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对生物陶瓷材料的深入认识

随着材料科学的发展，生物材料由于具有对机体组织进行修复、替代与再生

的特殊功能，已成为当今生物医学工程学中的重要组成部分。其研究内容涉及材

料、医学物理、生物化学和现代高技术等诸多学科领域。

过去，应用最广泛的生物医学材料为金属和有机材料，其存在着许多缺点。

如金属材料植入人体内后，容易发生腐蚀，产生对人体有毒的金属离子，并且金

属磨屑会引起周围生物组织发生变化等问题；而有机材料大多强度较低，难以满

足力学性能和耐久性的要求。

生物陶瓷材料作为一种无机生物医学材料，与生物组织具有良好的相容性和

优异的亲和性，稳定的物理化学性质，可灭菌性及无毒性等优点，越来越受到人

们的重视。

生物陶瓷泛指与生物体或生物化学相关的陶瓷材料，分为与人体相关的陶瓷

(种植类陶瓷)和与生物化学相关的陶瓷(生物工程类陶瓷)二大类。应用的范围有

人工牙冠、牙根、人工血管和人工尿管；更有用于酶固定、细菌、微生物分离、

液相色谱注和DNA等方面。

生物陶瓷材料根据其在生物体内的活性可分为惰性生物陶瓷材料、活性生物

陶瓷材料和可降解生物陶瓷材料。这类陶瓷在生物体内化学性质稳定，生物相容

性好，无组成元素渗出，对机体组织无刺激。植入骨组织后，与骨组织不存在化

学结合，而是被纤维组织膜包裹，形成纤维骨性结合面，在固定于生物体内时，

这类材料具有较长期的稳定性。

惰性生物陶瓷材料主要包括氧化物陶瓷，非氧化物陶瓷，惰性生物玻璃陶瓷

和碳质材料等。这类材料在生物体内几乎不发生变化，有良好的生物相容性。

从20世纪70年代开始，世界上许多国家如美国、德国、瑞士、荷兰和日本

等国就已相继开展了氧化铝生物陶瓷的研究和应用，制成了氧化铝股骨头、臼与

金属骨柄组合的人工骨关节，开创了致密Al2O3陶瓷在骨外科中的应用。至今，

高密度、高纯度、多晶氧化铝已大量用于制作人工髋关节的股骨干、股骨头和髋

臼部件。

大量的研究和临床应用表明氧化铝陶瓷具有良好的生物相容性，氧化铝

陶瓷硬度高，耐磨损能力强，陶瓷间的摩擦系数为0.1，构成的关节面光

滑而持久。氧化铝磨损颗粒引起的生物学反应小于聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯

颗粒。虽然氧化铝陶瓷已成功应用于临床，但氧化铝陶瓷关节面效果并不如预

期的理想。氧化铝陶瓷是脆性材料，对微小裂缝较敏感，容易导致磨损和折断。

（早起研发的生物氧化锆陶瓷是ZrO2与Y2O3、MgO、CaO等得固溶体，在室温下

的主要相是立方氧化锆。次晶相是四方氧化锆（PSZ）。还有就是用Y2O3做稳定

剂时，可以得到室温下只含四方相的多晶氧化锆陶瓷（Y-TZP）。与PSZ相比，TZP

可以再较低的温度烧成，因而可以得到细晶的致密陶瓷。

生物应用：研究表明,氧化锆在人体口腔中无过敏现象,在合理设计的前提

下,可保证使用50年依然坚固.氧化锆可以用于几乎所有的义齿设计中,它使

牙桥制做的长度不再有限制-无论是螺栓固定式或粘接式。它也是用于种植牙

技术的最好材料。实际上,氧化锆全瓷牙已不再是单纯的义意上的义齿,它更适

用于人们对美的越来越高的追求!

生物氧化锆陶瓷应用所面临的一个关键问题是低温退化，可导致植入体表面

粗糙，甚至使植入体失效。2001年大约有400例氧化锆股骨头植入不久即失效。

这一事件引发了对氧化锆陶瓷的低温退化与制备过程、显微结构、使用寿命间相

互关系的深入思考和研究。

碳材料具有良好的生物相容性和与骨匹配的力学性能，因而可应用于人工骨、

人工关节和生物涂层方面。在无机材料中，其最突出的优点是具有优良的抗血

栓和抗溶血性质，使碳材料成为制造人工心脏瓣膜的首选。

按照碳原子排列方式的不同，碳材料存在着多种结构形态如金刚石、石墨和

乱层结构碳。类金刚石碳是一种有生物医用前景的新型碳材料，用于生物惰性

材料的主要是乱层结构碳和碳纤维。一些研究认为纳米晶金刚石涂层可提高生物

医用材料的力学性能和生物相容性。

热解碳和热解石墨是一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳。医学上采用

1500℃以下沉积的碳，即低温各向同性碳，在沉积的过程中，可以添加某些

元素修饰热解碳的性能，例如添加硅，形成致密的，高硬度和高耐磨性的C－

Si涂层,可以降低炎症反应,提高抗凝血能力和生物相容性。

热解碳已成功地用于制造人工心脏瓣膜。这种心脏瓣膜一般由石墨基体和热

解碳涂层两部分构成，在基体表面的各向同性热解Si-C涂覆层