氧化鋯復合生物陶瓷用于人體硬組織修復的研究進展

氧化鋯陶瓷是一種應用十分廣泛的工程陶瓷材料，它具有良好的物理和化學性能，其應用涉及到功能材料、復合結構材料、國防工業、紡織工業、能源工業和航空航天等領域。它屬于生物惰性陶瓷，不僅具有高強度和高韌性，而且具有良好的生物相容性和耐腐蝕性，是一種優良的人體硬組織修復材料。近年來氧化鋯作為增強增韌第二相材料，在人體硬組織修復體方面取得了較大的進展。本文將氧化鋯復合生物陶瓷用于人體硬組織修復的研究進展綜述如下。

1 氧化鋯復合生物陶瓷用于人體硬組織修復的研究現狀

1．1 氧化鋯復合生物陶瓷在骨修復中的應用

1．1．1 羥基磷灰石(Hydroxyapatite，HAP)／氧化鋯復合生物陶瓷：HAP是脊椎動物骨和齒的主要無機成分，結構也非常相近。能與人體骨組織發生化學結合，具有良好的生物相容性，無毒、無致畸、致敏及致癌等副作用，被認為是最有前途的陶瓷人工齒和人工骨置換材料。因為該材料受到本身脆性高、抗折強度低的限制，因此它在醫學上的應用僅限于小的非承載種植體、粉末、涂層和低承載的多孔種植體。為了擴大其應用范圍，人們采用在HA中添加第一一：相來改善其力學性能。四方氧化鋯具有相變增韌效果、良好的生物相容性和較高的強度，且比氧化鋁具有更好的韌性，與HA的膨脹系數也接近。所以，利用部分穩定氧化鋯的相變增韌作用來提高HA材料強度和韌性是最佳選擇。

唐月軍等探討了HA－氧化鋯復合陶瓷作為骨缺損替代材料的可行性，在人工代血漿及平衡液中，模擬體內環境及升高溫度對材料進行了降解實驗。實驗結果表明HA－氧化鋯復合陶瓷具有較好的生物相容性。徐衛國等研究也表明，HA－氧化鋯復合陶瓷生物活性好，含20wt％Y－氧化鋯增韌HA陶瓷斷裂韌性和彎曲強度，相當于人體致密骨，是較為理想的長骨大段骨缺損的骨移植替代材料。HA－氧化鋯體系中，氧化鋯含量的增加有助于材料力學性能的提高，但是會降低材料的生物活性。Zafer Evis研究發現HA－氧化鋯體系在1100℃和1300℃無壓燒結過程中，隨著氧化鋯的增加，HA降解量增加；這是因為在HA和氧化鋯之間發生了Ca和氧化鋯的交換。較大的氧化鋯。引起了HA結構的溶脹，產生的張力增加了HA的降解率。降解產生的水分使燒結體的孔隙增加。這會影響材料的致密性，必將會對材料的力學性能產生不利的影響。

為了解決此問題，人們進行了更加深入的研究。劉繼進等在HA－氧化鋯復合材料中加入CaF，實驗結果表明，氟部分能取代羥基磷灰石的OH，形成了氟羥基磷灰石FHA，提高HA－氧化鋯的熱穩定性和燒結性能，從而改善了HA－氧化鋯復合材料的力學性能。Hongbo Guo，Xigeng Miao等采用放電等離子燒結(Spark Plasma Sintering，SPS)技術對復合陶瓷進行了燒結，研究發現，SPS能在很短的時間內使復合陶瓷達到較高的致密度，1200℃燒結后，HA－YSZ復合陶瓷的顯微硬度達到9GPa，楊氏模量達到160GPa，斷裂強度達到200MPa，遠遠地超過了單一HA陶瓷。肖秀峰等采用水熱電化學法制備的HA／zr02復合涂層結合強度高，生物活性好。倪軍等在正丁醇介質采用電泳沉積制備了外形較好的HA－Ti－Y2Q／氧化鋯復合涂層。王周成等采用電泳沉積法在鈦合金表面制備了YSZ／HAp納米復合涂層。隨著研究的深入，HA－氧化鋯復合陶瓷在承重修復領域將占據重要地位。

1．1．2 生物活性玻璃陶瓷(Bloaetlve GlassCeramic，BGC)／氧化鋯復合生物陶瓷：BGC是一種新型的具有生物活性的鈣磷骨替代材料，通過界面反應，它能與骨組織和軟組織形成親密的化學鍵結合。臨床應用研究表明，脆性大是此材料的最大弱點，增強其韌性是其進入臨床推廣應用的重要環節。通過添加機械性能良好的氧化鋯粒子對BGC改性，能提高材料的力學性能，擴大其在承重修復領域的應用。

Bosetti等用生物活性玻璃包覆氧化鋯，體外測試表明，復合體能與骨形成良好結合。Verne通過粘流燒結法制各的含氧化鋯20wt％的BGC／氧化鋯復合陶瓷，既具有BSC的生物活性，又具有氧化鋯可靠的機械性能。Kasuga T通過熱壓工藝將氧化鋯與MgO－CaO－P2O－Si玻璃混合，四方多晶氧化鋯的存在提高了復合陶瓷的彎曲強度和斷裂韌性，經模擬體液(SPS)浸泡試驗，強度也沒有發生退化。同時Kasuga還考察了氧化鋯增韌玻璃復合陶瓷在生物體內的穩定性。此復合陶瓷移植狗皮下組織12周后，材料的強度都沒有退化。黃孝龍等研究了Y－PSZ／BGC復合陶瓷材料力學性能和生物學磨損性能，BGC的加入量在10％～15％(質量分數)，復合陶瓷的納米力學性能最佳，同超高分子量聚乙烯配副時的摩擦因數和磨損率也最小。

1．2 氧化鋁復合生物陶瓷在牙科修復中的應用

1．2．1 玻璃離子粘固劑(glass lonomer cement，GIC)／HA－氧化鋯復合生物陶瓷：GIC是由Wilson和Kent20世紀60年代晚期首先發明的，它由丙烯酸水溶液和可酸解的氟代鋁硅酸玻璃粉組成。能與牙釉質、牙本質發生粘附，同時釋放氟化物，預防齲齒，應用于臨床牙科已超過30年。但是其脆性和較差的耐磨損性限制了它進一步的應用，為了解決這些問題，研究者們進行了廣泛的研究。Jan，Van Dijken對樹脂修飾的GIC在臨床上的應用進行了研究統計，發現其擁有更好的臨床保持力，年失敗率僅為2％。Kawano等研究表明短纖維強化的GIC擁有更高的強度。Milanita Lucas認為添加HA的玻璃離子粘固劑是一種可靠的修復材料，它具有改良的斷裂韌性、長期的牙質粘附力和持續穩定的氟化物釋放能力。綜合比較各種改良方法，將納米HA／氧化鋯填充到GIC中是一種較好的選擇。HA能進一步改善生物相容性，氧化鋯與玻璃和HA粒子相比，擁有高強度，高模量和高硬度等優點。Gu等研究發現，HA提高了復合陶瓷與周圍骨和連接組織的生物相容性和生物活性，復合了4、12vol％HA／氧化鋯的GIC比最初的GIC呈現更好的機械特性，且HA／氧化鋯－GIC的機械特性比HA－GIC要好很多。

1．2．2 復合生物陶瓷：ZA陶瓷因為優良的力學性能、生物相容性和較好的美觀性廣泛應用于牙科全瓷修復。目前已有多種系列的全瓷修復材料面世(如Procera Allceram、Vita In－Ceram、IPS·Empress 2和GI·Ⅱ等)，其中VITA公司生產的In－Ceram系列是迄今應用于臨床最為成功的全瓷系列。In－Ceram陶瓷屬于氧化鋯增韌的陶瓷(Zirconia Toughed Alumina，ZTA)，它擁有足夠的力學性能，可用于后牙冠橋修復。

要獲得優良的陶瓷材料，其陶瓷粉體的性能和燒結加工技術都是重要的影響因素。柴楓等探討氧化鋯粉體微觀粒度、級配與材料增韌補強效果之間的關系，期望通過改變氧化鋯粉體的性能來獲得更加優良的修復材料。梁曉峰等利用等靜壓技術制備了高密度的牙科氧化鋯陶瓷坯體，提高了成型效率，改善陶瓷的燒結性能。Dakskobler等也發現高致密度的坯體經等靜壓處理后的燒結體的斷裂韌性和Weibull模量得到提高。通過添加HA，可以使zA陶瓷的生物相容性得到極大加強。Young－Min Kong研究發現，通過Pechini法制備的ZA－HA陶瓷比傳統混合的ZA－HA陶瓷具有更高的彎曲強度。體外成骨細胞測試表明，ZA－HA納米復合陶瓷對細胞反應的增殖和分化隨HA的增加而逐漸增加。通過機械和生物學評估，30vol％HA＋70vol％ZA的復合陶瓷最適宜應用于承重修復方面。

針對氧化鋯致密燒結體難以應用CAD／CAM系統直接加工的問題，人們進行了研究。包廣潔等通過向ZTA陶瓷添加復合添加劑進行液相燒結，獲得了適宜CAD／CAM加工的牙科陶瓷。趙華等通過改變磷酸鈣／氧化鋯復合體系中磷酸鈣含量可以獲得高密度的適于CAD／CAM加工的口腔修復材料。張保衛等研究發現磷酸鑭含量可以增加氧化鋯／磷酸鑭復相陶瓷可切削性能并降低其機械性能，18％磷酸鑭含量氧化鋯／磷酸鑭復相陶瓷采用冷等靜壓(200MPa)成型，空氣中常壓在1580℃燒結，可以得到致密的復合陶瓷，具有較佳的綜合力學性能。

2 需要進一步解決的問題

氧化鋯作為第二相添加劑，極大地改善了復合材料的力學性能，在實際臨床應用中獲得成功。但是氧化鋯復合生物陶瓷要想在硬組織修復領域有更大的發展，必需在以下幾方面有所突破：①降低成品成本：由于氧化鋯的高強、高韌和耐高溫性，導致其燒結溫度高，加工成型較復雜；②研究范圍有待擴大：針對氧化鋯復合陶瓷在人體不同部位的應用，應充分考慮應用的環境，對修復體的長期行為和相關機理進行研究；③修復體的綜合性能還有待進一步加強。除了滿足功能性要求外，修復體還要在美觀性方面滿足要求。