骨科疾病是與日常生活息息相關的重大問題，隨著技術手段的提升，人類攻克相關疾病也越來越得心應手，選用合適的材料進行修復或替代是常用的治療手段。目前治療骨缺損所用的材料來源有自體移植、異體移植和人工合成生物材料3大類。

自體移植成分符合最佳，且不會導致免疫排斥反應，但自體移植存在手術費用昂貴，缺少足夠供體供應和會導致供體部位損傷、疾病等問題；異體移植是 從活體人類供體、尸體或異種移植物（動物來源）中獲取骨骼，相對供體充足，但同時也帶來了不同的重塑動力學、免疫原性反應風險和病毒病理學傳播等問題；相對于前兩者的材料來源局限性，人工合成生物材料具有材料來源廣泛、生物相容性好、對機體無毒副作用、無免疫排斥反應等優點，因此使用人工合成的生物材料作為長期骨替代材料成為一種有廣闊前景的治療手段。

人工骨材料

骨替代材料的生物和物化性能

理想的骨替代材料通常需要符合以下性質：

（1）良好的生物性能，主要包括生物相容性、骨傳導性、骨誘導性、骨整合性，有利于與天然骨整合，刺激新骨生成；

（2）合適的物理和化學性能，主要為具有與骨骼相近的彈性模量、優異的硬度、足夠的抗壓強度、良好的斷裂韌性，能夠減少骨磨損，避免新骨形成前的骨缺損區塌陷和脆性斷裂，同時還需可抵抗人體環境的腐蝕和溶解；

（3）同時滿足生物、物化方面眾多性能需求，而實際使用中人工骨替代材料往往難以同時滿足，這可能會導致某些種植體在使用初期由于磨損、感染、彈性模量不匹配、強度低等原因而失效，需要二次手術，增加了手術成本和患者的痛苦。

理想骨替代材料所需的性能

幾種典型的骨替代生物陶瓷材料

高分子材料、金屬材料、生物陶瓷及復合材料均是研究和制備人工骨替代材料的候選者，其中，生物陶瓷材料由于密度和成分與人骨相似、化學性質穩定、機械 強度高、耐腐蝕、生物相容性好等優點在醫療行業中的應用廣泛，除了性能優異外，生物陶瓷還可通過與陶瓷或與其他種類的材料復合以改善其綜合性能，因而非常具有研究潛力。

6種典型骨替代材料的性能對比

一、磷酸鹽生物陶瓷材料

天然骨主要是由I型膠原蛋白有機相和羥基磷灰石晶體無機相以特定的結構排列而成，骨基質中的羥基磷灰石晶體與膠原蛋白相結合而被保護，在人體不會被降解。而人工合成的磷酸鹽材料由于缺少I型膠原蛋白的保護，在人體環境中被降解成Ca²⁺、PO₄^5-或類骨磷灰石微晶，這些釋放物可促使骨細胞分化、增殖而形成新的骨骼。

因此，磷酸鹽生物陶瓷具有良好的生物相容性、骨傳導性、生物活性，使其被廣泛應用于牙科植入物、骨填充、骨移植、脊柱融合和藥物釋放系統等領域。目前，用于骨修復和骨替代的磷酸鹽生物陶瓷的鈣磷摩爾比在1.5 ~ 1.67，主要包括羥基磷灰石(HAp)、磷酸三鈣(TCP)、雙相磷酸鈣(BCP)、磷酸八鈣(OCP)、焦磷酸鈣(CPP)、磷酸氫鈣(DCP)、磷酸鎂等。

β磷酸三鈣陶瓷

羥基磷灰石(HAp)的化學成分和晶體結構與天然骨中無機相一致，是研究最廣泛的磷酸鈣陶瓷之一。但其斷裂韌性差、脆性大，通過對HAp的離子取代或與其他材料復合是改善力學性能、提高生物相容性、骨誘導性，賦予特殊性能的解決方案。其中，通過將HAp與β-TCP（磷酸三鈣）生物陶瓷復合制備雙相磷酸鈣(BCP)是研究的熱點之一。

二、硅酸鹽生物陶瓷材料

磷酸鹽材料通常不具有骨誘導性，而硅酸鹽材料中Si⁴⁺可促進骨形成、參與骨基質的早期礦化，并在促進骨形成的代謝中發揮重要作用，同時可能影響蛋白質分泌、細胞存活、凋亡，對成骨細胞和細胞外基質有刺激作用。鑒于這些特點，硅酸鹽生物陶瓷已被廣泛用于誘導骨再生的骨修復材料，通常用于制備骨組織工程支架材料。

硅酸鈣支架與細胞之間的作用過程

常用的硅酸鹽生物陶瓷有硅酸鈣(CaSiO₃)、透輝石(CaMgSi₂O₆)、鎂黃長石 (Ca₂MgSi₂O₇)、閃鋅礦(Ca₇MgSi₄O₁₆)、硬石膏(Ca₂ZnSi₂O₇)、鎂橄欖石(Mg₂SiO₄)等。

硅酸鹽陶瓷主要應用于非承重部位：CaMgSi₂O₆用于眼眶重建植入物；Ca₂MgSi₂O₇和Ca₇MgSi₄O₁₆主要應用于骨組織工程的支架材料；Ca₂ZnSi₂O₇與HAp和CaSiO₃相比，具有更好的生物相容性、彎曲強度和斷裂韌性，是骨再生支架、生物活性涂層的合適候選材料；Mg₂SiO₄與其他硅酸鹽生物陶瓷相比降解率較低，力學性能優于HAp和CaSiO₃，良好的生物活性、生物相容性和力學性能使其可成為修復骨缺損的理想材料，未來有望成為骨替代領域的承載材料。

三、氧化物生物陶瓷材料

氧化物生物陶瓷（如氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷）的優勢在于機械強度高、耐磨性好、物理化學性質穩定，臨床上通常用于承重人工骨，如髖關節、膝關節和牙齒等部位。但由于氧化物生物陶瓷穩定的化學性質導致其難以與宿主骨形成化學鍵合，生物活性差，限制了其在骨替代領域中的應用。

氧化鋯陶瓷作為骨替代材料的應用

氧化鋁陶瓷具有高強度、優異的耐腐蝕性和耐磨性，但Al₂O₃和組織之間缺乏化學鍵合，存在生物活性差和斷裂韌性差的問題。可通過形成高度多孔結構改善氧化鋁陶瓷的生物相容性和生物活性，或通過納米尺度的第二陶瓷相的分散來增強斷裂韌性和彎曲強度。

四方氧化鋯陶瓷(TZP)具有優異的生物相容性、美學性能、高斷裂韌性、高彎曲強度和壓縮強度，但耐磨性差和老化現象會損害其應用的長期穩定性。可通過減少 晶粒尺寸、降低孔隙率、減少團聚體來提高材料的耐磨性和抗老化性。同時，氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷(ZTA)也具有優異的抗老化性能和綜合機械性能，在生物醫學應用中已被用作單斜氧化鋯陶瓷的替代品。

四、非氧化物生物陶瓷材料

1.β-Si₃N₄生物陶瓷材料

氮化硅曾被劃分為生物惰性陶瓷一類，而目前研究表明β-Si₃N₄具有活性表面化學成分，可以保護、刺激并最終促進組織愈合。與氧化物陶瓷不同，β-Si₃N₄的表面 化學和表面形貌可以通過工程設計來滿足體內的潛在需求。當浸入水環境中時，硅和氮從其表面緩慢洗脫，在人體內弱堿條件下以NH⁴⁺的形式存在，能夠促進骨組織愈合、改善細胞代謝和增強骨形成，不僅可以產生纖維互鎖的完全致密的結構，滿足全關節置換術中所要求的耐磨性、彎曲強度和斷裂韌性等性能，還可以制成多孔植入物，應用于骨支架、脊柱融合和頜面部重建。

氮化硅陶瓷

2.β-SiAlON生物陶瓷材料

β-SiAlON是由部分Al-O鍵取代了Si-N鍵而得到的β-Si₃N₄的固溶體，這種局部化學鍵的取代使得二者晶體結構相似、力學性能相近，但也使得β-SiAlON的無序度增加，在燒結過程中易產生大量瞬時液相，大幅改善燒結性能，解決了β-Si₃N₄不易燒結的問題。

β-SiAlON在人體環境中不存在毒性，并具有骨誘導性能，此外，β-SiAlON可通過與其他材料復合，不僅能克服β-SiAlON的制備困難問題，還能進一步提高β-SiAlON的力學性能，改善其生物性能，使得β-SiAlON在生物陶瓷領域中有望成為β-Si₃N₄的替代物，成為最具潛力的骨替代生物陶瓷材料之一。

3.SiC生物陶瓷材料

碳化硅具有優異的力學性能，耐磨性好，具有一定的生物相容性。將SiC制備成多孔生物陶瓷支架，與β-Si₃N₄復合可應用于骨科和牙科植入物領域。但由于SiC 生物陶瓷本身具有生物惰性，其表面還未發現更有利于骨替代的特殊表面化學性 質，所以目前對于SiC生物陶瓷做骨替代材料的研究較少。

總結

盡管可用于骨替代的材料種類繁多，但根據骨科疾病發生部位的特殊性，應選用不同的骨替代材料，發揮材料的自身優勢。由于理想骨替代材料需要優異的物理、化學和生物性能，單一的材料往往難以同時滿足這些性能的需求，所以近些年關于骨替代復合材料的研究也比較熱門，主要集中在金屬與生物陶瓷的復合、不同生物陶瓷之間的復合、高分子材料與生物陶瓷的復合三個方向，生物陶瓷的多功能化以及更好地進行人體骨免疫調節等領域依舊具有很大的研究空間。

參考來源：

1. 骨替代生物陶瓷材料的研究現狀，高金星、李麗亞、穆菁華、徐恩霞、劉新紅、馬成良、張燦、張麗果（鄭州大學學報）；

2. 骨替代材料的研究方法及進展，倪卓、楊莎、王應、劉士德（深圳大學學報）。

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