Биокерамика входит в наши тела

Начиная с 21 века, новые материалы постепенно входят в нашу повседневную жизнь. Как новый материал, биокерамика принесла большое удобство для жизни и здоровья людей, которые в последние годы получают все больше и больше внимания со стороны области медицинских устройств и биомедицинских материалов.

Биокерамика - это вид керамических материалов, используемых для конкретных биологических или физиологических функций, то есть керамические материалы, непосредственно используемые в человеческом организме или непосредственно связанные с человеческим организмом, такие как биология, медицина и биохимия. Он широко используется в ортопедии, стоматологии, пластической хирургии, челюстно-лицевой хирургии, сердечно-сосудистой хирургии и глазной хирургии благодаря своей хорошей биосовместимости и стабильным физико-химическим свойствам.

По использованию биокерамику можно разделить на посадочную биокерамику и биоинженерную биокерамику; по активности биокерамики in vivo ее можно разделить на активную биокерамику и инертную биокерамику. В данной новости биокерамика классифицируется следующим образом.

Биоинертная керамика

Биоинертная керамика обладает стабильными химическими свойствами и хорошей биосовместимостью, например, глинозем, диоксид циркония и т.д., а ее физико-механические и функциональные свойства соответствуют тканям человека. Их основными характеристиками являются высокая механическая прочность и износостойкость.

Цирконий (ZrO2)

Циркониевая керамика является на сегодняшний день самым прочным стоматологическим реставрационным материалом и широко используется в ортопедических протезах бедра. Материалы из диоксида циркония и остеобласты совместно культивировались in vitro, и биосовместимость была подтверждена. В ортопедии циркониевая керамика используется в основном для изготовления искусственных тазобедренных суставов. Однако прочность сцепления циркониевой керамики недостаточна, что влияет на стабильность сцепления. В настоящее время для улучшения прочности сцепления керамики применяются различные методы обработки поверхности, такие как кислотное травление и пескоструйная обработка. Кроме того, хрупкость циркониевого керамического материала влияет на его использование, поэтому для его улучшения обычно применяют метод упрочнения.

Глинозем (Al2O3)

В 1970-х годах алюмооксидная керамика начала применяться при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава (ТЭТ). Алюмооксидная керамика с твердостью более 2000HV лишь слегка токсична для фибробластов человека in vitro, а ее механические свойства остаются неизменными в течение длительного времени во внутренней среде. Благодаря применению технологии термоизостатической пластики под давлением и лазерного травления размер зерна глиноземной керамики трех поколений уменьшается, чистота и плотность повышаются, прочность и твердость значительно увеличиваются, а скорость фрагментации снижается. Высокая твердость и хорошая износостойкость алюмооксидной керамики делают ее основным биологическим материалом в ортопедии THA.

Карбид кремния（SiC）

В последние годы люди пытаются применить керамику из карбида кремния в области медицины полости рта. В качестве материала для имплантатов керамика из карбида кремния получает все большее предпочтение в научных и клинических исследованиях, а также проводится исследовательская работа в аспектах биосовместимости и токсичности. На поверхность керамики из карбида кремния было нанесено покрытие из биостекла, которое еще больше усилило биологическую активность керамики из карбида кремния.

Биоактивная керамика

Биоактивная керамика, также известная как биоразлагаемая керамика, включает поверхностную биоактивную керамику и биоабсорбирующую керамику. Биоактивная керамика обычно содержит гидроксил и может быть пористой, а биологическая ткань может расти и прочно связываться с ее поверхностью. Биоабсорбируемая керамика характеризуется частичной или полной абсорбцией и вызывает рост новой кости в организме. К биоактивной керамике относятся биоактивное стекло (фосфат кальция), гидроксиапатитовая керамика и трикальцийфосфатная керамика.

Гидроксиапатитовая керамика (ГАП)

Для улучшения механических свойств гидроксиапатита были улучшены механические свойства приготовленного компактного HAP. Однако его видимая пористость относительно невелика. После имплантации в организм человека на поверхности может образоваться только костная ткань, которая не обладает способностью вызывать костеобразование и может использоваться только в качестве каркаса для формирования костной ткани.

Поэтому основное внимание в исследованиях уделяется пористой гидроксиапатитовой керамике. Было обнаружено, что пористый имплантат из фосфорно-кальциевой керамики имитирует структуру костного матрикса и обладает костной индукцией, что может служить основой и каналом для роста новой костной ткани. Поэтому реакция тканей на имплантат после вживления была значительно лучше, чем на имплантат из плотной керамики.

Биостеклокерамика

Основным компонентом биостеклокерамики является CaO-Na2O-SiO2-P2O5, который содержит больше кальция и фосфора, чем обычное оконное стекло, и может химически связываться с костью естественным и прочным образом. Он обладает уникальными свойствами, отличающими его от других биологических материалов, и может быстро проходить ряд поверхностных реакций в месте имплантации, что в конечном итоге приводит к образованию апатитового слоя на основе карбоната. Биосовместимость биостеклокерамики хорошая. Материалы имплантируются в организм без отторжения, воспаления и некроза тканей, могут образовывать костное соединение с костью.

В настоящее время этот материал используется для восстановления мелких ушных косточек и хорошо влияет на восстановление слуха. Однако из-за низкой интенсивности воздействия его можно использовать только в тех частях тела, где сила воздействия невелика. Материал, полученный золь-гель методом, характеризуется хорошей чистотой, высокой однородностью, хорошей биологической активностью и большой удельной поверхностью, что повышает его исследовательскую и прикладную ценность. В частности, пористый материал из биоактивного стекла имеет хорошие перспективы для использования в качестве инженерного скаффолда для костной ткани.

Сульфат кальция

Медицинский сульфат кальция, представляющий собой полуводный кристалл, после полного распада не оказывает очевидного влияния на уровень сывороточного кальция в организме. После соединения с водой он превращается в твердый имплантат и может быть использован в качестве носителя водорастворимых антибиотиков. Сульфат кальция самокоагулируется при низкой температуре и не вызывает повреждения периферической нервной ткани, а также обладает потенциалом костного индуцирования и высвобождения ионов кальция. При взаимодействии со слабокислой средой местные ионы кальция могут связываться с кальций-чувствительным рецептором остеобластов, способствуя пролиферации и дифференциации костных клеток и регулируя образование остеоида. Однако остеогенная способность чистых стентов из сульфата кальция ограничена, и только при наличии надкостницы стенты из сульфата кальция могут обладать некоторыми альтернативными остеогенными свойствами.

Горячие точки биокерамики

Композитный материал

Для того чтобы улучшить механические свойства, стабильность и биосовместимость биокерамики, многие материаловеды провели множество исследований по созданию композитной биокерамики. К обычным матричным материалам относятся биологические полимерные материалы, углеродные материалы, биологическое стекло, биокерамика на основе фосфата кальция и другие материалы, а к армирующим материалам - углеродное волокно, волокно из нержавеющей стали или сплава на основе кобальта, керамическое волокно из биостекла, керамическое волокно и другие армирующие волокна. Кроме того, существуют цирконий, биокерамика из фосфата кальция, биостеклокерамика и другие материалы для улучшения частиц.

Нанотехнологии

Благодаря уникальным свойствам нанометровых материалов, таким как поверхностный эффект, эффект малого размера и квантовый эффект, нанометровые биокерамические материалы имеют широкие перспективы применения, которые будут иметь суперэффективные характеристики в области производства и клинического применения материалов для замены твердых тканей, таких как искусственная кость, искусственный сустав и искусственный зуб.

В аспекте биоактивной керамики основное исследование в настоящее время заключается в моделировании тонкой структуры натуральной кости. В натуральной кости гидроксиапатит в основном состоит из игольчатых кристаллов длиной 10-60 нм и шириной 2-6 нм. Поэтому современные исследования наноматериалов на основе ГПД в основном сосредоточены на кристаллах ГПД, композитах ГПД/полимер и материалах покрытия на основе ГПД.