生物陶瓷（Bioceramics）

生物陶瓷（Bioceramics）
臺北市立第一女子高級中學化學科何鎮揚老師/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

生物陶瓷是指具有特殊生理行為的一類陶瓷材料，主耍用來構成人類骨骼和牙齒的某些部分，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某些組織、器官或增進其功能。作為生物醫學組織材料，一般來說需滿足以下基本特性。

生物學條件：1.生物相容性好：對機體無免疫排斥反應，種植體不致引起周圍組織產生局部或全身性反應，最好能與骨形成化學結合，具有生物活性；2.對人體無毒、無刺激、無畸、過敏、致突變和致癌作用；3.不會產生溶血、凝血反應。

化學條件：1.在體內長期穩定，不分解、不變質；2.耐侵蝕，不產生有害降解產物；3.不產生吸水膨潤、軟化變質等變化。

力學條件：1.具有足夠的靜態強度：如抗彎、抗壓、拉伸、剪切等；2.具有適當的彈性;模量和硬度；3.耐疲勞、摩擦、磨損、有潤滑性能。

其他條件：1.具有良好的孔隙度、體液及軟硬組織易於長入；2.易加工成型，使用操作方便；3.熱穩定好，高溫消毒不變質。

陶瓷是經高溫處理過程所合成的無機非金屬材料，與早期使用的塑膠、合金材料相比，陶瓷生物材料具有較多優勢，陶瓷的穩定性和強度也遠遠強於生物塑膠。

一、生物陶瓷分類與特點
從醫學臨床角度，生物陶瓷根據使用分為植入陶瓷和生物工藝學陶瓷。植入陶瓷植入生物體內，用以恢復和增強生物體機能。由於植入陶瓷直接與生物體接觸，故要求其與生物體的親合性好，不產生有毒的侵蝕、分解產物；不使生物細胞發生變異、壞死，以及引起炎症和生長肉芽等；在體內長期使用功能好，對生物體無致癌作用，本身不發生變質；易於滅菌。常用的植入陶瓷有氧化鋁陶瓷和單晶氧化鋁、磷酸鈣系陶瓷、微晶玻璃、氧化鋯燒結體等，它們在臨床上用作人造牙、人造骨、人造心臟瓣膜、人造血管和其他醫用人造氣管穿皮接頭等。生物工藝學陶瓷用於分離細菌和病毒，用作固定化酶載體，似及作為生物化學反應的催化劑，使用時不直接與生物體接觸。常用的有多孔玻璃和多孔陶瓷。前者不易被細菌侵入，環境溶液中溶劑的種類、pH值和溫度不易引起孔徑變化，材質堅硬、強度高，多用作固定化酶載體。後者耐鹼性能好，價格低，主要用作固定化酶載體廠使固定化酶能長時間發揮高效催化作用。此外，控制多孔陶瓷的孔徑，可用於細菌、病毒、各種核酸、胺基酸等的分離和純化。

生物陶瓷根據其與動物組織間的反應程度可分為三大類：
1.吸收性生物陶瓷（completely absorbable bioceramics）－置入人體後，會逐漸溶解而被其周圍組織而取代。這一類陶瓷有三鈣磷酸鹽Ca₃(PO₄)₂（TCP）、非晶質磷酸鹽（ACP）、貧鈣磷酸鹽（CDA）。

2.近惰性生物陶瓷（nearly inert bioceramics）－置於體液中非常穩定，幾乎不會釋出離子或與組織產生反應，又分為非孔隙性與孔隙性陶瓷，氧化鋁、單晶陶瓷、氧化鋯、玻璃生物陶瓷為其代表。

3.表面活性生物陶瓷（surface-active bioceramics）－置於體液中會和組織形成化學鍵結。這一類的陶瓷材料有氫氧基磷灰石、生物玻璃等材料。具表面活性的生物材料能與周圍組織間建立化學鍵。由於反應僅在表面，並不影響材料原先的強度；此類材料也可以塗布在其他材料的表面，如不鏽鋼、Co-Cr合金、氧化鋁等，使其表面具反應性。主要有氫氧基磷灰石與生物玻璃。

生物陶瓷的主要缺點是其脆性和在生理環境中的疲勞破壞，補強增韌是研發的重要課題；金屬基材表面被覆生物陶瓷將是未來研究的重點，臨床的試驗及推廣應用也是開發生物陶瓷不可或缺的一面。

二、生物陶瓷製備、結構與應用
1.玻璃生物陶瓷 玻璃生物陶瓷也稱微晶玻璃或微晶陶瓷，玻璃陶瓷的生產過程如下所示：

玻璃陶瓷是由結晶相和玻璃相組成的，無氣孔，有晶相，不同於玻璃。其結晶相含量一般為50%～90%，玻璃相含量一般為5%～50%，結晶相細小，一般小於1~2μm，且分佈均勻。因此，玻璃陶瓷一般具有高機械強度，熱性能好，耐酸、耐鹼性強等特點。材料科學就SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅系統玻璃陶瓷、Li₂O-Al₂O₃-SiO₂系統玻璃陶瓷、SiO₂-Al₂O₃-MgO-TiO₂-CaF系統玻璃陶瓷等進行了生物臨床應用的研究，發現它們具有良好的生物相溶性，沒有異物反應。此外生物硬組織代用材料還有碳質材料，二氧化鈦陶瓷，二氧化鋯陶瓷材料等多種。

2.單晶生物陶瓷 單晶生物陶瓷是一種新型的生物陶瓷材料，屬氧化鋁單晶。氧化鋁單晶也稱寶石，添加劑不同，製得單晶材料顏色不同，如紅寶石、藍寶石等。氧化鋁單晶有許多特性，如機械強度、硬度、耐腐蝕性都優於多晶氧化鋁陶瓷，其生物相容性、安定性、耐磨性也優於多晶氧化鋁陶瓷。氧化鋁單晶的生產工藝有提拉法、導模法、氣相化學沉積生長法、焰熔法等。

3.羥基磷灰石生物陶瓷 羥基磷灰石陶瓷的製造工藝包括傳統的固相反應法、沉澱反應法及較為流行的水熱合成法。

此外，還有其他方法可製成羥基磷灰石。

合成的羥基磷灰石的結構與生物骨組織相似，因此合成羥基磷灰石具有與生物體硬組織相同的性能。如Ca：P≒l.67，相對密度≒3.14，機械強度大於IOMPa，對生物無毒，無刺激，生物相容性好，不被吸收，能誘發新有的生長。目前醫學界已將羥基磷灰石用於牙槽、骨缺損、腦外科手術的修補、填充等，用於製造耳聽骨鏈和整形整容的材料。此外，它還可以製成人工骨核治療骨結核。