醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的研究進(jìn)展

鐘 萍(綜述)，徐南偉(審校)

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬常州市第二人民醫(yī)院脊柱外科，江蘇 常州 213003)

隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，生物材料的研究也掀起了很大的研究浪潮并取得了相關(guān)的成果。生物醫(yī)用材料可分為硬組織材料(骨骼、牙齒、關(guān)節(jié)、金屬支架)和軟組織材料(人工皮膚、人工氣管、人工血管等)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1995年全球生物醫(yī)用材料市場(chǎng)[1]已達(dá)120億美元，而目前臨床骨科用量較大的像人工關(guān)節(jié)、固定骨折的內(nèi)固定鋼板、鋼棒、髓內(nèi)釘、螺釘以及外固定支架等占有較大的比例，正因?yàn)橛步M織替換材料的應(yīng)用推廣，臨床需求量大，已逐漸成為目前開(kāi)發(fā)和研究的重點(diǎn)。碳/碳復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)合材料,是一種新型的超高溫復(fù)合材料[2]。目前已廣泛用于航天飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件、發(fā)動(dòng)機(jī)，飛機(jī)及賽車的剎車裝置等[3]。碳/碳復(fù)合材料種類多、性能各異,醫(yī)用碳單質(zhì)材料被認(rèn)為是目前已知材料中生物相容性最好的材料[4]。碳/碳復(fù)合材料克服了單一碳材料的脆性,繼承了碳材料固有的生物相容性,兼有高韌性、高強(qiáng)度、力學(xué)性能耐疲勞、質(zhì)量輕、具有一定的假塑性、微孔有利于組織生長(zhǎng),特別是它的彈性模量與人骨相當(dāng),能夠克服其他生物材料的不足,是潛在的骨替代和修復(fù)的生物材料。碳/碳復(fù)合材料應(yīng)用于臨床已開(kāi)展了相關(guān)的研究。國(guó)內(nèi)最早臨床用碳質(zhì)人工骨是由吉林碳素廠研究所提供的，截止1989年底，他們已進(jìn)行了50例碳/碳人工頜骨及顳頜關(guān)節(jié)的置換，隨訪時(shí)間最長(zhǎng)8年，最短1年，5年以上37例，成功率為94%[5]。而國(guó)際上對(duì)用于人工硬組織替換的碳/碳復(fù)合材料研究比較有進(jìn)展的是俄羅斯、法國(guó)和美國(guó)。國(guó)外有研究表明，碳/碳材料植入人體內(nèi)后可以防止血栓的形成[6]。亦有該材料用于人工氣管修復(fù)方面的研究報(bào)道[7]。該文就醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的研究進(jìn)展予以綜述。

1 醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的制備

目前工業(yè)用碳/碳復(fù)合材料制備方法較多，較成熟，結(jié)合工業(yè)技術(shù)及國(guó)家人體植入物標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的制備首先由碳纖維[8]在平面、垂直方向通過(guò)編織工藝，整體貫穿成一體，獲得碳纖維三維立體物，然后結(jié)合化學(xué)氣相法和液相浸漬-碳化法，這兩種方法分別采用低分子氣體和樹(shù)脂得到基體碳，將這兩種方法得到的基體碳固化入預(yù)制體中，獲得密度均勻的碳/碳復(fù)合材料。因?yàn)槭怯糜谌梭w，最主要的問(wèn)題是去除其中的雜質(zhì)，尤其是對(duì)人體有毒性的元素，所以更好的制備方法仍在進(jìn)一步研究中。

2 醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的特性

2.1在生物體內(nèi)穩(wěn)定且生物安全性好 相對(duì)于金屬內(nèi)植入物，碳/碳復(fù)合材料具有更佳的體內(nèi)穩(wěn)定性和生物安全性，碳/碳復(fù)合材料屬生物惰性材料，不易與人體組織發(fā)生反應(yīng)，能耐受體內(nèi)酸堿環(huán)境的變化，不易變性，而金屬植入物的金屬顆粒脫落，進(jìn)而沉積在人體的某些器官，被細(xì)胞吞噬，可能會(huì)引起機(jī)體中毒或其他的不良反應(yīng)。碳作為人體的成分之一，碳質(zhì)人工材料已在骨骼、肌腱、血管、齒根、心臟瓣膜等諸多方面獲得應(yīng)用，并體現(xiàn)了良好的安全性。碳/碳復(fù)合材料表面也會(huì)有顆粒的脫落，而這些顆粒會(huì)被附近組織中的巨噬細(xì)胞或淋巴細(xì)胞吞噬，但它對(duì)機(jī)體的功能沒(méi)有影響，這也是該材料的優(yōu)勢(shì)之一。目前國(guó)內(nèi)已有研究小組根據(jù)人體植入物的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)碳/碳復(fù)合材料進(jìn)行血液、肌肉、軟組織及骨骼等進(jìn)行一系列安全性研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其無(wú)全身毒性，機(jī)體對(duì)該材料的相容性及耐受性均達(dá)標(biāo)，因此可應(yīng)用到臨床醫(yī)學(xué)中[9]。國(guó)外已開(kāi)展的短期臨床研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.2生物相容性好 相對(duì)于其他生物材料，碳/碳復(fù)合材料由碳構(gòu)成，更貼近人體的成分，這也決定了其優(yōu)良的生物相容性，目前基礎(chǔ)和臨床的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)。碳/碳復(fù)合材料植入機(jī)體后，血小板能很好的黏附上去，而纖維蛋白原及紅細(xì)胞卻很少黏附，導(dǎo)致不能凝血，具備一定的抗凝性。將碳/碳復(fù)合材料植入機(jī)體一段時(shí)間后，機(jī)體內(nèi)軟組織和該材料能緊密結(jié)合，有很好的親和作用，而且隨著軟組織的結(jié)合，表皮能進(jìn)一步的生長(zhǎng)，這與金屬植入物相比，具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在硬組織修復(fù)方面，該材料同樣具有良好的生物相容性，有研究將碳/碳復(fù)合材料用于大鼠股骨的情況，結(jié)果表明骨皮層組織的適應(yīng)性良好，在碳/碳復(fù)臺(tái)材料與骨之間沒(méi)有出現(xiàn)炎性反應(yīng)，也沒(méi)有軟組織層的出現(xiàn)。兩者結(jié)合的較緊密，而金屬植入物和骨之間一般有軟組織的出現(xiàn)，有時(shí)甚至出現(xiàn)排異反應(yīng)，這反映了碳/碳與骨組織間良好的親和性[10-11]。經(jīng)顯微分析可觀察到碳/碳的凹凸表面與骨組織結(jié)合得很緊密，有骨組織長(zhǎng)入碳/碳復(fù)合材料中，表明該材料和機(jī)體復(fù)雜的內(nèi)環(huán)境有較好的相容性。

2.3彈性模量和骨相近且具有高強(qiáng)度、高韌性 在骨科內(nèi)植入物方面，目前合金材料的使用量非常大，使用的時(shí)間也比較長(zhǎng)，針對(duì)這方面材料的臨床研究比較成熟，它能提供堅(jiān)強(qiáng)的支撐和固定作用，它的彈性模量和人體骨骼的彈性模量相差較大，植入人體后，會(huì)產(chǎn)生“應(yīng)力遮擋”效應(yīng)，一方面骨折易延遲愈合，且材料周圍骨骼易吸收，同樣內(nèi)固定材料容易斷裂，給患者帶來(lái)極大的痛苦。而碳/碳復(fù)合材料由于其增強(qiáng)體和基體均由碳構(gòu)成，碳/碳復(fù)合材料的彈性模量[12]為45～47 GPa，相比鈷鉻合金的彈性模量(240 GPa)、不銹鋼的彈性模量(200 GPa)、鈦合金的彈性模量(120 GPa)，與人體骨骼的彈性模量(10～40 GPa)非常相近，具有非常良好的應(yīng)力傳遞能力，可避免“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)的發(fā)生。另外碳/碳材料強(qiáng)度也非常高，在工業(yè)上已有應(yīng)用，它同樣能滿足人體對(duì)硬組織替換物強(qiáng)度的要求，是一種潛在的有優(yōu)勢(shì)的人體骨骼替換材料，隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，個(gè)性化碳/碳復(fù)合材料植入物的成功研發(fā)也是可行的。

2.4射線下透明且磁共振下無(wú)偽影 自碳質(zhì)人工心臟瓣膜研究成功以來(lái)，基于其優(yōu)良的生物相容性，該瓣膜成為迄今為止應(yīng)用于人體內(nèi)最成功的碳材料假體[13]。判斷人工心臟瓣膜的工作狀況，必須借助影像學(xué)技術(shù)。鑒于碳材料在射線下是透明的，所以一定量的重金屬鎢加入了人工心臟瓣膜中。這樣就可以借助于射線觀察機(jī)械心瓣的活動(dòng)，碳/碳材料這一特性在心臟外科應(yīng)用中可能是個(gè)弱勢(shì)，但在骨科臨床中，特別是在脊柱外科中，卻是它的優(yōu)勢(shì)所在。脊柱外科使用磁共振檢查的頻率較高，磁共振主要是用于判斷脊髓及其周圍組織的信號(hào)變化，在使用CT或磁共振檢查時(shí)，金屬植入物會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的偽影，而偽影不利于臨床醫(yī)師對(duì)疾病作出更好的判斷，該問(wèn)題已困擾臨床醫(yī)師多年，基于該材料的特性，將它制成假體植入人體后，在CT和磁共振檢查中不會(huì)有偽影產(chǎn)生，困擾臨床醫(yī)師多年的偽影問(wèn)題有望得到解決。而不銹鋼、鈦合金、鈷鉻鉬合金等假體的植入后在普通X線檢查有明顯的優(yōu)勢(shì)，也可以在碳/碳材料中加入少量的金屬元素，使其能夠通過(guò)普通X線來(lái)判斷、評(píng)估臨床效果，同時(shí)也不影響CT或磁共振的檢查，這是研究者所期待的在影像學(xué)方面有優(yōu)良表現(xiàn)的材料。

2.5成骨細(xì)胞長(zhǎng)入良好 臨床骨科植入物一方面需要有較高的強(qiáng)度，另外需于機(jī)體有良好的交互作用，這主要體現(xiàn)在機(jī)體骨細(xì)胞對(duì)材料的反應(yīng)性上，這樣才能達(dá)到優(yōu)良的整合作用及持續(xù)的穩(wěn)定性。現(xiàn)有的臨床研究已表明，鈷鉻鉬合金、不銹鋼、鈦合金植入人體后，有骨細(xì)胞的長(zhǎng)入，但與骨組織接觸面中間有結(jié)締組織，這樣成骨細(xì)胞和金屬材料的黏附力下降，影響了材料周圍新生骨的產(chǎn)生，它們之間的結(jié)合牢固性降低。有研究表明，碳/碳復(fù)合材料表面成骨細(xì)胞能長(zhǎng)入，相對(duì)于金屬材料而言更有優(yōu)勢(shì)，能與人體骨骼更好的結(jié)合，增強(qiáng)牢固程度，可與機(jī)體更好的融合在一起[14]。其原因與碳/碳材料本身特性有關(guān)，基于碳材料是人體組成之一，另外該材料表面和內(nèi)部有微孔，利于骨長(zhǎng)入，對(duì)于骨長(zhǎng)入有誘導(dǎo)作用，通過(guò)工藝技術(shù)可適當(dāng)調(diào)整材料內(nèi)部孔徑，使得骨長(zhǎng)入的程度不同，同樣可以調(diào)整材料的維度以及表面的粗糙度來(lái)刺激成骨細(xì)胞，誘導(dǎo)成骨細(xì)胞能更好的長(zhǎng)入該材料，而未來(lái)若能將該材料塑性成骨小梁結(jié)構(gòu)，可更好地使成骨細(xì)胞長(zhǎng)入。

3 醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的表面改性

醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料有很多的優(yōu)勢(shì)，它的研究也已經(jīng)進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間，而目前在臨床的使用很少，制約其臨床應(yīng)用的主要原因是該材料植入人體后表面摩擦導(dǎo)致碳顆粒的脫落，雖然該顆粒對(duì)機(jī)體無(wú)毒性及功能影響，但有黑膚效應(yīng)產(chǎn)生。另外，該材料屬生物惰性材料，將其植入體內(nèi)后，由于固定周期長(zhǎng)，且不能與骨形成化學(xué)鍵合[15]。因此，必須對(duì)其進(jìn)行表面改性，一方面使得其具備生物活性，另外可以減少表面脫落顆粒在體內(nèi)的游走，避免產(chǎn)生黑膚效應(yīng)。

目前植入人體內(nèi)的鈦合金表面涂層主要有羥基磷灰石(hydroxyapatite，HA)涂層，在臨床上應(yīng)用也比較成熟，其他的涂層也有報(bào)道，如碳/碳復(fù)合材料表面碳化硅涂層的報(bào)道，而研究較多的還是HA涂層，該涂層主要使用等離子噴涂法，目前已商用[16-17]。現(xiàn)在生物活性涂層的制備技術(shù)很多,主要有以下幾種。①等離子噴涂法[18]：等離子噴涂方法不能在復(fù)雜表面上獲取均勻的HA涂層，涂層的覆蓋性差，且等離子噴涂設(shè)備復(fù)雜，涂層制備的成本高。該方法在碳/碳表面制備的HA涂層結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，不能滿足體內(nèi)植入要求。②電化學(xué)法[19]：該涂層的致密度和均勻性均得到改善，但致密度仍不高,內(nèi)聚強(qiáng)度不高，通過(guò)該工藝制備HA涂層的結(jié)合強(qiáng)度已至極限，涂層與臨床應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)仍有差距。③感應(yīng)熱沉積法：工藝簡(jiǎn)單，涂層可均勻覆蓋在基體表面,解決了碳/碳復(fù)合材料基體與HA涂層間的結(jié)合強(qiáng)度難題，是一種值得繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)的新技術(shù)。④仿生法：涂層可均勻覆蓋在材料表面，涂層成分更接近于人體骨無(wú)機(jī)質(zhì),具有較高的生物相容性和骨性結(jié)合能力。因此，此類涂層研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，但仍需解決內(nèi)需強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。目前這些方法多用于生物陶瓷、不銹鋼、鈦及其合金等生物材料的表面改性[17]。在碳/碳復(fù)合材料HA改性方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了一些有益的探討。具有HA涂層的碳/碳復(fù)合材料能否進(jìn)入臨床應(yīng)用的關(guān)鍵是兩者的結(jié)合強(qiáng)度。

在臨床特別是骨科，首先強(qiáng)調(diào)涂層的生物活性，HA在其他材料的臨床使用中已得到肯定；其次就是涂層在材料表面的均勻性，以便與機(jī)體更好的整合；再次就是材料表面能形成很致密的一層，這樣可以防止材料內(nèi)部顆粒的散落；還有就是涂層本身的強(qiáng)度及與材料的結(jié)合牢固程度，涂層本身的強(qiáng)度越大，就越不易磨損，與材料的結(jié)合牢固越大，涂層就越不容易脫落，這樣達(dá)到材料與涂層的完美結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，在人體內(nèi)更好地發(fā)揮作用。目前新的技術(shù)方法也在不斷研究和探索中，期待并相信會(huì)有更好的方法能被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到應(yīng)用和推廣。

4 展 望

與金屬和陶瓷等承重骨替換材料在臨床中的應(yīng)用相比，碳/碳復(fù)合材料有鮮明的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有劣勢(shì)，而且有些還只是停留在理論階段，碳/碳復(fù)合材料的醫(yī)用研究還存在著許多急需解決的問(wèn)題。盡管基礎(chǔ)研究或動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已開(kāi)展，但目前國(guó)內(nèi)外專用于臨床的碳/碳復(fù)合材料的研究報(bào)道仍很少，其在人體內(nèi)的長(zhǎng)期效應(yīng)報(bào)道更少，目前主要用于工業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)前急需解決的問(wèn)題是碳/碳材料表面的顆粒易脫落以及表面涂層的改性。因此，更應(yīng)該加大對(duì)碳/碳復(fù)合材料的基礎(chǔ)和臨床研究，以便這一極具潛力的生物材料[20]能夠早日應(yīng)用到臨床工作中，解決目前臨床工作中的一些問(wèn)題，為患者帶來(lái)更多的益處。

[1] Sui J,Li M,Lü Y.Progress of researches on carbon/carbon composites used in human loaded bones[J].Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi,2004,21(4):686-689.

[2] 李翠云,李輔安.碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].化工新型材料,2006,34(3):18-20.

[3] Liao X,Li H,Xu W,etal.Effects of tensile fatigue loads on flexural behavior of 3D braided C/C composites[J].Com Sci Technol,2008,68(2):333-336.

[4] 熊信柏,李賀軍,黃劍鋒,等.醫(yī)用碳材料對(duì)骨組織的響應(yīng)及其生物活化改性[J].稀有金屬材料與工程,2005,34(4):515-520.

[5] 王亮,胡明,陳明釗.碳-鈦組合式人工股骨頭的應(yīng)用前景[J].中國(guó)組織工程研究與臨床康復(fù),2009,13(22):4309-4312.

[6] Baquey C,Bordenave L,More N,etal.Biocompatibility of carbon-carbon materials:blood tolerability[J].Biomaterials,1989,10(7):435-440.

[7] Liu X,Jiang ZY,Qin Y.Carbon-carbon materials and composites for experimental tracheal reconstruction[J].Zhonghua Er Bi Yan Hou Tou Jing Wai Ke Za Zhi,2010,45(8):669-673.

[8] 曹寧,李木森,馬泉生,等.醫(yī)用碳/碳復(fù)合材料的制備及骨組織相容性研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2007,37(1):1-5.

[9] 倪昕曄,湯曉斌,林濤,等.碳/碳復(fù)合材料的生物學(xué)安全性評(píng)價(jià)研究[J].國(guó)際生物醫(yī)學(xué)工程雜志,2012,34(6):340-343.

[10] Wang G,Yu S,Zhu S,etal.Study on implant material of carbon/carbon composites[J].Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi,2010,27(6):1286-1291.

[11] Wang GH,Yu S,Zhu SH,etal.Biological properties of carbon/carbon implant composites with unique manufacturing processes[J].J Mater Sci Mater Med,2009,20(12):2487-2492.

[12] Cao N,Wang Q,Dong J,etal.Characterization and biological behavior of a carbon fiber/carbon composite scaffold with a porous surface for bone tissue reconstruction[J].New Carbon Materials,2010,25(3):232-236.

[13] 楊長(zhǎng)偉,賀石生,李明,等.鈦合金植入物與磁共振檢查[J].國(guó)際骨科學(xué)雜志,2008,29(5):291-292.

[14] 張磊磊,李賀軍,李克智,等.碳/碳復(fù)合材料表面粗糙度對(duì)成骨細(xì)胞生長(zhǎng)行為的影響[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2008,23(2):341-345.

[15] 翟言強(qiáng),李克智,李賀軍,等.碳/碳復(fù)合材料表面改性及其生物響應(yīng)特性[J].材料工程,2006(4):60-66.

[16] 隋金玲,吳波,周海,等.碳/碳復(fù)合材料基體上羥基磷灰石涂層的體外生物活性[J].機(jī)械工程材料,2011,35(8):16-18.

[17] 熊信柏,曾燮榕,萬(wàn)怡灶,等.碳/碳復(fù)合材料表面制備羥基磷灰石涂層的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程材料,2009,33(7):1-4.

[18] Sui J,Li M,Lü Y,etal.Hydroxyapatite bioactive coating on carbon/carbon composites[J].Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi,2005,22(2):247-249.

[19] Zhu GY,Huang JF,Cao LY,etal.Preparation of hydroxyapatite coatings on carbon/carbon composites by a hydrothermal electrodeposition process[J].Key Engineering Materials,2008，372:1238-1240.

[20] Xu WF.Biocompatibility and Medical Application of Carbon Material[J].Key Engineering Materials,2011,452:477-480.