21世紀以來，新材料逐漸在我們的日常生活中占據了一席之地，而生物陶瓷作為一種為人們的生活乃至身體健康等各方面都帶來了不可忽視的便利的新材料，近年來越發受到醫療器械和生物醫用材料界的重視。

圖1 人體骨骼圖

生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一類陶瓷材料，即直接用于人體或與人體直接相關的生物、醫用、生物化學等的陶瓷材料。因其具有良好的生物相容性和穩定的物化性質等特點，被廣泛應用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼外科等方面。

圖2 生物陶瓷應用

一、生物陶瓷材料的發展

圖3 生物陶瓷材料發展圖

二、生物陶瓷分類

根據用途不同生物陶瓷可以分為種植類生物陶瓷和生物工程類生物陶瓷；根據生物陶瓷在生物體內的活性可分為活性生物陶瓷和惰性生物陶瓷材料。本文從后者對生物陶瓷進行分類：

1、生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷的化學性能穩定，生物相容性好，如氧化鋁、氧化鋯等，其物理機械性能及功能特性與人體組織相匹配，主要特點是力學強度高，耐磨性強。

1．1 氧化鋯( ZrO₂)

氧化鋯陶瓷是迄今為止強度最高的牙科修復材料，也廣泛用于骨科的人工髖關節。將氧化鋯材料和成骨細胞在體外共同培養，證實其具有良好的生物相容性。在骨科，氧化鋯陶瓷主要用于人工髖關節。但是氧化鋯陶瓷的黏結強度不足，影響黏結穩定性。目前較多應用酸蝕、噴砂等陶瓷表面處理手段來改進陶瓷的黏結性能；其次氧化鋯陶瓷材料的脆性影響其使用，人們通常采用增韌的方法來改善。

圖4 氧化鋯義齒制作流程

1．2 氧化鋁( Al₂O₃)

20世紀70年代氧化鋁陶瓷開始應用于人工全髖關節置換術（THA）。氧化鋁陶瓷在體外對人成纖維細胞只有微弱毒性，長時間存在于體內環境，力學特性也無明顯改變，硬度超過2000HV。隨著熱等靜壓成形術和激光蝕刻技術的應用，使三代氧化鋁陶瓷晶粒更小，純度及密度更高，強度和硬度得到顯著增加，碎裂率顯著降低。氧化鋁陶瓷超強的硬度，良好抗磨損能力，使之成為骨科THA 中主要的生物材料。

圖5 氧化鋁陶瓷關節

1．3 碳化硅陶瓷（SiC）

碳化硅呈六方晶或菱面體，硬度僅次于金剛石，機械強度高，純碳化硅呈無色透明狀。近年來人們嘗試將碳化硅陶瓷應用于口腔醫學領域，作為種植體材料的碳化硅陶瓷越來越受到科研與臨床的青睞，在生物相容性、毒性等方面做了探索性工作。碳化硅陶瓷表面制備了生物玻璃涂層，涂層進一步增強了碳化硅陶瓷的生物活性。

1.4 硅藻土可切削陶瓷

硅藻土可切削陶瓷的臨床使用克服了臨床上全瓷材料價格高昂及制備加工要求條件苛刻的不利因素。研究表明新型硅藻土可切削陶瓷無明顯細胞毒性，符合臨床應用要求。

2、生物活性陶瓷

生物活性陶瓷包括表面生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，又叫生物降解陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發生牢固的鍵合；生物吸收性陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內能誘發新生骨的生長。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸鈣系），羥基磷灰石陶瓷，磷酸三鈣陶瓷等幾種。

2.1 羥基磷灰石陶瓷（HAP）

羥基磷灰石，屬表面活性材料，由于生物體硬組織（牙齒、骨）的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱之為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料，引起了廣泛的關注。

為提高羥基磷灰石的力學性能，制得的致密HAP機械性能得到了一定的提高，但表面顯氣孔率較小，植入人體內后，只能在表面形成骨質，缺乏誘導骨形成的能力，僅可作為骨形成的支架。因此，人們又將研究重點放在了多孔羥基磷灰石陶瓷方面。研究發現，多孔鈣磷種植體模仿了骨基質的結構，具有骨誘導性，它能為新生骨組織的長入提供支架和通道，因此植入體內后其組織響應較致密陶瓷有很大改善。

圖6 羥基磷灰石制備的隆鼻假骨

2.2 磷酸三鈣（TCP）

磷酸三鈣具有高溫相(α-TCP) 和低溫相(β-TCP) 兩種類型，α-TCP 常作為骨水泥使用。研究較多的是β-TCP，因其降解性能好，并且有促進新骨形成等優點。多孔的β-TCP 陶瓷可以與骨組織直接結合，研究證實其與成骨細胞有很好的相容性，保證成骨細胞具有活性，可以促進新骨的形成。β-TCP 煅燒骨的研制成功，解決了化學合成人工骨在孔隙率、孔隙交通和孔徑方面的難題，而且原料來源豐富，工藝簡單。然而β-TCP 也具有一些缺點:

（1）降解緩慢，有文獻報道其降解速度長達0.5-5年；

（2）生物力學強度不佳，脆性大，不易成形，不能用于負荷部位；

（3）無誘導成骨能力。

故需要對β-TCP 進行改進，探索更優良的制備方法，或以β-TCP 煅燒骨為支架制備復合材料，或與其他物質復合增加其器械強度、韌性和加快降解速率。

圖7 3D打印成型的Mn-TCP生物支架

2.3　生物玻璃陶瓷

生物玻璃陶瓷的主要成分是CaO-Na₂O-SiO₂-P₂O₅ 。比普通窗玻璃含有較多鈣和磷，能與骨自然牢固地發生化學結合。它具有區別于其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入體內，無排斥、炎性及組織壞死等反應, 能與骨形成骨性結合;與骨結合強度大，界面結合能力好，并且成骨較快。

目前此種材料已用于修復耳小骨，對恢復聽力具有良好效果。但由于強度低， 只能用于人體受力不大的部位。由于溶膠-凝膠法制備的材料純度好、均勻性高、生物活性好和比表面積大等特點，具有更好的研究及應用價值，特別是生物活性玻璃多孔材料在用作骨組織工程支架方面具有很好的前景。

圖8 TCP與生物玻璃陶瓷復合材料制備的生物支架

2.4 硫酸鈣（CS）

醫用硫酸鈣為半水化合物晶體，在體內完全降解對生物體血鈣水平沒有明顯影響，與水結合后能夠變成固體植入物，可以作為水溶性抗生素的載體。硫酸鈣自凝溫度低，不會對周圍神經組織造成損傷；具有潛在的骨誘導性，釋放的鈣離子，在弱酸環境的協同下，局部高濃度的鈣離子與成骨細胞鈣敏感受體結合后，促進骨細胞增殖、分化，調節類骨質形成；參與骨基質的重塑。然而單純的硫酸鈣支架成骨能力有限，只有當骨膜存在的情況下，硫酸鈣支架材料才能具有一定的替代成骨性能。

表1 常見生物陶瓷主要制備方法、特性及常見用途

三、生物陶瓷發展熱點

3.1 復合材料

為提高生物陶瓷材料的力學性能、穩定性和生物相容性，許多材料工作者在復合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，常用的基體材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸鈣基生物陶瓷等材料，增強材料有碳纖維、不銹鋼或鈷基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。

圖9 人體碎骨添加生物陶瓷3D打印骨結構

3.2 納米技術的應用

由于納米材料具有表面效應、小尺寸效應及量子效應等獨特的性能，使納米生物陶瓷材料呈現出廣闊的應用前景。近年來，納米技術在生物材料領域的應用已經受到關注。納米陶瓷在人工骨、人工關節、人工齒等硬組織替代材料制造及臨床應用領域有廣闊的應用前景。

在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模擬精細天然骨結構為主。在自然骨的骨質中，羥基磷灰石主要以長10~60nm、寬2~6nm 的針狀結晶為主。因此，目前HAP 納米材料的研究主要集中在納米HAP晶體，納米HAP/高聚物復合材料和納米HAP 涂層材料方面。

四、生物陶瓷發展趨勢

生物陶瓷材料雖然得到了各國的高度重視并取得了巨大的發展，但是在韌性以及生物的相容性上等方面仍存在不足，今后，生物陶瓷材料發展方向主要有：

（1）研究與人體組織結構具有相同有機和無機成分的復合材料，提高現有生物陶瓷的可靠性、強度，改善韌性，使之與人體內部組織具有相似的力學性能。

（2）開展人工骨應用基礎理論研究，開發與人體組織力學相適應性好，又具有促進組織生長的生物陶瓷材料。

（3）研究在人體內可生物半降解的無機生物材料，可根據人體在恢復過程中所需物質，研究含人體生理活性物質和有效微成分的無機生物材料。

（4）在移植陶瓷應用范圍不斷擴大基礎上，人造血管和人造氣管等軟組織材料的應用將是今后的重點研究課題。

作者：弋木

參考文獻：

1、生物陶瓷在口腔醫學領域的研究進展，孫昌。

2、生物陶瓷應用與市場分析，徐慧芳。

3、生物陶瓷材料的應用及其研究進展，高定。

4、生物陶瓷材料的應用及其發展前景，崔福齋。

5、生物陶瓷材料的研究進展，焦永峰。

6、口腔醫學領域生物陶瓷研究現狀，員麗穎。

7、多孔生物陶瓷人工骨修復兒童良性骨腫瘤刮除術后骨缺損，潘朝暉

8、部分資料來源于網絡。