生物陶瓷

與生物體或生物化學有關的新型陶瓷。包括精細陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和單晶。生物陶瓷根據使用分為植入陶瓷和生物工藝學陶瓷。植入陶瓷植入生物體內，用以恢復和增強生物體機能。由於植入陶瓷直接與生物體接觸，故要求其與生物體的親和性好，不產生有毒的侵蝕、分解產物；不使生物細胞發生變異、壞死，以及引起炎症和生長肉芽等；在體內長期使用功能好，對生物體無致癌作用，本身不發生變質；易於滅菌。常用的植入陶瓷有氧化鋁陶瓷和單晶氧化鋁、磷酸鈣系陶瓷、微晶玻璃、氧化鋯燒結體等，它們在臨床上用作人造牙、人造骨、人造心臟瓣膜、人造血管和其他醫用人造氣管穿皮接頭等。生物工藝學陶瓷用於分離細菌和病毒，用作固定化酶載體，以及作為生物化學反應的催化劑，使用時不直接與生物體接觸。常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。前者不易被細菌侵入，環境溶液中溶媒的種類、pH值和溫度不易引起孔徑變化，材質堅硬、強度高，多用作固定化酶載體。後者耐鹼性能好，價格低，主要用作固定化酶載體，使固定化酶能長時間發揮高效催化作用。此外，控制多孔陶瓷的孔徑，可用於細菌、病毒、各種核酸、氨基酸等的分離和提純。

生物陶瓷主要可以分為一下兩大類：

1、植入陶瓷：又稱生物體陶瓷，主要有人造牙、人造骨、人造心臟瓣膜、人造血管和其他醫用人造氣管和穿皮接頭等。使用條件：①與生物體的親和性好，即植入的陶瓷被侵蝕、分解的產物無毒，不使生物細胞發生變異、壞死，不會引起炎症、生長肉芽等。②在體內有長期功能且可靠性高，即在10～20年的長期使用中，不會降低強度，不發生表面變質，對生物體無致癌作用等。③易於在短期內成形加工。④容易滅菌，陶瓷不同於金屬，它具有強共價鍵性質，即使在生物體內苛刻的化學條件下，也具有良好的化學穩定性，排異反應遲緩，具備長期使用的機械性質。與有機高分子材料相比，生物體陶瓷耐熱性好，便於進行高壓滅菌。已經實用的品種有：

①氧化鋁陶瓷和單晶氧化鋁：氧化鋁陶瓷由氧化鋁粉料燒結製成，單晶氧化鋁可用引上法或火焰熔融法製取。氧化鋁陶瓷表面為親水性，與生物體組織有良好的生物親合性。目前，在臨床實用中除做人造骨、人造關節外，還可制接骨用螺釘。

②磷酸鈣系陶瓷：又稱磷灰石質陶瓷，如羥基磷灰石【Ca10(PO4)6·(OH)2】與其他陶瓷相比，磷酸鈣陶瓷更類似於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，並且依靠從體液中補充Ca2+和PO婯離子等形成新骨，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。因此，各國都在積極研製，對其在生物體方面的應用寄予很大希望。羥基磷灰石可用氯化鈣和磷酸通過水溶液濕法反應、水蒸氣中高溫固相反應或者高溫高壓水蒸氣下反應等方法合成。目前，已製成氣孔率分別為50％和90％的多孔體，氣孔率在 0.1％以下的緻密燒結體以及供固化用的粉料。用於人造骨、人造關節、人造鼻軟骨、穿皮接頭、人造血管和人造氣管等。

③其他陶瓷：生物穩定的碳具有很好的生物體親和性，在較低溫度炭化的碳水化合物製成的熱解炭作為人造心臟瓣膜已有數十萬實用病例。另外,CaO-P2O5-SiO2-Na2O系玻璃，以及微晶玻璃等也正在研製作為人造骨及人造牙。為了改進陶瓷的脆性，ZrO2燒結體及複合材料也正在研製作為人造骨等。

2、生物工藝學陶瓷：在生物工藝學和生物化學領域中，主要應用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。

①多孔玻璃：利用玻璃分相現象製作的玻璃，採用適宜組成。例如含Na2O8％、B2O324％、SiO268％的玻璃，在1500℃熔制，然後在500～650℃下熱處理，Na2O-B2O3相與SiO2相分離，經酸中浸析使Na2O-B2O3相溶出，即形成具有連通細孔的SiO2玻璃。根據熱處理的溫度和時間可改變細孔孔徑。這種多孔SiO2玻璃作為固定化酶的載體有許多優點：每克玻璃的細孔表面積可高達500m2；細孔孔徑可達2500Å,並且孔徑集中；多孔玻璃不易被細菌侵入；溶液中溶媒的種類、pH和溫度不易引起細孔徑的變化；材質堅硬、強度好。

②多孔陶瓷載體：多孔陶瓷有Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2和TiO2-Al2O3的，它們的耐鹼性能都很好，價格也比多孔玻璃低。主要用作固定化酶的載體，使固定化酶能長時間發揮高效催化作用。例如在食品工業中，分解蔗糖以製取葡萄糖果糖及人造蜂蜜用的轉化酶，就適於以多孔陶瓷為載體。控制多孔陶瓷的細孔徑，可以應用於細菌、病毒、各種核酸、氨基酸等的分離和提純。利用細孔還可以處理生活用水。

生物陶瓷材料作為生物醫學材料始於 18 世紀初。1808 年初成功製成了用於鑲牙的陶齒，而後在1871 年，羥基磷灰石被人工合成。1894 年，H.Dreeman報道使用熟石膏作為骨替換材料。1926 年，Bassett 用X- 射線衍射分析發現骨和牙的礦物質與羥基磷灰石的 X射線譜相似。1928 年，Leriche 和 Policard 開始研究和應用磷酸鈣作為骨替換材料。1930 年，Naray-Szabo 和Mehmel 獨立地應用 X-ray 衍射分析確定了氟磷灰石的結構。1963 年在生物陶瓷發展史上也是重要的一年，該年 Smith 報告發展了一種陶瓷骨替代材料。由於技術方面的限制，直到 1971 年才有羥基磷灰石被成功研製並擴大到臨床應用的報道。

1974 年，Hench 在設計玻璃成分時，曾有意識地尋求一種容易降解的玻璃，當把這種玻璃材料植入生物體內作為骨骼和牙齒的替代物時，發現有些材料中的組織可以和生物體內的組分互相交換或者反應，最終形成與生物體本身相容的性質，構成新生骨骼和牙齒的一部分。這種將無機材料與生物醫學相聯繫的開創性研究成果，很快得到了各國學者的高度重視。

中國 20 世紀 70 年代初期開始研究生物陶瓷，並用於臨床。1974 年開展微晶玻璃用於人工關節的研究；1977 年氧化鋁陶瓷在臨床上獲得應用；1979 年高純氧化鋁單晶用於臨床，以後又有新型生物陶瓷材料不斷出現，並應用於臨床。中國上海硅酸鹽研究所、華南理工大學、北京市口腔醫學研究所等單位對生物陶瓷都進行了深入的研究。

生物陶瓷的應用範圍也正在逐步擴大，現可應用於人工骨、人工關節、人工齒根、骨充填材料、骨置換材料、骨結合材料、還可應用於人造心臟瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工氣管，經皮引線可應用於體內醫學監測等。

1、http://www.cbe21.com/subject/chemistry/printer.php?article_id=1974

2、http://info.datang.net/S/S1088.HTM