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1、口腔材料器械杂志2 0 0 5 年第 1 4卷第 3 期 1 5 7. 继续教育 生物陶瓷材料 B i o c e r a mi c ma t e r i a l s 陈德敏 ( 上海第二医 科大学附属第九人民医院， 上海生物材料研究测试中心， 上海 ， 2 0 0 0 2 3 ) 第一节 绪言( I n t r o d u c t io n ) 1 概述( O v e r v ie w ) 无机非金属材料( 简称无机材料) 是人类最早应 用的材料。人类的进化历史就是从使用无机材料一 石头开始的。 无机材料是陶瓷、 玻璃、 单晶体、 水泥和 耐火材料的总称。 随着近代科学技术的发展， 各类新
2、型陶瓷产品的大量开发以及相关工艺、性能水平的 日 益提高，已使陶瓷材料成为当 今材料科学与工程 学方面一个极其活跃、 极富挑战性的前沿研究领域。 因此人们也习惯上把无机材料又称为陶瓷材料。 陶瓷是指用天然或人工合成的粉状化合物经过 成型和高温烧结制成的、由金属和非金属元素的无 机化合物构成的多晶固体材料。陶瓷可分为传统陶 瓷( 普通陶瓷) 和近代陶瓷( 特种陶瓷) 。 传统的陶瓷 都是以由构成地壳的硅、 铝、 氧三种主要元素形成的 天然硅酸盐矿物为主要原料( 如粘土、 长石、 硅石) 制 成的材料，为区别当今大量研究开发的不含硅酸盐 成份的近代陶瓷( 如氧化物陶瓷、 氮化物陶瓷、 硼化 物陶瓷
3、、 碳化物陶瓷等) ， 欧美各国习惯上把硅酸盐 材料通称为“ 陶瓷” ， 而把近代陶瓷称为“ 新型陶瓷” ( N e w C e r a m i c s ) 或“ 精细陶瓷 ( F i n e C e r a m i c s ) 。在日 本则把陶瓷制品统称为“ 烹案裂品” 。 2 陶瓷材料的性能特征 陶瓷材料与金属材料、高分子材料一起在医学 领域发挥着重要作用。这三大类医用材料由于各自 组成结构和性能上的差异，因此在使用和选择上要 考虑扬长避短， 充分发挥每种材料的优良 性能。 以下 列出了三大类材料的一般性特征。 金属材料 a ) 生物相容性一般。 b ) 耐化学性和耐腐蚀性较差; 长期使用
4、时， 表面 容易产生变性。 c ) 机械性能良 好， 强度高， 破坏韧性值大。 d ) 成形性优良， 加工容易。 高分子材料 a ) 生物相容性良 好。 b ) 耐化学性好; 但长期使用时， 材质易老化、 降 解。 c ) 机械性能较差， 硬度低。 d ) 耐热性差， 容易受热变形。 e ) 成形性好， 同 金属一样易加工成各种形状。 陶瓷材料 a ) 生物相容性非常优良。 b ) 化学性能稳定， 耐腐蚀性良 好; 长期使用表面 . 也不易变质和变性。 c ) 硬度高， 耐磨性好; 但破坏韧性值低， 耐冲击 性差， 脆性大。 d ) 耐热性好， 热的良 好绝缘体。 e ) 加工成形困难。 这些
5、性能特征按优劣或高低顺序排列可以归纳 如下: 1 ) 生物相容性陶瓷 高分子， 金属 2 )耐化学性和表面稳定性陶瓷 高分子 金属 3 ) 机械性能: 硬度， 强度陶瓷， 金属 高分子 脆性陶瓷 高分子 金属 4 ) 耐热性陶瓷 金属 高分子 5 ) 热膨胀系数高分子， 金属 陶瓷 6 ) 热传导金属 陶瓷 高分子 7 ) 成形和加工性能金属， 高分子 陶瓷 8 ) 制作成本陶瓷 金属， 高分子 3 生物陶瓷的分类 广义的生物陶瓷可以分为与人体相关的陶瓷 ( 种植类陶瓷) 和与生化学相关的陶瓷( 生物工程类陶 瓷) 二大类( 表1 ) 。所谓的与人体相关的陶瓷就是指 1 5 8 . 口腔材料器
6、械杂志2 0 0 5 年第 1 4 卷第 3 期 通过植人人体或是与人体组织直接接触， 使机体功 能得以恢复或增强可使用的陶瓷。一般狭义地称生 物陶瓷就是指这类陶瓷。 陶瓷材料最早被正式用于医学领域可追溯到 1 8 世纪， 1 7 8 8 年法国人N i c h o l a s 成功地完成了瓷全 口及瓷牙修复， 并在 1 7 9 2 年获得专利。然而生物陶 瓷在医学上真正受到重视并广泛开展研究的历史还 不长， 较系统的基础研究和临床应用研究还只是近 3 0 年来的事。1 9 6 1 年G o t t 等发现碳素材料具有抗 血栓性。7 0 年代初， 用碳素材料制成的人工心脏瓣 开始进人临床，至今
7、临床应用病例已超过3 0 多万 例。1 9 6 9 年美国F l o r i d a 大学的H e n c h 教授发明了 生物玻璃， 这种材料在当时以 其最优良的骨相容性 受到人们重视。以后世界各国都相继研究开发了各 种生物玻璃材料。 1 9 7 0 年法国的B o u t i n 用单一氧化 铝陶瓷制成人工股关节， 开创了陶瓷用作人工骨、 人 工关节的先例。日本大阪齿科大学的力 ! 原春幸也曾 开发了 单晶氧化铝牙根用于人工种植， 从1 9 7 7 年至 1 9 8 7 年 1 0 年间临床应用病例达到了1 0 万例。 1 9 7 1 年西德人开发了与骨、 牙的无机组成相近的磷酸三 钙(
8、T r i c a l c i u m p h o s p a t e ,T C P ) ， 动物实验证实T C P多 孔体是优良的骨置换材料。1 9 7 4 年前后， 日 本的青 木秀希和美国的M .J a r c h o 相继发明了与人体骨、 牙 的无机组成极为相似的经磷灰石材料。这种材料具 有与自 体骨相仿的生物相容性和骨结合性， 是目 前 世界公认的较理想的人工骨材料，已在临床许多领 域得到广泛应用。 根据种植材料与生物体组织的反应程度， 可将 种植类陶瓷分为三类: 3 . 1 生物惰性( B i o i n e rt ) 陶瓷 这类陶瓷在生物体内化学性质稳定， 无组成元 素溶出， 对
9、机体组织无刺激性。 植人骨组织后， 能和 骨组织产生直接的、 持久性的骨性接触， 界面处一般 无纤维组织介人， 形成骨融合( O s s o i n t e g r a t i o n ) 3 .2 生物活性( B i o a c t i v e ) 陶瓷 这类陶瓷在生物体内基本不被吸收， 材料有微 量溶解， 能促进种植体周围新骨生成， 并与骨组织形 成牢固的化学键结合( O s s e o a n k y l o s i s ) o 3 .3 生物吸 收性( B i o d e g r a d a b l e ) 陶 瓷 这类材料在生物体内能逐步降解、 吸收， 被新生 骨取代。、 - 也有研
10、究者将种植类陶瓷分为生物惰性和生物 活性两大类， 在生物活性陶瓷类中再细分成非吸收 ,ft陶瓷和吸收性陶瓷。对“ 生物活性” 这一术语有学 者是如此定义的: 作为一种移植材料， 能够在材料的 分界面激发特定的生物反应，最终导致在材料和组 织之间的骨形成。 迄今为止已开发应用的生物陶瓷主要有以下几 种( 表2 ) : 以下就其中具代表性的生物陶瓷的性能特征和 应用范围分别作一介绍。 表 1 生物陶瓷按用途分类 生物陶瓷类别 种植类陶瓷 特征应用领域 与人体组织 直接接触 生物工程类陶瓷与人体组织 不直接接触 人工牙根、 牙冠， 人工骨( 颅、 领骨， 长骨， 脊椎骨等) ， 颈椎融合器、 义眼座
11、， 人工关节， 骨水泥， 人工血管， 人工心脏瓣， 人工尿管， 人工喉管， 骨组织工程支架等 酶固定， 细菌、 微生物分离， 液相色谱柱， 蛋白质、 核 酸、 D N A , R N A , 氨基酸等的精制， 生化反应催化剂， 牙膏等 表2 生物陶瓷种类和材料组成 种类材料组成 生物惰性陶瓷 生物活性陶瓷 生物吸收性陶瓷 氧化铝( A I , O ,) , 氧化M( Z r 0 2) , 碳素( C ) , 氧化钦(T i 0 2 ) , 氮化硅( S i , N , ) ,碳化硅( S i c ) ， 硅铝酸盐( N a 2 O - A 1 2 0 , - S i O 钙铝系( C a O - A 1 2 0 3) 高结晶度9磷灰石( C a ,4 P O , ) 6 ( O H ) 生物玻璃( S i 0 2 C a O N a 2 O P 2 0 5) 玻璃陶瓷( S i 0 2 C a O M g O - P 2 0 5 ) ,( C a O P 2 0 5 ) 磷酸三钙( C a 3 ( P O a ) 2) , 可溶性钙铝系 ( C a O A 1 2 0 3) 低结晶度经磷灰石( C a ,o ( P O , ) 4 O H ) 掺杂型经磷灰石( C a ,a - n S r ( P O 4 ) 4 O H ) ( 待续 )