上浒充通大￥ Shanghai Jiao Tong University 纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中的作用 及改变 《走进纳米科学》结题报告 学生姓名：古丽米娜·阿布都克力木 所在院系：生命科学技术学院 所在专业：生物技术 所在班级：F1208002 学生学号：5120809043 指导教师：程先华 完成时间：2014年7月20日
纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中的作用 及改变 《走进纳米科学》结题报告 学生姓名：古丽米娜·阿布都克力木 所在院系：生命科学技术学院 所在专业：生物技术 所在班级：F1208002 学生学号：5120809043 指导教师：程先华 完成时间：2014 年 7 月 20 日
目录 摘要 ……3 前言 ……3 1.粉体的制备 ……4 1.1纳米羟基磷灰石的制备 ……4 1.2纳米A12O3-ZO2复合粉体的制备 5 2生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展…4 21生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因.……………5 2.2对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用.....6 2.3A1203、ZO2等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 2.4生物陶瓷材料目前存在的缺陷 …7 3.可行性分析 7 3.1创新想法与思考 7 3.2纳米技术加入蛋白质工程的优点8 3.3技术方案 P 3.4技术难点与不足 …9 4.结论 …9 5.谢辞 9 6.参考文献
目录 摘要…………………………………………………………………3 前言…………………………………………………………………3 1.粉体的制备……………………………………………………….4 1.1 纳米羟基磷灰石的制备……………………………………....4 1.2 纳米 Al2O3-ZrO2 复合粉体的制备………………………...5 2.生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展……………………….4 2.1 生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因…………………5 2.2 对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用………………...6 2.3 Al2O3、ZrO2 等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 2.4 生物陶瓷材料目前存在的缺陷……………………………...7 3.可行性分析…………………………………………………….....7 3.1 创新想法与思考………………………………………………7 3.2 纳米技术加入蛋白质工程的优点…………………………. ..8 3.3 技术方案………………………………………………….......8 3.4 技术难点与不足……………………………………………...9 4.结论……………………………………………………………….9 5.谢辞……………………………………………………………….9 6.参考文献………………………………………………………….9
摘要 总结并分析国内外纳米生物陶瓷的研究发展，芳香及趋势，探讨纳米生物陶 瓷材料在骨科中应用的可能性，在此基础上对纳米生物陶瓷材料在制备人工关节 方面的应用前景进行展望。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶 瓷，活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷3类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材 料的代表，从粉体的制工艺，生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。生物陶瓷材料作为无极生物医学材料，具有良好的生物相容性，耐蚀性 等优点越来越受到人们的重视。由于生物陶瓷材料在强度韧性方面存在局限性， 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入，其强度，韧 性，硬度以及生物相容性都有显著提高，纳米生物陶瓷材料终将成为人类再塑健 康人体。 关键词：生物陶瓷：人工关节：纳米技术 ABSTRACT To summarize and analyze of the research progres s,direction and tendency of nano-bioceramic materials ,and probe into the feas ibility of applying nano-bioceramic materials in orthopedics,based on which to forward prospects in fabrication of artificial joints with nano-bioceramic materials.Bioceramic materials could be divided into inert bioceramic,active bioceramic and absorbable bioceramic according its bioactivity.Hydroxyapatite is a kind of ideal bioceramic,which drawn great attention from domes tic and abroad scholars on its fabrication,biocompatibility and medical carrier.As an inorganic biomaterial,bioceramics were more and more important in people's eyes due to its excellent biocompatibility and corros ion res is tance.Large-scale application of bioceramic in clinic is difficult due to its limited obdurability.With the development of nano-technology and nano-materials,the intens ity,toughnes s,rigidity and bioactivity are greatly improved and nano-bioceramic materials will contribute to the molding of healthy body for human. KEY WORDS:biological ceramics;joint prosthesis;NT(Nanotechnology) 前言 20世纪70年代以来，随着A12O3多晶和单晶陶瓷的广泛应用，生物陶瓷 进入了蓬勃发展的时期。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶瓷、 活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷3类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材料 的代表，从粉体的制备工艺、生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。羟基磷灰石的分子式为Ca10PO4)6(OH2,它是四元无机化合物磷灰石 中的一种，其晶体结构属六方晶系，属L6PC对称型和P63m空间群。与其他生 物材料相比，羟基磷灰石含有与人体硬组织的无机质相同的物质，因此，与生物 组织具有良好的生物相容性，无生物毒性。A12O3、ZrO2、SiC及Si3N4等均属 于惰性生物陶瓷，它们在人体内不易溶解，它与生物硬组织的结合为一种机械的
摘要 总结并分析国内外纳米生物陶瓷的研究发展，芳香及趋势，探讨纳米生物陶 瓷材料在骨科中应用的可能性，在此基础上对纳米生物陶瓷材料在制备人工关节 方面的应用前景进行展望。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶 瓷，活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷 3 类，其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材 料的代表，从粉体的制工艺，生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。生物陶瓷材料作为无极生物医学材料，具有良好的生物相容性，耐蚀性 等优点越来越受到人们的重视。由于生物陶瓷材料在强度韧性方面存在局限性， 大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入，其强度，韧 性，硬度以及生物相容性都有显著提高，纳米生物陶瓷材料终将成为人类再塑健 康人体。 关键词：生物陶瓷；人工关节；纳米技术 ABSTRACT To summarize and analyze of the research progres s , direction and tendency of nano-bioceramic materials ,and probe into the feas ibility of applying nano-bioceramic materials in orthopedics , based on which to forward prospects in fabrication of artificial joints with nano-bioceramic materials .Bioceramic materials could be divided into inert bioceramic, active bioceramic and absorbable bioceramic according its bioactivity. Hydroxyapatite is a kind of ideal bioceramic, which drawn great attention from domes tic and abroad scholars on its fabrication, biocompatibility and medical carrier. As an inorganic biomaterial,bioceramics were more and more important in people's eyes due to its excellent biocompatibility and corros ion res is tance.Large-scale application of bioceramic in clinic is difficult due to its limited obdurability. With the development of nano-technology and nano-materials , the intens ity, toughnes s , rigidity and bioactivity are greatly improved and nano-bioceramic materials will contribute to the molding of healthy body for human. KEY WORDS: biological ceramics; joint prosthesis; NT(Nanotechnology) 前言 20 世纪 70 年代以来, 随着 Al2O3 多晶和单晶陶瓷的广泛应用, 生物陶瓷 进入了蓬勃发展的时期。生物陶瓷根据其在生物体内的活性包括惰性生物陶瓷、 活性生物陶瓷及可吸收生物陶瓷 3 类, 其中羟基磷灰石作为活性生物陶瓷材料 的代表, 从粉体的制备工艺、生物相容性及药物载体等各方面均受到国内外学者 的关注。羟基磷灰石的分子式为 Ca10(PO4)6(OH)2,它是四元无机化合物磷灰石 中的一种, 其晶体结构属六方晶系, 属 L6PC 对称型和 P63m 空间群。与其他生 物材料相比, 羟基磷灰石含有与人体硬组织的无机质相同的物质, 因此, 与生物 组织具有良好的生物相容性, 无生物毒性。Al2O3、ZrO2、SiC 及 Si3N4 等均属 于惰性生物陶瓷,它们在人体内不易溶解, 它与生物硬组织的结合为一种机械的
锁合。生物陶瓷材料要求具有较高的生物弹性及生物相容性以及稳定的化学特 性。利用这些特性可制成各种组织和器官，用于人体的修复或替换。据资料报道 [6,生物材料作为生物医学材料其始于18世纪初，其最先在齿科材料中得以应 用。1963年，Smith等学者发展了一种陶瓷骨替代材料7-10，但生物陶瓷材料在医 学上得到广泛研究和应用，是近二十年来的事。生物陶瓷材料作为无机生物医学 材料，具有良好的生物相容性、耐蚀性等优点越来越受到人们的重视。 随着纳米技术和纳米材料的发展，纳米的微尺度效应及对材料的强韧性作 用越来越受到人们的关注。纳米粉体（超微粉）的合成是纳米陶瓷制备的第一步 也是提高陶瓷材料韧性的有效途径之一。粉体的性能如化学成分配比、粉体纯度、 成分分布、粉体颗粒大小、颗粒尺度分布、团聚状态等对粉体材料的烧结及纳米 陶瓷的性能都有极大的影响。根据粉体制备的原理不同，可分为物理法和化学 法。而现在更普遍的是根据合成粉体的条件不同区分，可分为气相法、液相法、 固相法3类3-1。 1.粉体的制备 1.1纳米羟基磷灰石的制备 国内外学者探索采用不同的方法制备纳米羟基磷灰石，这里着重介绍化学 反应法的制备方法，该工艺方法较为简单。 按照羟基磷灰石中钙磷比为n(Ca)/n(P)=1.67配制一定浓度的NH4)2HPO4 溶液和CaNO3)2溶液。其中CaNO3)2-4H2O用无水乙醇配制，(NH4)2HPO4 用去离子水配制。根据公式10Ca(NO3)2·4H2O+6(NH4)2HPO4+8NH3H2O Ca10(PO4)6(OH2+20NH4NO3+6H2O,将两种溶液进行化学反应。先在烧杯中放 入CNO3)2溶液，然后加入少量(NH4)2HPO4溶液，使反应混合液中产生羟基 磷灰石晶核，然后按照10mL/min的速度滴加(NH4)2HPO4溶液，随着反应的 进行，随时滴加氨水，维持反应液的pH值在10.5~11.0。待反应完毕后，强力搅 拌反应2h,然后陈化24h,倾去上层清液，用去离子水洗涤并过滤两次，再用无 水乙醇洗涤并过滤两次，直至沉淀物为中性。将所得糊状沉淀物 在干燥箱中90℃干燥24h,取少量干燥样品，用于X射线衍射分析和透射 电子显微镜分析。通过对干燥并研磨后得到的羟基磷灰石粉体进行X射线衍射 图谱分析，见图1，根据比较半衍射峰的宽窄，可看出羟基磷灰石粉体的晶粒尺寸 较小，为纳米颗粒
锁合。生物陶瓷材料要求具有较高的生物弹性及生物相容性以及稳定的化学特 性。利用这些特性可制成各种组织和器官, 用于人体的修复或替换。据资料报道 [1-6], 生物材料作为生物医学材料其始于 18 世纪初, 其最先在齿科材料中得以应 用。1963 年,Smith 等学者发展了一种陶瓷骨替代材料[7-10], 但生物陶瓷材料在医 学上得到广泛研究和应用, 是近二十年来的事。生物陶瓷材料作为无机生物医学 材料, 具有良好的生物相容性、耐蚀性等优点越来越受到人们的重视。 随着纳米技术和纳米材料的发展, 纳米的微尺度效应及对材料的强韧性作 用越来越受到人们的关注。纳米粉体( 超微粉) 的合成是纳米陶瓷制备的第一步, 也是提高陶瓷材料韧性的有效途径之一。粉体的性能如化学成分配比、粉体纯度、 成分分布、粉体颗粒大小、颗粒尺度分布、团聚状态等对粉体材料的烧结及纳米 陶瓷的性能都有极大的影响。根据粉体制备的原理不同, 可分为物理法和化学 法。而现在更普遍的是根据合成粉体的条件不同区分, 可分为气相法、液相法、 固相法 3 类[3-11]。 1.粉体的制备 1.1 纳米羟基磷灰石的制备 国内外学者探索采用不同的方法制备纳米羟基磷灰石, 这里着重介绍化学 反应法的制备方法, 该工艺方法较为简单。 按照羟基磷灰石中钙磷比为 n(Ca)/n(P)=1.67 配制一定浓度的(NH4)2HPO4 溶液和 Ca(NO3)2 溶液。其中 Ca (NO3)2·4H2O 用无水乙醇配制, (NH4)2HPO4 用去离子水配制。根据公式 10Ca (NO3)2·4H2O+6 (NH4)2HPO4+8NH3·H2O Ca10(PO4)6(OH)2+20NH4NO3+6H2O,将两种溶液进行化学反应。先在烧杯中放 入 Ca (NO3)2 溶液, 然后加入少量(NH4)2HPO4 溶液, 使反应混合液中产生羟基 磷灰石晶核, 然后按照 10 mL/min 的速度滴加(NH4)2HPO4 溶液, 随着反应的 进行, 随时滴加氨水, 维持反应液的 pH 值在 10.5～11.0。待反应完毕后, 强力搅 拌反应 2 h, 然后陈化 24 h, 倾去上层清液, 用去离子水洗涤并过滤两次, 再用无 水乙醇洗涤并过滤两次, 直至沉淀物为中性。将所得糊状沉淀物 在干燥箱中 90 ℃干燥 24 h, 取少量干燥样品, 用于 X 射线衍射分析和透射 电子显微镜分析。通过对干燥并研磨后得到的羟基磷灰石粉体进行 X 射线衍射 图谱分析, 见图 1, 根据比较半衍射峰的宽窄,可看出羟基磷灰石粉体的晶粒尺寸 较小, 为纳米颗粒
1400 1200 1000 800 600 400 200 20 40 6080 衍射角20() 图1粉体的X射线衍射分析语 对粉体进行电镜观察，通过团簇的粉体可以大致测出粉体的尺寸在30~80 nm。可见采用该粉体制备工艺可以获得纳米级的羟基磷灰石粉体，见图2。 图2羟基磷灰石粉体的电镜照片(×1000) 1.2纳米A203-Zr02复合粉体的制备 将标定好的A1(NO3)39H2O、ZrOCL28H2O、YNO3)3:6H2O按摩尔比配 成一定摩尔浓度的混合液，醇水比5：1加入无水乙醇，并加入一定量的聚乙二 醇200和聚乙二醇1540作为分散剂。将此溶液倒入锥形瓶，置于电子恒温水浴 锅中缓慢加热至75℃，保温6h,制得白色溶胶。沉淀过程是在室温电磁搅拌器 上完成的。化学沉淀可以用正滴法（将沉淀剂溶液滴入盐溶液中）或反滴法（将 盐溶液滴入沉淀剂溶液中)。这两种方法的主要区别在于盐溶液的pH值随反应 时间的变化速率不同。对于多种阳离子材料，采用反滴法阳离子在前驱物中有更 好的均匀性2)，故采用这种方法。采用NH4HCO3作为沉淀剂代替传统的氨水- 湿化学法制备纳米氧化物时最常用的沉淀剂。采用NH4HCO3作沉淀剂时，在轻 微搅拌的同时将盐溶液以3 mL/min的速度滴入NH4HCO3溶液的烧瓶中以获 得前驱物沉淀。将合成的悬浮液陈化12h后过滤，然后用蒸馏水洗涤凝胶至3 mol/L AgNO3溶液检测不出C1-。用蒸馏水洗涤过的凝胶再用无水乙醇洗3遍。 将胶体放入坩埚内，在150℃干燥，经研磨和煅烧后得到复合粉体。 选用反应物浓度为0.15mol/L得到的粒度约为15~20nm,团聚情况相对较 好的粉体。经X射线衍射分析见图3，可知采用NH4HCO3作沉淀剂所得粉体
对粉体进行电镜观察, 通过团簇的粉体可以大致测出粉体的尺寸在 30~80 nm。可见采用该粉体制备工艺可以获得纳米级的羟基磷灰石粉体, 见图 2。 1.2 纳米 Al2O3-ZrO2 复合粉体的制备 将标定好的 Al(NO3)3·9H2O、ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3· 6H2O 按摩尔比配 成一定摩尔浓度的混合液, 醇水比 5∶1 加入无水乙醇, 并加入一定量的聚乙二 醇 200 和聚乙二醇 1540 作为分散剂。将此溶液倒入锥形瓶, 置于电子恒温水浴 锅中缓慢加热至 75 ℃, 保温 6 h, 制得白色溶胶。沉淀过程是在室温电磁搅拌器 上完成的。化学沉淀可以用正滴法( 将沉淀剂溶液滴入盐溶液中) 或反滴法( 将 盐溶液滴入沉淀剂溶液中) 。这两种方法的主要区别在于盐溶液的 pH 值随反应 时间的变化速率不同。对于多种阳离子材料, 采用反滴法阳离子在前驱物中有更 好的均匀性[12], 故采用这种方法。采用 NH4HCO3 作为沉淀剂代替传统的氨水- 湿化学法制备纳米氧化物时最常用的沉淀剂。采用 NH4HCO3 作沉淀剂时, 在轻 微搅拌的同时将盐溶液以 3 mL/min 的速度滴入 NH4HCO3 溶液的烧瓶中以获 得前驱物沉淀。将合成的悬浮液陈化 12 h 后过滤, 然后用蒸馏水洗涤凝胶至 3 mol/L AgNO3 溶液检测不出 Cl- 。用蒸馏水洗涤过的凝胶再用无水乙醇洗 3 遍。 将胶体放入坩埚内,在 150 ℃干燥, 经研磨和煅烧后得到复合粉体。 选用反应物浓度为 0.15 mol/L 得到的粒度约为 15~20 nm, 团聚情况相对较 好的粉体。经 X 射线衍射分析见图 3, 可知采用 NH4HCO3 作沉淀剂所得粉体
的衍射峰较窄，说明其晶粒较为细小。 将反应物浓度分别为0.05mol/L和0.15mol/L制得A12O3-ZrO2复合粉体的 电镜照片见图4。由图4可以估算出粉体的粒径尺寸在10-20nm。可见，在溶液 浓度较低的情况下，可以制得纳米级的粉体，且反应物的浓度与粉体的粒径成正 比。当溶液浓度低时，粉体的生长过程将受到抑制，颗粒粒度小。但是降低反应 物浓度，将使成本提高很多。 4000 ●a-Al3 3500 口t-Zro2 3000 22 500 000 500 1000 500 0 20 4060 80 衍射角28() 图3球磨煅烧后粉体的X射线衍射分析谱 20p 图4反应物浓度为0.05molL制得粉体的电镜照片(×5000) 2.生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展 2.1生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因 (1)自体骨移植的手术创伤和可能的并发症： (2)异体骨移植的潜在疾病传染危险： (3)发现骨组织能与一些含钙生物陶瓷材料有机结合： (4)利用生物陶瓷材料作为药物，生长因子，细胞或其他成分的载体： (5)生物陶瓷制作技术的发展。 2.2对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用 目前，对羟基磷灰石材料的研究重点是克服羟基磷灰石生物陶瓷材料的脆 性和在生理环境中的疲劳破坏，使其能用作承力的骨替换材料，因此研究人员正
的衍射峰较窄, 说明其晶粒较为细小。 将反应物浓度分别为0.05 mol/L 和0.15 mol/L制得Al2O3-ZrO2 复合粉体的 电镜照片见图 4。由图 4 可以估算出粉体的粒径尺寸在 10~20 nm。可见, 在溶液 浓度较低的情况下, 可以制得纳米级的粉体, 且反应物的浓度与粉体的粒径成正 比。当溶液浓度低时, 粉体的生长过程将受到抑制, 颗粒粒度小。但是降低反应 物浓度, 将使成本提高很多。 2. 生物陶瓷材料在骨科中的应用研究进展 2.1 生物陶瓷材料在临床中的称“霸”的原因 （1）自体骨移植的手术创伤和可能的并发症； （2）异体骨移植的潜在疾病传染危险； （3）发现骨组织能与一些含钙生物陶瓷材料有机结合； （4）利用生物陶瓷材料作为药物，生长因子，细胞或其他成分的载体； （5）生物陶瓷制作技术的发展。 2.2 对羟基磷灰石材料在临床中的发展及作用 目前, 对羟基磷灰石材料的研究重点是克服羟基磷灰石生物陶瓷材料的脆 性和在生理环境中的疲劳破坏, 使其能用作承力的骨替换材料, 因此研究人员正
试图利用纳米的微尺寸效应来研究纳米羟基磷灰石对提高材料强韧性以及对生 物相容性的影响。有资料报道31)，羟基磷灰石材料近十年来受到临床重视，它 的种植体模仿了骨基质的结构，具有骨诱导性，能为新生骨组织的长入提供支架 和通道，孔径、孔率和孔内部的连通行是骨长入方式和数量的决定性因素。 研究表明6，当种植体内部连通气孔的孔径为5~40m时，允许纤维组织长 入；当孔径为40-100um时，允许非矿化的骨样组织长入；当孔径在150-200 m时，能为骨组织的长入提供理想的场所；当孔径超过200m 时，是骨传导的基本要求；当孔径在200~400μm时，最有利于新骨生长。陶瓷基 复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体，通过不同方式引入颗粒、晶须或纤维 等增强体而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料尚未达到 大规模临床应用阶段，其研究还主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究 以及材料增强研究等。 2.3A203、Zr02等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 A1203、Zr02等生物惰性材料自20世纪70年代初在临床应用研究中得到 应用，但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基体， 掺入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷优良力学性能的基础上还 具有一定的生物活性和骨结合能力。 为满足骨科临床对生物学性能和力学性能的要求，人们开始了生物活性陶 瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究，以使材料在气孔率、比表面积、生 物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善。近年来，对羟基磷灰石和磷酸三 钙复合材料的研究也日益增多.18-2.30%羟基磷灰石与70%磷酸三钙在1150℃ 烧结，其平均抗弯强度达155MPa,优于纯羟基磷灰石和磷酸三钙陶瓷，研究 发现羟基磷灰石-磷酸三钙致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂，其沿晶断裂 的程度也大于纯单相陶瓷材料。羟基磷灰石-磷酸三钙多孔复合材料植入动物体 内，其性能起初类似于B-磷酸三钙，而后具有羟基磷灰石的特性，通过调整 羟基磷灰石与磷酸三钙的比例，达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4玻璃粉 末与羟基磷灰石制备而成的复合材料，植入兔骨中8周后取出，骨质与复合材 料之间的剪切破坏强度达27MPa，比纯羟基磷灰石陶瓷有明显的提高。 2.4生物陶瓷材料目前存在的缺陷 1.愈后有所改善，但是还不是很好 2.恢复时间慢 3.生物陶瓷材料尤其在湿生理环境中的力学性能较差 4.未能解决材料固有的脆性特征 3.可行性分析 3.1创新想法与思考 针对以上生物陶瓷材料存在的缺陷，我想到了以下用纳米技术与生物陶
试图利用纳米的微尺寸效应来研究纳米羟基磷灰石对提高材料强韧性以及对生 物相容性的影响。有资料报道[13-15], 羟基磷灰石材料近十年来受到临床重视, 它 的种植体模仿了骨基质的结构, 具有骨诱导性, 能为新生骨组织的长入提供支架 和通道, 孔径、孔率和孔内部的连通行是骨长入方式和数量的决定性因素。 研究表明[16], 当种植体内部连通气孔的孔径为 5~40 μm 时,允许纤维组织长 入; 当孔径为 40~100 μm 时, 允许非矿化的骨样组织长入; 当孔径在 150~200 μm 时, 能为骨组织的长入提供理想的场所; 当孔径超过 200 μm 时, 是骨传导的基本要求; 当孔径在 200~400 μm 时,最有利于新骨生长。陶瓷基 复合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基体,通过不同方式引入颗粒、晶须或纤维 等增强体而获得的一类复合材料。目前生物陶瓷基复合材料尚未达到 大规模临床应用阶段, 其研究还主要集中于生物材料的活性和骨结合性能研究 以及材料增强研究等。 2.3 Al2O3、ZrO2 等生物惰性材料与生物硬组织的结合的应用 Al2O3、ZrO2 等生物惰性材料自 20 世纪 70 年代初在临床应用研究中得到 应用, 但它与生物硬组织的结合为一种机械的锁合。以高强度氧化物陶瓷为基体, 掺入少量生物活性材料, 可使材料在保持氧化物陶瓷优良力学性能的基础上还 具有一定的生物活性和骨结合能力。 为满足骨科临床对生物学性能和力学性能的要求, 人们开始了生物活性陶 瓷以及生物活性陶瓷与生物玻璃的复合研究, 以使材料在气孔率、比表面积、生 物活性和机械强度等方面的综合性能得以改善。近年来, 对羟基磷灰石和磷酸三 钙复合材料的研究也日益增多 [17,18-22]。30%羟基磷灰石与 70%磷酸三钙在 1 150 ℃ 烧结, 其平均抗弯强度达 155 MPa , 优于纯羟基磷灰石和磷酸三钙陶瓷, 研究 发现羟基磷灰石- 磷酸三钙致密复合材料的断裂主要为穿晶断裂, 其沿晶断裂 的程度也大于纯单相陶瓷材料。羟基磷灰石- 磷酸三钙多孔复合材料植入动物体 内, 其性能起初类似于β- 磷酸三钙, 而后具有羟基磷灰石的特性, 通过调整 羟基磷灰石与磷酸三钙的比例, 达到满足不同临床需求的目的。45SF1/4 玻璃粉 末与羟基磷灰石制备而成的复合材料, 植入兔骨中 8 周后取出, 骨质与复合材 料之间的剪切破坏强度达 27 MPa , 比纯羟基磷灰石陶瓷有明显的提高。 2.4 生物陶瓷材料目前存在的缺陷 1.愈后有所改善，但是还不是很好 2.恢复时间慢 3.生物陶瓷材料尤其在湿生理环境中的力学性能较差 4.未能解决材料固有的脆性特征 3.可行性分析 3.1 创新想法与思考 针对以上生物陶瓷材料存在的缺陷，我想到了以下用纳米技术与生物陶
瓷材料相结合的创新想法来克服生物陶瓷材料身存在的缺陷。 生物陶瓷的增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强、相变增韧和层状复 合增强等622。例如： (1)当羟基磷灰石粉末中添加10%~70%Zr02粉末时，材料经1300~1 350℃热压烧结，其强度和韧性随烧结温度的提高而增加。 (2)纳米SC增强羟基磷灰石复合材料比纯羟基磷灰石陶瓷的抗弯强度提 高1.6倍、断裂韧性提高2倍、抗压强度提高1.4倍，与生物硬组织的性能相 当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料，SiC晶须增强生物 活性玻璃陶瓷材料，复合材料的抗弯强度可达460MPa、断裂韧性达4.3 MPaml/2,成为可靠性最高的生物陶瓷基复合材料。 (3)羟基磷灰石晶须增韧羟基磷灰石复合材料的增韧补强效果同复合材料 的气孔率有关，当复合材料相对密度达92%~95%时复合材料的断裂韧性可提高 40%。目前用于补强医用复合材料的主要有：SiC,Si3N4,A1203,Zr02,羟基磷 灰石纤维或晶须以及碳纤维等。 有关资料表明，由于纳米生物陶瓷材料的晶粒尺寸的减小，改变了材料的表 面粗糙度，加之其更强的表面亲水性，都增强了破骨细胞的功能代谢活动。所以， 与相应的传统陶瓷比较，nA1203和nHA更能增强破骨细胞的骨吸收功能，具有 更加良好的细胞相容性。 虽然以上想法在科学史上已经出现了，但是我觉得我的创新点在于生物陶瓷 材料，纳米技术和蛋白质工程相结合。很显然，前两者的结合于运用已经大大地 满足了医学上的需求，但是我觉得使用范围还是收到了一些限制。 3.2纳米技术加入蛋白质工程的优点 实验表明胶原与羟基磷灰石陶瓷复合，其强度比羟基磷灰石陶瓷提高两三 倍，胶原膜还有利于孔隙内新生骨的长入，植入狗的股骨后仅4周，新骨即己 充满大的孔隙。 蛋白质工程研究改变蛋白质结构有一定的历史和成就，即可以通过纳米技术 改变蛋白质结构，从而可以减少甚至消除免疫排斥，从而可以更加高效地，更加 快速地治疗更大面积的骨损伤。这样就可以比较完整的结合了纳米技术在医学和 生物学上的应用。三个领域的结合和磨合，更进一步地为人类的学习和生活提供 了帮助。 3.3技术方案 己经有实验得出了纳米技术与生物陶瓷材料结合的实例，那我们先撇开这个 不谈，光考虑利用纳米技术来改变蛋白质结构，从而可以减少甚至免疫排斥，从 而可以更加高效地，更加快速地治疗更大面积的骨损伤。 不过想要改变蛋白质空间结构，就得先解旋，使得多肽解开来变成一肽，再 者改变构成这个肽链的核苷酸序列。如果涉及到改变核苷酸序列，这个问题将会 更加复杂化。但现在的生物技术已经可以检测出DNA序列，所以根据我们想要的 目标序列来更改核苷酸序列不是件不可能的事情。我这里应用的是著名的中心法 则的逆顺序，只要这个顺序成功，那么纳米技术和生物陶瓷材料在蛋白质工程中 有了很大的进步
瓷材料相结合的创新想法来克服生物陶瓷材料身存在的缺陷。 生物陶瓷的增强方式主要有颗粒增强、晶须或纤维增强、相变增韧和层状复 合增强等 [16,22-26]。例如： （1）当羟基磷灰石粉末中添加 10%～70% ZrO2 粉末时, 材料经 1 300～1 350 ℃热压烧结, 其强度和韧性随烧结温度的提高而增加。 (2） 纳米 SiC 增强羟基磷灰石复合材料比纯羟基磷灰石陶瓷的抗弯强度提 高 1.6 倍、断裂韧性提高 2 倍、抗压强度提高 1.4 倍, 与生物硬组织的性能相 当。晶须和纤维为陶瓷基复合材料的一种有效增韧补强材料, SiC 晶须增强生物 活性玻璃陶瓷材料, 复合材料的抗弯强度可达 460 MPa 、断裂韧性达 4.3 MPam1/2, 成为可靠性最高的生物陶瓷基复合材料。 （3） 羟基磷灰石晶须增韧羟基磷灰石复合材料的增韧补强效果同复合材料 的气孔率有关, 当复合材料相对密度达 92%～95%时复合材料的断裂韧性可提高 40%。目前用于补强医用复合材料的主要有: SiC, Si3N4, Al2O3, ZrO2, 羟基磷 灰石纤维或晶须以及碳纤维等。 有关资料表明，由于纳米生物陶瓷材料的晶粒尺寸的减小，改变了材料的表 面粗糙度，加之其更强的表面亲水性，都增强了破骨细胞的功能代谢活动。所以， 与相应的传统陶瓷比较，nAl2O3 和 nHA 更能增强破骨细胞的骨吸收功能，具有 更加良好的细胞相容性。 虽然以上想法在科学史上已经出现了，但是我觉得我的创新点在于生物陶瓷 材料，纳米技术和蛋白质工程相结合。很显然，前两者的结合于运用已经大大地 满足了医学上的需求，但是我觉得使用范围还是收到了一些限制。 3.2 纳米技术加入蛋白质工程的优点 实验表明胶原与羟基磷灰石陶瓷复合, 其强度比羟基磷灰石陶瓷提高两三 倍, 胶原膜还有利于孔隙内新生骨的长入, 植入狗的股骨后仅 4 周, 新骨即已 充满大的孔隙。 蛋白质工程研究改变蛋白质结构有一定的历史和成就，即可以通过纳米技术 改变蛋白质结构，从而可以减少甚至消除免疫排斥，从而可以更加高效地，更加 快速地治疗更大面积的骨损伤。这样就可以比较完整的结合了纳米技术在医学和 生物学上的应用。三个领域的结合和磨合，更进一步地为人类的学习和生活提供 了帮助。 3.3 技术方案 已经有实验得出了纳米技术与生物陶瓷材料结合的实例，那我们先撇开这个 不谈，光考虑利用纳米技术来改变蛋白质结构，从而可以减少甚至免疫排斥，从 而可以更加高效地，更加快速地治疗更大面积的骨损伤。 不过想要改变蛋白质空间结构，就得先解旋，使得多肽解开来变成一肽，再 者改变构成这个肽链的核苷酸序列。如果涉及到改变核苷酸序列，这个问题将会 更加复杂化。但现在的生物技术已经可以检测出 DNA 序列，所以根据我们想要的 目标序列来更改核苷酸序列不是件不可能的事情。我这里应用的是著名的中心法 则的逆顺序，只要这个顺序成功，那么纳米技术和生物陶瓷材料在蛋白质工程中 有了很大的进步
这纯属于个人根据在自己专业上学到的知识基础上想出来的构想，有些方面 在医学上己经陆陆续续的有了一些发现，所以我想这个方案还是可行的。 3.4技术难点与不足 虽然这个方案是可行的，但是由于涉及到要更改蛋白质结构，所以想在骨科 中大范围的使用，就必须是要更换大面积的骨骼的时候才能使用，如果小面积的 骨骼损伤，就不能用纳米技术与生物陶瓷材料结合在蛋白质结构上进行改造。因 为这样会需要更改更大范围的蛋白质的结构，但是太多的肽链解旋，会使体内造 成不正常的调节。 4.结论 目前，对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来 越大，由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性，大规模临床应用还面临挑战。随 着纳米技术和纳米材料研究的深入，纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现，其 强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高，随着生物医用材料研究的不断 完善，纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体。 5.谢辞 首先感谢学校为我们开设这门课程，让我们有机会接触到纳米技术，并告 别“纳盲”的队伍里：再次感谢程老师在这一个月来对我们的教育和指导：感谢 老师带领我们一起创新，一起大胆的畅想，一起鼓励我们大胆地把自己的想法说 出来，并引领我们站在大家的前面展现自己，给我们机会来更加认识自己，谢谢 老师的鼓励和同学们的支持。虽然我的汉语表达能力不是很好，我也不是班里想 法最好的那一个，但老师的鼓励和同学们的支持使我充满勇气地站在大家面前， 大胆的把自己的想法说出来，虽然效果可能不是很好，但是我从中领悟了很多， 也有了更多的自信继续走下去，谢谢您，程老师！ 6.参考文献 [1]袁媛，唐胜利，洪华，等.纳米羟基磷灰石的制备及其抗肿瘤活性的研究 [J].中国生物医学工程学报，2005,24(1)：26-30 [2]任强，武秀兰.纳米羟基磷灰石粉体制备工艺的研究[J].中国陶瓷，2006,42 (3):3-5 [3]张爱娟.溶-凝胶法制备纳米羟基磷灰石的研究进展[J].材料工程，2006， 51(增刊)：467-469 [4]邓淑华，温立哲，黄慧民，等.水热法制备纳米二氧化锆粉体[J].稀有金 属，2003,27(4)：486-490 [5]高瑞平，李晓光.先进陶瓷物理与化学原理及技术[M们.北京：科学出版 社，2001：267 [6]刘志苏，唐胜利，艾中立，等.羟基磷灰石纳米粒子对人肝癌和结肠癌细胞生长 的抑制作用[J].中华实验外科杂志，2006,23(3)：12-14
这纯属于个人根据在自己专业上学到的知识基础上想出来的构想，有些方面 在医学上已经陆陆续续的有了一些发现，所以我想这个方案还是可行的。 3.4 技术难点与不足 虽然这个方案是可行的，但是由于涉及到要更改蛋白质结构，所以想在骨科 中大范围的使用，就必须是要更换大面积的骨骼的时候才能使用，如果小面积的 骨骼损伤，就不能用纳米技术与生物陶瓷材料结合在蛋白质结构上进行改造。因 为这样会需要更改更大范围的蛋白质的结构，但是太多的肽链解旋，会使体内造 成不正常的调节。 4.结论 目前, 对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来 越大, 由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性, 大规模临床应用还面临挑战。随 着纳米技术和纳米材料研究的深入, 纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现, 其 强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高, 随着生物医用材料研究的不断 完善,纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体。 5.谢辞 首先感谢学校为我们开设这门课程，让我们有机会接触到纳米技术，并告 别“纳盲”的队伍里；再次感谢程老师在这一个月来对我们的教育和指导；感谢 老师带领我们一起创新，一起大胆的畅想，一起鼓励我们大胆地把自己的想法说 出来，并引领我们站在大家的前面展现自己，给我们机会来更加认识自己，谢谢 老师的鼓励和同学们的支持。虽然我的汉语表达能力不是很好，我也不是班里想 法最好的那一个，但老师的鼓励和同学们的支持使我充满勇气地站在大家面前， 大胆的把自己的想法说出来，虽然效果可能不是很好，但是我从中领悟了很多， 也有了更多的自信继续走下去，谢谢您，程老师！ 6.参考文献 [1]袁媛, 唐胜利, 洪华, 等.纳米羟基磷灰石的制备及其抗肿瘤活性的研究 [J ].中国生物医学工程学报, 2005,24(1):26-30 [2]任强,武秀兰.纳米羟基磷灰石粉体制备工艺的研究[J ].中国陶瓷, 2006,42 (3):3--5 [3]张爱娟.溶- 凝胶法制备纳米羟基磷灰石的研究进展[J ].材料工程, 2006, 51(增刊): 467-469 [4]邓淑华,温立哲,黄慧民, 等.水热法制备纳米二氧化锆粉体[J ]. 稀有金 属,2003,27(4):486-490 [5]高瑞平,李晓光.先进陶瓷物理与化学原理及技术[M]. 北京: 科学出版 社,2001:267 [6]刘志苏,唐胜利,艾中立,等.羟基磷灰石纳米粒子对人肝癌和结肠癌细胞生长 的抑制作用[J ].中华实验外科杂志, 2006,23(3): 12-14
[7]Li W,Gao L.Fabrication of HAp-Zr02 (3Y)nano-compos ite by SPS. Biomaterials2003;24(6):937-940 [8]Burg KJ,Porter S,Kellam JF.Biomaterial developments for bone tis sueengineering.Biomaterials 2000;21(23):2347-2359 [9]MartiA.Inert bioceramics (A1203,Zr02)for medical application.Injury2000:31 Suppl 4:33-36 [10]Lim GK,Wang J,Ng SC,et al.Formation of nanocrys talline hydroxyapatite in nonionic surfactant emuls ions.Langmuir 1999; 15:7472-7477 [11]Suchanek W,Yaashima M,Kakihana M,et al.Hydroxya-patite/hydroxyapatite-whisker compos ition without s interingadditives mechanical properties and micros tructure evolution. J Am Ceram Soc1997;80(11):2805-2813 [12]De Aza PN,Guitian F,De Aza S.Bioeutectic:a new ceramic material for human bone replacement.Biomaterials 1997;18(19):1285-1291 [13]Gonzalez P,Serra J,Lis te S,et al.New biomorphic SiC ceramics coated with bioactive glas s for biomedical applications Biomaterials 2003:24(26):4827-4832 [14幻盛敏，赵康，井晓天.含氟羟基磷灰石生物陶瓷的制备及其研究[J].硅酸盐 通报，2006,25(4)：208-211 [15]Schreckenbach JP,Marx G,Schlottig F,et al.Characterization of anodicspark-converted titanium surfaces for biomedical applications J MaterSci Mater Med 1999;10(8):453-457 [16]Suchanek W,Yoshimura M.Proces s ing and Properties of Hydroxyapatite based Biomaterials for Use as Hard Tis sue Replacement Implants.J Mater Res1998:13(1):94-117 [17]董晶，寇福明，王峰.模拟体液法制备纳米级羟基磷灰石[J].江苏陶瓷， 2006,39(4):33-37 [18]王林，孙清杰，翁履谦，等.纳米羟基磷灰石粉体及其与PEEK复合材料的制 备[J].材料开发与应用，2006,21(4)：36-40 [19]Takafumi Y,Hajime 0.Human marrow cells -derived cultured bone in porous ceramics.Bio-Med Mater Eng 1998;8(3):312-320 [20]彭继荣，李珍.羟基磷灰石的应用研究进展[J].中国非金属矿工业导刊， 2005,26(2):11-14 [21]Gines te L,Gines te M,Ranz X,et al.Degradation of hydroxylapatite, fluorapatite,and fluorhydroxyapatite coatings of dental implants in dogs J Biomed Mater Res 1999;48(3):224-234 [21]Chen YM,Miao XG.Effect of fluorine addition on the corros ion res is tance of hydroxyapatite ceramics Ceramics International 2004;30 (7): 1961-1965 [22]0kazaki M,Miake Y,Tohda H,et al.Fluoridated apatite synthes ized us ing a multi-s tep fluoride supply sys tem.Biomaterials 1999:20(14):1303-1307 [23]Mendez-Gonzalez M,Cauich-Rodriguez JV.Preparation of porous
[7]Li W,Gao L.Fabrication of HAp-ZrO2 (3Y) nano-compos ite by SPS. Biomaterials 2003;24(6):937-940 [8] Burg KJ , Porter S, Kellam JF. Biomaterial developments for bone tis sueengineering.Biomaterials 2000;21(23):2347-2359 [9]MartiA.Inert bioceramics (Al2O3,ZrO2)for medical application.Injury2000;31 Suppl 4:33-36 [10]Lim GK, Wang J , Ng SC, et al. Formation of nanocrys talline hydroxyapatite in nonionic surfactant emuls ions . Langmuir 1999; 15:7472-7477 [11]Suchanek W,Yaashima M,Kakihana M,et al.Hydroxya-patite/hydroxyapatite-whisker compos ition without s interingadditives : mechanical properties and micros tructure evolution. J Am Ceram Soc 1997; 80(11): 2805-2813 [12]De Aza PN, Guitian F, De Aza S. Bioeutectic: a new ceramic material for human bone replacement.Biomaterials 1997;18(19):1285-1291 [13]Gonzalez P, Serra J , Lis te S, et al. New biomorphic SiC ceramics coated with bioactive glas s for biomedical applications .Biomaterials 2003;24(26):4827-4832 [14]盛敏,赵康,井晓天.含氟羟基磷灰石生物陶瓷的制备及其研究[J ].硅酸盐 通报, 2006,25(4):208-211 [15]Schreckenbach JP, Marx G, Schlottig F,et al. Characterization of anodicspark-converted titanium surfaces for biomedical applications .J MaterSci Mater Med 1999;10(8):453-457 [16]Suchanek W, Yoshimura M. Proces s ing and Properties of Hydroxyapatite based Biomaterials for Use as Hard Tis sue Replacement Implants . J Mater Res 1998; 13 (1): 94-117 [17]董晶,寇福明,王峰.模拟体液法制备纳米级羟基磷灰石[J ]. 江苏陶瓷, 2006,39(4): 33-37 [18]王林,孙清杰, 翁履谦,等.纳米羟基磷灰石粉体及其与 PEEK 复合材料的制 备[J ].材料开发与应用, 2006,21(4): 36-40 [19]Takafumi Y, Hajime O. Human marrow cells -derived cultured bone in porous ceramics . Bio-Med Mater Eng 1998; 8(3): 312-320 [20]彭继荣, 李珍.羟基磷灰石的应用研究进展[J ].中国非金属矿工业导刊, 2005,26(2):11-14 [21]Gines te L, Gines te M, Ranz X, et al. Degradation of hydroxylapatite, fluorapatite, and fluorhydroxyapatite coatings of dental implants in dogs .J Biomed Mater Res 1999;48(3):224-234 [21]Chen YM,Miao XG.Effect of fluorine addition on the corros ion res is tance of hydroxyapatite ceramics . Ceramics International 2004; 30 (7): 1961-1965 [22]Okazaki M, Miake Y, Tohda H,et al.Fluoridated apatite synthes ized us ing a multi-s tep fluoride supply sys tem.Biomaterials 1999;20(14):1303-1307 [23]Mendez-Gonzalez M, Cauich-Rodriguez JV. Preparation of porous