揭秘：陶瓷与生物陶瓷

说起陶瓷，很有历史感，中国China和瓷器china两个词就是明证之一。

陶器的发明是原始社会新石器时代的一个重要标志，是由粘土或含有粘土的混合物经混炼，成形，煅烧而制成的各种制品，由最粗糙的土器到最精细的精陶和瓷器都属于它的范围。主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物(如粘土、石英等)，因此与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业，同属于“硅酸盐工业”的范畴。

我国已发现距今约10000年新石器时代早期的残陶片。

人面鱼纹彩陶盆（国家博物馆藏品）

十八世纪以前，欧洲人还不会制造瓷器。明朝时期，大批中国瓷器产品开始输往西方世界。中国昌南镇(现在的景德镇)的精美瓷器很受欢迎，欧洲人就以“昌南”作为瓷器(china)和生产瓷器的“中国”(China)的代称，久而久之，欧洲人就把昌南的本意忘却了，只记得它是“瓷器”，即“中国”了。

瓷都：景德镇

河南本土的汝瓷（北宋御用官窑）：

汝瓷大师——何会营

关于中国China的来源还有一个说法：梵文” चीन“（拉丁化：Cīna），在波斯语中转作”چین“（拉丁化：Chīn）。”China“一词已知的最早记录出现在葡萄牙探险家Duarte Barbosa（约1480~1521）的日志中。他的日志于1555年被译为英文后在英格兰出版。关于词源的梵文词语，最广为接受的说法是由在意大利史学家卫匡国（Martino Martini，1614—1661）在17世纪提出的：China的根本词源，是中国历史上第一个大一统王朝即秦朝的名字——即”China“来源于”秦“（Chin）。故China（中国）和china（瓷器）虽同形，但是异源。

再来聊一聊生物陶瓷。

生物陶瓷(Bioceramies)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相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。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、灭菌性，并具有很好的物理、化学稳定性。生物陶瓷材料可分为生物惰性陶瓷、生物活性陶瓷和生物复合材料三类。

1.生物活性陶瓷

应用最多的是羟基磷灰石(hydroxyapatite，简称HA 或HAP)。羟基磷灰石是人体和动物骨骼的主要无机成分，具有良好的生物相容性，植入体内不仅安全、无毒，还具有一定的骨传导性。多孔HA 具有诱导骨形成的作用和能力，孔径、气孔率及孔的内部连通性是骨长入方式和数量的决定因素。当种植体内部连通气孔和孔径为5-40μm时允许纤维组织长入；孔径为40-100μm 时允许非矿化的骨样组织长入；孔径大于150μm 时能为骨组织的长入提供理想场所；孔径大于200μm是骨传导的基本要求；孔径为200-400μm 最有利于新骨生长。

2.生物降解陶瓷

目前广泛应用的生物降解陶瓷为β- 磷酸三钙( 简称β-TCP)，属三方晶系，钙磷原子比为1.5，是磷酸钙的一种高温相。β-TCP 的最大优势就是生物相容性好，植入机体后与骨直接融合，无任何局部炎性反应及全身毒副作用。和HA 相比，TCP 更易于在体内溶解，其溶解度约比HA 高10-20 倍。β-TCP 的降解速率与其表面构造、结晶类型、孔隙率及植入动物的不同有关：随表面积增大，结晶度降低、晶体结晶完整性下降、晶粒减小以及CO32- 、F-、Mg2+ 等离子取代而使降解加快。为此控制β-TCP 的微观结构及组成，可以制备出不同降解速度的材料。其不足是高切口敏感性导致的低疲劳强度，较高刚性和脆性使其难以加工成型或固定钻孔。

下面这位50多岁的H先生，从业陶瓷艺术与制造，却不幸罹患股骨头坏死，得益于人工陶瓷骨的魅力，行微创陶瓷骨植入获得痊愈。

手术前的影像检查资料

自体骨混合人工陶瓷骨微创植骨

【小插曲】该手术所用陶瓷骨为我院与纳通公司2018年合作开展的临床试验骨：

以下为术后及随访资料：

手术后的X线片

手术后2个月X线片

手术后6个月X线片

手术后20个月X线片

手术后27个月X线片

功能正常

人工陶瓷骨有助于骨坏死部位的修复替代，随着时间的延长，陶瓷骨逐渐融合为自体骨，提高了骨质密度，减少了骨吸收、塌陷的风险；同时，减少了对自体骨的依赖，降低了因疾病原因导致自体骨质量下降带来的失败风险，而且避免应用同种异体骨免疫排斥、感染危险。

3.复合生物陶瓷

由多种组分构成，含有多相的生物用陶瓷材料。Ivanchenko 等用硅硼酸钠玻璃增强HA，当玻璃相为59%、烧结温度小于1000℃、孔隙率为33%时，得到HA的机械强度为47MPa。Towler 运用纳米ZrO2在低温下烧结制备了高致密度的HA-ZrO2 复合生物陶瓷，纳米ZrO2的应用降低了烧结温度，避免了HA 的分解，使主晶相仍为HA，且复合材料的强度高于纯HA。复合生物陶瓷材料具有较好的力学性能、化学稳定性和生物相容性，是一种很有应用前景的复合生物陶瓷材料。

4.涂层生物陶瓷

生物陶瓷涂层材料是将金属( 或合金) 基材优良的机械性能和生物陶瓷涂层良好的生物学性能结合在一起，是临床上广泛应用的生物骨科材料之一。生物陶瓷涂层材料的基体一般要求为具有高强度、高韧性、低密度的金属及其合金，如不锈钢、钛及合金、钴铬钼合金、钴铬合金等。制备生物陶瓷涂层的方法主要有：热喷涂、物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶- 凝胶法、电化学、水热反应、玻璃粘附烧结和高分子复合树脂粘结剂法等。此外，还有金属表面改性，如氮化、碳化以及熔烧、电镀等工艺技术等。

臼杯表面涂层脱落

涂层的厚度对涂层与骨骼的结合有一定的影响：一方面需要有一定的厚度，以保证涂层在体液作用下存在足够的时间，促进植入物与骨骼组织的结合；另一方面，随着涂层厚度的增加，涂层残余应力增大，涂层材料本身的性质也容易表现出来，植入生物体内后，将影响材料与骨骼的结合。理想的涂层厚度在50μm 左右(30~90μm)。在涂层厚度一定的前提下，涂层结晶度和组成是决定涂层在体液作用下保留时间的重要因素。高结晶度的涂层(>90%)，比较稳定，溶解较少；较低的结晶度(60%~70%) 则容易发生溶解及降解。

5.氧化铝生物陶瓷材料

1933 年Rock 首先建议将Al2O3陶瓷用于临床，1963 年由Smith 用于骨科，1972 年Boutint 首先报道了用氧化铝陶瓷制作的人体髋关节在生理和摩擦学方面的优越性极其在临床上的应用。高纯氧化铝陶瓷硬度高，化学性能稳定，生物相容性好，呈生物惰性；植入人体后表面生成极薄的纤维膜，界面无化学反应，其磨损率比其它材料至少小1~2 个数量级。

近年来，国外有关学者在氧化铝陶瓷增韧方面作了大量的工作，诸如改变材料的显微结构、利用ZrO2 相变增韧或微裂纹增韧、在瓷体中人为造成裂纹扩散的障碍等，取得了显著的效果。

人工关节能用多少年？

人工髋（胯）关节发展简史

在材料科学的发展中，生物材料科学是发展最快、最受人关注的学科之一。其重要性在于它跨越了材料、医学、物理、生物化学和现代高科技等诸多学科领域，并与人类自身发展息息相关。随着材料科学与生命科学的发展，生物材料的研究已从被动地适应生物环境发展到有目的地设计材料组分，以达到与生物组织的有机连接。