21世纪以来，新材料逐渐在我们的日常生活中占据了一席之地，而生物陶瓷作为一种为人们的生活乃至身体健康等各方面都带来了不可忽视的便利的新材料，近年来越发受到医疗器械和生物医用材料界的重视。

图1 人体骨骼图

生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。因其具有良好的生物相容性和稳定的物化性质等特点，被广泛应用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼外科等方面。

图2 生物陶瓷应用

一、生物陶瓷材料的发展

图3 生物陶瓷材料发展图

二、生物陶瓷分类

根据用途不同生物陶瓷可以分为种植类生物陶瓷和生物工程类生物陶瓷；根据生物陶瓷在生物体内的活性可分为活性生物陶瓷和惰性生物陶瓷材料。本文从后者对生物陶瓷进行分类：

1、生物惰性陶瓷

生物惰性陶瓷的化学性能稳定，生物相容性好，如氧化铝、氧化锆等，其物理机械性能及功能特性与人体组织相匹配，主要特点是力学强度高，耐磨性强。

1．1 氧化锆( ZrO₂)

氧化锆陶瓷是迄今为止强度最高的牙科修复材料，也广泛用于骨科的人工髋关节。将氧化锆材料和成骨细胞在体外共同培养，证实其具有良好的生物相容性。在骨科，氧化锆陶瓷主要用于人工髋关节。但是氧化锆陶瓷的黏结强度不足，影响黏结稳定性。目前较多应用酸蚀、喷砂等陶瓷表面处理手段来改进陶瓷的黏结性能；其次氧化锆陶瓷材料的脆性影响其使用，人们通常采用增韧的方法来改善。

图4 氧化锆义齿制作流程

1．2 氧化铝( Al₂O₃)

20世纪70年代氧化铝陶瓷开始应用于人工全髋关节置换术（THA）。氧化铝陶瓷在体外对人成纤维细胞只有微弱毒性，长时间存在于体内环境，力学特性也无明显改变，硬度超过2000HV。随着热等静压成形术和激光蚀刻技术的应用，使三代氧化铝陶瓷晶粒更小，纯度及密度更高，强度和硬度得到显著增加，碎裂率显著降低。氧化铝陶瓷超强的硬度，良好抗磨损能力，使之成为骨科THA 中主要的生物材料。

图5 氧化铝陶瓷关节

1．3 碳化硅陶瓷（SiC）

碳化硅呈六方晶或菱面体，硬度仅次于金刚石，机械强度高，纯碳化硅呈无色透明状。近年来人们尝试将碳化硅陶瓷应用于口腔医学领域，作为种植体材料的碳化硅陶瓷越来越受到科研与临床的青睐，在生物相容性、毒性等方面做了探索性工作。碳化硅陶瓷表面制备了生物玻璃涂层，涂层进一步增强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临床使用克服了临床上全瓷材料价格高昂及制备加工要求条件苛刻的不利因素。研究表明新型硅藻土可切削陶瓷无明显细胞毒性，符合临床应用要求。

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羟基，还可做成多孔性，生物组织可长入并同其表面发生牢固的键合；生物吸收性陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收，在生物体内能诱发新生骨的生长。生物活性陶瓷有生物活性玻璃（磷酸钙系），羟基磷灰石陶瓷，磷酸三钙陶瓷等几种。

2.1 羟基磷灰石陶瓷（HAP）

羟基磷灰石，属表面活性材料，由于生物体硬组织（牙齿、骨）的主要成分是羟基磷灰石，因此有人也把羟基磷灰石陶瓷称之为人工骨。具有生物活性和生物相容性好、无毒、无排斥反应、不致癌、可降解、可与骨直接结合等特点，是一种临床应用价值很高的生物活性陶瓷材料，引起了广泛的关注。

为提高羟基磷灰石的力学性能，制得的致密HAP机械性能得到了一定的提高，但表面显气孔率较小，植入人体内后，只能在表面形成骨质，缺乏诱导骨形成的能力，仅可作为骨形成的支架。因此，人们又将研究重点放在了多孔羟基磷灰石陶瓷方面。研究发现，多孔钙磷种植体模仿了骨基质的结构，具有骨诱导性，它能为新生骨组织的长入提供支架和通道，因此植入体内后其组织响应较致密陶瓷有很大改善。

图6 羟基磷灰石制备的隆鼻假骨

2.2 磷酸三钙（TCP）

磷酸三钙具有高温相(α-TCP) 和低温相(β-TCP) 两种类型，α-TCP 常作为骨水泥使用。研究较多的是β-TCP，因其降解性能好，并且有促进新骨形成等优点。多孔的β-TCP 陶瓷可以与骨组织直接结合，研究证实其与成骨细胞有很好的相容性，保证成骨细胞具有活性，可以促进新骨的形成。β-TCP 煅烧骨的研制成功，解决了化学合成人工骨在孔隙率、孔隙交通和孔径方面的难题，而且原料来源丰富，工艺简单。然而β-TCP 也具有一些缺点:

（1）降解缓慢，有文献报道其降解速度长达0.5-5年；

（2）生物力学强度不佳，脆性大，不易成形，不能用于负荷部位；

（3）无诱导成骨能力。

故需要对β-TCP 进行改进，探索更优良的制备方法，或以β-TCP 煅烧骨为支架制备复合材料，或与其他物质复合增加其器械强度、韧性和加快降解速率。

图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 。比普通窗玻璃含有较多钙和磷，能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性，能在植入部位迅速发生一系列表面反应，最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入体内，无排斥、炎性及组织坏死等反应, 能与骨形成骨性结合;与骨结合强度大，界面结合能力好，并且成骨较快。

目前此种材料已用于修复耳小骨，对恢复听力具有良好效果。但由于强度低， 只能用于人体受力不大的部位。由于溶胶-凝胶法制备的材料纯度好、均匀性高、生物活性好和比表面积大等特点，具有更好的研究及应用价值，特别是生物活性玻璃多孔材料在用作骨组织工程支架方面具有很好的前景。

图8 TCP与生物玻璃陶瓷复合材料制备的生物支架

2.4 硫酸钙（CS）

医用硫酸钙为半水化合物晶体，在体内完全降解对生物体血钙水平没有明显影响，与水结合后能够变成固体植入物，可以作为水溶性抗生素的载体。硫酸钙自凝温度低，不会对周围神经组织造成损伤；具有潜在的骨诱导性，释放的钙离子，在弱酸环境的协同下，局部高浓度的钙离子与成骨细胞钙敏感受体结合后，促进骨细胞增殖、分化，调节类骨质形成；参与骨基质的重塑。然而单纯的硫酸钙支架成骨能力有限，只有当骨膜存在的情况下，硫酸钙支架材料才能具有一定的替代成骨性能。

表1 常见生物陶瓷主要制备方法、特性及常见用途

三、生物陶瓷发展热点

3.1 复合材料

为提高生物陶瓷材料的力学性能、稳定性和生物相容性，许多材料工作者在复合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，常用的基体材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷等材料，增强材料有碳纤维、不锈钢或钴基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。

图9 人体碎骨添加生物陶瓷3D打印骨结构

3.2 纳米技术的应用

由于纳米材料具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米生物陶瓷材料呈现出广阔的应用前景。近年来，纳米技术在生物材料领域的应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领域有广阔的应用前景。

在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模拟精细天然骨结构为主。在自然骨的骨质中，羟基磷灰石主要以长10~60nm、宽2~6nm 的针状结晶为主。因此，目前HAP 纳米材料的研究主要集中在纳米HAP晶体，纳米HAP/高聚物复合材料和纳米HAP 涂层材料方面。

四、生物陶瓷发展趋势

生物陶瓷材料虽然得到了各国的高度重视并取得了巨大的发展，但是在韧性以及生物的相容性上等方面仍存在不足，今后，生物陶瓷材料发展方向主要有：

（1）研究与人体组织结构具有相同有机和无机成分的复合材料，提高现有生物陶瓷的可靠性、强度，改善韧性，使之与人体内部组织具有相似的力学性能。

（2）开展人工骨应用基础理论研究，开发与人体组织力学相适应性好，又具有促进组织生长的生物陶瓷材料。

（3）研究在人体内可生物半降解的无机生物材料，可根据人体在恢复过程中所需物质，研究含人体生理活性物质和有效微成分的无机生物材料。

（4）在移植陶瓷应用范围不断扩大基础上，人造血管和人造气管等软组织材料的应用将是今后的重点研究课题。

作者：弋木

参考文献：

1、生物陶瓷在口腔医学领域的研究进展，孙昌。

2、生物陶瓷应用与市场分析，徐慧芳。

3、生物陶瓷材料的应用及其研究进展，高定。

4、生物陶瓷材料的应用及其发展前景，崔福斋。

5、生物陶瓷材料的研究进展，焦永峰。

6、口腔医学领域生物陶瓷研究现状，员丽颖。

7、多孔生物陶瓷人工骨修复儿童良性骨肿瘤刮除术后骨缺损，潘朝晖

8、部分资料来源于网络。