生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體直接相關(guān)的生物、醫(yī)用、生物化學(xué)等的陶瓷材料。生物陶瓷主要是用于人體硬組織修復(fù)和重建的陶瓷材料，與傳統(tǒng)的陶瓷材料不同，它不單指多晶體，而且包括單晶體、非晶體生物玻璃和微晶玻璃、涂層材料、梯度材料、無機(jī)與金屬的復(fù)合、無機(jī)與無機(jī)、無機(jī)與有機(jī)或生物材料的復(fù)合材料。它不是藥物，但它可作為藥物的緩釋載體；它們的生物相容性和磁性或放射性，能有效地治療腫瘤。在臨床上已用于髖、膝關(guān)節(jié)、人造牙根、牙嵴增高和加固、頜面重建、心臟瓣膜、中耳聽骨等，從而在材料科學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)上確立了“生物陶瓷”這一術(shù)語。它涉及材料科學(xué)、生物物理、生物化學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)等，是材料科學(xué)與臨床醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科。艾邦建有醫(yī)用陶瓷產(chǎn)業(yè)微信群，歡迎產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)加入，長按識(shí)別下方二維碼即可加入。
作為生物陶瓷材料，需要具備如下條件：生物相容性，力學(xué)相容性，與生物組織有優(yōu)異的親和性，抗血栓，滅菌性并具有很好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性。應(yīng)用于臨床的生物陶瓷必須是安全無毒的，根據(jù)它們與組織的效應(yīng)，分為三類:
(1) 惰性生物陶瓷，在生物體內(nèi)與組織幾乎不發(fā)生反應(yīng)或反應(yīng)很小，例如氧化鋁陶瓷和藍(lán)寶石、碳、氧化鋯陶瓷，氮化硅瓷等。(2) 活性生物陶瓷，在生理環(huán)境下與組織界面發(fā)生作用，形成化學(xué)鏈結(jié)合，系骨性結(jié)合。如羥基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。(3) 可被吸收的生物陶瓷，這類陶瓷在生物體內(nèi)逐漸降解，被骨組織吸收，是一種骨的重建材料，例如磷酸三鈣等。圖? LithaBone HA 480材料3D 打印骨骼替代物，來源：Lithoz(1) 能承受負(fù)載的矯形材料，用于骨科、牙科及頜面外科的有：Al2O3陶瓷，穩(wěn)定 ZrO2 陶瓷，PE-HA 復(fù)合材料，具有生物活性表面涂層 (HAP、生物活性玻璃、生物微晶玻璃) 的相應(yīng)材料。(2) 種植齒：Al2O3?陶瓷，HAP 陶瓷， HAP-氟聚合物-金屬的復(fù)合材料，生物活性玻璃，活性涂層材料(HAP、生物玻璃)。(3) 牙槽增高：Al2O3陶瓷，HAP 與自身骨的復(fù)合材料，HAP-PLA 復(fù)合材料，生物活性玻璃，自固化磷酸鹽水泥和玻璃水泥。(4) 耳鼻喉科：Al2O3陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃，磷酸鹽陶瓷。(5) 人工肌腱和韌帶：PLA-碳纖維復(fù)合材料。(6) 人工心臟瓣膜：熱解碳涂層(抗凝血，摩擦系數(shù)小)。(7) 可供組織長入的涂層(心血管、矯形、牙、頜面修復(fù))：多孔Al2O3陶瓷。(8) 骨的充填料：磷酸鈣及磷酸鈣鹽粉末或顆粒，β-TCP 顆料。(9) 清除牙周袋：HAP 粉體，HAP-PLA 復(fù)合材料。(10) 重建頜面：Al2O3陶瓷，HAP陶瓷，HAP-PLA 復(fù)合材料，生物活性玻璃。(11) 徑皮端子(腹透)：生物活性微晶玻璃，生物活性玻璃，HAP 陶瓷。(12) 矯形固定器：PLA-碳纖維，PLA-以玻璃為基體的磷酸鹽復(fù)合材料。(14) 眼科(義眼)：生物玻璃，多孔羥基磷灰石。1、生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷通常具有良好的生物相容性與穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，植入生物體后不發(fā)生反應(yīng)或產(chǎn)生極小反應(yīng)。生物惰性陶瓷有氧化鋁、氧化鋯以及醫(yī)用碳素材料等。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵合力較強(qiáng)，具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性。①氧化鋁
氧化鋁(Al2O3)是生物惰性陶瓷中具有代表性的。1933 年 Rock 首先建議將Al2O3陶瓷用于臨床醫(yī)學(xué)。1963 年由 Smith 用于矯形外科。自此以后，Al2O3陶瓷用于人造牙根、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髁骨、中耳聽骨，在臨床上逐漸推廣應(yīng)用，成為醫(yī)用生物陶瓷中的一種重要材料。生物陶瓷使用的是最為穩(wěn)定的α-Al2O3相，其晶型結(jié)構(gòu)為斜方六面體，在人體內(nèi)能夠穩(wěn)定存在，同時(shí)不與強(qiáng)酸強(qiáng)堿發(fā)生反應(yīng)，具有高強(qiáng)度、低磨損率與良好的生物相容性。但隨著陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂紋擴(kuò)展，患者失敗案例也有過報(bào)道，因此，氧化鋁陶瓷材料作為種植體的可靠性仍然需要不斷提高。圖??氧化鋯增韌氧化鋁髖關(guān)節(jié)假肢，來源Nanoe通過在氧化鋁中添加增韌材料，可明顯改善這一現(xiàn)象。其中氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷被證明具有較好的增韌效果，將氧化鋁的穩(wěn)定性和氧化鋯的強(qiáng)度相結(jié)合，一旦出現(xiàn)裂痕擴(kuò)散，氧化鋯顆粒會(huì)產(chǎn)生氣囊效應(yīng)，吸收外界應(yīng)力，板狀晶體抑制裂紋擴(kuò)展，從而增強(qiáng)強(qiáng)度和韌性。圖??氧化鋁增韌機(jī)理，來源CoorsTek②氧化鋯
氧化鋯(ZrO2)是生物陶瓷的另一個(gè)代表，可以用于關(guān)節(jié)處替代物。在機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌性方面，氧化鋯陶瓷要比氧化鋁陶瓷更加優(yōu)異。氧化鋯具有三種晶型，包括：單斜相、四方相與立方相。在低溫環(huán)境下，單斜相是最穩(wěn)定的。在發(fā)生相變的過程中會(huì)產(chǎn)生體積變化，亞穩(wěn)態(tài)四方相在轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕鄷r(shí)，會(huì)發(fā)生體積增大，這一現(xiàn)象會(huì)阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。在氧化鋯三種晶型中，四方相具有較好的力學(xué)強(qiáng)度，能夠滿足生物陶瓷在力學(xué)強(qiáng)度的要求，所以在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。到目前，亞穩(wěn)態(tài)氧化鋯由于其優(yōu)越的韌性特性與力學(xué)強(qiáng)度，逐漸成為氧化鋁的代替材料。向氧化鋯中添加氧化釔，能夠形成穩(wěn)定的四方相或者立方相，阻止其向單斜相的轉(zhuǎn)變。對(duì)于釔穩(wěn)定氧化鋯生物陶瓷材料，植入患者體內(nèi)后具有很好的斷裂韌性。氧化鋯骨科植入物的使用可以減少摩擦力和聚乙烯碎屑的出現(xiàn)，并且摩擦性能比氧化鋁更優(yōu)越。生物吸收材料是一種暫時(shí)性的骨替代材料。植入體內(nèi)后材料逐漸被吸收，同時(shí)新生骨逐漸長入而替代之。這種效應(yīng)也稱之為降解效應(yīng)。生物降解(可吸收)陶瓷在臨床上主要用作治療臉部和頜部的骨缺損，填補(bǔ)牙周的空洞及與有機(jī)或無機(jī)物復(fù)合制作人造肌腱及復(fù)合骨板，還可作為藥物的載體。最早應(yīng)用的降解材料是石膏。1892 年Dreesman 第一次用石膏作骨填充材料。石膏的生物相容性較好，但吸收速度太快，通常在新骨未長成就消耗殆盡，造成塌陷，因此在許多情況下是不成功的。目前廣泛應(yīng)用的生物降解陶瓷為β-三磷酸鈣(β-TCP)，是一種可以緩慢降解的陶瓷，具有良好的生物相容性并在骨科領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但機(jī)械強(qiáng)度偏低，經(jīng)不起力的沖擊。將β-TCP與其他材料混合制成雙相或多相陶瓷，是提高其力學(xué)強(qiáng)度的方法之一。從理論上講，可降解生物材料是較理想的生物修復(fù)材料。因?yàn)椴牧显谏矬w內(nèi)被逐漸吸收，從而被新生骨組織替代，達(dá)到安全、永久的骨重建。但因磷酸鈣陶瓷的初始機(jī)械強(qiáng)度低，應(yīng)用受限制，加之降解速度還是較難控制，其產(chǎn)骨性和骨誘導(dǎo)性也不強(qiáng)，常會(huì)出現(xiàn)溶解速度與新骨生長速度不匹配，導(dǎo)致局部塌陷。3、生物活性陶瓷
生物活性陶瓷通常指能夠通過化學(xué)鍵的形式和骨組織、軟組織互相結(jié)合的陶瓷材料。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷等。①羥基磷灰石(HA)
羥基磷灰石（hydroxyapatite，HA）組成與天然磷灰石礦物相近，是人體骨骼和牙齒的主要成分，其化學(xué)式是 Ca10(PO4)(OH)2，密度為 3.16 g/cm3。HA有良好的生物相容性，植入體內(nèi)不僅安全無毒，還能傳導(dǎo)骨生長，作為骨代替物被用于骨移植。②生物玻璃陶瓷
生物玻璃陶瓷的主要成分是?CaO-Na2O-SiO2，比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發(fā)生化學(xué)結(jié)合。它具有區(qū)別于其他生物材料的獨(dú)特屬性，能在植入部位迅速發(fā)生一系列表面反應(yīng)，最終導(dǎo)致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內(nèi)，無排斥、炎性及組織壞死等反應(yīng)，能與骨形成骨性結(jié)合；與骨結(jié)合強(qiáng)度大，界面結(jié)合能力好，并且成骨較快。目前此種材料已用于修復(fù)耳小骨，對(duì)恢復(fù)聽力具有良好效果。但由于強(qiáng)度低，只能用于人體受力不大的部位。生物惰性陶瓷與生物活性陶瓷兩者的區(qū)別在于是否能夠在骨與陶瓷之間形成一個(gè)整體。當(dāng)生物惰性陶瓷植入患者體內(nèi)，軟組織會(huì)與其發(fā)生作用，致新骨內(nèi)生長與結(jié)合。生物活性陶瓷能夠產(chǎn)生新骨，但是與生物惰性陶瓷相比，其力學(xué)性能較差。1.醫(yī)用生物陶瓷及臨床應(yīng)用，曾紹先2.生物陶瓷3D打印技術(shù)研究進(jìn)展與趨勢(shì)，王真,等.
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