国际生物陶瓷技术的新进展 - 憨鼠网

近年来，生物陶瓷材料的研究与应用于临床治疗取得重大突破。如在生物陶瓷取代人体关节、骨骼修复、药理功能与治疗癌症方面都有许多新的进展，有的已成功运用于临床治疗，取得疗效。人体是由诸多组织与器官组成。当其中一部分由于病变、老化或意外事故而丧失功能时，为取代与修补此类器官与组织的功能，并能够与生体组织及体液连接使用，这就是生物陶瓷材料。在２０世纪７０年代～８０年代开发研制各种陶瓷材料，到９０年代已能真正应用于人体生物体的修复，已在临床现场取得重要成果。现在在生物陶瓷研究领域处于领先地位的美国、日本，及其他国家的科学家们、正在利用陶瓷材料所具有的特性，开发具有新功能的生物材料。展现出美好的前景。

（一）用作人体关节的陶瓷材料

从１９７０年起，开始最初尝试以高纯度、高密度烧结氧化铝陶瓷置换过去金属制人工股关节骨头。在８０年代后期，人们以部分烧结稳定氧化锆用作骨头取代烧结氧化铝材料，结果发现氧化锆显示出更高的机械强度与抗破坏韧性。由于推进这一研究成果，到９０年代时，氧化锆陶瓷骨头已被用于临床治疗。使用烧结氧化锆陶瓷，可以使骨头直径变细，从而也使骨臼盖变小，可以减少周围骨骼的切削量。在采用股关节模拟的子牛血浆作了磨耗试验，证明氧化锆陶瓷制骨头比氧化铝陶瓷骨头具有更高的耐磨耗特性，成为新一代生物陶瓷材料。

（二）生物活体陶瓷材料

不仅仅局限于有机高分子骨聚合物与金属材料，包括氧化铝与氧化锆在内，被埋植入人体骨欠损部位的人工材料，一般表现为被纤维性覆盖膜包围，而与周围骨骼相隔离的状态。这是由生物组织显示的极其自然的防御而造成的。因此，将人工骨材料固定在骨组织甚为困难。１９７０年以来，人们发现在人工骨材上有少量未被纤维组织覆膜包围，而是与骨组织直接连接并牢固结合在一起。它们是Ｎａ２－ＣａＯ－ＳｉＯ２－Ｐ２Ｏ５系的贝偶玻璃（Ｂｉｏｇｌａｓｓ）及羟基磷灰石、磷灰石、硅灰石的晶体玻璃材料Ａ—Ｗ。这类材料意味着由诱导与调节生理学活性可以设计出新的生物材料，亦称生物活体材料。接着，显示生物活体的陶瓷材料在８０年代取得进展，到９０年代已扩大了其临床应用范围。现在贝偶玻璃陶瓷因其高生物活性而用作人工耳小骨节，且也用于牙周病而失去的骨组织的修复。１９８２年研制出的晶体玻璃陶瓷材料Ａ—Ｗ获日本政府批准使用。１９９１年开始以陶瓷骨 Ａ—Ｗ名称命名人工胫骨、人工椎体及骨骼补填材料，至今已达到４５０００个用例。

在８０年代后期，磷酸钙系陶瓷烧结羟基磷灰石和β磷酸三钙（３ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５）作为骨骼补填材料开始上市销售。现在日本已形成磷质陶瓷、骨质陶瓷、骨质充填物、陶瓷石等名称的微密体、多孔性、颗粒状等生物陶瓷材料，用于临床治疗。２０世纪９０年代发展起来的磷酸钙系列的人工骨制造技术，已有成系列的人工骨订货。其中在复杂形状的人工骨制品中，以适应特殊的患者专用的人工骨需求中，尤以头盖骨及颚面骨材为多。随着９０年代计算机与医学计量技术的进步，按订货要求生产人工骨成为可能，出现了根据ＣＴ图像而采用ＣＡＤ／ＣＡＭ方法设计人工骨的方法。这种方法是将ＣＴ图像中骨轮廓的数据汇集，制成三维立体图像。在其中引入各截面缺损部分的预测线，然后再设计出缺损部位三维预想曲面，提出缺损部位的数据。其后划出切削加工线，采用研磨机对烧成前的磷灰石进行磨削加工。在特定温度烧成后，即获得羟基磷灰石陶瓷材料。根据烧成工序与窑具的最佳适性，也可以解决烧成过程中出现的收缩及形状不均匀等问题。生物陶瓷材料与信息领域技术融合一起，在医学范围的应用将更加广泛。

（三）用于手术现场的陶瓷人工骨

将生物陶瓷粉末与液体混合，在空气中放置几分钟后呈现膏状，经凝固与周围骨骼结合在一起，且呈现类似骨骼的力学性能。这种聚合物状人工骨材料仅使用注射器即可注入人体内而无需手术就可治愈骨骼缺损部位。制备此种生物活性陶瓷聚合材料大致分为两种材料，其一是将磷酸钙与生体活性玻璃粉末和有机高分子、单体混合；其二是将同一种粉末与无机磷酸盐水溶液或水混合。前者方法可以获得机械强度较高的固化体材料；后者机械强度较一般，不过在反应过程中ＰＨ值从中性领域中不会有大的变动，其本上能获得仅由类骨磷灰石组成的固化体。譬如α磷酸三钙（３ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５）、磷酸一钙及一水化合物（Ｃａ（Ｈ２ＰＯ４）２·Ｈ２Ｏ）、碳酸钙（ＣａＣＯ３）的混合粉末或无水磷酸二钙（ＣａＨＰＯ４）及磷酸四钙（４ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５）的混合粉末中分别掺入磷酸钠水溶液，即可呈现几分钟的流动性，在１０分钟之内含有碳酸离子的羟基磷灰石析出并硬化。固体中的大部分材料在１２小时内转化为类骨磷灰石，并能够与周围骨骼相结合，可长期用作骨骼替代材料。目前采用注射膏状陶瓷材料以修复人体骨欠损部位的试验取得进步。日本于１９９９年批准使用以α·３ＣａＯ·Ｐ２Ｏ５与磷酸四钙为主要成分的骨膏材料。其后开始以“生命复活”商品名称上市出售。不过此种骨膏的硬化体压缩强度仅为６０～９５Ｐａ，目前尚不能使用于固定人工关节。人们希望将来会开发出机械强度更高的生体活性陶瓷材料。

（四）药理功能陶瓷材料

目前，促进失去组织的再生或修复组织再生的医疗工学，以及依靠体外组织培养、再造脏器官的组织工学等学科，倍受人们关注。采取医疗工学与组织工学构筑生体组织时，由干细胞、生长基因及细胞增值的原场组成基础材料的三个要素至关重要。其中作为补助生体组织再生的基础陶瓷材料，与使人工骨自身赋予骨形成促进及骨吸收缓和药理功能的试验亦正在进行。譬如使骨芽细胞活性化、以抑制碎骨细胞引起的骨吸收的生体微量成分—锌引入磷酸三钙中，促进骨形成的骨补充材料就能合成。见偶琉璃及晶体化玻璃Ａ—Ｗ溶出硅虽然含量小，但作为对骨形成有效且必备的微量元素而发挥作用。人们期待利用此类微量元素开发出具有药理机能的新一代生体陶瓷材料。

此外，采用生物陶瓷材料羟基磷灰石分极来控制生理学活性的新技术已经成功。