本站原创氧化锆陶瓷是一种应用十分广泛的工程陶瓷材料,它具有良好的物理和化学性能,其应用涉及到功能材料、复合结构材料、国防工业、纺织工业、能源工业和航空航天等领域.它属于生物惰性陶瓷,不仅具有高强度和高韧性,而且具有良好的生物相容性和耐腐蚀性,是一种优良的人体硬组织修复材料.近年来氧化锆作为增强增韧第二相材料,在人体硬组织修复体方面取得了较大的进展.本文将氧化锆复合生物陶瓷用于人体硬组织修复的研究进展综述如下.
1 氧化锆复合生物陶瓷用于人体硬组织修复的研究现状
1．1 氧化锆复合生物陶瓷在骨修复中的应用
1．1．1 羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)／氧化锆复合生物陶瓷：HAP是脊椎动物骨和齿的主要无机成分,结构也非常相近.能与人体骨组织发生化学结合,具有良好的生物相容性,无毒、无致畸、致敏及致癌等副作用,被认为是最有前途的陶瓷人工齿和人工骨置换材料.因为该材料受到本身脆性高、抗折强度低的限制,因此它在医学上的应用仅限于小的非承载种植体、粉末、涂层和低承载的多孔种植体.为了扩大其应用范围,人们采用在HA中添加第一一：相来改善其力学性能.四方氧化锆具有相变增韧效果、良好的生物相容性和较高的强度,且比氧化铝具有更好的韧性,与HA的膨胀系数也接近.所以,利用部分稳定氧化锆的相变增韧作用来提高HA材料强度和韧性是最佳选择.
唐月军等探讨了HA－氧化锆复合陶瓷作为骨缺损替代材料的可行性,在人工代血浆及平衡液中,模拟体内环境及升高温度对材料进行了降解实验.实验结果表明HA－氧化锆复合陶瓷具有较好的生物相容性.徐卫国等研究也表明,HA－氧化锆复合陶瓷生物活性好,含20wt％Y－氧化锆增韧HA陶瓷断裂韧性和弯曲强度,相当于人体致密骨,是较为理想的长骨大段骨缺损的骨移植替代材料.HA－氧化锆体系中,氧化锆含量的增加有助于材料力学性能的提高,但是会降低材料的生物活性.ZaferEvis研究发现HA－氧化锆体系在1100℃和1300℃无压烧结过程中,随着氧化锆的增加,HA降解量增加；这是因为在HA和氧化锆之间发生了Ca和氧化锆的交换.较大的氧化锆.引起了HA结构的溶胀,产生的张力增加了HA的降解率.降解产生的水分使烧结体的孔隙增加.这会影响材料的致密性,必将会对材料的力学性能产生不利的影响.
为了解决此问题,人们进行了更加深入的研究.刘继进等在HA－氧化锆复合材料中加入CaF,实验结果表明,氟部分能取代羟基磷灰石的OH,形成了氟羟基磷灰石FHA,提高HA－氧化锆的热稳定性和烧结性能,从而改善了HA－氧化锆复合材料的力学性能.HongboGuo,XigengMiao等采用放电等离子烧结(SparkPlaaSintering,SPS)技术对复合陶瓷进行了烧结,研究发现,SPS能在很短的时间内使复合陶瓷达到较高的致密度,1200℃烧结后,HA－YSZ复合陶瓷的显微硬度达到9GPa,杨氏模量达到160GPa,断裂强度达到200MPa,远远地超过了单一HA陶瓷.肖秀峰等采用水热电化学法制备的HA／zr02复合涂层结合强度高,生物活性好.倪军等在正丁醇介质采用电泳沉积制备了外形较好的HA－Ti－Y2Q／氧化锆复合涂层.王周成等采用电泳沉积法在钛合金表面制备了YSZ／HAp纳米复合涂层.随着研究的深入,HA－氧化锆复合陶瓷在承重修复领域将占据重要地位.
1．1．2 生物活性玻璃陶瓷(BloaetlveGlassCeramic,BGC)／氧化锆复合生物陶瓷：BGC是一种新型的具有生物活性的钙磷骨替代材料,通过界面反应,它能与骨组织和软组织形成亲密的化学键结合.临床应用研究表明,脆性大是此材料的最大弱点,增强其韧性是其进入临床推广应用的重要环节.通过添加机械性能良好的氧化锆粒子对BGC改性,能提高材料的力学性能,扩大其在承重修复领域的应用.
Bosetti等用生物活性玻璃包覆氧化锆,体外测试表明,复合体能与骨形成良好结合.Verne通过粘流烧结法制各的含氧化锆20wt％的BGC／氧化锆复合陶瓷,既具有BSC的生物活性,又具有氧化锆可靠的机械性能.KasugaT通过热压工艺将氧化锆与MgO－CaO－P2O－Si玻璃混合,四方多晶氧化锆的存在提高了复合陶瓷的弯曲强度和断裂韧性,经模拟体液(SPS)浸泡试验,强度也没有发生退化.同时Kasuga还考察了氧化锆增韧玻璃复合陶瓷在生物体内的稳定性.此复合陶瓷移植狗皮下组织12周后,材料的强度都没有退化.黄孝龙等研究了Y－PSZ／BGC复合陶瓷材料力学性能和生物学磨损性能,BGC的加入量在10％～15％(质量分数),复合陶瓷的纳米力学性能最佳,同超高分子量聚乙烯配副时的摩擦因数和磨损率也最小.
1．2 氧化铝复合生物陶瓷在牙科修复中的应用
1．2．1 玻璃离子粘固剂(glasslonomercement,GIC)／HA－氧化锆复合生物陶瓷：GIC是由Wilson和Kent20世纪60年代晚期首先发明的,它由丙烯酸水溶液和可酸解的氟代铝硅酸玻璃粉组成.能与牙釉质、牙本质发生粘附,同时释放氟化物,预防龋齿,应用于临床牙科已超过30年.但是其脆性和较差的耐磨损性限制了它进一步的应用,为了解决这些问题,研究者们进行了广泛的研究.Jan,VanDijken对树脂修饰的GIC在临床上的应用进行了研究统计,发现其拥有更好的临床保持力,年失败率仅为2％.Kawano等研究表明短纤维强化的GIC拥有更高的强度.MilanitaLucas认为添加HA的玻璃离子粘固剂是一种可靠的修复材料,它具有改良的断裂韧性、长期的牙质粘附力和持续稳定的氟化物释放能力.综合比较各种改良方法,将纳米HA／氧化锆填充到GIC中是一种较好的选择.HA能进一步改善生物相容性,氧化锆与玻璃和HA粒子相比,拥有高强度,高模量和高硬度等优点.Gu等研究发现,HA提高了复合陶瓷与周围骨和连接组织的生物相容性和生物活性,复合了4、12vol％HA／氧化锆的GIC比最初的GIC呈现更好的机械特性,且HA／氧化锆－GIC的机械特性比HA－GIC要好很多.
1．2．2 复合生物陶瓷：ZA陶瓷因为优良的力学性能、生物相容性和较好的美观性广泛应用于牙科全瓷修复.目前已有多种系列的全瓷修复材料面世(如ProceraAllceram、VitaIn－Ceram、IPSEmpress2和GIⅡ等),其中VITA公司生产的In－Ceram系列是迄今应用于临床最为成功的全瓷系列.In－Ceram陶瓷属于氧化锆增韧的陶瓷(ZirconiaToughedAlumina,ZTA),它拥有足够的力学性能,可用于后牙冠桥修复.
要获得优良的陶瓷材料,其陶瓷粉体的性能和烧结加工技术都是重要的影响因素.柴枫等探讨氧化锆粉体微观粒度、级配与材料增韧补强效果之间的关系,期望通过改变氧化锆粉体的性能来获得更加优良的修复材料.梁晓峰等利用等静压技术制备了高密度的牙科氧化锆陶瓷坯体,提高了成型效率,改善陶瓷的烧结性能.Dakskobler等也发现高致密度的坯体经等静压处理后的烧结体的断裂韧性和Weibull模量得到提高.通过添加HA,可以使zA陶瓷的生物相容性得到极大加强.Young－MinKong研究发现,通过Pechini法制备的ZA－HA陶瓷比传统混合的ZA－HA陶瓷具有更高的弯曲强度.体外成骨细胞测试表明,ZA－HA纳米复合陶瓷对细胞反应的增殖和分化随HA的增加而逐渐增加.通过机械和生物学评估,30vol％HA＋70vol％ZA的复合陶瓷最适宜应用于承重修复方面.
针对氧化锆致密烧结体难以应用CAD／CAM系统直接加工的问题,人们进行了研究.包广洁等通过向ZTA陶瓷添加复合添加剂进行液相烧结,获得了适宜CAD／CAM加工的牙科陶瓷.赵华等通过改变磷酸钙／氧化锆复合体系中磷酸钙含量可以获得高密度的适于CAD／CAM加工 340;口腔修复材料.张保卫等研究发现磷酸镧含量可以增加氧化锆／磷酸镧复相陶瓷可切削性能并降低其机械性能,18％磷酸镧含量氧化锆／磷酸镧复相陶瓷采用冷等静压(200MPa)成型,空气中常压在1580℃烧结,可以得到致密的复合陶瓷,具有较佳的综合力学性能.
2 需要进一步解决的问题
氧化锆作为第二相添加剂,极大地改善了复合材料的力学性能,在实际临床应用中获得成功.但是氧化锆复合生物陶瓷要想在硬组织修复领域有更大的发展,必需在以下几方面有所突破：①降低成品成本：由于氧化锆的高强、高韧和耐高温性,导致其烧结温度高,加工成型较复杂；②研究范围有待扩大：针对氧化锆复合陶瓷在人体不同部位的应用,应充分考虑应用的环境,对修复体的长期行为和相关机理进行研究；③修复体的综合性能还有待进一步加强.除了满足功能性要求外,修复体还要在美观性方面满足要求.