生物陶瓷材料的特點和發展前景探討

齊晶晶,盧勇

(蘭州石化職業技術大學,甘肅 蘭州 730000)

生物陶瓷材料是一種用于特定生物或生理功能的陶瓷材料。這一類陶瓷材料首先需要具備良好的生物相容性、力學相容性和很好的物理和化學穩定性[1],其次在生物體內作用的時候要與生物組織有優異的親和性、抗血栓、滅菌性[2]。

1 生物陶瓷的組成

生物陶瓷主要由無機非金屬材料構成,主要包括氧化鋁、氧化鋯、生物活性玻璃等[3]。這些材料具有良好的生物相容性、抗腐蝕性和美觀性,可以用于一些特殊的口腔疾病治療。

2 生物陶瓷的分類

2.1 據生物相容性分類

2.1.1 生物活性陶瓷

生物活性陶瓷具有優異的生物相容性和骨傳導性,能夠與人體組織緊密結合,促進骨細胞生長和愈合,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.1.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷與人體組織沒有直接反應,具有良好的化學穩定性和耐腐蝕性,廣泛用于牙科修復、骨科植入物等領域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

2.2 根據降解性分類

2.2.1 生物可降解陶瓷

生物可降解陶瓷在人體內能夠逐漸降解,被人體吸收和排出,通常用于藥物載體、止血材料等功能性植入物,例如生物活性玻璃、生物活性炭/石墨材料等。

2.2.2 生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷在人體內不降解,長期存在于人體內,具有優異的耐磨性和耐腐蝕性,通常用于人工關節、牙種植體等領域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

2.3 根據材料尺度分類

2.3.1 納米生物陶瓷

納米生物陶瓷具有納米尺度的材料特性,能夠促進細胞生長和分化,提高材料的生物相容性和骨傳導性,例如納米氧化物陶瓷等。

2.3.2 生物陶瓷復合材料

生物陶瓷復合材料由兩種或兩種以上的不同材料復合而成,具有優異的機械強度、生物相容性和耐磨性等性能,用于多種醫療領域,例如氧化鋁/聚合物復合材料等。

2.4 根據功能化分類

2.4.1 功能化生物陶瓷

功能化生物陶瓷具有某種特定功能,如藥物控釋、抗菌、抗腫瘤等,可用于藥物載體、抗感染植入物等領域,例如藥物控釋氧化鋁等。

2.4.2 非功能化生物陶瓷

非功能化生物陶瓷沒有特定功能,主要用作基礎材料,用于牙科修復、骨科植入物等領域,例如氧化鋁、氧化鋯等。

3 生物陶瓷的特點

3.1 優點

3.1.1 良好的生物相容性和生物活性

生物陶瓷在應用的時候需要直接用于人體,所以就需要它能與人體組織緊密結合,促進骨細胞生長和愈合,具有優異的耐磨性和耐腐蝕性,可以長期穩定地存在于人體內。因此生物陶瓷具有生物相容性、力學相容性以及與生物組織有優異的親和性[1],還具有抗血栓、滅菌性,并具有很好的物理、化學穩定性[2]。此外,生物陶瓷還具有與血液相容性好、無組織反應和無細胞毒性的特點。例如,氧化鋯陶瓷和碳都是生物惰性陶瓷,它們既無毒性又具有良好的機械性能。同時,它們還可以通過與生物活性陶瓷形成復合物來實現生物活性。例如,生物玻璃和玻璃陶瓷既無毒性,又可與骨骼形成化學結合。微晶玻璃具有骨誘導性,而磷酸鈣陶瓷也對組織無毒性且可被生物吸收。

3.1.2 良好的物理和化學性能

生物陶瓷具有高強度、高硬度、優良的電性能和穩定的化學性能等優點。

3.1.3 易于加工和成型

生物陶瓷可以制成各種形狀和尺寸的部件,適用于不同的醫療領域。

3.2 缺點

3.2.1 力學性能差

生物陶瓷材料的基體材料依然是陶瓷,而陶瓷材料自身的力學性能較差,所以生物陶瓷材料的強度低、脆性高、韌性低、抗折強度低,這些缺陷都影響了它在醫學臨床領域的進一步應用[3]。

3.2.2 制備工藝復雜

生物陶瓷材料在制備燒結的過程中,非常容易產生裂紋和孔洞,這些缺陷都將會影響它的性能和使用壽命[4]。

4 生物陶瓷的制備方法及優缺點

生物陶瓷的制備方法有多種,包括固相法、液相法、氣相法等。各種制備方法都有其優缺點,需要根據具體的應用場景和要求選擇合適的制備方法。同時,在制備過程中需要注意控制材料的純度、化學成分和微觀結構等關鍵因素,以保證生物陶瓷的生物相容性和生物活性。

4.1 固相法

固相法是最常用的制備方法,包括燒結法、熱壓法、熱等靜壓法等。優點:制備過程簡單,易于控制,適用于大規模生產。缺點:可能引入雜質,如殘留物和添加劑,影響材料的純度和生物相容性。

4.2 液相法

液相法包括溶膠-凝膠法、水熱法等。優點:可以獲得高純度的材料,制備過程相對溫和,可以精確控制化學成分和微觀結構。缺點:制備過程可能涉及有毒或有害物質,如有機溶劑和模板劑,可能對環境和人體健康造成影響。

4.3 氣相法

氣相法包括化學氣相沉積法、物理氣相沉積法等。優點:可以獲得高純度、高致密度的材料,表面質量好,適用于制備薄膜和復雜形狀的部件。缺點:制備過程需要高溫或高真空度,成本較高,對設備要求較高。

5 生物陶瓷的制備方法對其性能的影響

不同的制備方法可以獲得具有不同特性的生物陶瓷,從而影響其在生物醫學領域的應用效果。

5.1 結構性能

生物陶瓷的制備方法會影響其晶體結構和相純度。例如,普通燒結法是制備生物陶瓷最傳統的方法,但該方法的制備周期長、燒結溫度高、材料純度低等問題導致其應用不廣泛。相轉化法和微波燒結法是近年來發展起來的新型制備方法,這兩種方法可以在較低的溫度條件下制備生物陶瓷材料,并且所得材料具有較高的生物相容性和生物活性,因此受到廣泛關注。

5.2 力學性能

生物陶瓷的制備方法還會影響其力學性能和耐磨性。例如,氧化鋁和氧化鋯等生物陶瓷材料具有優異的耐磨性和耐腐蝕性,可用于制作人工關節、牙種植體等。而生物活性玻璃和生物活性碳/石墨材料等則具有良好的生物相容性和骨傳導性,可用于促進骨細胞生長和愈合。

5.3 生物性能

生物陶瓷的制備方法也會影響其藥物載體和生物功能。例如,納米生物陶瓷可以作為藥物載體,通過控制藥物釋放速度和藥物作用時間來提高藥物的療效和減少副作用。而功能化生物陶瓷則具有抗菌、與骨組織無害的相互作用,不引起明顯的免疫反應和組織排斥。此外,生物陶瓷的形態和結構也對其生物相容性有著很大的影響。例如,在種植體中,具有某種特殊結構的生物陶瓷材料表面可以增加細胞和組織的黏附性和完整性,從而提高材料的生物相容性和融合性。

6 生物陶瓷材料在醫療領域的應用

6.1 牙科修復

生物陶瓷材料在牙科修復領域應用廣泛。高精度的生物陶瓷義齒可以逼真地模擬天然牙齒的顏色和形狀,同時具有良好的化學穩定性和耐腐蝕性,能夠長時間保持美觀和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作牙種植體,這些種植體可以與周圍組織相容,并促進骨細胞生長,從而提高種植牙的穩定性和使用壽命。

6.2 骨科植入物

在骨科手術中,生物陶瓷材料可以用于制作人工關節、人工骨和人工肌腱等植入物。這些植入物可以與人體組織相容,并促進骨細胞生長,從而加速骨折的愈合和功能的恢復。生物陶瓷人工關節具有優異的耐磨性和耐腐蝕性,可以長時間保持穩定性和功能。

6.3 心血管系統

生物陶瓷材料可以用于制作心血管系統中的血管、心臟瓣膜和心臟支架等植入物。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長時間保持功能和穩定性。此外,生物陶瓷還可以用于制作藥物載體,將藥物直接輸送到病變部位,從而提高藥物的療效和減少副作用。

6.4 眼科

生物陶瓷材料可以用于制作眼科手術中的植入物,如人工晶體、人工角膜和人工虹膜等。這些植入物具有良好的光學性能和生物相容性,可以長時間保持穩定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作隱形眼鏡材料,為近視患者提供更好的視覺體驗。

6.5 神經外科

生物陶瓷材料可以用于制作神經外科手術中的植入物,如人工腦膜、人工顱骨和人工神經導管等。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長時間保持穩定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作藥物載體,將藥物直接輸送到病變部位,從而提高藥物的療效和減少副作用。

6.6 耳鼻喉科

生物陶瓷材料可以用于制作耳鼻喉科手術中的植入物,如人工耳蝸、人工鼻梁和人工喉頭等。這些植入物具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,可以長時間保持穩定性和功能。此外,生物陶瓷還可以用于制作聽力輔助裝置的材料,為聽力障礙患者提供更好的聽力體驗。

6.7 外科手術

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,因此在外科手術中得到了廣泛應用。例如,在肝臟手術中,生物陶瓷可以用于制作止血材料和藥物載體;在心血管手術中,生物陶瓷可以用于制作血管修復材料和藥物載體;在骨科手術中,生物陶瓷可以用于制作人工關節和人工骨等植入物。

6.8 美容整形

生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和耐腐蝕性,因此在美容整形領域應用廣泛。例如,高精度的生物陶瓷義齒可以用于牙齒美容;生物陶瓷人工骨可以用于面部整形手術;生物陶瓷人工肌腱可以用于治療肌肉松弛等。

總之,生物陶瓷材料在醫療領域具有廣泛的應用前景。隨著技術的不斷發展和成本的降低,生物陶瓷將在未來發揮更加重要的作用。

7 生物陶瓷材料的發展史

7.1 早期生物陶瓷材料

在早期的生物陶瓷材料中,人們使用的是天然生物材料,如骨頭、牙齒等。這些材料具有良好的生物相容性和生物活性,但是它們的數量和形狀有限,無法滿足現代醫學的需求。

7.2 生物活性玻璃陶瓷材料

隨著材料科學的發展,人們開始研制具有生物活性的玻璃陶瓷材料。這種材料具有優良的生物相容性和生物活性,能夠與人體組織良好的結合,同時能夠促進細胞的生長和分化。這種材料的應用范圍廣泛,包括人工關節、牙種植等。

7.3 生物可降解高分子材料

生物可降解高分子材料是一種能夠被人體吸收和分解的材料。這種材料在體內能夠逐漸降解,同時釋放藥物或營養物質,起到治療和促進組織修復的作用。這種材料的應用范圍包括藥物載體、組織工程支架等。

7.4 生物相容性金屬材料

生物相容性金屬材料是一種能夠與人體組織良好結合的金屬材料。這種材料具有優異的機械性能和耐腐蝕性,同時具有良好的生物相容性和生物活性。這種材料的應用范圍包括人工關節、血管支架等。

7.5 生物陶瓷涂層材料

生物陶瓷涂層材料是一種在金屬或高分子材料表面涂覆一層生物陶瓷材料的復合材料。這種材料能夠提高金屬或高分子材料的生物相容性和生物活性,同時能夠保護基材不受腐蝕和磨損。這種材料的應用范圍包括牙種植、血管支架等。

7.6 生物陶瓷復合材料

生物陶瓷復合材料是一種由生物陶瓷和其他材料組成的復合材料。這種材料能夠綜合利用各種材料的優點,同時提高材料的機械性能和生物相容性。這種材料的應用范圍包括人工關節、牙種植等。

7.7 生物陶瓷材料的表面改性

表面改性技術是一種通過改變材料表面的化學和物理性質來提高材料的生物相容性和生物活性的技術。這種技術包括離子注入、等離子體處理、納米涂層等。這種技術的應用能夠提高材料的生物相容性和生物活性,同時能夠改善材料的機械性能和耐腐蝕性。

8 生物陶瓷材料的未來發展趨勢

隨著科技的不斷發展,生物陶瓷作為一種重要的生物材料,在醫療領域中的應用越來越廣泛。未來,生物陶瓷將會朝著材料優化、定制化生產、智能材料、生物活性、納米技術、綠色生產、臨床應用拓展、跨學科合作等方面發展。

8.1 材料優化

生物陶瓷材料的性能和穩定性是影響其應用效果的關鍵因素。未來,將會更加注重生物陶瓷材料的優化和改進,以提高其性能和穩定性。例如,通過改變生物陶瓷材料的表面結構和化學性質,可以改善其與人體組織的相容性和結合能力。

8.2 定制化生產

隨著個性化醫療的發展,生物陶瓷材料的定制化生產將會越來越受到關注。通過3D打印等技術,可以根據患者的具體情況和需求,定制符合其生理特征的生物陶瓷材料,提高治療效果和減少并發癥。

8.3 智能材料

智能材料是指具有感應、響應、自適應等能力的材料,可以自動適應環境變化并作出相應的調整。未來,生物陶瓷材料將會朝著智能化的方向發展,通過引入智能材料的概念和技術,提高生物陶瓷材料的自適應能力和安全性。

8.4 生物活性

生物活性是指生物材料與人體組織或細胞相互作用的能力。未來,生物陶瓷材料將會更加注重其生物活性的研究和提升,以促進骨細胞和組織的生長和愈合。例如,通過引入生長因子等活性物質,可以增強生物陶瓷材料的生物活性。

8.5 納米技術

納米技術可以使材料具有更高的表面能和更精細的結構,從而提高材料的性能和穩定性。未來,納米技術將會在生物陶瓷材料的制備和應用中發揮更大的作用,例如通過納米涂層技術提高生物陶瓷材料的耐磨性和耐腐蝕性。

8.6 綠色生產

隨著環保意識的不斷提高,綠色生產將會成為未來的重要趨勢。在生物陶瓷的生產過程中,將會更加注重環保和節能減排,例如通過采用環保型的原料和生產工藝,降低能源消耗和減少廢棄物排放。

8.7 臨床應用拓展

未來,生物陶瓷將會在更多的臨床領域得到應用。例如,在口腔科領域中,可以通過使用生物陶瓷材料制作牙種植體和牙冠等;在骨科領域中,可以使用生物陶瓷材料制作人工關節和骨板等。此外,在神經外科、心血管等領域中也有廣泛的應用前景。

8.8 跨學科合作

生物陶瓷材料的研究和應用涉及多個學科領域,比如材料科學、生命科學、醫學、化學等[5]。未來,各學科之間的合作將會更加緊密,共同推動生物陶瓷材料的研發和應用。例如,生物學和醫學領域的專家可以提供人體組織和細胞的樣本和實驗數據,為材料科學家提供研究方向和思路;材料科學領域的專家可以提供先進的制備技術和理論支持,為醫學專家提供更好的醫療設備和方案。