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生物陶瓷材料的研究及应用

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生物陶瓷材料的研究及应用
张波 化工07-3班 120073304069
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方法进行了较为深入的分析，在现代医学中的应用及发展前景。
关键词 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。
Bioceramic Materials Research and Application
Zhangbo Chemical Engineering and Technology 073 class 120073304069
Abstract This paper introduces the definition of bio-ceramics, bio-ceramic material of hydroxyapatite, calcium phosphate bio-ceramic materials, composite bio-ceramic materials, coating materials, bio-ceramics and alumina ceramics of biological characteristics and preparation methods for a more in-depth analysis In modern medicine the application and development prospects.
Key words bio-ceramics, calcium phosphate, composite bio-ceramic materials, coating materials, bio-ceramic, alumina ceramic, bio-ceramic applications.
1 引言
生物陶瓷是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。做为生物陶瓷材料，需具备如下条件：生物相容性；力学相容性；与生物组织有优异的亲和性；抗血栓；灭菌性并具有很好的物理、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密切相关，故一直倍受材料科学工作者的重视。
2 生物陶瓷材料的发展
目前世界各国相继发展了生物陶瓷材料，它不仅具有不锈钢塑料所具有的特性，而且具有亲水性、能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性。因此生物陶瓷具有广阔的发展前景。生物陶瓷的应用范围也正在逐步扩大，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 的最大优势就是具有良好的生物相容性和降解性，植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎性反应及全身毒副作用。但缺乏诱导沉积类骨羟基磷灰石(HAp)的能力［1，2］，HAp的形成有利于促进材料的骨传导和骨再生，并促进材料同软／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，虽然与骨盐的组成相同，但不同部位的骨性质是不尽相同的，钙磷比在决定体内溶解性和吸收趋势上起着重要作用，所以和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，结晶度降低、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快。为此控制β-TCP 的微观结构及组成，可以制备出不同降解速度的材料。Jorg Handschel 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 降解后导致介质酸化所造成的［5］。这同样也证明了介质的pH 值不会随所使用的TCP 颗粒的浓度而改变，它取决于造骨细胞和颗粒直接的相互作用，包括造骨细胞功能的减弱。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］。此外，用Si 稳定TCP 可以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，多种组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料，具有较好的力学性能、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方法有很多，许多材料工作者进行了深入的探讨[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，该材料可以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具有控制作用，保证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%、烧结温度小于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，故降低了烧结温度。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，其抗折强度达到120MPa， 断裂韧性值为l.74MPa·m-1/2， 几乎为纯HA的两倍，接近骨组织（致密骨的抗折强度为160MPa，断裂韧性值为2.2 MPa·m-1/2）。Kim 等[12] 采用多孔的ZrO2 骨支架，表面采用羟基磷灰石涂层，在二氧化锆和羟基磷灰石之间喷涂氟磷灰石（氟磷灰石在高温下比较稳定，可阻止羟磷灰石与二氧化锆的反应。因为羟基磷灰石和二氧化锆的反应不仅使材料的机械性能降低，而且会使材料的生物相容性降低），制备出了符合要求的生物陶瓷材料。
2.3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一般要求为具有高强度、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]。一方面需要有一定的厚度，以保证涂层在体液作用下存在足够的时间，促进植入物与骨骼组织的结合；另一方面，随着涂层厚度的增加，涂层残余应力增大，涂层材料本身的性质也容易表现出来，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，理想的涂层厚度在50μm 左右(30 ～ 90μm)。在涂层厚度一定的前提下，涂层结晶度和相组成是决定涂层在体液作用下保留时间的重要因素。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。一般认为，涂层的结晶度与涂层和基体的结合状况成反比，具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。人造羟基磷灰石虽然化学组成与生物组织很相似，但其结晶程度和结构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期不易降解，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，就可以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关键问题之一是涂层与基材的结合问题。因为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。陶瓷一般化学稳定性好， 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，加之陶瓷材料通常熔点较高等。
2.3.1 生物陶瓷涂层制备方法
1 高温喷涂涂层：包括火焰喷涂法，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] 采用液相反应法，即在氢氧化锶和氢氧化钙悬浊液中不断滴入稀硫酸，通过控制pH 值反应合成掺锶羟基磷灰石固溶体。实验结果表明，用锶元素掺杂于羟基磷灰石结构中，形成的掺锶羟基磷灰石比纯的羟基磷灰石具有更好的骨骼缺损修复能力。掺杂还可以增强生物陶瓷涂层的结构稳定性。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 有利于激光化学反应合成HA，并增加其结构稳定性，使涂层组织成为具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，促进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)，其理论组成为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，其结构为六角柱体(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，该位置处于6个O组成的ca-O八面体的中心。6个Ca2+处于ca(Ⅱ)位置，即z=l/4和z=3／4位置各有3个，位置处于3个0组成的三配位体中心。6个P043-四配位体分别位于z=1/4和z=3/4的平面上，这些P043-四面体的网络使得HAP结构具有较好的稳定性。

羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，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主要课题之一。羟基磷灰石生物活性陶瓷具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，它主要用于人体硬组织(骨、牙)的修复和替换，也用于人工血管、气管等软组织及药物控释和输送载体，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具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 等人发现不同百分比的掺Si 的HA 的溶解速率大于纯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 等人评估了几种HA 的溶解性和降解速率后发现，经过烧结的HA 由于高的结晶性以及没有可置换的离子，所以其溶解度较其它HAP低[5]。这表明结晶是影响HAP解的一个因素，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方法
1 沉淀法
这种方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应生成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HAP晶体粉末。
2 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是近些年才发展起来的新方法，已引起了广泛的关注。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处理，即可得到纳米粉体。
3 水热法
水热法是在特制的密闭反应容器中(高压釜)，采用水溶液作为反应介质，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方法。这种方法通常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HAP。
4 超声波合成法
超声波在水介质中引起气穴现象，使微泡在水中形成、生长和破裂。这能激活化学物种的反应活性，从而有效地加速液体和固体反应物之间非均相化学反应的速度。
5 固态合成法
把固态磷酸钙及其他化合物均匀混合在一起，在有水蒸气存在的条件下，反应温度高于1000℃，可以得到结晶较好的羟基磷灰石。
6 自蔓延高温合成法
自蔓延高温合成技术(SHS)是利用反应放热制备材料的新技术。SHS技术可以制备出纳米羟基磷灰石。该技术是利用硝酸盐与羧酸反应，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粉体具有纯度高、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，界面无化学反应，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至少小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，适用于负重大、耐磨要求高的部位。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，可能引起骨组织的应力，从而引起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。利用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，取得了显著的效果。
3 结 语
生物陶瓷的研究内容涉及材料、医学物理、生物化学和现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组成部分，因为它具有对机体组织进行修复、替代与再生的特殊功能。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，与生物组织具有良好的相容性和优异的亲和性，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。
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