生物材料——材料科学的热门领域，本文主要内容关键词为：材料科学论文,领域论文,热门论文,生物论文,材料论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
生物材料是指替代或修复部分人体组织或部分组织功能的材料。生物材料的研究，不仅有助于患者部分或全部恢复受损组织的功能，减少病人的痛苦，而且为人类了解生命体与非生命体之间相互作用的机制，提供了一条重要的途径。
由于临床医学的需求，生物材料的应用前景非常广阔。1980年代以来，仅欧美国家，每年就有四五百万例以上的生物材料植入手术。现在，全世界每年约有1.6×10[8]例牙科手术，其中有很大一部分涉及到生物材料的使用。在我国这样一个人口众多的发展中国家，生物材料的潜在市场更是不言而喻。作为一门先进技术，生物材料已经成为材料科学的一门热门领域。
生物材料的种类及特点
近30年来，生物材料发展迅速。从金属、陶瓷等无机材料到塑料、树脂、硅胶等有机材料，从高强度的合金、陶瓷到柔软的人造纤维、人造血管等，从生物惰性的氧化铝陶瓷到生物活性玻璃，从粉体到块体，从单一到复合，生物材料几乎涵盖了材料科学的所有领域。目前，已有40多种生物材料用于至少50处人体组织的修补和康复。常见的生物材料有以下几类。
金属与合金
金属与合金具有良好的机械性能，容易加工和成型，常用于替代或修补某些硬组织，特别是支撑强度较大的身体部位，如牙齿、骨头等。此外，金属还用作固定螺丝、心脏起搏器部件等。常用的金属材料有不锈钢、金、铂、镍钴铬合金等。
金属材料的主要问题是容易受体液的侵蚀。侵蚀不仅缩短了材料的使用寿命，而且会产生大量金属离子，进入体内影响人体健康。其次，大多数金属植体都比较重，增加了病人的负担。第三，金属多为良导体，能在体内形成小电流，可能引起神经疼痛。
近年来，钛金属及其合金（如Ti—Al—V）引起广泛重视。 研究表明，钛及其合金优异的抗腐蚀性能和生物相容性与表面氧化层的存在有关。
高分子材料
高分子材料品种多，应用广，重量轻，容易制备和成型。其中，聚乙烯（PE）韧性好，不易被油脂侵蚀，能在高温下消毒，可用作人造髋臼的部件。特氟隆（teflon）的化学和热稳定性都非常好，光滑且具有憎水性，是血管接合材料。聚二醇丙交脂（PGL ）是手术后的缝线材料，它能够逐渐分解并被人体吸收。与其他可溶性材料相比，PGL 在手术后14天还能保持相当大的强度。但高分子材料易老化，使用寿命较短。
陶瓷材料
陶瓷（包括玻璃和玻璃陶瓷）材料具有化学稳定性好、耐磨、耐腐蚀、生物相容性好等优点，主要用来修复和替代人体硬组织，如骨骼和牙齿等。陶瓷的缺点是脆性，难加工，难成型。
陶瓷材料中，氧化铝陶瓷机械性能好，常常用于人造髋关节，也可用作牙齿植体。由于组织纤维能够生长到陶瓷孔里，起到生物学固定作用，多孔陶瓷与组织的结合比较牢固，但多孔的存在大大降低了陶瓷的强度。根据人体骨头自然愈合的生物学原理，科学家专门设计了可吸收生物陶瓷，它们主要是与骨头成分接近的钙磷酸盐等，能够逐渐被硬组织吸收，长出新的自然骨。可吸收陶瓷的困难在于，无法控制材料的溶解速率；有的很快溶解消失，有的却溶解太慢而赶不上骨头生长的需要。
生物活性玻璃
生物活性玻璃能够与人体组织形成化学键结合（骨性结合），这是其他生物材料所不具备的。但是，生物活性玻璃的机械强度不及天然骨，其脆性也使材料难加工。生物活性玻璃经晶化处理，可形成玻璃陶瓷，其机械性能大大提高。但是，既要保持生物活性又要提高机械性能，这并非是一件易事。
到目前为止，研究比较多的生物活性玻璃陶瓷主要有两种：A—W玻璃陶瓷和可切削玻璃陶瓷。前者同时具有磷灰石相和β—硅灰石相，机械性能好。后者具有云母和磷灰石相。因为云母具有层状结构，所以能够像金属一样进行加工。
复合材料
虽然大量材料被尝试用于生物医学领域，目前真正进入临床应用的生物材料品种还很少。主要原因在于，现有材料在生物相容性、生物功能性、使用寿命等方面总是存在着这样那样的缺点。
近年来，随着材料制备技术和测试技术的进步，生物材料的研究出现复合化趋势。生物材料的复合化有两个方向，一是在功能上复合，如在机械性能优异的金属材料表面制备一层生物活性涂层，可以获得高强度、骨性结合的人造骨材料；另一是在结构上复合，如在高分子或玻璃基质中加入其他相，特别是模仿骨结构的各种复合材料。实际上，无论是功能复合还是结构复合都涉及到两相之间的结合以及材料功能的改进。
复合材料
人体骨骼主要由重量百分比约20的胶原蛋白、重量百分比约69的磷酸钙（主要为羟基磷灰石结晶）和重量百分比为9的水组成。 胶原蛋白在骨组织中以骨胶纤维的形式存在，其纤维直径在100～2000 纳米之间。纤维沿不同方向编织排列，形成织构（晶体在外界条件，如变形、冷凝、电解及热处理等的作用下，沿某些晶体位向的择优取向，称为织构）。羟基磷灰石（HA）则以针状结晶形态分布在胶原基质上。
基于对人体骨组织的认识，具有生物活性的HA复合骨材料成为最重要的研究方向。前面提到的A—W玻璃陶瓷和可切削玻璃陶瓷，可以看作是HA晶相与玻璃基质形成的复合材料。除此之外，还有HA与天然生物材料的复合（如蛋白质材料和活体材料等）以及HA与高分子材料的复合（如聚乳酸材料PLA、聚乙烯材料PE等）。
复合骨材料主要有以下几种。
HA—胶原复合骨材料
如前所述，天然骨可近似看作是胶原蛋白与羟基磷灰石的复合物，故在胶原上生长HA晶体而形成复合骨材料是很有吸引力的。
制备HA—胶原复合材料的方法有很多，一般都是在胶原与磷酸盐溶液中合成，其中pH值的控制是合成的关键。在HA —胶原溶液中加入KOH，滴定至弱碱性（pH＝7.4），通过控制钾离子的饱和度来调节HA 的结晶速度[1]。该方法可获得具有一定程度取向结晶的HA —胶原复合物。与自然骨相比，HA的结晶程度是很低的，所以这种复合材料结构疏松，断裂能只有510焦/米[2]。尽管这种复合物比起单一的HA或胶原具有更好的骨引导性作用[2]，但作为骨替代材料， 在临床应用上还有一定的距离。
HA—BMP复合骨材料
骨形成蛋白（BMP）和红骨髓细胞（BM）都具有诱导成骨作用， 但它们本身都不能单独制成骨状。因为HA多孔基质能够起到缓释作用，以多孔HA烧结体或珊瑚状羟基磷灰石为载体与BMP或BM制成的复合材料， 既能允许骨细胞逐渐生长到孔隙中，又避免了宿主（如BMP ）在体内被很快吸收而降低其作用。
河村（M.Kawamura）[3]认为，在HA—BMP复合材料中，BMP呈网状分布在HA的孔隙壁上，当孔隙直径为90～200微米时， 复合材料的诱导成骨作用最好。由于多孔HA基体的力学性能较差，目前还只能用于低负荷骨组织的替换及修复。
HA—高分子复合骨材料
HA与高分子材料的复合有两种，一种是以高分子为基体，羟基磷灰石增强复合材料；另一种是以多孔羟基磷灰石为基体，高分子增韧复合材料。前者主要有HA—PE复合材料。利用压模成丝及液压挤出法等先进技术制备的HA—PE复合材料，其杨氏模量在1～8吉帕范围内，与人体皮质骨（2～18吉帕）大致相当； 其韧性断裂强度也与人体皮质骨很接近，可作为高负荷骨的替代材料，诸如臀关节等。
然而，PE的存在降低了HA与骨组织的结合力，延长了骨愈合的时间。把羟基磷灰石多孔体浸入熔融的聚乳酸中，可制备既有生物相容性和骨引导作用又有可吸收有机成分的复合物。可吸收的聚乳酸沉积在HA多孔体上，可以适当提高HA多孔体的抗拉强度及断裂强度。但是，聚乳酸的覆盖明显妨碍骨组织纤维向植体孔洞的生长，影响了植体与骨的结合。
除复合骨材料外，还有其他一些复合材料。
高分子涂层复合材料
由于生物材料与人体组织主要通过材料表面接触，表面改性能够改善材料的性能。高温热解炭涂层可以使人造血管具有更好的生物相容性和柔韧性、玻璃和陶瓷涂层常常能使其他材料制成的假肢具有表面生物活性，很多高分子涂层用于改进植体与血液的生物相容性。涂层与基材料的结合是技术成功与否的关键。
比如，对于金属基陶瓷涂层，两者之间必须具有相近的膨胀性能。否则，加工和使用过程中就可能出现裂纹甚至剥落。很多先进技术用于涂层的制备，等离子喷涂就是重要的一种。由于等离子状态下金属表面原子被激活，容易与生物玻璃形成良好的化学键结合，所以这种方法制备的涂层相当稳定。
玻璃陶瓷镶嵌材料
在用于修补牙齿的金属或合金基体上，镶嵌一层生物活性玻璃陶瓷，不仅可以提高金属材料的耐磨性能，而且可防止金属被腐蚀。
生物相容性与表面活性反应
生物相容性是指生物材料必须具备的适应人体特殊环境的能力。具有良好生物相容性的材料才可以植入人体。否则，轻则引发炎症或疼痛，重则造成肌体坏死，甚至危及病人生命。因此，生物相容性研究成为生物材料研究的重要内容。
生物相容性表现在四个方面：表面反应，是指骨性结合还是其他方式连接；肌体组织的局部反应，是指发炎还是迅速愈合；人体反应，是指引起其他部位不适或可能的并发症；长期反应，是指老化或作为异物长期滞留体内的副作用。
材料生物相容性研究，既可以在实验室进行模拟试验，也可以直接在动物身上进行活体试验。通过考察材料在细胞培养基中的反应情况，模拟试验可以快速提供生物材料毒性的测试结果。它既节省时间，又减少实验动物的使用，简单易行，成本低廉。然而，生物体是非常复杂的环境，模拟试验虽然给出细胞反应的一些信息，毕竟代替不了真正生物体的复杂反
活性玻璃受到极大关注。
近年来生物材料出现复合化趋势。复合化不仅可以提高生物材料的性能，而且可以使其具有生物活性。羟基磷灰石作为骨组织的主要无机成分，是新型复合生物材料的首选成分，常常用来制备有机复合生物材料和生物涂层。由于其本身机械强度差，真正能够用于临床使用的材料还相当有限。到目前为止，生物材料的探索还只是在模仿自然。诚然，人是大自然拙劣的模仿者。但是，人类一旦开始模仿，进步将会是不可估量的。
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