一文了解医用生物陶瓷及临床应用

一文了解医用生物陶瓷及临床应用

生物陶瓷是一类具有特定生物或生理功能的陶瓷材料，主要用于人体硬组织的修复和重建。它们不仅包括传统的多晶体材料，还涵盖了单晶体、非晶体生物玻璃、涂层材料等多种类型。生物陶瓷在临床上已广泛应用于髋、膝关节置换、牙科种植、心脏瓣膜等领域，是材料科学与临床医学交叉融合的产物。

生物陶瓷材料需要满足生物相容性、力学相容性、与生物组织的亲和性、抗血栓、灭菌性以及良好的物理化学稳定性等条件。根据其与人体组织的相互作用，生物陶瓷可分为三类：

1. 惰性生物陶瓷：在生物体内几乎不发生反应或反应很小，如氧化铝陶瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶瓷等。
2. 活性生物陶瓷：在生理环境下能与组织界面发生作用，形成化学链结合，如羟基磷灰石等。
3. 可被吸收的生物陶瓷：在生物体内逐渐降解并被骨组织吸收，如磷酸三钙等。

临床应用

生物陶瓷在临床上有多种应用：

• 矫形材料：用于骨科、牙科及颌面外科的有Al2O3陶瓷、稳定ZrO2陶瓷等。
• 种植齿：使用Al2O3陶瓷、HAP陶瓷等。
• 牙槽增高：使用Al2O3陶瓷、HAP与自身骨的复合材料等。
• 耳鼻喉科：使用Al2O3陶瓷、HAP陶瓷等。
• 人工肌腱和韧带：使用PLA-碳纤维复合材料。
• 人工心脏瓣膜：使用热解碳涂层。
• 骨的充填料：使用磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒等。

生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷具有良好的生物相容性和物理化学稳定性。其中，氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）是代表性材料。

• 氧化铝：最早于1933年用于临床医学，具有高强度和良好的生物相容性。通过添加氧化锆等增韧材料，可以改善其脆性问题。
• 氧化锆：在机械强度和断裂韧性方面优于氧化铝，亚稳态氧化锆通过添加氧化钇形成稳定的四方相或立方相，具有优异的力学性能。

可吸收生物陶瓷

可吸收生物陶瓷是一种暂时性骨替代材料，植入后逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入替代。β-三磷酸钙（β-TCP）是目前广泛应用的生物降解陶瓷，但其机械强度较低，可通过与其他材料混合制备双相或多相陶瓷来提高力学性能。

生物活性陶瓷

生物活性陶瓷能通过化学键与骨组织结合，代表性材料包括羟基磷灰石（HA）和生物玻璃陶瓷。

• 羟基磷灰石（HA）：是人体骨骼和牙齿的主要成分，具有良好的生物相容性和骨传导性。
• 生物玻璃陶瓷：主要成分是CaO-Na2O-SiO2，能在植入部位迅速形成含碳酸盐基磷灰石层，与骨结合强度大，但强度较低，仅适用于人体受力不大的部位。

生物惰性陶瓷与生物活性陶瓷的主要区别在于是否能在骨与陶瓷之间形成整体结合。生物惰性陶瓷通过软组织与新骨结合，而生物活性陶瓷能直接产生新骨，但力学性能相对较差。

图 LithaBone HA 480材料3D 打印骨骼替代物，来源：Lithoz

图 氧化锆陶瓷种植体

图 磷酸三钙TCP植入体，来源：3DCERAM

参考文献：

1. 曾绍先. 医用生物陶瓷及临床应用.
2. 王真, 等. 生物陶瓷3D打印技术研究进展与趋势.

本文原文始发于微信公众号“陶瓷科技视野”。