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生物材料和生物玻璃

发布时间:2016/5/26

生物材料与生物玻璃

在科学技术不断发展的今天,人们越来越重视生命科学的研究,生物材料学作为生命科 学和材料学的交叉前沿领域,对人类的康复工程起着不可估量的作用。生物材料是指用于医 疗的能植入生物体或能与生物组织相接合的一类特殊的功能材料,它是研制人工器官及一些 医疗器械的医学基础,国际上将这类与人类的生命和健康密切相关的新型材料称为生物材料 (biomaterials)或生物医学材料(biomedical materials)。由于生物材料在应用上的特殊性,

医学临床要求其必须满足以下条件。

①力学条件即具有与组织相适应的物理机械性能,包括三个方面:具有足够的静态 强度;具有适当的弹性模量和硬度;耐疲劳、耐摩擦、磨损等。

②化学条件即在体内长期稳定,耐侵蚀,不溶出毒性离子,不分解、不变质、不产 生有害降解产物等。

③生物学条件即与人体组织相容性好,对机体无免疫排异反应,种植体不致引起周 围组织产生局部或全身性反应;对人体无毒,无刺激、无致畸、无致敏、无致突变和无致癌 作用;无溶血、无凝血反应。

④针对不同的使用目的而具有特定的功能如对于骨、齿等硬组织修复材料,应具有 生物活性,很好能与骨、齿等形成化学结合;对于与血液接触植入物,应具有抗血栓形成 性能。

任何一种生物医学材料,只有满足上述四个条件,才能在临床上获得理想的医疗效果。 生物材料可以按多种方法分类,如表23-1所示。根据材料的组成和性质,生物材料可 以分为生物医学金属材料、医用高分子材料、生物陶瓷和生物玻璃、生物医学复合材料以及 生物技术衍生材料。

根据材料的生物性能,生物材料又可分为生物惰性材料、生物活性材料和生物可降解材 料三大类。生物惰性材料(•bioinert materials)是指一类在生物环境中能保持稳定,不发生

或仅发生微弱化学反应的生物医学材料。氧化铝陶瓷、医用碳素材料及大多数的医用金属材 料都是生物惰性材料。生物活性材料(bioactive materials)是一类被设计成能诱导或调节生

物活性的生物医学材料。目前,正在研究开发的生物活性材料种类较多,其中,生物活性陶 瓷和生物活性玻璃是生物无机材料中较为重要的研究方向。生物可降解或吸收材料,主要包 括生物可降解陶瓷、玻璃和生物降解性高分子材料。生物降解(biodegradation)是指以生 物系统为媒介而引起的生物医学材料的解体。

此外,生物医学材料还可根据临床用途,分为硬组织(骨、齿)修复和替换材料,软组 织材料和与体液、血液接触的辅助治疗材料等。

生物玻璃是指能够满足或达到特定生物、生理功能的特种玻璃。1969年,Hench发现一定组成的玻璃可以和骨组织发生化学键合。他们在普通的Na20-Ca0-Si02玻璃系统中加 入6%(质量分数)的匕05,使得材料在元素成分上与自然人体骨骼有所接近,这种材料不 仅对人体无害,而且由于P25的加入,增加了生物活性,他们把这种材料叫做“生物玻 璃”,从而揭开了玻璃和微晶玻璃材料作为生物体材料研究的序幕。在此基础上,通过改变 组成或添加少量其他成分,发展成一系列生物玻璃。Hench开发了 45S5生物玻璃,并将其 成功地应用于人体硬组织的修复,在临床上作为骨修复材料使用了多年,它可以促进骨组织 较快生成和生长,生物相容性良好,不良反应基本未见报道。生物玻璃植入生物体内后,其 系统内的某些玻璃成分能够通过离子交换反应,在玻璃和原生骨的界面上形成薄膜,使两者 结合在一起。生物玻璃成功的临床应用不仅是来源于它具有骨引导性(osteoconduction), 而且来源于其促进骨组织生长的生物活性(osteostimulation)。

医用生物活性微晶玻璃(bioactive glass ceramics,BGC),是使用适当组成的基础玻璃 经过控制结晶制成的具有微晶相和玻璃相均匀的生物玻璃。生物活性玻璃主要用于骨缺损的 修复和替换,但由于其机械强度低,仅能用于承力不大的体位,如牙小骨、指骨、拔牙后牙 槽脊保持、药物送达和缓释载体等。生物活性微晶玻璃主要应用于各种原因导致的骨质缺 损,另外,结合各种药物及骨诱导材料制成的复合体还可用于治疗骨肿瘤、骨髓炎及骨折延 迟愈合等。

医用生物活性玻璃及微晶玻璃是一类新型医用生物材料,由于这类材料与人体骨组织完 全相容,且可直接参与骨组织的正常代谢过程,很终可通过一系列的生物化学反应而与骨组 织形成牢固的化学结合,故称为生物活性材料。

相对于其他生物材料,生物活性玻璃具有生物活性高和组成可以设计与调节的特点,生 物活性玻璃具有一般生物材料难以达到的生物活性,它与生理体液接触后表面能形成与人体 骨骼有机相相似的碳酸羟基磷灰石(HCA)层,使生物玻璃与人体的软硬组织如胶原蛋白


774玻璃材料手册

和细胞紧密键合。从与宿主组织界面间的作用看,兼具骨传导和骨生成作用的生物活性玻璃 尤其引人注目。它不但与骨组织而且与软组织也有良好的亲和性,这是一般生物医用材料难 以达到的。

20世纪70年代初,Hench通过熔融法制备出Na2〇-CaO-Si〇2-P25系统的生物玻璃 (bioglass) 45S5,并在此基础上,Hench又通过溶胶-凝胶法制备了 Ca0-Si02-P2〇5系统生 物玻璃,如58S和77S等。研究表明,这两类生物玻璃都具有良好的生物矿化性能,在模拟 体液(SBF)中浸泡一段时间能在其表面生成类骨的碳酸羟基磷灰石(HCA)晶体,而且 这两类生物玻璃可以通过组分的改变来改变它们的生物矿化及降解性能。相对于传统熔融法 制备的玻璃而言,溶胶-凝胶法制备的玻璃或多孔生物玻璃显著提高了比表面积并影响着网 络结构,加速了生物玻璃的降解。通过对玻璃结构、组成、形貌等的调控,可研制出具有增 强组织再生自我修复能力而不是简单替代缺损组织的生物玻璃,达到玻璃降解和组织生长速 度的一致。

生物玻璃这种新颖生物材料的研制成功,引起了各国学者的很大兴趣,如用45S5玻璃 涂在氧化铝基体上制成了牙根矫形固定物。日本小久保正等在此基础上研制出AW微晶玻 璃。近来的研究表明,生物玻璃通过激活成骨细胞的一些基因,可增强成骨细胞的分化和

增殖。

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