浅谈生物陶瓷材料的发展及其应用

刘莹涛 潘柳 吴涛 黄力

摘要：生物陶瓷材料由于其极好的生物特性，因而可以与细胞组织等物质亲和相容，所以被寄予厚望作为一种替代或者再生的组织修复材料广泛应用于生物医疗等领域，且随着科学技术的不断更迭，其应用优势愈加凸显，因而探究生物陶瓷材料的应用现状及发展前景不论是对医学进步还是对科技发展来说都具有重要的价值和理论意义。

关键词：生物陶瓷;应用;发展

一、生物陶瓷材料概述

生物陶瓷材料，顾名思义，就是可以用在生物体内的一种材料，其诞生于上个世纪六十年代，到目前为止已有半个多世纪的研究历程了。众所周知，医学领域一直就是一个解决人类病痛和延长生命的领域，且在医学领域中出现细胞组织坏死或者破碎等情况司空见惯，因而一旦发生类似情况，就必须得另辟蹊径，使用其他材料或者相关组织细胞进行培育以提高或延长生命体的生存质量和长度，因而在一段时间里医学研究也尝试使用金属、塑料等材料进行替代和仿生，但由于金属和塑料材料容易腐蚀、不能亲和等原因，致使其用于生物体后不仅效用较小还让人异常担忧，因而使得医学研究曾一度陷入了困境。生物陶瓷的出现不仅弥补了金属材料和塑料材料中的这些弊病，还由于其自身具有很好的亲和性和降解性，可以直接用于人体或者生物体体内，被医学界大力追捧并广泛用于生物医学等领域，也由此解决了长期以来医学上难以攻克的大关，且目前在医学领域的使用已非常灵活和广泛，效果也相当明显。但是就目前而言，由于生物陶瓷用于生物医学领域的时间较短，因而还是属于一个新兴发展的领域，且随着其影响力和作用力的不断发展和扩大，将会受到更多的关注和使用。

二、生物陶瓷材料的应用和发展前景

生物陶瓷材料的种类很多，按其活性划分，可以分为生物活性陶瓷材料、生物吸收性陶瓷材料以及生物惰性陶瓷材料这三种，且由于其活性和降解等原因的不同，致使其在使用场景上也有所区别，其中生物吸收性陶瓷材料由于其生物学性能也常被归于生物活性材料范畴。

生物活性陶瓷材料，其主要特点是无毒、相容、副作用小，因而可以促进机体组织和材料之间很好的形成键合，进而帮助机体进行修复和再生，所以常被作为机体组织的一种很好的替代材料，其代表材料有生物活性玻璃和羟基磷灰石（HA）等，而羟基磷石灰其本身就是人体和动物骨骼中的重要组成部分，因而在生物体中使用该材料也是合情合理的，而生物活性玻璃，其是一种硅酸盐材料，主要由二氧化硅（SiO2）、碳酸钙（CaO）、氧化钠（Na2O）、五氧化二磷（P2O5）等物质构成，因而在体液环境中其容易被溶解。所以，其工作原理就是当玻璃材料被溶解后玻璃的网络结构被破坏，与此同时还会释放出大量的离子，包括硅离子、钙离子、钠离子等，这些离子在游离的过程中会快速的与体液中存在的氢离子进行交换，进而形成大量的硅羟基基团，并在弱碱的环境下发生聚合形成富硅凝胶层，进而再吸附钙和磷酸根离子使之沉积，再由此演变为磷酸钙层，通过晶化，使碳酸根等离子进入晶格，进而形成羟基磷灰石，以此被机体吸收和使用，但又由于活性玻璃中有硅的成分，硅是一种非金属材料，因而不能很好的降解，所以其对机体的代谢是否会产生影响也尚不清楚，此外，人体内环境中本身就有许多游离的钠离子存在，因而在降解的过程中钠离子的增加，是否会对机体细胞等产生影响也有待验证，所以近几年生物活性玻璃也是医学研究领域的大热点，不过也有实验验证生物活性玻璃所制作的支架在骨质疏松的治疗上效果显现，所以未来希望活性玻璃材料能在骨质疏松治疗方面发挥大的效用。

生物吸收性陶瓷材料是一类相容且容易降解的陶瓷材料，这一概念最早是由Driskell在上个世纪70年代提出的，同样可以用于人体中损伤部位的替换，其代表材料有β-磷酸三钙（β-TCP）和硫酸钙（CS）等。β-磷酸三钙属于三方晶系，因而在其钙磷比不同时，具有不同的相结构，主要有两种相结构：高温相和低温相。而高温相主要用于骨水泥的制作，而低温相不仅具有极好的生物相容性且还可促使骨组织新生，因而在使用的过程中可以与骨组织很好的融合，并无任何毒副作用和局部炎症反应，且与HA相比TCP更容易溶解于体内，因而在医学领域发热发光。但与此同时也存在着一些缺点，比如降解速度慢，需要用到大于半年甚至是更久的时间，而在强度表现上也不是很好，脆性较大，因而不能用于身体承载，所以挖掘材料，使之与β-磷酸三钙进行复合，制备出降解速度快、强度高、脆性低的复合型材料是未来医学材料领域研究的重点。而硫酸钙在自然界中主要以石膏矿的形式存在，而在医学中其主要是以半水化合物晶体的形式存在，由于其降解不会对内环境中钙离子的浓度产生太大的影响，因而常用作水溶性的抗生素载体而被植入体内，且其还具有良好的骨诱导性，因而在促进骨细胞增殖、分化等方面变现明显，有助于骨基质的重塑和新生，因此用硫酸钙制备支架材料也有一定的潜力空间，但也有研究发现，硫酸钙骨水泥有引起肺栓塞的风险，因而硫酸钙在医学材料中的使用風险有待进一步验证和改进。

生物惰性陶瓷材料，通俗地讲就是在生物体内几乎不会发生任何变化的材料，因而该类材料主要具有耐腐耐磨、不容易降解的特征，目前主要用于人体关节、骨骼、牙齿等修复和替换方面，其代表材料主要有氧化铝和氧化锆陶瓷材料。氧化铝陶瓷材料由于其强度和良好的耐磨性，在上个世纪70年代在人体关节置换方面就有所应用，但同样的其也存在一定的风险，因为氧化铝陶瓷具有微毒性，因而在使用的量度上需要关注，而氧化锆陶瓷由于其得天独厚的硬度条件，目前也主要应用于牙齿修复和人体关节方面，且氧化锆陶瓷材料还具有一定的抗菌性，所以某些研究还将其合成药物，但值得注意的是，氧化锆陶瓷材料也存在其不足的地方，比如黏性强度不足，使得其稳定性较差，因而目前也有学者对其进行研究，也采用了一些办法进行改进，但在效果上还是不是特别理想，有待进一步优化和改善。

结语

不难看出，生物陶瓷材料都具有极好的生物相容性且各有特色，但是其缺点也非常明显，因而在各自领域的使用上都不能很好地展现其完美的一面，所以如何根据问题针对性的进行解决不仅急切所需，而且意义非凡。

参考文献

[1]王晓亚，常江.生物陶瓷在组织工程中的应用[J].生命科学，2020，32（03）：257-266.

[2]董少杰，王旭东，沈国芳，王晓虹，林开利.生物陶瓷支架的功能改性及应用研究进展[J].无机材料学报，2020，35（08）：867-881.

作者简介：刘莹涛（1995-06）男，籍贯：江西省萍乡市，当前职务：技术员，当前职称：助理工程师，学历：硕士研究生，研究方向：非金属性能分析岗。