陶瓷在人体组织中的应用

陶瓷在人体组织中的应用

0羟基磷灰石陶瓷用于修复和重建人体的肌肉骨骼系统缺陷，如肿瘤或损伤引起的肌肉骨骼系统缺损，称为医用生物陶瓷。这些生物陶瓷有生物惰性材料、生物活性材料及多孔材料等。这种陶瓷的历史很短，基础研究从1965年开始，临床研究则是从1975年开始，到今天已近40年时间。在此之前，从1892年到1965年大约70年的时间里，只有石膏被作为骨填充材料或是骨置换材料而使用。1970年，法国的Boutin单纯用氧化铝制作了人造髋关节，开创了用陶瓷制作人造骨和人造关节的先例。1971年，在联邦德国开发出了无机质组成近似于骨和牙齿的磷酸三钙（TCP）陶瓷。1973年，Hulbert等人总结了各种陶瓷在机体内所能引起的组织反应，结果显示陶瓷材料有优良的生物相容性。1974年到1975年，美国和日本相继开发出了羟基磷灰石陶瓷。这种陶瓷组成与骨和牙齿的无机质成分极为相近，机体亲和性优良。医用生物陶瓷用于体内，必须满足以下两个基本条件：即与机体亲和性好并能替代机体组织的功能。当医用生物陶瓷置入人体内以后，机体则会产生以下反应：(1)抗原抗体反应；(2)消化作用（吸收）；(3)包裹化（异物膜）；(4)炎症反应；(5)肿物化；(6)坏死。陶瓷作为骨缺损修复材料应具有以下特性：(1)无毒性；(2)无致癌性；(3)无致敏性；(4)不破坏邻近组织；(5)不阻碍骨形成过程；(6)易消毒；(7)易成型；(8)易处理；(9)一定时间后可以形成新骨；(10)具有足够的机械强度，使用中可耐负重。这些对生物陶瓷的研究提出了更为客观的要求。1生物陶瓷的类型医用生物陶瓷又称生物医用非金属材料，是一类化学性能稳定且具有良好生物相容性的材料。1.1微胶囊的制作主要包括普通陶瓷、玻璃陶瓷和碳素陶瓷等无机非金属材料。磷灰石是具有A10(MO4)6X2组成的一类矿物的总称。其中与生物体关系最密切的是羟基磷灰石，分子式为Ca10(PO4)6(OH）。它是脊椎动物的骨和牙齿的主要成分。与生物陶瓷中的其他生物材料相比，这种人工合成陶瓷的机体亲和性最为优良，现在已经用它制成了人造牙根、骨填充材料及人工骨等生物材料。磷酸钙（TCP）的物理性能、可溶性、机体亲和性与羟基磷灰石很相似。TCP和磷灰石在组成、结构及物理性质等方面非常相似。其溶解度比磷灰石要大些，所以其骨置换速度也快。TCP还与金属结合制成人造齿根；TCP粉末充填由牙周病造成的骨缺损。目前，在人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面应用最广泛的是氧化铝陶瓷材料。1977年，应用了单晶氧化铝以后，强度得到了改善，日本的氧化铝人造齿根在世界上首先进入了实用化。用氧化铝制作的髋关节、踝关节、肘关节、腕关节以及指关节等均在应用之中，但是氧化铝陶瓷不仅存在脆性这一弱点，而且还不能直接与骨结合。目前，采用各种方法在金属上涂上骨亲和性高的陶瓷，特别是能和骨发生化学结合的磷灰石，已经制造出更加先进的人工关节。由于二氧化锆对陶瓷具有增韧的作用，其具有优良的力学性能，尤其是断裂韧性远高于氧化铝瓷，Hench报道部分稳定氧化锆陶瓷的抗弯强度可达1000MPa，断裂韧性可达15MPa·m-1/2，氧化锆陶瓷优秀的力学性能主要来自于它的多晶形相变；另一方面，相变使材料内部产生微裂纹，只要微裂纹的尺寸足够小，则均匀分布的微裂纹会起到应力分散的作用，也可以提高材料的韧性。生物玻璃陶瓷因与骨组织亲和性好而得名，是由美国的Hench在1971年发明的。磷酸钙系微晶玻璃是生物玻璃陶瓷中最有希望的。单向取向微晶玻璃的强度比人骨还要大。目前利用微晶玻璃制作人工齿，用铸造的方法，其尺度精确性高，而且颜色和真牙一致。碳素陶瓷材料既不能算纯粹的无机质，也不能算是有机质。1969年，开始用它来制造人工心脏瓣膜，此后用它制作人工脏器的替代材料如人造血管、人造支气管、人造输尿管、人造胆管、人造肌腱、人造韧带、人造骨、人造关节及人造齿根等。Gott等证实了它具有抗血栓性。目前没有单独的一种材料在生物活性及生物力学性能达到我们生物医学工程的需要。所以，复合生物陶瓷的研制吸引了很多研究者的注意力。但是，复合生物陶瓷要能在体内长期有效地存留，即能承受在人体内环境：37℃的盐溶液，并且接受各个方向的机械力负荷，这对于陶瓷来说是很严格的。1.2羟基磷灰石/多孔纤维材料成骨层压的研究一种由致密、无空隙的材料和骨组织结合是通过与组织的黏结或机械锁结，典型的材料有三氧化二铝和二氧化锆；一种由Hulbert和他的合作者提出的多孔材料是通过骨组织的长入孔隙而达到生物锁结，典型的材料有多孔羟基磷灰石和羟基磷灰石涂层的多孔金属，Nade认为孔径的要求最少必须在100～150μm以上，最好在200～400μm之间。孔径太大导致材料的性能下降不符合生物力学要求，太小则不可以保证良好的血供;Lu等研究发现，孔与孔之间的连通孔径要大于50μm才达到血供良好，有利于成骨；第三种是通过材料表面与骨组织直接的化学连接，这类材料有生物活性玻璃、生物活性玻璃陶瓷、致密的羟基磷灰石；第4种是逐步由骨组织替代的可吸收陶瓷，有硫酸钙、磷酸三钙及钙磷酸盐等。2生物陶瓷材料功能活性生物材料的研究1974—1975年，有学者发现羟基磷灰石（HAP）是脊椎动物的骨和齿的主要成分，与医用生物陶瓷中的其他材料相比，这种人工合成陶瓷与机体亲和性最为优良。目前这些人工合成的HAP已作为优良的人工骨材料及组织材料得到了广泛的应用。活性生物陶瓷是一种在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与人体组织形成化学键性结合的材料。目前主要包括羟基磷灰石、磷酸三钙及石膏等可降解吸收陶瓷。它们在生理环境中可被逐渐地降解吸收，并随之为新生组织替代，从而达到修复或替换被损坏组织的目的。随着医用生物陶瓷材料研究的深入，对医用生物陶瓷材料也提出了更高的要求。Edelhoff等研究了过去的医用生物陶瓷材料无论是生物惰性的还是生物活性的，强调的是材料在生物体内的组织力学环境和生化环境的适应性。Sykaras等从材料的组成和表面结构进行了对骨结合的影响研究。而现在组织电学适应性和能参与生物体物质及能量交换的功能已成为生物材料应具备的条件。因此，新近又提出了功能活性生物材料。该材料具有以下特性：(1)模拟人体硬组织成分和结构的生物陶瓷材料。该类材料是将天然有机物（如骨胶原、纤维蛋白以及骨形成因子等）和无机生物材料复合，以改善材料的力学性能和手术的可操作性，并能发挥天然有机物的促进人体硬组织生长的特性；(2)带有治疗功能的复合生物陶瓷材料。主要是指利用骨的压电效应能刺激骨折愈合的特点，人们试图利用压电陶瓷与生物活性陶瓷复合，在进行骨置换的同时，利用生物体自身运动对置换体产生的压电效应来刺激骨损伤部位的早期硬组织生长。另外，将铁氧体与生物活性陶瓷复合，填充在因骨肿瘤而产生的骨缺损部位，利用外加交变磁场，充填物因磁滞损耗而产生局部发热，杀死癌细胞，又不影响周围正常组织，也是研究方向之一。目前，功能活性生物陶瓷的研究还处于探索阶段，临床应用鲜有报道，但其发展应用前景是很光明的。三氧化二钇（Y2O3）稳定的四方相二氧化锆（ZrO2）陶瓷（Y-TZP）因具有很高的室温强度和断裂韧性而引起人们的广泛关注。在制备过程中，为使Y-TZP具有良好的烧结性能和微观结构，这就要求使用的ZrO2(Y2O3）粉体组分分布均匀、颗粒细且分布窄、团聚度低。人们还在探索新的合成方法，如乳浊液法等。纳米氧化锆目前主要作为生物惰性陶瓷使用，用于人工关节，牙科用作烤瓷材料来减小冠的脆性，但研究主要集中在和其他材料复合的增韧作用。3hap-zro2二元体系复合生物陶瓷材料的制备复合生物陶瓷是指生物用复相陶瓷的总称。由多种组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料。因具有特殊的生理学特性，在医学上用于矫形或修复，可植入人或动物体内。必须具备对生理环境的相容性，在长期使用下无毒性，不会带来细菌和导致肿瘤，也不影响免疫力和新陈代谢。通常方法制备的羟基磷灰石人工骨植入物，其强度和韧性都较低，不能满足临床应用要求。Towler运用纳米ZrO2在低温下烧结制备了高致密度的HAP-ZrO2复合生物陶瓷，运用纳米ZrO2降低了烧结温度，保证了HA不会在高温下分解，主相仍为HA相。这种分解常发生在传统的烧结过程中，要求1200℃的烧结温度。而且复合材料的强度高于纯HA。黄传勇等采用化学共沉淀法制备了羟基磷灰石和二氧化锆超细粉。以此为原料，通过不同材料的优化组合，采用烧结法制备了HAP-ZrO2二元体系复合生物陶瓷材料，并通过X线衍射（XRD）、红外光谱分析（FTIR）、透射电镜（TEM）及扫描电镜（SEM）等测试手段揭示了材料的矿物组成及显微结构。HAP-ZrO2二元体系复合生物陶瓷的抗折强度达到120MPa，断裂韧性值为1.74MPa·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2.2MPa·m-1/2。研究结果表明，复合生物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。现在国外已制备出含有ZrO2的纳米羟基磷灰石复合材料，其强度和韧性等综合性能可达到甚至超过致密骨骼的相应性能。通过调节ZrO2与HAP含量，可使该纳米复合人工骨材料具有优良的生物相容性。Silva等研究了机体HA/ZrO2复合生物陶瓷材料的生物学反应，发现该材料的相容性符合植入材料的要求。Xu等用多孔HA/ZrO2复合生物陶瓷复合BMP材料代替自体骨植入椎骨处，发现12周后复合材料成骨后抗拉强度和自体骨无明显差异，证明用多孔HA/ZrO2复合生物陶瓷材料代替自体骨作为骨的移植材料是可行的。Kim等采用多孔的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，氟磷灰石主要是在高温下比较稳定，阻止了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，而且使材料的生物相容性降低。Kim等采用在二氧化锆和羟基磷灰石复合粉体间加入氟化钙，然后烧结成型制成复合生物陶瓷材料，研究发现氟化钙可以阻止两者反应而获得要求的HA/ZrO2复合生物陶瓷材料。Li等用SPS方法在高压下快速烧结制备HA/ZrO2复合生物陶瓷材料，减少了两者之间的反应。而Lee等研究的结果显示，作为涂层HA/ZrO2材料的生物相容性比HA要差，没有观察到HA/ZrO2与骨结合。生物相容性由于ZrO2的加入受到了影响。笔者认为这可能是由于喷涂的工艺使两者发生反应而导致的，所以可以考虑既要增强材料的力学性能，而又不影响材料的生物相容性，就必须阻止ZrO2与HA反应。4