生物惰性陶瓷主要是指化學(xué)性能穩(wěn)定、生物相容性好的陶瓷材料。而生物相容性是指生物材料植入體內(nèi)后，機(jī)體對(duì)植入物發(fā)生的反應(yīng)。迄今為止，還沒有一種材料是完全惰性的物質(zhì)，所以，相容性是相對(duì)的。現(xiàn)有的惰性生物陶瓷有氧化鋁、氧化鋯以及醫(yī)用碳素材料等。這類陶瓷材料的結(jié)構(gòu)都比較穩(wěn)定，分子中的鍵合力較強(qiáng)，而且都具有較高的強(qiáng)度、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性。

1、氧化鋁生物陶瓷

植入材料中的氧化鋁是一種一直使用得很滿意的實(shí)用生物材料。單晶氧化鋁c 軸方向具有相當(dāng)高的抗彎強(qiáng)度（1300MPa），耐磨性能好，耐熱性好，可以直接與骨固定。已被用作人工骨、牙根、關(guān)節(jié)和固定骨折用的螺栓。并且該螺栓不生銹，也不會(huì)溶解出有害離子，與金屬螺栓不同，勿需取出體外。60年代后期，廣泛用作硬組織修復(fù)。70年代至80年代中期，世界許多國家如美國、日本、瑞士等國家，都對(duì)氧化物陶瓷，特別是氧化鋁生物陶瓷進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用。由于氧化鋁陶瓷植入人體后表面生成極薄的纖維膜，界面無化學(xué)反應(yīng)，多用于全臀復(fù)位修復(fù)術(shù)及股骨和髖骨部連接。

但是氧化鋁也存在幾個(gè)問題：1、與骨不發(fā)生化學(xué)結(jié)合，時(shí)間長(zhǎng)后骨固定會(huì)發(fā)生松弛；2、機(jī)械強(qiáng)度并不十分高；3、楊氏模量過高（380GPa）；4、摩擦系數(shù)和磨耗速度不十分低。

▲高純氧化鋁生物陶瓷人體關(guān)節(jié)頭

2、氧化鋯生物陶瓷

氧化鋯陶瓷是以ZrO₂為主要成分的生物惰性陶瓷，其顯著特征是具有高斷裂韌性、高斷裂強(qiáng)度和低彈性模量。氧化鋯具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性(Tm=2953K)，在生理環(huán)境中呈現(xiàn)惰性，具有很好的生物相容性。純氧化鋯具有三種同素異型體，在一定條件下可以發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變(相變)。在承受外力作用時(shí)，其 t 相向 m 相轉(zhuǎn)變的過程需吸收較高的能量，使裂紋尖端應(yīng)力松弛，增加裂紋擴(kuò)散阻力而增韌，因而具有非常高的斷裂韌性。

部分穩(wěn)定的氧化鋯和氧化鋁一樣，生物相容性良好，在人體內(nèi)穩(wěn)定性高，且比氧化鋁斷裂韌性、耐磨性更高，有利減少植入物尺寸和實(shí)現(xiàn)低摩擦、磨損， 用以制造牙根、骨、股關(guān)節(jié)、復(fù)合陶瓷人工骨、瓣膜等。上海的科學(xué)家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關(guān)節(jié)陶瓷涂層材料，并獲得了國家發(fā)明獎(jiǎng)。

基于氧化鋯陶瓷優(yōu)良的生物相容性、良好的斷裂韌性、高斷裂強(qiáng)度和低彈性模量，適合制作需承受高剪切應(yīng)力的人工關(guān)節(jié)。氧化鋯/氧化鋯對(duì)磨時(shí)，其磨損率是氧化鋁/氧化鋁對(duì)磨的磨損率的5000倍；但形成氧化/UHMWPE摩擦副時(shí)卻表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

▲醫(yī)用二氧化鋯牙胚

(▼用于外科植入的氧化鋁、氧化鋯陶瓷性能比較)

3、碳素生物材料

自然界中碳的分布很廣，有單質(zhì)碳，但更多以化合物形式存在。單質(zhì)碳有多種同素異型體，主要有金剛石結(jié)構(gòu)、石墨結(jié)構(gòu)和無定形結(jié)構(gòu)。碳素材料石墨質(zhì)輕而且具有良好的潤(rùn)滑性和疲勞特性，彈性模量與致密的人骨大小相同，在人體中化學(xué)穩(wěn)定性好、無毒性、不發(fā)生反應(yīng)和溶解、生物親合性好、無排異反應(yīng)、耐腐蝕、對(duì)人體組織理學(xué)刺激性小。特別需指出的是，無定形碳除具有優(yōu)良的機(jī)械性能外，可以調(diào)整組成和結(jié)構(gòu)改變其性能，滿足不同的應(yīng)用要求。無定形碳雖然不與人體組織形成化學(xué)鍵合，但允許人體軟組織長(zhǎng)入碳的空隙，形成牢固結(jié)合，碳周圍的人體軟組織可迅速再生，有人認(rèn)為無定形碳具有誘發(fā)組織生長(zhǎng)的作用。由于無定形碳獨(dú)特的表面組成和表面結(jié)構(gòu)，與血液長(zhǎng)期接觸引起的凝血作用非常小，不會(huì)誘發(fā)血栓，因而廣泛應(yīng)用作心血管材料。

在醫(yī)學(xué)中常用的無定形碳包括：低溫各向同性碳、玻璃狀碳、超低溫各向同性碳、類金剛石碳、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合碳材料。

3.1渦輪層碳。低溫各向同性熱解碳(Low Temperature Isotropic Pyrolytic Carbon，LTIC)、玻璃狀碳(Glass Carbon)、超低溫各向同性碳(Ultralow Temperature Isotropic Carbon，ULTIC)均為無序晶格晶格，統(tǒng)稱為渦輪層碳。渦輪層碳(Turbostratic Carbon)的微觀結(jié)構(gòu)為無序結(jié)構(gòu)，看起來很復(fù)雜，但實(shí)際上與石墨結(jié)構(gòu)具有一定的相似性。從生物醫(yī)學(xué)材料的觀點(diǎn)出發(fā)，渦輪層碳的最大特點(diǎn)是具有優(yōu)良的細(xì)胞生物相容性和抗凝血性，以LTIC和ULTIC更為突出。

3.2玻璃狀碳。玻璃狀碳是一種不可石墨化的單塊碳，具有很高的各向同性特征，原生表面及斷面有玻璃體外貌特征，但僅限于外觀，并無硅酸鹽玻璃的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。玻璃狀碳由無規(guī)則的大約5nm的晶粒組成，具有非常低的孔隙率，對(duì)液體和氣體的滲透性很低。

3.3類金剛石碳。類金剛石碳(Diamond-like Carbon，DLC)中除無定型結(jié)構(gòu)的碳之外，還包含有少量的金剛石微晶、石墨微晶等，其物理性能與金剛石非常相似。由于制備類金剛石的原料為碳?xì)浠衔铮虼嗽陬惤饎偸谐纪猓€含有較多的碳-氫基團(tuán);隨其中碳-氫基團(tuán)的種類和數(shù)量不同，類金剛石的性質(zhì)亦有較大變化。它具有高硬度(Hv (kg/mm2) 1200-1800)、高耐磨損、低摩擦系數(shù)、高耐腐蝕、組織相容和血液相容的優(yōu)良特性。其制備工藝包括:等離子體化學(xué)氣相沉積、離子束增強(qiáng)沉積、離子鍍和 PIII-IBED等。

（▼植入不同位置的不同碳素材料）

粉體圈 作者：小黑楊

參考文獻(xiàn)：

郭俊明. 惰性生物陶瓷及生物活性陶瓷的發(fā)展及應(yīng)用[J]. 紅河學(xué)院學(xué)報(bào), 1997(2):42-49.