生物陶瓷

背景

在过去的几十年里，生物陶瓷帮助提高了数百万人的生活质量。这些专门设计的材料——多晶氧化铝、羟基磷灰石（一种磷酸钙矿物质，也是脊椎动物骨骼的主要成分）、部分稳定的氧化锆、生物活性玻璃或玻璃陶瓷以及聚乙烯-羟基磷灰石复合材料——已成功用于修复、重建和更换身体患病或受损部位，尤其是骨骼。例如，氧化铝作为全髋关节假体的关节面已在骨科手术中使用了 20 多年，因为它具有极低的摩擦系数和极低的磨损率。

临床成功需要同时实现与结缔组织的稳定界面以及植入物的机械性能与待替换组织的匹配。由含有微孔的磷酸钙材料制成的生物陶瓷已被用于涂覆金属关节植入物或用作骨向内生长的无负载空间填充物。随着植入物和组织之间的界面面积的增加，组织向孔内生长发生，并且导致装置在组织中移动的阻力增加。如同在天然骨骼中一样，蛋白质吸附到磷酸钙表面以提供关键的中间层，骨细胞通过该层与植入的生物材料相互作用。

可吸收生物材料也被设计为随着时间的推移逐渐降解以被天然宿主组织取代。多孔或颗粒磷酸钙陶瓷材料（例如磷酸三钙）已成功用作可再吸收材料，用于低机械强度应用，例如下颌或头部的修复。可吸收生物活性玻璃也被再生骨迅速取代。

生物活性材料在植入物表面形成生物活性层，从而在天然组织和材料之间形成结合。通过改变生物活性材料的组成，可以实现广泛的界面粘合层的粘合速率和厚度。

生物活性材料包括基于含有磷灰石（含有一些氟或氯的天然磷酸钙）、致密合成羟基磷灰石和聚乙烯-羟基磷灰石复合材料的二氧化硅-磷酸盐系统的玻璃和玻璃陶瓷。应用包括骨科植入物（椎骨假体、椎间垫片、骨移植）、中耳骨置换和颚骨修复。生物活性玻璃和微晶玻璃植入物已在中耳应用中使用了 10 多年。生物活性玻璃颗粒也被用作患有牙龈疾病的牙齿周围的填充物，以防止牙齿脱落。

设计

人造骨的性能取决于其成分和最终用途。因此，仔细选择具有合适特性的合适材料非常重要。计算机辅助设计软件还用于优化形状和模拟植入物与周围骨组织的机械性能。一种称为有限元分析的数学技术用于确定植入物和生物结构上的应力分布。然后制造原型，在最终生产之前进行特性测试和临床测试。

原材料

主要原料通常是特定成分和高纯度的陶瓷粉末。添加剂包括粘合剂、润滑剂和其他有助于成型过程的化学品。粉末还可能包含烧结助剂，这有助于陶瓷材料在烧制过程中适当致密，有时在较低温度下。如果使用基于化学的工艺，有机前体和溶剂会混合成溶液以制成最终产品。

制造
过程

根据其成分，人造骨采用两种工艺制成，即传统的陶瓷工艺和一种称为溶胶凝胶的化学方法。在溶胶凝胶法中，可以使用两种方法。一种方法是让极小颗粒的悬浮液在模具内凝胶化，然后在 77-176° F (25-80° C) 下老化几个小时，干燥和几次热处理以化学稳定和致密化材料.另一种方法使用化学前体溶液作为起始材料，然后进行相同的过程。由于陶瓷工艺更常见，这里将对其进行更详细的讨论。

原料准备

• 1 陶瓷粉末是在别处使用开采或加工的原材料制造的。可能需要额外的粉碎和研磨步骤以达到所需的粒度。将陶瓷粉末和添加剂按适当的量仔细称重，然后在某种配备有刀片或旋转辊的混合机中混合。有时使用研磨机同时进行混合和粒度减小。球磨机使用装有混合物和球形介质的旋转圆柱体来分散材料并减小其粒度。磨碎机使用微小的珠子和旋转搅拌器来完成同样的事情。

成型

• 2 混合后，陶瓷材料具有塑性，现在可以形成所需的形状。可以使用多种方法，包括注射成型、挤出或压制。在注塑成型中，混合物被装入加热的圆筒中，在那里软化。钢活塞迫使热混合物进入冷却的金属模具。挤压在高压缸中压实材料，然后通过特殊形状的模孔将材料挤出。压制包括将材料在钢模中压实或将材料置于高压油缸或水缸内的橡胶模具中，施加均匀的压力。另一种称为热压的压制变体使用加热模具在一个步骤中结合成型和烧制。

干燥和烧制

• 3 成型后，陶瓷骨必须经过多次热处理。首先使用干燥炉或干燥室干燥材料以去除水分。干燥后，使用窑或炉在高温下加热材料，以去除有机物并使材料致密。烧制周期将取决于材料成分，并且必须以适当的加热速率设计以防止开裂。

整理

• 4 烧制后，根据应用可能需要一个或多个精加工工序。为了达到所需的尺寸和表面光洁度规格，需要进行研磨和/或抛光。较硬材料的研磨和抛光通常需要金刚石工具或磨料。可能需要钻孔以形成各种形状的孔。如果应用需要连接两个或多个组件，则使用钎焊或胶接方法。

质量控制

在人造骨材料或部件的制造过程中，需要控制每个加工步骤以控制影响性能的特性。这 生物陶瓷应用。 A. 颅骨修复。 B. 晶状体。 C. 耳植入物。 D. 面部重建。 E. 种植牙。 F. 颌骨增大。 G. 牙周袋。 H. 经皮器械。 1. 脊柱外科。 J. 髂嵴修复。 K. 空间填充物。 L 骨科支持用途。 M. 骨科填充物 N. 人造肌腱。 0. 关节。大多数植入物应用感兴趣的特性是机械性能和表面化学行为。这些又取决于化学成分（杂质的类型和数量）、起始粉末的粒度、形状和表面特征、晶体结构、微观结构（每相的粒度、类型和含量）和表面行为（测量通过比较在与应用相关的模拟环境中测试前后表面的化学成分）。这些特性中的一些可能比其他特性更重要，这取决于人造骨材料的类型及其应用。

由于人造骨有时可被视为医疗器械或至少是医疗器械的一部分，因此它必须符合此类器械和材料的国家和国际标准，以及已制定的法规 陶瓷粉末是从其他地方开采或加工的原材料制造的。可能需要额外的粉碎和研磨步骤以达到所需的粒度。混合后，陶瓷材料就可以成型为所需的形状。一旦形成，陶瓷骨必须经过多次热处理，以去除有机物并使材料致密。根据应用，可能需要一个或多个整理过程。为了达到所需的尺寸和表面光洁度规格，需要进行研磨和/或抛光。可能需要钻孔以形成各种形状的孔。如果应用需要连接两个或多个组件，则使用钎焊或胶接方法。由食品和药物管理局 (FDA) 提供。美国测试与材料协会为用作外科植入物的某些材料制定了许多规范（总共超过 130 个标准），涵盖化学、物理和机械性能以及表征方法。国际标准化组织有两个委员会制定了手术器械和材料生物相容性标准。

FDA 有权在医疗器械的开发、测试、生产、分销和使用的大部分阶段对其进行监管，重点是上市前和上市后阶段，以确保安全性和有效性。监管或控制级别基于设备的分类方式（I、II 或 III）。级别越高，监管越严格——III 类设备必须具有经批准的上市前批准申请。

所有类别都受一般控制的约束，包括注册每个制造地点、列出已上市的医疗器械、提交新器械的上市前通知，以及根据良好制造规范法规制造器械。该法规包括对制造商使用的质量保证程序的要求。

副产品/废物

由于仔细控制制造过程非常重要，因此浪费最少。由于必须避免污染，因此产生的任何废物只有在性质与起始材料相匹配的情况下才能回收利用。有时废料可用于制造其他质量较低的陶瓷产品。必须在整个过程中控制的副产品包括燃烧产生的粉尘和有机排放物。

未来

在下个世纪——随着在分子水平上更好地理解人造骨与有机成分的相互作用——将有可能根据骨组织的特定生物和代谢要求来定制材料的物理和化学特性，或者疾病状态。随着人口不断老龄化，人造骨将在改善世界各地许多人的健康方面发挥更加重要的作用。