關鍵詞：生物醫用復合材料論文
　　
　　0引言
　　生物醫用復合材料是由兩種或兩種以上的不同材料復合而成的生物醫用材料，它主要用于人體組織的修復、替換和人工器官的制造［1］。長期臨床應用發現，傳統醫用金屬材料和高分子材料不具生物活性，與組織不易牢固結合，在生理環境中或植入體內后受生理環境的影響，導致金屬離子或單體釋放，造成對機體的不良影響。而生物陶瓷材料雖然具有良好的化學穩定性和相容性、高的強度和耐磨、耐蝕性，但材料的抗彎強度低、脆性大，在生理環境中的疲勞與破壞強度不高，在沒有補強措施的條件下，它只能應用于不承受負荷或僅承受純壓應力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應用的要求。利用不同性質的材料復合而成的生物醫用復合材料，不僅兼具組分材料的性質，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結構和性質類似于人體組織的生物醫學材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫用復合材料必將成為生物醫用材料研究和發展中最為活躍的領域。
　　1生物醫用復合材料組分材料的選擇要求論文
　　生物醫用復合材料根據應用需求進行設計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復合材料的性質將取決于組分材料的性質、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫用高分子、醫用碳素材料、生物玻璃、玻璃陶瓷、磷酸鈣基或其他生物陶瓷、醫用不銹鋼、鈷基合金等醫用金屬材料；增強體材料有碳纖維、不銹鋼和鈦基合金纖維、生物玻璃陶瓷纖維、陶瓷纖維等纖維增強體，另外還有氧化鋯、磷酸鈣基生物陶瓷、生物玻璃陶瓷等顆粒增強體。
　　植入體內的材料在人體復雜的生理環境中，長期受物理、化學、生物電等因素的影響，同時各組織以及器官間普遍存在著許多動態的相互作用，因此，生物醫用組分材料必須滿足下面幾項要求：(1)具有良好的生物相容性和物理相容性，保證材料復合后不出現有損生物學性能的現象；(2)具有良好的生物穩定性，材料的結構不因體液作用而有變化，同時材料組成不引起生物體的生物反應；(3)具有足夠的強度和韌性，能夠承受人體的機械作用力，所用材料與組織的彈性模量、硬度、耐磨性能相適應，增強體材料還必須具有高的剛度、彈性模量和抗沖擊性能；(4)具有良好的滅菌性能，保證生物材料在臨床上的順利應用。此外，生物材料要有良好的成型、加工性能，不因成型加工困難而使其應用受到限制。
　　2生物醫用復合材料的研究現狀與應用論文
　　2.1陶瓷基生物醫用復合材料論文
　　陶瓷基復合材料是以陶瓷、玻璃或玻璃陶瓷基體，通過不同方式引入顆粒、晶片、晶須或纖維等形狀的增強體材料而獲得的一類復合材料。目前生物陶瓷基復合材料雖沒有多少品種達到臨床應用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結合性能研究以及材料增強研究等。
　　Al2O3、ZrO3等生物惰性材料自70年代初就開始了臨床應用研究，但它與生物硬組織的結合為一種機械的鎖合。以高強度氧化物陶瓷為基材，摻入少量生物活性材料，可使材料在保持氧化物陶瓷優良力學性能的基礎上賦予其一定的生物活性和骨結合能力。將具有不同膨脹系數的生物玻璃用高溫熔燒或等離子噴涂的方法，在致密Al2O3陶瓷髖關節植入物表面進行涂層，試樣經高溫處理，大量的Al2O3進入玻璃層中，有效地增強了生物玻璃與Al2O3陶瓷的界面結合，復合材料在緩沖溶液中反應數十分鐘即可有羥基磷灰石的形成［2］。為滿足外科手術對生物學性能和力學性能的要求，人們又開始了生物活性陶瓷以及生物活性陶瓷與生物玻璃的復合研究，以使材料在氣孔率、比表面積、生物活性和機械強度等方面的綜合性能得以改善。近年來，對羥基磷灰石(HA)和磷酸三鈣(TCP)復合材料的研究也日益增多［3，4］。30%HA與70%TCP在1150℃燒結，其平均抗彎強度達155MPa，優于純HA和TCP陶瓷，研究發現HA-TCP致密復合材料的斷裂主要為穿晶斷裂，其沿晶斷裂的程度也大于純單相陶瓷材料。HA-TCP多孔復合材料植入動物體內，其性能起初類似于β-TCP，而后具有HA的特性，通過調整HA與TCP的比例，達到滿足不同臨床需求的目的。45SF1/4玻璃粉末與HA制備而成的復合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質與復合材料之間的剪切破壞強度達27MPa，比純HA陶瓷有明顯的提高。
　　生物醫用陶瓷材料由于其結構本身的特點，其力學可靠性(尤其在濕生理環境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結合性能研究，并未能解決材料固有的脆性特征。因此生物陶瓷的增強研究成為另一個研究重點，其增強方式主要有顆粒增強、晶須或纖維增強以及相變增韌和層狀復合增強等［3，5～7］。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經1350～1400℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復合材料，抗折強度達400MPa、斷裂韌性為2.8～3.0MPam1/2。ZrO2增韌β-TCP復合材料，其彎曲強度和斷裂韌性也隨ZrO2含量的增加而得到增強。納米SiC增強HA復合材料比純HA陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。晶須和纖維為陶瓷基復合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫用復合材料的主要有：SiC、Si3N4、Al2O3、ZrO2、HA纖維或晶須以及C纖維等，SiC晶須增強生物活性玻璃陶瓷材料，復合材料的抗彎強度可達460MPa、斷裂韌性達4.3MPam1/2，其韋布爾系數高達24.7，成為可靠性最高的生物陶瓷基復合材料。磷酸鈣系生物陶瓷晶須或纖維同其它增強材料相比，不僅不影響材料的增強效果，而且由于其具有良好的生物相容性，與基體材料組分相同或相近，不會影響到生物材料的性能。HA晶須增韌HA復合材料的增韌補強效果同復合材料的氣孔率有關，當復合材料相對密度達92%～95%時復合材料的斷裂韌性可提高40%。
　　2.2高分子基生物醫用復合材料論文
　　研究表明幾乎所有的生物體組織都是由兩種或兩種以上的材料所構成的，如人體骨骼和牙齒就是由天然有機高分子構成的連續相和彌散于其基質中的羥基磷灰石晶粒復合而成的。生物有機高分子基復合材料，尤其生物無機與高分子復合材料的出現和發展，為人工器官和人工修復材料、骨填充材料開發與應用奠定了堅實的基礎。
　　生物陶瓷增強聚合物復合材料于1981年由Bonfield提出，目前的研究對象主要有：HA、AW玻璃陶瓷、生物玻璃等增強高密度聚乙烯(HDPE)和聚乳酸等高分子化合物［8，9］。HDPE-HA復合材料隨HA摻量的增加，其密度也增加，彈性模量可從1GPa提高到9MPa，但材料從柔性向脆性轉變，其斷裂形變可從大于90%下降至3%，因此可通過控制HA的含量調整和改變復合材料的性能。HA增強HDPE復合材料的最佳抗拉強度可達22～26MPa、斷裂韌性達2.9±0.3MPam1／2。由于該復合材料的彈性模量處于自然骨楊氏模量范圍之內，具有極好的力學相容性，并且具有引導新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增強HDPE復合材料具有與HA增強HDPE復合材料相似的力學性能和生物學性能，復合材料在37℃的SBF溶液中體外實驗研究表明，在其表面可形成磷灰石層，通過控制和調整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其滿足不同臨床應用的需求。
　　聚乳酸具有良好的生物相容性和可降解性，但材料還缺乏骨結合能力，對X光具有穿透性，不便于臨床上顯影觀察。將聚乳酸與HA顆粒復合有助于提高材料的初始硬度和剛性，延緩材料的早期降解速度，便于骨折早期愈合。隨著聚乳酸的降解吸收，HA在體內逐漸轉化為自然骨組織，從而提高材料的骨結合能力和材料的生物相容性；此外可提高材料對X-射線的阻拒作用，便于臨床顯影觀察。最近，國外采用一種新的共混及精加工工藝將HA均勻分散于PLLA基體中制備了超高強度生物可吸收PLLA-HA復合材料［10］，隨HA在PLLA基體中含量增加，材料的彎曲強度和彎曲模量也增加，其最高彎曲強度可達280MPa，它既有高分子的彈性又具有類皮質骨的剛度。將該材料浸入到SBF溶液中3天后即有大量HA晶體在表面沉積，具有骨結合能力，12周后材料具有210MPa的彎曲強度，高于皮質骨內固定材料彎曲強度200MPa的最底要求。因此該復合材料可望作為骨折內固定材料，廣泛應用于臨床。PDLLA-HA復合內固定棒治療兔子髁部骨折的實驗研究表明［11］，術后動物自由活動，不用任何外固定，所有動物傷口Ⅰ期愈合，無關節積液和竇道形成。X線攝片見3周時骨折端無移位，有明顯骨痂生成，骨折線模糊。6周骨折愈后，骨折線消失，骨痂最多，以后各時間點骨折無移位和再骨折，骨痂逐漸減少。12周前材料可清晰顯影，24周后模糊至消失。
　　碳纖維增強生物醫用高分子復合材料是發展最早的一類醫用復合材料，它主要用作骨水泥、人工關節和接骨板等［12，13］。碳纖維增強HDPE復合材料，其強度、剛性、抗疲勞和抗磨損性能均顯著高于HDPE材料，因此它常用作承受復雜應力和摩擦作用的髖關節和膝關節。碳纖維增強聚砜復合材料的抗扭強度最高可達100MPa，與金屬板相比，其斷裂模量可減少2～4倍。碳纖維增強聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)復合材料在90年代初就成功地用于顱骨缺損修復，其彎曲強度、斷裂模量及其抗沖擊性能均優于人體顱骨材料，對患者實施顱骨缺損修復后起到重要的防護作用。用四氟乙烯纖維與碳纖維復合制備成多孔復合材料，其表面積為宏觀的1200倍，有利于生物組織的長入，它已用于牙槽骨、下頜骨、關節軟骨的修復。
　　2.3金屬基生物醫用復合材料論文
　　作為生物醫用材料，金屬材料占有極其重要的地位，它具有較好的綜合力學性能和優良的加工性能，是國內外較早將其作為人體硬組織修復和植入的一類材料，但金屬材料與機體的親和性、生物相容性較差，在體液中存在材料腐蝕等問題。因此，除進一步優化材料的整體性能外，必須通過表面涂層、離子注入等技術進行表面處理。自國外1931年發表生物氧化物涂層的文獻以來，涂層的技術和種類已得到不斷的豐富和發展，但材料與骨組織之間的結合性能以及涂層與基體之間的界面結合性能仍是目前金屬基復合材料的研究重點。近年來，隨著涂層技術的不斷發展，電化學沉積法、浸漬-熱解法、水熱處理法不斷出現，它已成為金屬基生物復合材料研究的一個重要方向，涂層材料的研究已從生物惰性涂層發展到生物活性材料以及非氧化物涂層材料［14～16］。
　　生物活性陶瓷能與骨形成直接的骨鍵合，早在70年代Hench就提出以金屬材料為基體，表面涂覆生物活性陶瓷，使其既具有金屬材料的優良力學性能，又具有生物活性陶瓷的表面生物活性特征。將生物活性陶瓷、生物玻璃和生物玻璃陶瓷用等離子噴涂于鈦合金表面，生物玻璃涂層能與骨組織發生化學結合，結合界面處含有明顯的Ca、P成分過渡區，用該法制備的鈦合金人工骨、人工齒根已成功地應用于臨床。近年來，我國采用兩步燒結法，以膨脹系數與表面涂層和基體相匹配的材料作為中間層，分別將中間層材料及表面處理燒結在基體表面形成復合涂層，有效地解決了涂層與基體之間的界面結合性能。
　　非氧化物陶瓷涂層近幾年發展較快，涂層的材料主要有氮化物、碳化物、硼化物和硅化物等，用作植入體抗磨損和腐蝕保護。鈦合金表面經氮化處理，形成氮化鈦，在常溫模擬體液中浸泡，其抗腐蝕性能明顯改善。采用離子注入法，在金屬材料表面注入C、N、B等元素，有效地提高了金屬人工骨和人工齒根的腐蝕和耐磨性。此外，生物相容性也有較大的改善。
　　3生物醫用復合材料的研究趨勢與展望論文
　　3.1先進復合材料的研究
　　對生物材料來說，生物相容性、力學適應性和抗血栓性，都是不可缺少的條件。單一結構的生物材料由于其本身的結構所決定，很難滿足人體環境的要求。而單純的幾種材料復合，雖然比單一生物材料在使用性能上有所提高，但其界面是一個薄弱環節，一系列性能在此發生突變而導致失效。因此，研究植入體在人體骨骼系統的各種受力狀態下的力學行為，從生物力學方面指導材料的結構設計與加工處理。研究材料多相結構與多孔性機體組織的力學相容性、疲勞過程以及損傷的影響因素，調整其結構及有關相的組成，使得整體材料性能按梯度規律變化，從而研制出生物相容性和力學適應性、生物活性和生物惰性、抗血栓性等一系列生物材料。
　　3.2生物材料的生理活化研究論文
　　材料生理活化研究是生物醫用復合材料發展的一個重要方向，它利用現代生物工程技術，將生物活性組元引入生物材料，加速材料與機體組織的結合，并參與正常的生命活動，最終成為機體的一部分。目前，該項研究已在國內外引起關注。膠原與多孔羥基磷灰石陶瓷復合，其強度比HA陶瓷提高2～3倍，膠原膜還有利于孔隙內新生骨的長入，植入狗的股骨后僅4周，新骨即已充滿大的孔隙。膠原與顆粒狀的HA復合也已成為克服牙槽嵴萎縮的理想材料［17］。具有誘導成骨作用的骨形態蛋白同磷酸鈣生物陶瓷復合，可賦予僅具有傳導骨生長作用的磷酸鈣生物陶瓷以誘導成骨能力，從而為具有長壽命的新一代人工骨材料的研制展現良好的前景。
　　3.3仿生材料研究論文
　　最為理想的生物材料就是機體自身的組織，天然生物材料經過億萬年的演變進化，形成具有結構復雜精巧、效能奇妙多彩的功能原理和作用機制［1］。因此，參照自然規律，從材料科學的觀點對其進行觀察、測試、分析、計算、歸納和抽象，找出有用的規律來指導復合材料的設計與研究，制備成分、結構與天然骨組織相接近的復合替代材料，獲得生物相容性好、具有良好生理效應和力學性能的人工骨替代材料。
　　3.4組織工程材料研究論文
　　生物材料的研究目前已從植入材料與生物組織的界面相容性、植入材料的力學相容性研究轉移到組織工程材料研究。它通過建立適當的組織再生環境，調動生物組織的主動修復能力誘導組織再生。組織工程材料的研究為利用細胞培養制造生物材料和人造器官開辟了光明前景。
　　4參考文獻
　　［1］《材料科學技術百科全書》編輯委員會.材料科學技術百科全書.中國大百科全書出版社.北京：1995