交一生命科学研究中心｜生物材料视界｜一文了解第三代生物材料——生物陶瓷
生物陶瓷是一种具有与生物体或生物化学有关的区别于传统陶瓷材料的新型材料，生物陶瓷有着传统陶瓷所不具备的特殊功能。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性以及多种理化和生化功能，被广泛应用于生物医药、硬组织修复和骨组织工程支架材料等领域。
传统的陶瓷加工时间长、成本高，而对于复杂的陶瓷，尤其是用于人体硬组织修复的生物陶瓷，如修复的牙齿、骨等，其几何形状复杂和内部孔径之间的相互贯通等，导致其加工难度较大，这就为材料的加工提出了巨大的挑战。3D打印技术的出现，为生物陶瓷材料的精加工提供了新的技术手段。
生物陶瓷材料的发展史
18世纪前，人们就开始用柳枝、木、麻、象牙等天然材料作为骨修复材料，而生物陶瓷材料作为生物医学材料则是始于18世纪初。
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陶瓷作为生物医学材料始于18世纪初。
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1808年初成功制成了用于镶牙的陶齿；1871年，人们首次合成出羟基磷灰石，但是由于技术的限制，直至一个世纪以后才有羟基磷灰石生物陶瓷的成功应用报道。
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1894年，H.Dreeman报道使用熟石膏作为骨替换材料；1926年Bassett用X-射线衍射分析发现骨和牙的矿物质与羟基磷灰石的X射线谱相似。
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1928年，Leriche和Policard开始研究和应用磷酸钙作为骨替换材料；1930年，Naray-Szabo和Mehmel独立地应用X-ray衍射分析确定了氟磷灰石的结构。
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1963年在生物陶瓷发展史上也是重要的一年，该年Smith报告发展了一种陶瓷骨替代材料。
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1969年美国Florida大学的Hench教授发明了生物玻璃，当把这种玻璃材料植入生物体内作为骨骼和牙齿的替代物时，发现有些材料中的组织可以和生物体内的组分互相交换或者反应，最终形成与生物体本身相容的性质，构成新生骨骼和牙齿的一部分，这种将无机材料与生物医学相联系的开创性研究成果，很快得到了各国学者的高度重视。
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1970年法国的Boutin用单一氧化铝陶瓷浇制成人工股关节，开创了陶瓷用作人工骨、人工关节的先例；1971年西德人开发了与骨、牙的无机组成相近的磷酸三钙，动物实验证实磷酸三钙多孔体是优良的骨置换材料。
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1974年前后，日本的青木秀希和美国的Jarcho相继发明了与人体骨、牙的无机组成极为相似的羟基磷灰石材料，这种材料具有与自体骨相仿的生物生容性和骨结合性，是当前世界公认的、理想的人工骨材料，已在临床很多领域得到广泛应用。
生物陶瓷种类
根据在生物体内的活性，可将生物陶瓷材料分为3种：生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物吸收性陶瓷。
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生物惰性陶瓷
●生物惰性陶瓷材料是指在生物体内几乎不发生变化的陶瓷材料。它们一般生物相容性好，具有稳定的化学性能。生物惰性陶瓷材料具有不降解、耐腐蚀、耐磨损的优点，且有较高硬度和抗弯强度。目前作为医用陶瓷材料，主要用于人体骨骼、关节的修复与替换、人造牙根、中耳小骨和心脏瓣膜等。目前最常用的生物惰性陶瓷材料是氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。近些年来，氮化硅陶瓷材料也因其优异的生物相容性和力学性能引起了广泛关注。
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生物活性陶瓷
● 生物活性陶瓷材料是一类能对机体组织进行修复、替代与再生，具有能使组织和材料之间形成键合作用的材料。“生物活性”概念最早是由美国的Hench教授提出的，它改变了人们传统所认为的“任何人造植入体在人体内都将引发异体反应并在界面形成非粘附性疤痕组织”的观点，从而开创了生物活性材料的研究新领域。在生物活性陶瓷材料中一般含有羟基，可以将其做成多孔性，诱发新生骨的生长，并与生物组织表面发生牢固键合，且能被生物组织长入。最具代表性的生物活性陶瓷材料包括生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷。
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生物吸收性陶瓷
●生物吸收性陶瓷材料又称生物可降解性陶瓷材料，最早是由Driskell等人于1973年报道并提出的，此报道指出β-Ca3（PO4）2多孔陶瓷材料植入生物体后，可以被快速吸收，并发生骨置换。可吸收生物陶瓷材料在生物体内的作用是使缺损部位被新生的骨组织取代，而自身则被体液溶解吸收或被代谢系统排出体外，但其降解速度快，不利于诱导成骨。最常用的可吸收生物陶瓷材料主要有β-磷酸三钙及硫酸钙。
生物陶瓷(Bioceramics)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直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。而生物陶瓷作为一种为人们的生活乃至身体健康等各方面都带来了不可忽视的便利的新材料，近年来越发受到医疗器械和生物医用材料界的重视。目前被广泛应用于骨科、牙科、整形外科、口腔外科、心血管外科、眼外科等方面。
为提高生物陶瓷材料的力学性能、稳定性和生物相容性，许多材料工作者在复合生物陶瓷材料方面做了大量的研究，常用的基体材料有生物高分子材料、碳素材料、生物玻璃、磷酸钙基生物陶瓷等材料，增强材料有碳纤维、不锈钢或钴基合金纤维、生物玻璃陶瓷纤维、陶瓷纤维等纤维增强体，另外还有氧化锆、磷酸钙基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等颗粒增强体。
随着人们对纳米陶瓷研究的不断深入，其在生物医学应用方面的潜力得到了较大的挖掘。要使生物陶瓷契合某些特殊的生理行为，必须满足以下要求：
对生物体友好，无毒、无刺激、无致癌等效果；
满足一定的应力要求，能起到支撑、摩擦等特殊作用；
能与人体其他组织相互结合。
纳米陶瓷材料极好地满足了以上条件，这为其在生物医学方面的发展奠定了基础。由于纳米材料具有表面效应、小尺寸效应及量子效应等独特的性能，使纳米生物陶瓷材料呈现出广阔的应用前景。近年来，纳米技术在生物材料领域的应用已经受到关注。纳米陶瓷在人工骨、人工关节、人工齿等硬组织替代材料制造及临床应用领域有广阔的应用前景。
在生物活性陶瓷方面，目前研究主要以模拟精细天然骨结构为主。在自然骨的骨质中，羟基磷灰石主要以长10~60nm、宽2~6nm的针状结晶为主。因此，目前HAP纳米材料的研究主要集中在纳米HAP晶体，纳米HAP/高聚物复合材料和纳米HAP涂层材料方面。
生物陶瓷材料虽然得到了各国的高度重视并取得了巨大的发展，但是在韧性以及生物的相容性上等方面仍存在不足，今后，生物陶瓷材料发展方向主要有：
研究与人体组织结构具有相同有机和无机成分的复合材料，提高现有生物陶瓷的可靠性、强度，改善韧性，使之与人体内部组织具有相似的力学性能。
开展人工骨应用基础理论研究，开发与人体组织力学相适应性好，又具有促进组织生长的生物陶瓷材料。
研究在人体内可生物半降解的无机生物材料，可根据人体在恢复过程中所需物质，研究含人体生理活性物质和有效微成分的无机生物材料。
在移植陶瓷应用范围不断扩大基础上，人造血管和人造气管等软组织材料的应用将是今后的重点研究课题。
生物医用材料目前已成为各国科学家竞相研究和开发的热点，我国在生物医用材料的研发、生产、应用上与国外先进国家有较大差距，国内高端生物医学材料和制品70~80%依赖进口，并基本属于仿制，我国的生物医用材料在全球的市场份额只占约2%，产品技术水平大多处于初级阶段。伴随社会人口老龄化，当前我国预计需要人工关节80万套/年、血管支架160万个/年、眼内人工晶体140万个/年（数据有点老，仅供参考，有想法的大佬请在文末留言），对生物陶瓷材料需求将大幅增加。预计2025年全球生物医用材料市场总值可以增长到10890亿元，年复合增长率(CAGR)为0.111。
医疗行业向来与暴利挂钩，但与此同时，技术门槛及资金实力要求也是极高，因此这个行业的巨头也是一直处于“一直被模仿却从来未被超越的”位置。近年来一些优秀的生物医用材料企业陆续被国外巨头收购，产业层面的发展力量被进一步削弱。为了改善整体落后的局面，我国已出台多项政策支持生物医用材料的研发和产业化。生物医用材料产业正在快速追赶国际先进水平。
