无机非金属材料在生物医学中的应用

1、 无机非金属材料在生物医学中的应用西南交通大学材料科学与工程学院-李森-20085650【摘要】介绍无机非金属材料在生物医学各个领域中的应用和发展前景等。【关键字】无机非金属生物材料，惰性无机非金属生物医用材料，表面生物活性陶瓷材料，可吸收和降解生物陶瓷材料，临床应用，前景。【正文】一、无机非金属材料以及无机非金属生物医用材料的特点无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世

2、纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类  材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。硅酸盐材料是无机非金属材料的主要分支之一，硅酸盐材料是陶瓷的主要组成物质。陶瓷不生锈、不燃烧，而且抗腐蚀，强度也比较好，可以大大弥补金属材料和有机材料的缺

3、陷。陶瓷不仅可以制成具有优良生物惰性的材料，而且也可以制成具有优良生物活性的材料。生物医用材料根据在生物体内的活性，分为三类：惰性生物陶瓷材料，主要是氧化铝陶瓷材料、碳质材料等，植入体内后与周围组织之间形成纤维包膜；表面生物活性陶瓷材料，如生物医用玻璃和玻璃陶瓷、羟基磷灰石等，植入体内后材料能与周围组织形成牢固的化学键结合（骨性结合）； 可吸收和降解生物陶瓷材料，主要是磷酸三钙陶瓷材料，植入体内后会逐渐被降解、吸收，从而被新生组织替代。目前，约有40余种生物陶瓷材料在医学、整形外科方面制成了50余种复制和代用品，发挥着非常重要的作用。2、 三类无机非金属生物医用材料的性能及应用 1、惰性无机非

4、金属生物医用材料生物医用陶瓷：惰性生物医用陶瓷主要分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷以及陶材三类。氧化物陶瓷主要是Al、Mg、Ti、Zr、等的氧化物。非氧化物陶瓷主要是硼化物、氮化物、碳化物等。陶材则主要是由多种氧化物矿物构成的长石、石英、高岭土等原料制成。氧化物陶瓷：氧化铝陶瓷生物医用氧化铝陶瓷由高纯三氧化二铝组成。氧化铝陶瓷（简称铝瓷）是指主晶相为刚玉的陶瓷材料。氧化铝陶瓷在与机体组织的结合方面属生物惰性材料。并且这种陶瓷还具有较高的机械强度、硬度、耐磨性和化学惰性。医用氧化铝陶瓷的重要性能（按照ISO6474）基本性能重要性原因高的抗腐蚀性优异的刚性及良好的表面抛光性能高杨氏模量和高抗压强度高

5、的机械强度高纯度保证生物惰性保证高耐磨性保证坚硬不变形保证良好的疲劳性能以及安全性和可靠性保证长期稳定性由于氧化铝陶瓷是生物惰性材料，在人体内不发生化学变化，对人体无害，亲和性也很好，在临床医疗中广泛用于股骨、骨关节、牙根、骨修补物和骨骼螺栓等。Boutin等人1970年提出使用全氧化铝陶瓷植入物，并且首次在临床上使用氧化铝陶瓷材料人工髋关节，之后又有许多国家开始广泛使用氧化铝陶瓷制作人工牙根、人工关节和人工骨。在近三十年的临床实践中，使用氧化铝假体进行人工关节固定，取得了令人满意的结果。现在高密度、高纯氧化铝陶瓷是内修复手术主要的关节材料，长期临床实践已经说明了氧化铝陶瓷头和聚乙烯臼之间具有

6、优异的抗磨损性能。有学者复查了最近20年来，118例髋部手术的病人，期中86例使用骨水泥填充孔隙，32例没有使用骨水泥填充而是用了三枚螺丝钉固定。不用骨水泥比用骨水泥获得了满意的效果，88.5%不用翻修，且在骨盆正位片上没有测量到明显的磨损。氧化锆陶瓷纯的氧化锆不能作为医用材料，因为在烧结过程中从高温降到室温以上时会发生从四方到单斜的晶相转变，这一相转变同时伴随着3%4%的体积扩展，使材料内部产生内应力和裂纹。加入氧化锰或氧化钇会抑制相变的发生。由于具有更高的断裂强度使得氧化锆陶瓷能够被设计成氧化铝陶瓷不能达到的几何尺寸和形状仍然具有可靠性的髋关节头。由于这些优异的力学性能，人们认识到可以将其

7、应用在牙修复领域和膝关节股骨组件。另外，它还用在跖趾外科手术上（作为可拆卸的间隔罩杯）和肩修复手术上。氧化锆与聚乙烯结合被证明与体外实验中的氧化铝与聚乙烯结合有相似的磨损率，但是在体内试验中结果并不乐观，在体内试验中氧化锆陶瓷的年磨损率会逐年增加，而氧化铝相对变化平稳。非氧化物陶瓷材料：非氧化物陶瓷材料是以难熔化合物为基础制成的，而这些化合物又是由B、C、N、Al、Si形成，主要呈共价化学键形式，在极宽的温度范围和其它外作用条件下具有很高的稳定性。非氧化物陶瓷材料作为生物医用材料的报道较少，主要用作硬组织的替换材料。例如碳化硅和氮化硅陶瓷材料。医用碳材料：碳材料具有许多优良的性质，植入人体后化

8、学稳定性好，与人体亲和性好，没有毒性，没有排异反应。碳有许多同素异构体，在医学上广泛应用的主要包括热解各项同性碳（LTI）和碳纤维复合材料，在早期使用的玻璃质碳因为使软组织变黑而很少再用。医用碳材料的类型以及应用碳材料医用的重要原因以及应用石墨润滑性能好，有些心脏瓣膜架用石墨集体表面涂覆热解碳，有些瓣架是全热解碳而瓣叶是石墨集体表面涂覆热解碳。还可用作外置固定骨架。热解碳：耐久性、生物稳定性好。低温各项同性热解碳（LTIC）材料化学稳定性生物相容性非常好，以及有优良的力学性能在临床医学中广泛应用，如用于制造人工心脏瓣膜（几乎是唯一可选用的机械瓣膜材料，目前先进的双叶瓣膜都是用热解碳为基本材料）

9、、人工髋关节以及其它人工运动磨损表面（如牙齿），还具有罕见的抗血凝性能。玻璃碳：属于特殊碳材料兼有碳材料和玻璃的特性，优点：密度小、抗渗透、各项同性、耐高温耐腐蚀。碳纤维：碳元素组成的特种纤维比铝轻、比钢强、比人发细，柔软可加工、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀。碳/碳复合材料高的比强度、高的断裂韧性、耐腐蚀性。它的出现解决了传统碳材料的强度与韧性问题，是一种极具潜力的新型生物医用材料，在人体骨修复与骨替代材料（人工齿根、人工骨、人工关节）方面具有较好的应用前景。惰性生物玻璃和玻璃陶瓷生物玻璃材料大致可分为两类：1.非活性的近似惰性的2.生物活性的。惰性玻璃陶瓷主要应用于口腔医学领域：云母系玻璃陶瓷：可

10、铸造玻璃陶瓷主要是由氧化硅、氧化钾、氧化镁等氧化物及少量氟化物组成的八硅氟云母晶体，还含有微量的氧化铝和氧化锌。在口腔环境中耐腐蚀，与组织有良好的生物相容性，透明度高，收缩率小，边缘适合性好的特点，而且与牙釉质的硬度接近而明显低于烤瓷，所以可以制作各类嵌体，前牙及后牙的瓷全冠、瓷罩及桩冠。白榴石玻璃陶瓷（IPS-Empress可铸玻璃陶瓷就是一种白榴石强化陶瓷）白榴石作为内部增强剂用于牙科陶瓷，以提高全瓷修复体的强度。由于具有良好的生物相容性，优良的耐磨性及耐腐蚀性，和独特的美学性能，可用于制作前后牙的牙冠，还被制作嵌体和贴面。2. 表面活性无机非金属生物医用材料表面活性生物医用玻璃和玻璃陶瓷

11、这类材料作为生物医用材料具有金属、高分子及生物惰性材料不可比拟的优势，能与人体骨形成直接的化学结合。类型性能及应用活性生物医用玻璃：一般为CaO-SiO2-P2O5系统。易溶解释放一价或二价金属离子，使生物玻璃表面具有溶解性。大量生物移植实验都证明，生物玻璃的确能与生物组织相联接。然而这种生物医学玻璃抗折强度很低，不能用于强度要求高的人工骨和人工关节替换，它可以埋在拔牙后的齿槽孔内，防止齿槽骨萎缩，也可以用做中耳的锤骨等。活性生物医用玻璃陶瓷1.系玻璃陶瓷：此种微晶玻璃的机械性能仍然较差，不能用于承重部位，只能用于听小骨等不受力的部位。2.系玻璃陶瓷：主要产品被制成颗粒型人工骨、致密牙根、多孔

12、型块骨、微孔型额骨并在一定范围取得了临床应用。3.可切削生物玻璃陶瓷：实验证明有很好的生物相容性，植入112d之后已于骨形成牢固结合。近几十年来，具有良好的生物相容性、生物活性和化学稳定性等优异性能的生物活性玻璃作为理想的骨移植材料得到了大量的发展及应用。早期主要应用是口腔方面，如用于下颌骨置换、牙周病治疗、拔牙窝充填等。目前国际上已发展为产品的牙科用生物玻璃陶瓷有两种：一是ERMI，形如牙根，用于牙根拔出后的牙窝填充，以防止牙床萎缩；其二是PERIOGLAS粉，用于治疗牙周炎中牙根与牙床的脱裂。此外，生物玻璃也被用于耳聋方面的治疗，如制成中耳骨，植入耳中，能是某些耳聋病人恢复不同程度的听力；

13、还用做人工喉管支架、眼晶状体修复等。羟基磷灰石羟基磷灰石简称HA，属于磷酸盐系无机非金属材料。其化学成分和晶体结构与脊椎动物的骨和牙齿中的矿物成分非常接近。作为人和动物骨骼及牙齿的主要无机成分，羟基磷灰石具有良好的生物相容性，无生物毒性，是与骨组织生物相容性最好的生物活性材料，植入骨组织后能在界面上形成很强的化学键合，已经广泛作为生物硬组织修复和替换的材料。羟基磷灰石生物陶瓷的分类性能及应用致密型HA生物陶瓷有较好的机械性能，有一定的可加工性，在临床使用中极为方便，但植入人体后只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架，主要用于人工齿根种植体。多孔型HA生物陶瓷优良的机械性

14、能复合型HA生物陶瓷类似于多孔型HA陶瓷，具有良好的生物活性和机械性能。混合型HA生物陶瓷弥补了多孔和致密HA陶瓷的缺点，兼顾了两者的优点，获得较好的效果。制成的人工齿根，其机械强度与致密型HA生物陶瓷接近，而生物活性相当于多孔型HA生物陶瓷和复合型HA生物陶瓷。涂层及复合HA材料在提高材料的机械强度和力学性能方面有着较好的发展前景。羟基磷灰石的临床应用：1. 在眼科修复中的应用：主要用于因外伤或眼病眼球摘除后在眼眶内放入植入体，填补眼球所占空间，防止安装义眼后造成眼窝凹陷等畸形。2. 羟基磷灰石人工听骨：用于听骨链重建手术，提高患者听力。3. 羟基磷灰石在口腔医科中的应用：口腔修复，如萎缩牙

15、槽嵴的增高，颌骨囊肿骨腔填塞，牙周缺陷修复，根管充填及盖髓等。口腔保健，羟基磷灰石具有吸附并除去牙齿表面组成牙菌斑的蛋白质、氨基酸、脂质和葡聚糖等成分的作用另外还有抑菌作用，再扩化作用以及增白作用。4. 羟基磷灰石涂层的临床应用：合成的羟基磷灰石粉末的生物相容性好，有一定的成骨效应。可以制作各种羟基磷灰石涂层人工关节，诱发骨质生长，起生物固定作用。5.羟基磷灰石在美容整形外科中的应用：由于生物相容性好在整形外科中广泛应用，如用羟基磷灰石人工骨用于隆鼻术，颏部充填术和颞部充填术，具有造型自然，逼真的特点，并无任何毒副作用，明显由于固体硅胶。骨水泥 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）骨水泥的应用对人工关

16、节的发展起过巨大的推动作用，并在骨缺损、骨癌刮除后的空洞填充修复中的到广泛的应用。磷酸钙骨水泥是一类将两种或两种以上磷酸钙粉体加入液相调和剂，通过磷酸钙发生水化硬化，在人体环境和温度下转化为与人体硬组织成分相似的羟基磷灰石的生物活性无机材料。又称为羟基磷灰石骨水泥，简称CPC。CPC具有良好的生物相容性，无毒，无刺激，有良好的血液相容性和组织相容性，有骨引导活性并在体内可生物降解。CPC通过骨传导作用而成骨，一般认为它不具有诱导成骨作用。由于CPC具有能与骨质紧密接触和快速凝固性能以及其远高于松质骨的力学性能，现已广泛应用于骨折治疗和骨缺陷修复。3. 可降解无机非金属生物医用材料生物陶瓷在生理

17、环境中产生结构或物质衰变，其产物被机体吸收利用或通过循环系统排除体外，称为陶瓷的生物降解行为。最终使缺陷的部位完全被新生的骨组织所替代，而植入的生物可降解材料只起到临时支架作用。在体内通过系列的生化反应一部分排出体外，一部分参与新骨的形成。最早应用的生物降解陶瓷为石膏，它具有良好的生物相容性，但是被吸收速率快，与新骨生长速率不能匹配。目前广泛应用和研究的可降解和吸收的生物陶瓷主要是指磷酸钙类生物陶瓷材料，它包括磷酸三钙和磷酸四钙和羟基磷灰石以及它们的混合物等，这类磷酸钙类陶瓷材料植入体内后经过一段时间，可部分或全部吸收，发生陶瓷生物降解，其中生物降解显著的为ß-磷酸三钙陶瓷（ß-TCP），它具有良好的生物降解性、生物相容性和无生物毒性，降解下来的Ca，P能进入活体循环系统形成新生骨，因此它作为理想的骨替代材料已成为世界各国学者研究的重点之一。ß-TCP陶瓷作为一种体内植入材料用于骨修补和替换，其生物相容性和安全性是至关重要的，ß-TCP的体外实验现实，该材料具有良好的细胞相容性，动物或人体细胞可以在材料上正常生长、分化及繁殖。ß-TCP陶瓷的临床应用ß-TCP良好的生物相容性和生物降解性成为理想的骨移植材料，用于修复因创伤、肿瘤或骨病等原因所造成的骨缺陷