回顾陶瓷在医学上的应用Maria Vallet-Regi2006年7月17日收稿, 2006年9月12日接收了第一次出版是在一种进步的文章网站2006年10月3日DOI: 10.1039/b610219k非常重要的生物材料需要提供给大量的临床治疗病人这已经成为一个现实。寻找可能的解决方案生产大量的适合骨修复或更换的材料。钙磷酸盐,生物玻璃, 生物玻璃陶瓷,以及有序的二氧化硅介孔材料,其他类型的材料,将从不同的角度回顾和研究他们作为替代材料，在骨修复和再生组织工程领域的潜在应用,以及作为药物输送系统的应用。概述了目前的成就,以及欠缺和不足。摘要：在20世纪末期，在临床应用上最流行的陶瓷材料是钙磷酸盐，玻璃和玻璃陶瓷,以及氧化铝、锆-碳合成的生物活性用途的惰性材料。在21世纪的头五年里,这个现状发生了显著变化。二氧化硅介孔材料的潜在用途使陶瓷基体对药物的吸附和随后的释放得以控制,总和上述二氧化硅基体的生物活性运行状况，开发这些材料在生物学领域的预期前景。另一方面,研究混合有机-无机材料的生物活性功能,也是最近的一项科学趋势，应该召回脊椎动物硬组织天然复合材料。 因此在实验室模拟实验，这样来模仿自然,尝试从不同的角度和尺度,即纳米结构、微观结构和宏观结构研究。同时，在一定范围内的陶瓷临床应用上可以设计和拟定成千上万的变化，一些陶瓷的临床应用他们已经广为人知,然而另一些相对较新的技术在临床领域却鲜为人知。例如,它是由疏松组织和有序的多孔介孔材料组成的有出色生物活性的玻璃，这样得到的一流玻璃结构是以表明活性剂为介质构成的，这些在实验室合成的玻璃就是“模板化玻璃”。还可以搜索合理的方法，结合最佳力学性能构成有机-无机杂化材料和出色生物活性的一流玻璃。所有这些创新只是开始。有很多方法,化学开辟了许多路径来探索在寻求更有效的骨头替代材料。关于陶瓷材料的临床应用,在某些情况下, 执业外科医生会要求它是密集的块,而在其他情况下更可取的是一块多孔的固体,在其他情况下, 又必需是一种粒状的,虽然这是最不可能。另一方面,当使用金属植入物时，在假肢表面覆盖一层陶瓷外套来改进假肢的性能，停止或者至少减少金属离子由金属植入物释放到人体内成为一种趋势，由于陶瓷层作为障碍物的影响。还应该提及的陶瓷材料，以注射形式进行, 应用于非侵入性手术。然而,无论外科医生怎么选择材料和应用方法,其植入总是导致炎症反应,且经常感染。因此,潜在的某些制药生物陶瓷基体用于骨骼和牙齿修复无疑是一个有价值的，值得考虑。陶瓷基体的另一个重要用途是用于生产组织工程的基质。陶瓷显然是最好的生物相容性功能材料，他们非常类似于许多自然界的硬组织。在骨头再生的各种可能性中,组织工程是一个很好的选择,骨头在体外修复,然后植入病人体内。组织工程技术一般需要使用支架,它作为初始细胞三维模板附件和随后的组织形成。在骨头再生的时候,支架必须促进成骨细胞增殖,它必须容易与骨头结合，且在降解过程开始前应该具有良好的力学性能。天然硬组织:骨骼和牙齿所有脊椎动物的骨骼和牙齿是天然的复合材料,其中一个无机固体成分是碳酸羟基磷灰石。它占总骨量的65%,剩下的质量由有机物和水。脊椎动物的骨头可以视为“活生物矿物”因为里面有细胞永久活动。成骨细胞的骨形成过程首先由特殊细胞合成和释放的类骨质蛋白质混合物,以I型胶原蛋白为主。随后控制磷酸钙的的沉积使类骨质矿化。成骨细胞仍然在被矿化阶段,向骨细胞发展不断维持骨头的形成活动。与此同时,另一种类型的细胞,破骨细胞,分解代谢骨头,破坏它。这个动态过程中骨头的形成和破坏占身体的发展阶段,保留其形状和一致性,万一骨折了可使其再生。它也构成了存储和搬运磷和钙的两个基本要素,这主要是储存在骨头里。牙齿骨骼表现出相似的特征,除了其外部表面涂层,牙釉质。牙釉质具有比骨头更多的无机物成分,达到90%,并且由很多大小和方向一样的柱状晶体生成。简单的说在骨骼，牙和牙釉质(有类似特征)之间结晶度和碳酸盐含量存在差异。所有这些特性用于不同的机械性能。事实上,在生物世界里牙釉质被认为是最耐药和最硬的材料。然而,与骨头相比,成年人的体内釉质没有细胞,因此无法再生;任何退化可能会变得不可逆转。没有修复或分解牙釉质的生物过程,证明需要生物相容性牙釉质材料修复腐烂牙齿。人造陶瓷钙磷酸盐,玻璃和玻璃陶瓷三个家庭取得了几个生物活性陶瓷材料的产品,将两个或更多的原料混合从而获得机械等级高的组件,比如在较短的时间内实现生物活性反应。尤其是钙磷酸盐与其他无机盐产生磷酸钙骨结合剂。这些类型的陶瓷的研究定义塑造方法和获得一个允许植入体所需的形状和大小,与给定的孔隙度,根据每个陶瓷植入的特定作用决定的。因此,如果验证的主要要求是在最短的时间内化学反应形成的纳米磷灰石的前身新形成的骨,有必要设计高度多孔的碎片,还必须包括一定程度的大孔隙,确保骨骼氧化和血管生成。然而,当设计陶瓷片时这些需求通常被丢弃。结果,化学反应只发生在外部表面的生物活性陶瓷制成的(如果)或它只是不会发生如果一件是一种惰性材料制成的,在这两种情况下,里面的部分仍然是一个坚实的庞然大物能够实现骨替换功能,但没有相关生物活性陶瓷再生的作用。惰性陶瓷通常是符合固体和密集的部分,因为没有再生功能可以期望从他们;这是,例如,氧化铝和氧化锆生产股骨头移植使用。可替代的磷灰石HA的生物活性行为可以通过引入一些替换结构来提高。磷灰石结构可以包含各种各样的离子,影响其阳离子和阴离子的型格。比如：生物磷灰石中的CO32-很有可能可以用PO43-（B型）或者OH-（A型）替换。在b型碳酸磷灰石中，通常以钙离子进入中立性一价阳离子（钠离子或钾离子）合并的位置。卡莱尔所进行的研究表明了硅在骨形成和矿化作用的重要性。作者报道在年轻小鼠和大鼠活体的骨头未钙化类骨质区域(活跃的钙化区域)中发现了硅元素。在这些领域发现硅含量0.5 wt %,表明硅在骨骼钙化过程中是一个重要的角色。此外,最高的硅基玻璃和生物活性玻璃陶瓷(和生物活性机制运行状况)显示硅并入磷灰石将会提高体内生物活性的性能。在模拟体液几小时后新磷灰石层表面形成生物活性硅基玻璃和玻璃陶瓷。硅烷醇基(颗粒)的形成以磷灰石的成核阶段作为催化剂，在这个动力学过程中硅元素的溶解率被认为是一个重要的角色。这些事件表明了将硅元素或硅酸盐与HA结构合并的想法。用硅元素取代羟磷灰石(SiHA)做有趣的生物陶瓷是生物活性的观点。在体外和体内实验证明改进生物活性行为不是替换磷灰石。生物活性的过程是一个表面的过程,这是由物质反应性增强。一种惰性材料生物相容性,但表面不反应将不会导致化学键与骨组织的结合。当硅元素或硅酸盐替代磷或磷酸盐的数量介于0.1和5%w时HA的反应性增加。体外模拟体液的研究中清楚地表明,在缺乏任何有机细胞成分,SiHA在其表面发展成一个新的类磷酸盐,其矿物成分与骨头非常相似。这种增强反应,发生在无机媒体,将导致一系列生理反应在细胞和组织的水平。不同的因素证明了无机反应性合理。从晶体结构的角度,硅四面体屈服变形和扭曲占据了羟基的位置,这可能降低磷灰石结构的稳定性,因此,增加反应性。从微观结构的角度来看,变化更加明显。晶界缺陷的起点是在体内条件下溶解。这和硅溶解率有密切的关系。特别是在SiHA三重连接处陶瓷与骨头的反应速率对重复反应和结果有重要作用。当合并SiO44离子进入晶格时硅元素屈服会有更好的生物活性。当有阴离子时，由于陶瓷表面电荷的减少了，因此SiO44的存在很重要。这种影响也可能部分由于生物反应的变更。衍射技术提供并入水晶硅晶格的证据,但硅效果明显表现为表面的过程。衍射研究表明SiO44并入晶格,由水沉淀的方法获得SiHA。另一方面,能谱分析研究显示边缘之间没有差异而且大量的微晶分布均匀。在多晶陶瓷中颗粒是由众多微晶组成。从水溶液SiHA降水过程中,钙磷酸盐微晶可能会成核第一没有SiO44离子进入晶格。硅主要是包含在随后的热处理,成立后的第一个核HA. 事实上, SiO44阴离子不容易融入HA结构,可以知道产量很低，可以在外面添加硅酸盐使其偏析。此外,当CO32阴离子作为中间体存在时，硅酸盐离子可取代磷灰石结构。在随后的热处理过程中,晶粒尺寸增加,将合并这些微晶硅颗粒表面。粉末衍射技术不能区分微晶的一粒一粒表面或体积。因此,当硅是合并时从多个微晶观察结构扭曲和障碍，统计收集结果和数据(体积和表面)。硅较高含量的表面区域将出现纹理成分梯度,并应考虑SiHA纹理的化学均匀性。在颗粒表面的硅微晶的解释重要的表面电荷减少,和大量的晶界缺陷由少量的硅。硅基有序介孔材料介孔材料构成的新一代材料表现出有序排列的不同几何形状的通道和空腔，由单位二氧化硅建立。孔隙大小是可变的(2nm Dp 50 nm),可以控制和修改,在合理的范围内,利用原位和非原位合成策略。著名的例子是2d-hexagonal(信号发生器p6毫米)MCM-41 SBA-15二氧化硅介孔材料和气孔大约2纳米到10纳米,分别和3维立方MCM-48密度(Ia3d)之间的孔隙大小2纳米和4纳米。通过组装分子获得不同范围的孔隙大小和几何形状的材料的可能性比那些表现出典型的微孔材料更高,如沸石。此外,吸收属性可以修改,因为毛孔壁,表现出高浓度的硅醇组的表面,可以携带不同的化学物种取决于分子的吸附(图1)。考虑到这些特点,自2001年以来介孔材料作为药物输送系统。图1：硅基介孔材料空隙的功能化,通过共缩合和快速合成。它是基于这些基质对分子的药理学的吸收,其次是一个潜在的控制释放。这项工作为医学研究打开了新的方向，来自一个介孔基对质药物释。介孔材料具有生物活性的行为。在这一点上,它值得回忆,在介孔材料和生物活性玻璃的表面有硅烷醇基(图2)。自1975年Hench等人的很多研究发现了生物玻璃,包括不同成分的玻璃和硅酸钙,显示体外生物活性。尽管磷灰石形成的机制尚未完全阐明,表面硅烷醇基团体的存在似乎是至关重要的。从这个意义上说,一些作者提出,硅醇组织作为成核点。然而,有更多的因素强制磷灰石形成,其中,有趣的是指出结构属性,即那些孔隙度。已经证明,孔隙的大小和体积之间与磷灰石的成核率存在直接关系。图2: 硅烷醇基组在硅基介孔材料壁上和硅玻璃表面。 考虑到上面的因素,似乎逻辑关注介孔二氧化硅,因为他们表现出较高的比表面积,高浓度的表面硅醇组、可行的孔隙大小(2 - 10 nm)和体积,也可以表现出生物活性的行为。从这个意义上讲,当生物活性测定三个众所周知的介孔材料,SBA-15 MCM-48 MCM-41,具有积极的响应。结构的作用和结构性能对于介孔材料在生物活性的行为是相当重要的。另外,磷灰石的形成可以修改和改进它的动力学性能。结合表面和气孔内成骨物质的引入，尽可能控制所需的时间积极响应 ,为设计新型介孔材料开辟新的期望，指向特定的医学应用(图3)。图三：磷灰石形成并分布在二氧化硅介孔材料的表面上。最终目标是在骨再生过程中的应用。有机-无机混合物骨头可以看作一种由一个有机组成部分胶原蛋白和一个无机纳米晶体碳酸羟基磷灰石组成的生物混合材料。两阶段集成在纳米尺度的微晶尺寸,纳米纤维取向,这两个组件之间的短程有序,等确定其纳米结构,因此决定每个类型的骨骼的功能和力学性能。骨再生的基础上,新的生物材料已经开发出来。这些材料刺激骨组织形成促进成骨细胞增殖和分化。其中一个最有前途的替代方案是应用类似天然骨组织的纳米结构材料。从这个意义上说,纳米技术和有机-无机杂化材料的发展为改善传统的骨植入提供优秀的可能性。近年来,有机-无机杂化材料的研究已经成为生物医学材料一个重要的研究课题。有机-无机杂化材料的概念出现在1980年代,软无机化学的发展过程。这些材料具有独特的特性，在纳米尺度上与传统材料的属性相结合,如陶瓷、有机聚合物。通常,混合材料的运行状况一般取决于自然无机和有机成分的