生物陶瓷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。作為生物陶瓷材料，需要具備如下條件：生物相容性，力學相容性，與生物組織有優異的親和性，抗血栓，滅菌性并具有很好的物理、化學穩定性。

生物陶瓷材料可分為生物惰性陶瓷(如Al2O3，ZrO2等)和生物活性陶瓷(如致密羥基磷灰石，生物活性玻璃等)。

01

— 生物惰性陶瓷 —

生物惰性陶瓷主要是指化學性能穩定、生物相溶性好的陶瓷材料。如氧化鋁、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。

氧化鋁生物陶瓷

單晶氧化鋁C軸方向具有相當高的抗彎強度，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、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。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。通過火焰熔融法制造的單晶氧化鋁，強度很高，耐磨性好，可精細加工，制成人工牙根、骨折固定器等。多晶氧化鋁，即剛玉，強度大，用于制作人工髖關節，人工骨，人工牙根和關節。單晶氧化鋁陶瓷的機械性能更優于多晶氧化鋁，適用于負重大、耐磨要求高的部位，但其不足之處在于加工困難。中國陶瓷在實驗室研究水準上完全可達到ISO標準，但用于臨床仍有一定差距，材料未達到ISO標準。

國際標準化組織(ISO)對于醫用氧化鋁植入制品的要求

單晶氧化鋁臨床應用

它用作人工關節柄與氧化鋁多晶陶瓷相比具有比較高的機械強度，不易折斷。它還可以作為損傷骨的固定材料，主要用于制作人工骨螺釘，比用金屬材料制成的人工骨螺釘強度高。可以加工成各種齒用的尺寸小、強度大的牙根，由于氧化鋁單晶與人體蛋白質有良好的親合性能，結合力強，因此有利于牙齦粘膜與異齒材料的附著。

氧化鋯生物陶瓷

氧化鋯陶瓷(Zirconia Bioceramics)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(ZrO2)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。

（用于外科植入的氧化鋁、氧化鋯陶瓷性能比較）

02

— 生物活性陶瓷 —

生物醫學應用：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。

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。生物活性陶瓷具有骨傳導性，它作為一個支架，成骨在其表面進行；它還可作為多種物質的外殼或填充骨缺損。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷、磷酸三鈣陶瓷等幾種。

生物活性玻璃及玻璃陶瓷

(Bioactive Glass & Glass-ceramics)

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。

目前制備生物活性玻璃的方法主要是采用溶膠- 凝膠法制備，采用該方法制備的材料具有特殊的化學組成，納米團簇結構和微孔，因而比表面積較大，生物活性比其他生物玻璃及微晶玻璃更好。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。

生物活性玻璃及玻璃陶瓷最顯著的特征是植入人體后，表面狀況隨時間而動態變化，表面形成生物活性的碳酸羥基磷灰石(HCA)層，為組織提供了鍵合界面。

A、組成：生物活性玻璃的組成主要為：SiO2、Na2O、CaO、P2O5等。生物活性玻璃陶瓷是在生物活性玻璃的基礎上，控制晶化得到的多晶體。與傳統鈉鈣硅體系玻璃相比，具有三大組成特征：SiO2含量低；Na2O、CaO含量高；CaO/P2O5比例高。

B、性質：快速的表面反應；無定形二維結構使強度及斷裂韌性低；彈性模量(30-35MPa)低，與皮質骨接近；可切削生物玻璃具有良好的加工性能。

C、制備工藝：生物活性玻璃的制備工藝與傳統的玻璃制備工藝基本相同，包括稱重、混合、熔合、熔化、均勻化、玻璃形成等。玻璃陶瓷則還需在一定的熱處理制度下控制玻璃成核與晶粒生長。

D、臨床應用：

a) 45S5生物活性玻璃用于中耳小骨置換、頜骨缺損修復、牙周缺損修復、骨嵴維護植入體，不引起細胞損傷、無降解產物、無感染性。

b) Ceravital生物活性玻璃陶瓷用于中耳外科手術，是一種低鈉、鉀的生物活性玻璃陶瓷。

c) 磷灰石-硅灰石活性玻璃－－A-WGC，用作脊椎假體、胸、額骨修復以及骨缺損修復，已成功應用于數萬名患者。

d) 可切削生物活性玻璃－MBGC]，主要用在頜面、脊椎、牙槽硬組織修復以及 口腔修復，其特點是優良的可加工性及骨結合性。

磷酸鈣生物活性陶瓷

磷酸鈣陶瓷(CPC)是生物活性陶瓷材料中的重要種類，目前研究和應用最多的是羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)。磷酸鈣陶瓷含有CaO和P2O5兩種成份，是構成人體硬組織的重要無機物質，植入人體后，其表面同人體組織可通過鍵的結合，達到完全親和。其中，HA在組成和結構上與人骨和牙齒非常相似，具有較高的力學性能，在人體生理環境中可溶解性較低；TCP與骨的結合性好，無排異反應，在水溶液中的溶解程度遠高于HA，能被體液緩慢降解、吸收，為新骨的生長提供豐富的鈣、磷，促進新骨的生長。除了這二者，磷酸鈣生物陶瓷還包括可降解、吸收的鋅－鈣－磷氧化物陶瓷(ZCAP)、硫酸鋅－磷酸鈣陶瓷(ZSCAP)、磷酸鋁鈣陶瓷(ALCAP)和鐵－鈣－磷氧化物陶瓷(FECAP)等。

A、組成和物化性能概述

磷酸鈣化合物的分類通常是按照具有的Ca/P原子比(鈣磷比)進行，磷酸鈣陶瓷是具有不同鈣磷比磷酸鈣陶瓷的總稱。

（磷酸鈣按照Ca/P進行分類）

各種磷酸鈣化合物均具有一定的溶解性，磷酸氫鈣、磷酸三鈣和羥基磷灰石的溶度積如下：各種磷酸鈣化合物高溫下的結構與其鈣磷比、溫度、加熱速度、氣氛等因素有關；合成工藝的不同，也將影響其熱特性(主要是其熱穩定性)。

磷酸氫鈣 pK=6.57

磷酸三鈣 pK=28.7

羥基磷灰石 pK=57.8

在水中磷酸氫鈣的溶解能力最強，磷酸三鈣次之，羥基磷灰石最穩定。因此，由磷酸氫鈣及磷酸三鈣制作的骨修復材料可以逐漸溶解，同時沉淀結晶為羥基磷灰石。

B.羥基磷灰石陶瓷

羥基磷灰石( hydroxyapatite，簡稱HA或HAP)組成與天然磷灰石礦物相近，是脊椎動物骨和齒的主要無機成分，結構亦非常接近，呈片狀微晶狀態。它作為骨代替物被用于骨移植。HA 有良好的生物相容性，植入體內不僅安全，無毒，還能傳導骨生長。

HA能使骨細胞附著在其表面, 隨著新骨的生長，這個連接地帶逐漸萎縮，并且HA通過晶體外層成為骨的一部分, 新骨可以從HA植入體與原骨結合處沿著植入體表面或內部貫通性孔隙攀附生長。HA生物活性陶瓷是典型生物活性陶瓷，植入體內后能與組織在界面上形成化學鍵性結合。HA生物活性陶瓷和骨鍵接的機制不像生物玻璃那樣需要通過在其表面形成富硅層，進而形成中間鍵接帶以實現鍵合。致密羥基磷灰石陶瓷植入骨內后，由成骨細胞在其表面直接分化形成骨基質，產生一個寬為3~ 5 μm 的無定形電子密度帶，膠原纖維束長入此區域和細胞之間，骨鹽結晶在這個無定形帶中發生。隨著礦化成熟，無定形帶縮小至0.05~ 0.2μm，羥基磷灰石植入體和骨的鍵合就是通過這個很窄的鍵接帶實現的。

經HA表面涂層處理的人工關節植入體內后,周圍骨組織能很快直接沉積在羥基磷灰石表面，并與羥基磷灰石的鈣、磷離子形成化學鍵，結合緊密,中間無纖維膜。HA 生物陶瓷植入肌肉或韌帶等軟組織或被一薄層結締組織緊密包繞，無炎性細胞和微毛細管存在。作穿皮種植時，能在頸部和上皮組織密合，無炎癥和感染發生。因此，HA生物活性陶瓷也適用于穿皮器件及軟組織修復。

HA陶瓷的制備一般可從分解動物的骨組織和人工合成獲得，后者又分濕法和固相反應。最常用的方法是反應共沉淀法，它是將鈣質原料和磷酸鹽或磷酸，分別配制成合適濃度的液體，按鈣磷原子比1.67，在pH>7的環境下，控制適當溫度進行反應合成，沉淀物經脫水干燥，高溫煅燒得淺綠色合成晶體的團聚體，純度達99.5% 以上，其化學組成主要為：CaO，P2O5。

單一的HA成形和燒結性能較差，易變形和開裂。加入ZrO2+ Y2O3，ZnO和含鎂鹽的CPM 復合試劑等，可使具有良好生物相容性和足夠機械強度，且無毒。連續熱等靜壓燒結是制備理論密度的高致密HA 的有效方法。這種材料主要用作生物硬組織的修復和替換材料, 如口腔種植，牙槽脊增高，牙周袋填補，額面骨缺損修復，耳小骨替換等。由于機械強度不夠高，只限用于以上不承受大載荷部位。由于自然骨優異的強度和韌性，人們想到通過仿生的途徑來提高生物陶瓷修復骨修復材料的性能。Landis等人提出的骨微結構的模型已經廣為人們所引用，盡管其中尚有一些細節沒有實驗驗證。

在磷酸鈣化合物中，研究得最多的是磷灰石，其化學通式為：M10(XO4)6Z2。M －－為二價金屬離子，XO4－－為五價陰離子，Z －－為一價陰離子。下面將詳細論述羥基磷灰石陶瓷。

C.羥基磷灰石陶瓷的性能應用

合成的羥基磷灰石的結構與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≈1.67，密度≈3.14，機械強度大于10MPa，對生物無毒，無刺激，生物相溶性好，不被吸收，能誘發新有的生長。

國內外已將羥基磷灰石用牙槽、骨缺損、腦外科手術的修補、填充等，用于制造耳聽骨鏈和整形整容的材料。此外，它還可以制成人工骨核治療骨結核。

磷酸三鈣

目前廣泛應用的生物降解陶瓷β-磷酸三鈣( 簡稱β-TCP)，屬三方晶系，鈣磷原子比為1.5，是磷酸鈣的一種高溫相。β-TCP的最大優勢就是生物相容性好，植入機體后與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。

鈣磷比在決定體內溶解性和吸收趨勢上起著重要作用，所以和HA相比TCP更易于在體內溶解，其溶解度約比HA 高10~ 20倍。常用的β-TCP植入體內可逐漸降解，降解速率可因其表面構造，結晶構型，含孔率及植入動物的不同而異，其強度常隨降解而減弱。已證實改變孔徑和材料純度能減緩降解速度，提高生物強度。

與其他陶瓷相比，β-TCP陶瓷更類似于人骨和天然牙的性質和結構在生物體內，羥基磷灰石的溶解是無害的，并且依靠從體液中補充鈣和磷酸根離子等形成新骨，可在骨骼接合界面產生分解、吸收和析出等反應，實現牢固結合。

β-TCP陶瓷的缺點是機械強度偏低，經不起力的沖擊。將β-TCP與其他材料混合，制成雙相或多相陶瓷，是提高其力學強度的方法之一。通常認為雙相鈣磷陶瓷( biphasic calc ium phosphate，BCP)的骨傳導效應優于單一的HA或TCP，可以結合HA的強度高和TCP生物降解性能好的優點，而且化學成分與骨相似。Bruder等將骨髓基質細胞( bone marrow stroma cells, BMS)接種于多孔BCP上，修復21mm 長的犬股骨節段性缺損獲得成功。傅榮等發現，BCP上培養BMS能更好地表達成骨細胞特性，表明BCP更適用于骨組織工程的基質材料。

隨著社會的進步，人類已不再滿足簡單模仿人體器官的形狀，而是追求功能盡善盡美的新型材料。生物陶瓷已成為當今醫學領域一個不可缺少的重要部分。目前, 材料科學界已經在這一方面進行了很多的研究。隨著現代科學的飛速發展，技術上的改進不斷完善,生物陶瓷的制備方法也越來越向著可行性發展。

多種Ca- P陶瓷與有機材料復合作為骨組織工程支架材料在臨床試驗中，如TCP+ 膠原,納米晶HA + 膠原, TCP+ 富血小板血漿等。形狀記憶合金制備，有自膨脹和球囊擴張式兩類。主要用于晚期惡性腫瘤引起的膽道狹理想的生物醫用材料應該是對人體無毒性、無致敏性、無刺激性、無遺傳毒性和無致癌性等不良反應。因此，了解生物醫用材料對人體的生物學反應就顯得至關重要。這些反應主要包括組織反應、血液反應及免疫反應。

通過不斷的研究開發，生物陶瓷更多的優良性能將被開發并應用。總之生物陶瓷有著很大的研究空間和廣闊的發展前景。