硬組織修復材料的力學性能研究

摘 要：硬組織修復材料是臨床上需求最大的材料之一，研究生物硬組織材料的力學性能對于治療骨科和口腔疾病具有重要意義。本文針對硬組織材料的不同材質的力學性質進行綜述，包括金屬材料、生物陶瓷材料、高分子材料和復合材料的力學性質。

關鍵詞：硬組織材料；力學性能；復合材料

現代社會，由于交通事故、運動創傷、疾病以及人口老齡化等原因，越來越多的患者需要進行硬組織修復手術，因此，硬組織修復材料成為臨床上需求量最大的材料之一。為滿足這一需求，圍繞新型硬組織修復材料的研發和技術成為目前研究的熱點[1]。

1 硬組織材料的分類

硬組織修復材料照屬性劃分主要有四大類，即金屬材料（Biomedical Metallic Materials）、生物陶瓷材料（Biomedical Ceramics）、高分子材料（Biomedical Polymer）和復合材料（Biomedical Composites）。

1.1 金屬材料

醫用金屬材料發展較早，在生物材料領域具有舉足輕重的地位，其強度和韌性較高，耐磨性、可鍛性、耐腐蝕性和再現性好，是承受較高貨載的硬組織材料的修復和替換的首選材料，主要用于骨和牙齒等的修復 。目前，應用較多的金屬材料主要有Co-Cr合金、鈦合金和316L不銹鋼三大類。從表1中可以看出不同合金的機械性能各有特點，不銹鋼易于加工；鈷鉻合金的耐磨性比鈦合金好；鈦合金具有比強度高、生物相容性好、耐腐蝕性等特點[2]。

1.2 生物陶瓷材料

生物陶瓷材料的穩定性和生物相容性良好，與醫用金屬材料相比，具有良好的耐高溫、耐腐蝕、抗氧化性和很高的機械強度等性能，分為惰性生物陶瓷材料和活性生物陶瓷材料。典型的惰性生物陶瓷如氧化物陶瓷（Al2O3、ZrO2）等，其主要性能參數如表2所示[2]。生物活性陶瓷是指在生理環境中能與組織細胞界面形成化學鍵合的生物陶瓷材料，主要包括羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）和磷酸三鈣（tricalcium phosphate，TCP）為代表的磷酸鈣（calcium phpaphate， Ca-P）陶瓷、生物玻璃陶瓷等。羥基磷灰石生物相容性良好，但是其力學性能欠佳，脆性大，韌性較差，如表3所示[3]；A-W生物活性玻璃微觀結構均勻，具有良好的機械性能，抗彎曲強度達到215MPa，抗壓強度達到1080MPa，易加工成各種形狀[3-4]。

1.3 高分子材料

隨著1963年第一例金屬骨股頭-聚四氟乙烯骸骨臼的人工關節的誕生，開啟了高分子人工硬組織材料的新紀元。高分子材料品種繁多，容易對材料表面改性，近年來已經廣泛應用于醫學領域。類材料主要有聚硅氧烷（silicone）、天然橡膠（natural rubber，NR）、聚氨酯（polyurethane，PU）、聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲脂（polymethylmethacrylate，PMMA）等，應用于軟硬組織修復、人工器官、人工皮膚等[2，6]，典型的脂肪族聚酯包括聚羥基乙酸（PGA）、聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）和聚己內酯（PCL），其拉伸強度分別為140MPa、107MPa、40MPa、60MPa，拉伸強度分別為7MPa、2.7MPa、1.9MPa和0.4MPa。

1.4 復合材料

復合材料是指將兩種或兩種以上的材料相結合，這類材料不僅兼具單組份材料的性質，而且還產生單組分沒有的新性質。從仿生角度出發，理想的硬組織修復材料應當是生物活性無機材料與有機高分子材料大的復合。目前，用于骨修復方面的無機-有機仿生骨復合材料主要有納米磷灰石/膠原復合材料和納米磷灰石/聚合物復合材料等。納米磷灰石/膠原復合材料人工骨存在礦化物顆粒粗大、結晶度過高、有機-無機復合不均勻等缺陷，導致其力學性能欠佳，目前廣泛應用于不承重和小承重的骨缺損的修復，如骨缺損填充、顱面骨缺損修復等。納米磷灰石/聚合物復合材料由于其有機部分為合成高分子材料，具有良好的韌，彈性模量接近于人體，更有利于材料力學性能的提高。Bonfield和Doyle等人將熔融的高分子量聚乙烯和納米輕基磷灰石在高速攪拌下復合，所制備羥基磷灰石/聚乙烯（HA/PE）復合材料中羥基磷灰石含量達到約40%，彈性模量達到9GPa，抗壓強度達到100MPa，其力學性能與天然骨接近，但是兩相間屬于單純的物理混合，不純在化學鍵合[6]。張興棟等人用原位復合法制備了納米輕基磷灰石/聚乳酸復合材料具有優良的生物力學性能和降解性能，其復合物的彈性模量已達到5～12GPa，彎曲強度約為44～280 MPa，拉升強度約為10～30MPa，壓縮強度約為78～137 MPa，目前其研究已進入臨床實驗階[7]。近年來，國外采用新型共混和精加工工藝，將HA均勻分散在左旋聚乳酸（PLLA）基體上，制備而成的超高強度生物可吸收PLLA-HA復合材料，其彎曲強度和模量隨著HA含量的增加而提高，最高彎曲強度達到280MPa，且在降解12周后仍然具有210MPa的彎曲強度，在骨折內固定材料方面有望得到廣泛應用。李玉寶等人研制的新型可自固化納米羥基磷灰石/聚酰胺（n-HA/PA66）復合材料其彎曲強度達到81～103MPa，壓縮強度達到103～121MPa，與人體皮質骨類似，具有良好生物相容性和生物安全性[8-11]。

2 結語

根據硬組織修復材料的研究不難發現，硬組織修復材料在金屬、陶瓷、高分子和復合材料方面都取得了令人鼓舞的成就，但是這些傳統骨修復材料材料并非完美，并且存在一些缺陷。因此，確保材料植入機體后，不被免疫系統所排斥，被機體所接收，并且能夠取代機體某部分缺損功能，發揮其力學作用，從而實現對缺損硬組織的修復，這應當是未來研究硬組織材料研究的方向。

參考文獻：

[1]Giannoudis PV， Dinopoulos H， Tsiridis E. Bone substitutes： An update. Injury， 2007，365：520-527.

[2]徐曉宙.生物材料學[D].科學出版社，2006.

[3]李玉寶.生物醫學材料[D].化學工業出版社，2003.

[4]Shackelford JF. Bioceramics-applications of ceramic and glass materials in medicine. Trans Teeh Publieation.1999：37-64.

[5]Black J， Hastings G. Hand book of biomaterials properties. ChapmanHall，1998：355-363.

[6]Bonfield W. Composites for bone replacement. J Biomed Eng.1988（10）： 522～526.

[7]愈耀庭，張興棟.生物醫用材料[D].天津大學出版社，2000.

[8]王華楠.多孔羥基磷灰石/聚酰胺66復合材料骨組織工程支架的研究[R].四川大學碩士論文，2007.

[9]Yan Yonggang， Li Yubao， Wei Jie et al. Synthesis and properties of a copolymer of poly（1，4-phenylenesulfide）-poly（2，4-phenylene sulfide acid） and its HA reinforced composite. J Europ polym.2003（02）：411.

[10]Wei Jie， Li Yubao. Tissue engineering scaffold material of nano-apatite crystals and polyamide composite. J Europ polym.2004（40）：509.

[11]Zhang X， Li YB， Zuo Y et al. Influences of the crystallization behavior of n-HA reinforced PA66 biocomposite on its mechanical properties. Mater Sci Forum.2006（510）：898-901.

作者簡介：蔣佳春（1986-），女，四川遂寧人，碩士研究生，研究方向：材料的物理性能檢測分析。