中國粉體網訊 生物陶瓷材料主要是指基于特定生物或者生理功能，可以直接用于人體或者與人體直接相關的生物、醫(yī)用以及生物化學的陶瓷材料。生物陶瓷材料具有穩(wěn)定的理化性質、良好的生物相容性、以及多種理化和生化功能，被廣泛應用于生物醫(yī)藥、硬組織修復和骨組織工程支架材料等領域。
生物陶瓷發(fā)展歷程
陶瓷作為生物醫(yī)學材料始于18世紀初。1808年初成功制成了用于鑲牙的陶齒；1871年，人們首次合成出羥基磷灰石 ,但是由于技術的限制，直至一個世紀以后才有羥基磷灰石生物陶瓷的成功應用報道；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(fā)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(fā)展史上也是重要的一年，該年Smith報告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料；1969年美國Florida大學的Hench教授發(fā)明了生物玻璃，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(fā)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(yī)學相聯系的開創(chuàng)性研究成果，很快得到了各國學者的高度重視；1970年法國的Boutin用單一氧化鋁陶瓷澆制成人工股關節(jié)，開創(chuàng)了陶瓷用作人工骨、人工關節(jié)的先例；1971年西德人開發(fā)了與骨、牙的無機組成相近的磷酸三鈣，動物實驗證實磷酸三鈣多孔體是優(yōu)良的骨置換材料；1974年前后，日本的青木秀希和美國的Jarcho相繼發(fā)明了與人體骨、牙的無機組成極為相似的羥基磷灰石材料，這種材料具有與自體骨相仿的生物生容性和骨結合性，是當前世界公認的、理想的人工骨材料，己在臨床很多領域得到廣泛應用。
生物陶瓷種類
根據在生物體內的活性，可將生物陶瓷材料分為３種：生物吸收性陶瓷、生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。
生物吸收性陶瓷
生物吸收性陶瓷材料又稱生物可降解性陶瓷材料，最早是由Driskell等人于1973年報道并提出的，此報道指出β-Ca3（PO4）2多孔陶瓷材料植入生物體后，可以被快速吸收，并發(fā)生骨置換。可吸收生物陶瓷材料在生物體內的作用是使缺損部位被新生的骨組織取代，而自身則被體液溶解吸收或被代謝系統(tǒng)排出體外，但其降解速度快，不利于誘導成骨。最常用的可吸收生物陶瓷材料主要有β-磷酸三鈣及硫酸鈣。
生物活性陶瓷
生物活性陶瓷材料是一類能對機體組織進行修復、替代與再生，具有能使組織和材料之間形成鍵合作用的材料�！吧锘钚浴备拍钭钤缡怯擅绹腍ench教授提出的，它改變了人們傳統(tǒng)所認為的“任何人造植入體在人體內都將引發(fā)異體反應并在界面形成非粘附性疤痕組織”的觀點，從而開創(chuàng)了生物活性材料的研究新領域。在生物活性陶瓷材料中一般含有羥基，可以將其做成多孔性，誘發(fā)新生骨的生長，并與生物組織表面發(fā)生牢固鍵合，且能被生物組織長入。最具代表性的生物活性陶瓷材料包括生物活性玻璃、羥基磷灰石陶瓷。
生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷材料是指在生物體內幾乎不發(fā)生變化的陶瓷材料。它們一般生物相容性好，具有穩(wěn)定的化學性能。生物惰性陶瓷材料具有不降解、耐腐蝕、耐磨損的優(yōu)點，且有較高硬度和抗彎強度。目前作為醫(yī)用陶瓷材料，主要用于人體骨骼、關節(jié)的修復與替換、人造牙根、中耳小骨和心臟瓣膜等。目前最常用的生物惰性陶瓷材料是氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷。近些年來，氮化硅陶瓷材料也因其優(yōu)異的生物相容性和力學性能引起了廣泛關注。
氮化硅生物陶瓷材料（圖源：SINTX）
3D打印生物陶瓷
傳統(tǒng)的陶瓷加工時間長、成本高，而對于復雜的陶瓷，尤其是用于人體硬組織修復的生物陶瓷，如修復的牙齒、骨等，其幾何形狀復雜和內部孔徑之間的相互貫通等，導致其加工難度較大，這就為材料的加工提出了巨大的挑戰(zhàn)。
3D打印技術的出現，為生物醫(yī)用陶瓷材料的精加工提供了較好的技術手段。最早的陶瓷3D打印技術于20世紀90年代開發(fā)實現，它設計靈活，可打印結構高度復雜、精密的零部件，且可以同時一次性構建多個打印對象，顯著的提高了生產效率。隨著技術的不斷發(fā)展和生物醫(yī)用陶瓷的需求量增大，個性化的設計和加工也通過3D打印技術得以實現。利用醫(yī)學的CT影像成形技術，通過反向3D建模，可實現患者的個性化需求，且因形態(tài)擬合程度高，可減少手術創(chuàng)傷。
3D打印生物陶瓷應用
口腔醫(yī)學
主要應用于口腔內牙齒或牙冠修復體、口腔內種植體及口腔內矯正體。運用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內模型，能夠避免細菌感染，解決無法完全填充缺損區(qū)的問題，而且應用于齒類的支架，精度可以達到微米級。
3D打印ZrO2陶瓷牙（圖源：龔家寶等，《3D打印技術在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領域的研究進展》）
組織再生
3D打印生物陶瓷技術促進組織再生，途徑分為兩種：一是利用3D打印生物陶瓷支架收集宿主干細胞，在植入人體后，宿主干細胞分化變?yōu)槌墒旒毎�，重新填充可降解支架，最終通過沉積形式產生新的細胞外基質；二是生物陶瓷支架上負載各種細胞因子和化學物質，通過釋放來促進宿主細胞的增殖分化。目前，應用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經組織修復、皮膚表皮組織修復、各器官組織修復等，展現出良好的臨床表現。
骨修復
3D打印生物陶瓷在骨骼修復方面的研究最為深入，取得的成果也最為顯著。首先，3D打印的生物陶瓷具有良好的生物力學性能和生物相容性的優(yōu)勢，在骨修復、骨骼生長等多方面發(fā)揮巨大作用；其次，為骨科手術輔助材料進行3D打印，有利于通過打印模型觀察骨骼形態(tài)結構及異常生長狀況，為制定手術方案提供參考。
骨科生物陶瓷材料（圖源：Ceramtec）
藥物緩釋載體
3D打印的生物陶瓷材料作為植入體內的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結構和材料屬性，使載體以不同程度的降解速度實現持續(xù)高效給藥，而且改變了傳統(tǒng)口服緩釋片劑無法直接對病源給藥的問題。除此之外，3D打印的藥物緩釋載體在維持體內藥物濃度平衡，避免全身用藥導致的藥物毒性方面起到關鍵作用。
寫在最后
生物陶瓷材料是材料工業(yè)發(fā)展中的新興領域，目前由于應用范圍不斷擴大，受到了世界各國的重視。而結合3D打印技術，生物陶瓷的組織工程應用還將進一步拓展。
3D打印生物陶瓷材料在醫(yī)學工程領域已經被廣泛關注。目前，3D打印在多數骨缺損的臨床應用中展現出良好的醫(yī)療效果，但在頜面修復、口腔病治療、種植牙維護等領域的應用方面仍存在困難。而且針對支架與活細胞和生長因子或生物聚合物的集成打印，以及在制造過程中的納米尺度控制仍需大量深入研究。希望未來通過多學科交叉應用，克服3D打印材料固有的力學缺陷，創(chuàng)造新型打印工藝，使3D打印生物陶瓷材料在口腔醫(yī)療、再生醫(yī)學、骨骼醫(yī)學、緩釋載體方面發(fā)揮更大作用，產生更大的實際價值。
參考來源：
1、張文毓，《生物陶瓷材料的研究與應用》
2、王曉亞等，《生物陶瓷在組織工程中的應用》
3、董少杰等，《生物陶瓷支架的功能改性及應用研究進展》
4、龔家寶等，《3D打印技術在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領域的研究進展》
5、張晨等，《淺談3D打印生物陶瓷材料的發(fā)展趨勢》
（中國粉體網編輯整理/長安）
