生物陶瓷为什么越来越受到重视


来源:中国粉体网

[导读]  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队,在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得进展。该研究团队通过对传统的白色生物活性陶瓷材料(硅酸盐和磷酸盐等)进行热还原处理,研制出新一代“黑色生物活性陶瓷”,将传统生物活性陶瓷材料的应用领域从组织再生拓展到肿瘤等疾病治疗。

中国粉体网讯  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究团队,在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得进展。该研究团队通过对传统的白色生物活性陶瓷材料(硅酸盐和磷酸盐等)进行热还原处理,研制出新一代“黑色生物活性陶瓷”,将传统生物活性陶瓷材料的应用领域从组织再生拓展到肿瘤等疾病治疗。


何为生物陶瓷


生物陶瓷,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相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。生物陶瓷不仅具有不锈钢、塑料等所具有的特性,而且具有亲水性,能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性,它是材料工业发展的一个新领域,受到世界各国的重视。



分类


生物陶瓷分为生物惰性陶瓷与生物活性陶瓷两类。



生物惰性陶瓷


生物惰性陶瓷材料的结构比较稳定,分子中的键合力较强,而且都具有较高的强度、耐磨性和化学稳定性。


1、氧化铝陶瓷


目前氧化铝陶瓷已经应用于人造骨、人工关节及人造齿根的制作方面。氧化铝陶瓷在体外对热纤维细胞只有微弱的毒性,长时间存于体内环境,力学特性也无明显改变,硬度超过2000维氏单位。近些年随着热等静压成型技术和激光刻蚀技术的应用,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,破裂率显著降低。氧化铝陶瓷超强的硬度,良好的抗磨损能力,使之成为骨科THA中主要的生物材料。


2、氧化锆陶瓷


近年来,氧化锆陶瓷由于其优良的力学性能,尤其是其远高于氧化铝陶瓷的断裂韧性,使其作为增强增韧第二相材料在人体硬组织修复体方面取得了较大的研究进展。


生物活性陶瓷


生物活性陶瓷又叫生物降解陶瓷,包括活性陶瓷和生物吸收性陶瓷。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;生物吸收陶瓷的特点是能部分吸收或者全部吸收,在生物体内能够诱发新生骨的生长。


1、生物活性玻璃


主要是由SiO2、P2O5、CaO、Na2O构成,可以键合到现有的骨组织中,可降解,并通过它们的溶解产物对细胞的作用刺激新骨生长。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。


2、羟基磷灰石陶瓷材料


生物活性陶瓷中应用最多的是羟基磷灰石,简称HAp,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。


3、磷酸钙陶瓷材料


目前广泛应用的生物降解陶瓷为β-磷酸三钙,β-磷酸三钙的最大优势就是生物相容性好,植入基体与骨直接融合,无任何局部炎性反应及全身毒副作用。其不足是高切口敏感性导致的低疲劳强度,较高刚性和脆性使其难以加工成型或固定钻孔。


该团队采用镁热还原法,将传统的白色生物活性陶瓷粉进行热还原处理,制备出一系列黑色生物活性陶瓷材料,包括硅酸盐(即CaSiO3,MgSiO3)和磷酸盐(即Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3(OH))两种体系的生物活性陶瓷。与传统白色生物陶瓷相比,黑色生物陶瓷材料的晶体内部存在大量的氧空位和结构缺陷,其降解性能得到明显改善,对于成骨细胞和皮肤细胞的粘附、铺展、增殖、迁移和分化等细胞生物活性有更好的促进作用。在慢性皮肤创伤及大块骨缺损修复动物实验中,黑色生物陶瓷对于皮肤和骨组织修复效果明显优于白色陶瓷,表现出显著的促进软/硬组织多功能再生活性。


此外,在低功率的近红外光照射下,黑色生物活性陶瓷材料表现出明显的光热升温效果,可导致材料周围的肿瘤细胞死亡,在体内实验中成功抑制皮肤癌和骨肿瘤的增长,具有优异的光热抗肿瘤效果。综上所述,黑色生物活性陶瓷材料兼具促进多种组织再生活性及肿瘤治疗等多功能特性,该研究将生物活性陶瓷的应用范围由组织再生拓展到肿瘤治疗,有力推动生物陶瓷的学科发展和临床应用。


参考资料

[1]上海硅酸盐所研制出多功能黑色生物活性陶瓷材料.上海硅酸盐研究所

[2]焦永峰、赵磊.生物陶瓷材料的研究进展

[3]高定、徐永清等.生物陶瓷材料的应用及其研究进展

[4]谈国强、贺中亮等.生物陶瓷的应用和研究现状



(中国粉体网编辑整理/山川)


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