于晶胞的4个角上，10个Ca2+分别占据2种位置，4个ca2+占据ca(I)位置，即z=O和z=1/2位置各2个，该位置处在6个O构成的ca-O八面体的中心。6个Ca2+处在ca(Ⅱ)位置，即z=l/4和z=3／4位置各有3个，位置处在3个0构成的三配位体中心。6个P043-四配位体分别位于z=1/4和z=3/4的平面上，这些P043-四周体的网络使得HAP构造含有较好的稳定性。羟基磷灰石是人体和动物骨骼的重要无机成分，对于羟基磷灰石材料的研究成了国内外生物医用材料领域的重要课题之一。羟基磷灰石生物活性陶瓷含有良好的生物相容性，植入体内不仅安全无毒，还能引导骨生长。因此，它重要用于人体硬组织(骨、牙)的修复和替代，也用于人工血管、气管等软组织及药品控释和输送载体，还是一种优良的生物化学吸附剂。尽管羟基磷灰石陶瓷材料含有良好的生物相容性和生物活性，但是其抗弯强度低、脆性大，在生理环境中抗疲劳性不高，只能应用于不承重或者仅承受纯压力负荷的环境中。Poter等人发现不同比例的掺Si的HA的溶解速率不不大于纯HA[5]，这表明Si的引入可加速HAP的溶解，同时HA界面增加的Ca、P、Si离子可加速骨磷灰石的沉淀及陶瓷表面的骨的形成，从而增加了HA的生物活性。MarkT等人评定了几个HA的溶解性和降解速率后发现，通过烧结的HA由于高的结晶性以及没有可置换的离子，因此其溶解度较其它HAP低[5]。这表明结晶是影响HAP解的一种因素，且高结晶的HAP比贫晶的HAP更稳定而不易降解。他们同时发现，颗粒越大，其溶解度和降解率越低。2.4.1羟基磷灰石生物陶瓷材料的制备办法1沉淀法这种办法通过把一定浓度的钙盐和磷盐混合搅拌，控制在一定的pH值和温度条件下，使溶液中发生化学反映生成HAP沉淀，沉淀物在400-600℃甚至更高的温度下煅烧，可获得符合一定比例的HA2溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是近些年才发展起来的新办法，已引发了广泛的关注。溶胶-凝胶法是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解、聚合，形成溶胶，溶胶形成后，随着水的加入转变为凝胶，凝胶在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再将干凝胶做高温煅烧解决，即可得到纳米粉体。3水热法水热法是在特制的密闭反映容器中(高压釜)，采用水溶液作为反映介质，在高温高压环境中，使得原来难溶或不溶的物质溶解并重结晶的办法。这种办法普通以磷酸氢钙等为原料，在水溶液体系，温度为200-400℃的高压釜中制备4超声波合成法超声波在水介质中引发气穴现象，使微泡在水中形成、生长和破裂。这能激活化学物种的反映活性，从而有效地加速液体和固体反映物之间非均相化学反映的速度。5固态合成法把固态磷酸钙及其它化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下，反映温度高于1000℃6自蔓延高温合成法自蔓延高温合成技术(SHS)是运用反映放热制备材料的新技术。SHS技术能够制备出纳米羟基磷灰石。该技术是运用硝酸盐与羧酸反映，在低温下实现原位氧化自发燃烧，快速合成HAP前驱体粉末。制备的HAP粉体含有纯度高、成分均匀、颗粒尺寸大小适宜，无硬团等特性。2.5氧化铝生物陶瓷材料氧化铝陶瓷植入人体后表面生成极薄的纤维膜，界面无化学反映，多用于全臀复位修复术及股骨和髋骨部连接。高纯氧化铝陶瓷化学性能稳定，生物相容性好，呈生物惰性；由于其硬度高，耐磨性能好，因此磨损率比其它材料最少小1～2个数量级[18]。单晶氧化铝陶瓷的机械性能更优于多晶氧化铝，合用于负重大、耐磨规定高的部位。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。多晶氧化铝，即刚玉，强度大，用于制作双杯式人工髋关节、人工骨、人工牙根和关节。Boutint在1972年首先报道了用氧化铝陶瓷制作的人体髋关节在生理和摩擦学方面的优越性极其在临床上的应用[8]。氧化铝属脆性材料，冲击韧性较低；弹性模量和骨相差大，陶瓷的高弹性模量，可能引发骨组织的应力，从而引发骨组织的萎缩和关节松动，在使用过程中，常出现脆性破坏和骨损伤。运用ZrO2相变增韧或微裂纹增韧，以及在瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍等，获得了明显的效果。3结语生物陶瓷的研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和当代高技术等诸多学科领域，随着科学技术的发展，我相信生物陶瓷材料会成为医学工程学中的重要构成部分，由于它含有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功效。在过去，应用最广泛的生物医学材料为金属和有机材料，其存在着许多缺点。生物陶瓷材料作为一种无机生物医学材料，与生物组织含有良好的相容性和优秀的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，将会越来越受到人们的重视。参考文献KleinCPAT,GrootKKD,DrissenAA,etal.Biomaterials,1985,6(3):189-192HenchLL.J.Am.Ceram.Soc.,1991,74(7):1487-1510钟吉品，HenchLL(ZHONGJi-Pin,etal).无机材料学报(JournalofInorganicMaterials),1995,10(2):129-138HenchLL,XyonsI,EdgarA,etal.无机材料学报(JournalofInorganicMaterials),,17(5):897-909钟锐等，骨组织工程支架材料生物陶瓷的研究进展［J］，医疗卫生装备，，26(4):26-28马宁等.多空纳米羟基磷灰石/胶原复合材料的制备及性能［J］，吉林大学报，，1(1):90-93[7]金仁夫等.二氧化锆梯度复合羟基磷灰石生物材料的制备及其生物相容性[J].复合材料学报，，6（3）：114-122[8]涂浩，闫玉华.纳米羟基磷灰石复合材料在骨组织工程中的应用[J].生物骨科材料与临床研究，，6（3）：47-49[9]唐月军等.医用复合生物陶瓷的研究进展[J].国际生物医学工程杂志，，29(2):114-116[10]黄传勇等.生物陶瓷复合材料的研究[J].中国生物医学工程学报，，19(3):281-287[11]SilvaVV，LameirasFS，LobatoZI．Biologicalreactivityofzirconia-hydroxyapatitecomposites[J]．BiomedMaterRes,,63(5):583-590[12]KimHW，LeeSY，PorousZrO2bonescaffoldcoatedwithhydroxyapatitewithfluorapati