中國粉體網(wǎng)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(guān)的生物,、醫(yī)用以及生物化學(xué)的陶瓷材料,。生物陶瓷材料具有穩(wěn)定的理化性質(zhì),、良好的生物相容性、以及多種理化和生化功能,，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥,、硬組織修復(fù)和骨組織工程支架材料等領(lǐng)域。
生物陶瓷發(fā)展歷程
陶瓷作為生物醫(yī)學(xué)材料始于18世紀(jì)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(shù)的限制,，直至一個世紀(jì)以后才有羥基磷灰石生物陶瓷的成功應(yīng)用報(bào)道,；1894年，H.Dreeman報(bào)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(xiàn)骨和牙的礦物質(zhì)與羥基磷灰石的X射線譜相似,；1928年，Leriche和Policard開始研究和應(yīng)用磷酸鈣作為骨替換材料,；1930年,，Naray-Szabo和Mehmel獨(dú)立地應(yīng)用X-ray衍射分析確定了氟磷灰石的結(jié)構(gòu)；1963年在生物陶瓷發(fā)展史上也是重要的一年,，該年Smith報(bào)告發(fā)展了一種陶瓷骨替代材料,；1969年美國Florida大學(xué)的Hench教授發(fā)明了生物玻璃，當(dāng)把這種玻璃材料植入生物體內(nèi)作為骨骼和牙齒的替代物時,，發(fā)現(xiàn)有些材料中的組織可以和生物體內(nèi)的組分互相交換或者反應(yīng),，最終形成與生物體本身相容的性質(zhì)，構(gòu)成新生骨骼和牙齒的一部分,，這種將無機(jī)材料與生物醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的開創(chuàng)性研究成果,，很快得到了各國學(xué)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(guān)節(jié),，開創(chuàng)了陶瓷用作人工骨,、人工關(guān)節(jié)的先例；1971年西德人開發(fā)了與骨,、牙的無機(jī)組成相近的磷酸三鈣,，動物實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jī)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(jié)合性,，是當(dāng)前世界公認(rèn)的,、理想的人工骨材料,，己在臨床很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
生物陶瓷種類
根據(jù)在生物體內(nèi)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(bào)道并提出的,，此報(bào)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(nèi)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(dǎo)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(jī)體組織進(jìn)行修復(fù)、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,。“生物活性”概念最早是由美國的Hench教授提出的,，它改變了人們傳統(tǒng)所認(rèn)為的“任何人造植入體在人體內(nèi)都將引發(fā)異體反應(yīng)并在界面形成非粘附性疤痕組織”的觀點(diǎn),，從而開創(chuàng)了生物活性材料的研究新領(lǐng)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(nèi)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(xué)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(diǎn),，且有較高硬度和抗彎強(qiáng)度,。目前作為醫(yī)用陶瓷材料，主要用于人體骨骼、關(guān)節(jié)的修復(fù)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(xué)性能引起了廣泛關(guān)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(fù)雜的陶瓷，尤其是用于人體硬組織修復(fù)的生物陶瓷,，如修復(fù)的牙齒,、骨等,，其幾何形狀復(fù)雜和內(nèi)部孔徑之間的相互貫通等,，導(dǎo)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(shù)的出現(xiàn),，為生物醫(yī)用陶瓷材料的精加工提供了較好的技術(shù)手段。最早的陶瓷3D打印技術(shù)于20世紀(jì)90年代開發(fā)實(shí)現(xiàn),，它設(shè)計(jì)靈活,，可打印結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜、精密的零部件,，且可以同時一次性構(gòu)建多個打印對象,，顯著的提高了生產(chǎn)效率。隨著技術(shù)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(shè)計(jì)和加工也通過3D打印技術(shù)得以實(shí)現(xiàn),。利用醫(yī)學(xué)的CT影像成形技術(shù)，通過反向3D建模,，可實(shí)現(xiàn)患者的個性化需求,，且因形態(tài)擬合程度高，可減少手術(shù)創(chuàng)傷,。
3D打印生物陶瓷應(yīng)用
口腔醫(yī)學(xué)
主要應(yīng)用于口腔內(nèi)牙齒或牙冠修復(fù)體,、口腔內(nèi)種植體及口腔內(nèi)矯正體。運(yùn)用3D打印生物陶瓷材料原位打印的口腔內(nèi)模型,，能夠避免細(xì)菌感染,，解決無法完全填充缺損區(qū)的問題，而且應(yīng)用于齒類的支架,，精度可以達(dá)到微米級,。
3D打印ZrO2陶瓷牙（圖源：龔家寶等，《3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領(lǐng)域的研究進(jìn)展》）
組織再生
3D打印生物陶瓷技術(shù)促進(jìn)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(xì)胞,，在植入人體后,，宿主干細(xì)胞分化變?yōu)槌墒旒?xì)胞，重新填充可降解支架,，最終通過沉積形式產(chǎn)生新的細(xì)胞外基質(zhì),；二是生物陶瓷支架上負(fù)載各種細(xì)胞因子和化學(xué)物質(zhì)，通過釋放來促進(jìn)宿主細(xì)胞的增殖分化,。目前,，應(yīng)用最廣泛的組織再生工程包括：組織氣管再生、神經(jīng)組織修復(fù),、皮膚表皮組織修復(fù),、各器官組織修復(fù)等，展現(xiàn)出良好的臨床表現(xiàn),。
骨修復(fù)
3D打印生物陶瓷在骨骼修復(fù)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(xué)性能和生物相容性的優(yōu)勢,，在骨修復(fù)、骨骼生長等多方面發(fā)揮巨大作用,；其次,，為骨科手術(shù)輔助材料進(jìn)行3D打印，有利于通過打印模型觀察骨骼形態(tài)結(jié)構(gòu)及異常生長狀況,，為制定手術(shù)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(nèi)的藥物緩釋載體，通過控制表面微觀結(jié)構(gòu)和材料屬性,，使載體以不同程度的降解速度實(shí)現(xiàn)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(nèi)藥物濃度平衡,，避免全身用藥導(dǎo)致的藥物毒性方面起到關(guān)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(lǐng)域,，目前由于應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,，受到了世界各國的重視。而結(jié)合3D打印技術(shù),，生物陶瓷的組織工程應(yīng)用還將進(jìn)一步拓展,。
3D打印生物陶瓷材料在醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛關(guān)注。目前,，3D打印在多數(shù)骨缺損的臨床應(yīng)用中展現(xiàn)出良好的醫(yī)療效果,，但在頜面修復(fù),、口腔病治療、種植牙維護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用方面仍存在困難,。而且針對支架與活細(xì)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(xué)科交叉應(yīng)用,，克服3D打印材料固有的力學(xué)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(xué),、骨骼醫(yī)學(xué)、緩釋載體方面發(fā)揮更大作用,，產(chǎn)生更大的實(shí)際價值,。
參考來源：
1、張文毓,，《生物陶瓷材料的研究與應(yīng)用》
2,、王曉亞等，《生物陶瓷在組織工程中的應(yīng)用》
3,、董少杰等,，《生物陶瓷支架的功能改性及應(yīng)用研究進(jìn)展》
4,、龔家寶等,，《3D打印技術(shù)在生物醫(yī)用陶瓷硬組織領(lǐng)域的研究進(jìn)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(wǎng)編輯整理/長安）
