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。而生物相容性是指生物材料植入體內后，機體對植入物發生的反應。迄今為止，還沒有一種材料是完全惰性的物質，所以，相容性是相對的。現有的惰性生物陶瓷有氧化鋁、氧化鋯以及醫用碳素材料等。這類陶瓷材料的結構都比較穩定，分子中的鍵合力較強，而且都具有較高的強度、耐磨性及化學穩定性。

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用生物材料。單晶氧化鋁c 軸方向具有相當高的抗彎強度（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、關節和固定骨折用的螺栓。并且該螺栓不生銹，也不會溶解出有害離子，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。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，都對氧化物陶瓷，特別是氧化鋁生物陶瓷進行了廣泛的研究和應用。由于氧化鋁陶瓷植入人體后表面生成極薄的纖維膜，界面無化學反應，多用于全臀復位修復術及股骨和髖骨部連接。

但是氧化鋁也存在幾個問題：1、與骨不發生化學結合，時間長后骨固定會發生松弛；2、機械強度并不十分高；3、楊氏模量過高（380GPa）；4、摩擦系數和磨耗速度不十分低。

▲高純氧化鋁生物陶瓷人體關節頭

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、高斷裂強度和低彈性模量。氧化鋯具有極高的化學穩定性和熱穩定性(Tm=2953K)，在生理環境中呈現惰性，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生晶型轉變(相變)。在承受外力作用時，其 t 相向 m 相轉變的過程需吸收較高的能量，使裂紋尖端應力松弛，增加裂紋擴散阻力而增韌，因而具有非常高的斷裂韌性。

部分穩定的氧化鋯和氧化鋁一樣，生物相容性良好，在人體內穩定性高，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現低摩擦、磨損， 用以制造牙根、骨、股關節、復合陶瓷人工骨、瓣膜等。上海的科學家還研制成功了等離子噴涂氧化鋯人工骨與關節陶瓷涂層材料，并獲得了國家發明獎。

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

▲醫用二氧化鋯牙胚

(▼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，有單質碳，但更多以化合物形式存在。單質碳有多種同素異型體，主要有金剛石結構、石墨結構和無定形結構。碳素材料石墨質輕而且具有良好的潤滑性和疲勞特性，彈性模量與致密的人骨大小相同，在人體中化學穩定性好、無毒性、不發生反應和溶解、生物親合性好、無排異反應、耐腐蝕、對人體組織理學刺激性小。特別需指出的是，無定形碳除具有優良的機械性能外，可以調整組成和結構改變其性能，滿足不同的應用要求。無定形碳雖然不與人體組織形成化學鍵合，但允許人體軟組織長入碳的空隙，形成牢固結合，碳周圍的人體軟組織可迅速再生，有人認為無定形碳具有誘發組織生長的作用。由于無定形碳獨特的表面組成和表面結構，與血液長期接觸引起的凝血作用非常小，不會誘發血栓，因而廣泛應用作心血管材料。

在醫學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、碳纖維增強復合碳材料。

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，統稱為渦輪層碳。渦輪層碳(Turbostratic Carbon)的微觀結構為無序結構，看起來很復雜，但實際上與石墨結構具有一定的相似性。從生物醫學材料的觀點出發，渦輪層碳的最大特點是具有優良的細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狀結構。玻璃狀碳由無規則的大約5nm的晶粒組成，具有非常低的孔隙率，對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)中除無定型結構的碳之外，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氫化合物，因此在類金剛石中除碳外，還含有較多的碳-氫基團;隨其中碳-氫基團的種類和數量不同，類金剛石的性質亦有較大變化。它具有高硬度(Hv (kg/mm2) 1200-1800)、高耐磨損、低摩擦系數、高耐腐蝕、組織相容和血液相容的優良特性。其制備工藝包括:等離子體化學氣相沉積、離子束增強沉積、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：

郭俊明. 惰性生物陶瓷及生物活性陶瓷的發展及應用[J]. 紅河學院學報, 1997(2):42-49.