8.4 生物医学物陶瓷晶须材料
生物医用无机非金属材料或称为生物陶瓷包括陶瓷、玻璃、碳素等无机非金属材料。此类材料化学性能稳定，具有良好的生物相容性。
生物陶瓷是指直接用于人体或与人体相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。由于其具有优良的生物相容性和稳定性、美观性等优点受到人们青睐，在临床上已被广泛应用于口腔修复领域；氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷在人体内稳定，可以制造牙根、骨和关节；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；有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等；生物玻璃陶瓷与普通玻璃相比有较多钙和磷，因而能与骨自然牢固地发生化学结合，从而可以用于骨和口腔修复。生物陶瓷增强聚合物复合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究对象主要有：HA、AW玻璃陶瓷、生物玻璃等增强高密度聚乙烯（HDPE）和聚乳酸等高分子化合物，HDPE-HA复合材料随HA掺量的增加，其密度也增加，弹性模量可从1GPa提高到9 MPa，但材料从柔性向脆性转变，其断裂形变可从大于90%下降至3%，因此可通过控制HA的含量调整和改变复合材料的性能。HA增强HDPE复合材料的最佳抗拉强度可达22～26 MPa、断裂韧性达（2.9±0.3）MPa/m2。由于该复合材料的弹性模量处于自然骨杨氏模量范围之内，具有极好的力学相容性，并且具有引导新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增强HDPE复合材料具有与HA增强HDPE复合材料相似的力学性能和生物学性能，复合材料在37℃的SBF溶液中体外实验研究表明，在其表面可形成磷灰石层，通过控制和调整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其满足不同临床应用的需求。
生物医学物陶瓷晶须材料主要研究和制备方法成果如下：
（1）仿生碳化硅晶须陶瓷基复合材料：碳化硅晶须具有高熔点、高强度、高模量、热膨胀率低及耐腐蚀、耐磨等优良性能，广泛作为陶瓷基复合材料的补强增韧剂及结构陶瓷、高级耐火材料等高级原料。仿生碳化硅晶须是一种仿动物骨骼的哑铃形短纤维增强模型制备出的哑铃形晶须，理论分析和模拟实验表明，与同样材质的平直纤维相比，采用哑铃形碳化硅晶须增强的复合材料的强度将成倍增加。
（2）仿生碳化硅晶须的合成：Mazdiyasni等发现多聚硅烷在热解后能生成串珠状碳化硅晶须，Pickles等利用等离子弧反应合成硅基陶瓷晶须时也观察到有串珠状碳化硅晶须生成，白朔等将SiO2和活性炭粉均匀混合，并加入一定量NaF作为助熔剂，采用碳热还原法制备出了哑铃状碳化硅晶须。上述几种方法存在原料纯度和成本高、工艺复杂、合成纯度低，尤其是生产的晶须在使用过程中难以均匀分散，导致其生产成本高，产量小，很难大批量工业化使用。将氧化铝、石墨、炭黑混合，并外加一定量的树脂结合剂，在一定温度下处理，也会有哑铃状SiC晶须生成，但生成量相当小，且发育不完整。
李亚伟2006年发明了一种合成仿生碳化硅晶须的方法，所采取的技术方案是：将酚醛树脂和含硅化合物按摩尔比为1：1.01～3.0混合，外加为酚醛树脂质量分数为3%～15%的乌洛托品为固化剂，外加为酚醛树脂和含硅化合物质量百分含量10%～90%的分散剂，再将所配原料混合5～180min，机压成型，在90～120℃条件下干燥20～30 h，然后在埋碳气氛下升温到1 100～1700℃，保温5～600 min，自然冷却。本发明合成的碳化硅晶须为仿生哑铃状，原位均匀分散在各种基质中，反应完全。本发明具有合成工艺简单、成本低，能大批量工业化生产的特点，在结构陶瓷尤其是耐火材料中具有良好的应用前景。(https://www.daowen.com)
（3）晶须增韧补强医用多孔支架植入材料及其制备：在临床应用方面，除了考虑材料的矿物组分与被修复部分相同之外，材料的结构和生物力学性能将直接影响其临床应用。作为特定组织细胞的载体支架，必须是具有高孔隙率的多孔材料。为了满足人体不同组织的长入，多孔支架的最小孔径必须大于50μm，当孔径为50μm时，结缔组织可以长入，只有孔径大于100μm时，骨细胞可以在孔内生长，形成血管分布和长期的生物性，若要使骨传导生长，孔径必须大于200μm，最理想的孔径范围在300～400μm之间。有关多孔生物陶瓷制备技术主要有：采用发泡和溶胶凝胶化技术制备多孔磷酸钙的（专利有US6521246、JP2003089586和GB2365423等），采用该法制备的多孔材料中有部分气孔为闭孔，不利于组织液的渗入和血管的长入，其孔隙率为35%～65%。添加致孔剂也是制备多孔生物陶瓷的方法之一，如中国科学院上海硅酸盐研究所林开利等（中国专利申请号03115941.9）以硅酸钙和磷酸钙粉末为原料，按质量比进行混合，并添加有机致孔剂，经混合干压、凝胶铸模成型制得坯体，将坯体在900～1200℃烧结1～5 h，制备出有生物活性、可降解、孔隙率在40%～85%的多孔硅酸钙/磷酸钙复合材料，孔径分布为50～600μm，抗压强度为2～80 MPa。由于致孔剂很难均匀分布在无机坯体中，因此采用致孔剂法所制备的多孔陶瓷，孔分布不均匀，且孔隙率很难达到90%以上。多孔模板法（如有机泡沫法）是制备高孔隙率生物陶瓷支架的有效方法之一，但高孔隙率和低强度的矛盾仍是影响该材料临床应用的主要问题，为此在保证高孔隙率的基础上，采用晶须增韧补强可有效提高多孔材料的生物力学性能。美国专利US5204319和US5091344分别介绍了通过在磷酸钙体系中外加SiC或Si3N4晶须，通过气氛烧结制备出晶须增韧的多孔陶瓷，材料的强度和韧性均有一定幅度的提高。专利US6248392、JP11209107和EP0849239采用化学气相沉积法制备含磷酸钙晶须的生物陶瓷。日本专利JP2064067、JP2051475和JP2044074介绍了具有高致密度的晶须增韧陶瓷的制备方法，即将磷酸盐粉末和耐热无机材料晶须如SiC，经湿式混合、预成型，再将含磷酸盐的溶液注入预成型坯体内，干燥后获得成型坯体，坯体在600℃以上煅烧，可获得晶须分布均匀，结合紧密的晶须增韧磷酸钙基质的复合陶瓷。由于采用外加晶须的方式，晶须的均匀分散，与基质界面的紧密结合以及晶须阻碍基体颗粒的致密化等问题的存在，致使晶须增韧效果不明显。上述专利均为通过外加晶须来制备多孔或致密生物陶瓷的方法。
最新制备技术为：李伶2020年发明了自生长磷酸钙晶须强韧多孔陶瓷材料的制备方法，依该方法制备的多孔生物陶瓷材料，不仅孔隙率高，而且具有较高的力学性能，可用于骨组织缺损、修复和体外细胞培养支架以及药物释放载体等的多孔生物陶瓷。
（4）羟基磷灰石/钛酸钠复合生物陶瓷：人们对钛酸钠的研究相对较少，钛酸钠也是具备一定生物活性的物质之一，其在陶瓷领域已经有所发展，已有研究表明，钛酸钠对羟基磷灰石的生物活性具有促进作用。利用钛酸钠对羟基磷灰石生物活性的促进作用，进一步提高羟基磷灰石的生物性能。发明专利（文档序号：12145019）提供的羟基磷灰石/钛酸钠复合生物陶瓷具有较好的生物活性，是一种理想的骨骼修复替代材料。
（5）磷酸钙陶瓷：HA在组成和结构上与人骨和牙齿非常相似，HA能使骨细胞附着在其表面，随着新骨的生长，这个连接地带逐渐萎缩，并且HA通过晶体外层成为骨的一部分，新骨可以从HA植入体与原骨结合处沿着植入体表面或内部贯通性孔隙攀附生长。HA生物活性陶瓷是典型生物活性陶瓷，植入体内后能与组织在界面上形成化学键性结合，具有较高的力学性能，在人体生理环境中可溶解性较低。磷酸钙陶瓷（CPC）是生物活性陶瓷材料中的重要种类，磷酸钙陶瓷含有CaO和P2O5两种成分，是构成人体硬组织的重要无机物质，目前研究和应用最多的是羟基磷灰石（HA）和磷酸三钙（TCP）。植入人体后，其表面同人体组织可通过键的结合，达到完全亲和。多孔聚磷酸钙生物陶瓷是可吸收生物陶瓷的一种，具有良好的生物相容性以及可降解性，在骨组织工程中日益被人们所认识。
（6）氮化硅基陶瓷：氮化硅基陶瓷材料是人体骨骼、关节、牙列缺失的理想植人体材料，目前对医用植入材料氮化硅的研究多集中在抗弯强度、断裂韧性、耐磨性能的优化。由四针状氧化锌晶须抗菌剂、烧结助剂等通过研磨混合的方式加入氮化硅基体中，使得材料整体均具有抗菌效果，方便后续按照所需植入体尺寸进行机械加工，制备出氮化硅医用植入材料。
（7）KTiO基生物陶瓷涂层及其晶须增强HA生物陶瓷：针对目前硬组织替代用钛合金植入体表面生物陶瓷涂层与基体间界面结合差，在受力和疲劳情况下容易剥落，以及生物陶瓷材料性脆易断裂，植入人体后易早期断裂失效等关键问题，通过涂层材料与钛合金基体间的热膨胀系数的匹配设计，优化涂层/基体界面结合，在钛合金基体上沉积六钛酸钾（K2Ti6O13）和K2Ti6O13/HA（羟基磷灰石）生物陶瓷涂层，以获得具有良好生物活性，较高结合强度和耐磨性能的生物活性涂层。首先通过固相反应和化学沉淀法分别制备了K2Ti6O13和HA粉体，确定了粉体的合成工艺，并对其进行了表征；然后用等离子喷涂的方法在Ti6Al4V合金基体上分别制备了K2Ti6O13和K2Ti6O13/HA生物陶瓷涂层；利用XRD和SEM技术对材料的相组成和表面与截面形貌进行表征，按照ASTMC-633标准对涂层的结合强度进行了检测，利用摩擦磨损试验机检测了涂层的抗摩擦性能，利用模拟体液培养和傅立叶红外光谱分析了其生物活性，结果表明，本研究所制的K2Ti6O13具有与Ti6Al4V相近的热膨胀系数，通过计算可知K2Ti6O13与HA的质量配比为80%：20%时，K2Ti6O13/HA生物陶瓷涂层的热膨胀系数与Ti-6Al-4V合金一致。通过正交实验获得等离子喷涂的最佳工艺参数：电压39.8 V，电流850 A，主气45 L/min，辅气27.9 L/min，距离为100 mm。
（8）氧化铝纤维增强羟基磷灰石陶瓷基复合材料：陶瓷材料的致命弱点是脆性，在外力作用下，在材料表面或内部微裂纹尖端产生应力集中，裂纹扩展形成表面能以消耗能量，因而裂纹的扩展速度极其迅速，往往在瞬间就使陶瓷材料遭到灾难性的破坏。当裂纹扩展遇到纤维时，通过纤维与基体界面的脱离来吸收能量，缓和应力集中；部分纤维在张应力作用下发生断裂而从基体中拔出时，也将吸收较大的能量。因此，纤维增强陶瓷基复合材料是一种有效解决陶瓷材料脆性的途径。纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数低、热膨胀系数低、耐化学侵蚀性好等优点，在树脂基和金属基乃至一些陶瓷基复合材料不能满足性能要求的工况条件下得到广泛的应用。羟基磷灰石化学组成与人体骨的无机组成非常相似且晶体结构也相似，植入人体后具有良好的生物活性和生物相容性，对人体无毒副作用，因而羟基磷灰石多孔陶瓷被认为是最具有应用前景的表面活性生物陶瓷，一直受到人们的密切关注。但是羟基磷灰石在高温下极易分解，其烧结性能也因此非常差，导致陶瓷力学性能非常低下，单一成分制备的氰基磷灰石陶瓷材料的断裂强度和断裂韧性非常低，难以满足临床需求。需要改善和提高羟基磷灰石陶瓷材料的断裂强度和断裂韧性。发明专利（文档编号：8932711）提供的方案主要由羟基磷灰石、丙烯酰胺、N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、聚乙烯醇、铝合金粉、木质素磺酸钠、改性氧化铝纤维、氮化铌、乙醇、去离子水等制备氧化铝纤维增强羟基磷灰石陶瓷基复合材料。经过抗氧化处理的氧化铝纤维作为陶瓷的增强相具有增强陶瓷韧性、力学性能、耐磨性、硬度和耐高温的特性，添加的铝合金粉能够和坯体在高温下形成三维网状结构，增强陶瓷的韧性，提高断裂性，增大羟基磷灰石陶瓷基复合材料的使用范围。
（9）氧化锆陶瓷晶须人工关节：第四代人工陶瓷关节复合了氧化锆等数种氧化晶体材料，其性能已较大幅度地优越于第三代，更重要的是，氧化锆可以分散和吸收断裂的能量，抑制裂纹扩展。是目前应用于临床髋关节置换的最好的假体材料。尤其是对于运动量较大的中青年患者，耐磨性最佳的陶瓷材料是最为理想的氧化锆增韧陶瓷作为一种新型精细陶瓷，具有良好的机械性能（断裂韧性、强度、硬度等）、生物相容性和稳定性、美观性、热导性和成形性，可用作为陶瓷关节。二氧化锆陶瓷于20世纪80年代中期开始应用于人工关节，由于氧化锆存在三种晶形，并且在晶形转化的时候会引起体积变化，使材料容易发生开裂，产生裂纹，影响其作为人工关节的使用寿命。因此和齿类材料一样，纯的氧化锆也不能作为人工关节材料使用。为了提高氧化锆的稳定性，通过热处理和添加一些掺杂稳定剂，如Y2O3、CeO2、MgO等，来稳定其晶体结构，使其在常温下能保持四方相，增强其机械强度。1988年，掺杂Y2O3的四方晶相氧化锆（Y-TZP）首次进行人工关节临床应用，但Y-TZP在150～400℃潮湿环境中时，会导致t-ZrO2失稳，进而导致四方相向单斜相转变，最终会导致其力学性能恶化，而人工关节假体在人体内处于被体液所包裹的环境中，这种恶化会导致Y-TZP人工关节失败的可能性增大。由于存在这种失败的可能性，其无法保证100%临床应用的可靠性和稳定性。目前，Y-TZP人工关节已经停止使用。最初的陶瓷人工关节并不完善，陶瓷人工关节到目前为止已经经历了四代工艺改进，逐渐趋于完善。第四代人工陶瓷关节复合了氧化锆等数种氧化晶体材料，其性能已较大幅度地优越于第三代陶瓷关节，具有良好的韧性和强度。复合氧化锆陶瓷材料后，晶体颗粒会更小。更重要的是，氧化锆可以分散和吸收断裂的能量，抑制裂纹扩展，是目前应用于临床髋关节置换的最好的假体材料。尤其是对于运动量较大的中青年患者，耐磨性最佳的陶瓷材料是最为理想的。新一代纳米ZrO2可明显提高陶瓷的室温强度和应力强度因子，从而使陶瓷韧性成倍提高。利用纳米ZrO2制备的复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性、生物相容性、稳定性、美观性等优点，作为一种优良的生物惰性陶瓷，在植入体人工关节等方面应用前景广阔。
（10）石墨烯类材料/羟基磷灰石晶须复合材料的制备方法：以硝酸钙为钙源、磷酸氢二铵提供磷酸根，尿素作反应缓冲剂，山梨醇作为模板剂，硝酸调节反应初期的pH，以氧化石墨烯、石墨烯或者两种混合物的一种或几种等作添加剂。用水浴均相合成法制备复合物，再通过陈化、清洗、干燥得到复合材料；复合材料的结构为：氧化石墨烯片层二维尺寸约为80μm，羟基磷灰石晶须在上述片层上生长，晶须长度15～100μm，平均约为70μm。本制备具有流程简单可控，生产周期短，产量稳定；制备得到的复合物不仅具有羟基磷灰石晶须的生物学特点，同时具有氧化石墨烯、石墨烯材料的提高基体的力学性能优点，在骨修复骨组织工程方面有潜在的应用前景。