隨著社會的發展和人們生活的改善，人工植入物和人工器官的臨床應用將越來越廣泛。不銹鋼、鈷合金等金屬材料因具有優異的機械性能和控制性能，在我國長期被作為骨科固化和修復材料。但金屬材料生物相容性差，在體內久而久之會被腐蝕，且金屬離子在生物組織中的釋放問題尚未得到完全解決，因此相容性更好和更健康的生物陶瓷或涂層材料的研究和市場都處于爆發增長中。

生物陶瓷與涂層材料

生物陶瓷(Bioceramics)是指直接用于人體或與人體相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。按其生物學性能大體可分為生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷，其應用各有側重。

生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定、生物相容性好的陶瓷材料，如Al₂O₃、ZrO2、ZTA、Si₃N₄以及它們的復合陶瓷材料等，由于斷裂韌性、耐磨性優良常應用于外科手術承重假體、牙科移植物、骨頭替代物等，但缺點是不如金屬堅韌，骨組織粘附性差，價格相對昂貴。

生物惰性陶瓷應用：陶瓷人工髖關節

而生物活性陶瓷，包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，主要被作為支架材料或結構堅固的涂層材料，常見的生物活性陶瓷有羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣等。自20世紀70年代末以來具有優異生物學性能的羥基磷灰石材料(Hydroxyapatite)發展以來，生物陶瓷材料越來越受歡迎，然而，生物活性陶瓷由于低強度和韌性差，它們很容易被外界環境和生理環境中損壞，材料大都薄而寬，難以制造特殊的骨頭和關節，因此其單體應用有限。

生物材料植入生命系統后發生的系列反應示意圖

隨著表面科學技術的發展，低生物相容性的金屬種值體基材，可以先涂蓋化學惰性和生物相容性的生物陶瓷涂層，再與人體直接接觸，并通過控制涂裝過程，以調節生物陶瓷材料的涂裝量、孔隙度和表面狀態，更好發揮多孔生物陶瓷涂層有利于骨組織永久生長的優點。顯然，因為涂層和基材具有互補的優勢，新型生物陶瓷涂層材料能獲得比單一材料更好的性能。

生物活性陶瓷涂層的種類

1、羥基磷灰石涂層材料

羥基磷灰石Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂（HA）是一種六邊形晶體，具有與人類骨骼相同的結構。移植后無毒性及異物清除反應。具有優良的生物活性和生物相容性，是一種理想的人骨替代材料。有研究表明，移植后的多孔輕基灰石(HA)材料與自然生物組織有機地結合在一起(交叉鎖定)，實現了生物材料與組織的結合或生物結合。在這種狀態下，可以維持正常代謝功能輸入空間中形成的纖維結構，保證正常代謝功能的運動。從生理學角度來看，天然骨的 HA 界面強度低，應用范圍有限，不能起到硬組織與組份整合的作用。

羥基磷灰石涂層鈦基牙種植體

2、鈣硅酸鹽涂層材料

自1969年發現玻璃的某些成分可以與骨骼形成化學鍵以來，生物陶瓷被廣泛應用于骨骼修復和重建。如在CaO～SiO₂玻璃表面模擬的液體形成骨磷酸鹽，理論上由48.3％的CaO和51.7％的SiO₂組成。據此推測，硅灰石在體液中也具有生物活性，可導致硅灰石表面的形成。有學者發現，陶瓷表面的骨磷在體液中形成的速度比其他生物玻璃或陶瓷液體更快，有報道稱對于TiC₄合金基氧化硅涂層，基體上硅涂層的抗拉強度達到42.8MPa。

生物活性陶瓷涂層制備方法

1、等離子體噴涂技術

等離子噴涂是目前研究最廣泛的生物陶瓷涂層制備方法。該技術利用等離子槍產生的離子電流將生物陶瓷粉末在高溫或接近熔點處熔化，然后高速倒入金屬基板中形成涂層。通過在基體和涂層之間應用高粘結強度，可以在40～54μｍ之間獲得完整的涂層。用等離子體制備陶瓷涂層時，由于殘余熱應力的高濃度和涂層界面缺陷，通常導致涂層基板界面失效，不利于陶瓷涂層的機械穩定性，限制了相應的結合強度。此外，等離子涂層與金屬基板之間的物理性能也有很大的差異，導致涂層與金屬基板之間存在較高的界面應力和較低的結合強度。

等離子噴涂工藝示意圖

有學者利用后處理技術對等離子注入納米TiO₂涂層進行生物活化，獲得了與鈦合金主體結合良好的具有良好生物活性和生物適應性的TiO₂涂層。近年來，鋁合金表面等離子噴涂生物活性梯度涂層的研究取得了一定進展，如研究氣體與羥基化合物之間形成的化學成分梯度過渡區，可能降低界面應力，提高界面結合強度。此外，等離子涂層后的進一步處理也是改善界面粘結的一種方法。

2、激光熔覆法

激光光熔覆技術是一種適用于各種光熔覆材料的方法，即在基體上鋪放所需的涂層粉末材料，同時經過高能密度激光束輻照加熱，使其與基體表面熔化并快速凝固，從而在基材表面形成與基體結合性良好的功能涂層。這種方法特征是涂層與基體中固體金屬的結合，這決定了涂層的成分和密度。涂層的結構和質量對涂層的穩定性和耐久性起著重要的作用。該技術主要存在的問題有：（1）熔覆層質量穩定性差，即熔覆層和基體材料的溫度梯度和熱膨脹系數的差異，導致熔覆層產生氣孔、裂紋、變形和表面不平等多種缺陷；（2）激光熔覆熱循環造成的殘余應力引起熔覆層裂紋。解決方案包括采用合理的預熱以提高結合度，熔覆后及時進行熱處理以消除殘余應力，避免微裂紋的形成。

激光熔覆法設備與工

3、燃燒合成法

燃燒合成作為一種獲得生物涂料的新技術，優點是可以在燃燒溫度高、反應速度快、工藝流程簡單、設備要求低、生產效率高、機身形狀和尺寸不限的復雜表面上合成厚度均勻的陶瓷涂層。在燃燒液中合成生物陶瓷粉是國外一個熱門的研究領域。在此基礎上，業界也開發了利用燃燒流體合成生物陶瓷涂層的技術，此外還有熱粘接法等。

結語

目前，等離子噴涂是制備生物陶瓷涂層的主流方法，隨著等離子噴涂技術的不斷改進，生物涂層的質量也不斷提高。如何提高生物材料涂層的界面強度，同時保證涂層的穩定性和生物活性，是等離子體噴涂技術未來研究的重點。后續研究會著眼等離子體過程監測、生物涂層形成過程、工藝參數的確定等方面。

根據相關研究機構數據，2022年全球生物陶瓷市場規模到達到了933億元(人民幣)，其中骨科植入醫療器械、牙科義齒市場規模快速增長，處于全球生物惰性陶瓷市場領先地位的公司有CoorsTek（美國），CeramTec（德國），Kyocera（日本）等外企，我國仍處于追趕國外先進水平的階段。生物活性陶瓷及其復合材料則屬于另一賽道，市場潛力有待發掘。期望未來出現更好的噴涂技術，使生物活性陶瓷在口腔醫療、再生醫學、骨骼醫學方面發揮更大作用，產生更大的實際價值。

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