单位文秘网 2021-07-23 08:20:24 点击: 次
摘 要 本文概叙了纳米生物医用陶瓷的特性,介绍了纳米陶瓷的主要制备方法,分析了纳米陶瓷在生物医学中的主要应用和发展。
关键词 生物陶瓷,纳米技术,纳米陶瓷
1生物陶瓷
生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷[1],是具有特殊生理行为的一类陶瓷材料,可用来构成人类骨骼和牙齿的某些部分,甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某些组织、器官,或增进其功能。所谓生物陶瓷的特殊生理行为,是指它必须满足下述生物学要求:(1)它是与生物机体相容的,对生物机体组织无毒、无刺激、无过敏反应、无致畸、致突变和致癌等作用;(2)它具有一定的力学要求,不仅具有足够的强度,而且其弹性形变应当和被替换的组织相匹配;(3)它能和人体其它组织相互结合。
根据生理环境中所发生的生物化学反应,生物陶瓷可分为三种类型:(1)接近于生物惰性的陶瓷,如氧化铝、氧化锆及氧化钛陶瓷等;(2)表面活性生物陶瓷,包括致密羟基磷灰石陶瓷、生物活性微晶玻璃等[2];(3)可吸收生物陶瓷,如熟石膏、磷酸三钙及铝酸钙等。
2纳米陶瓷
2.1 纳米陶瓷粉体
纳米陶瓷粉体是介于固体与分子之间的具有纳米数量级(1~100nm)尺寸的亚稳态中间物质。随着粉体的超细化,其表面电子结构和晶体结构发生变化,产生了块状材料所不具有的特殊效应。如极小的粒径、大的比表面积和高的化学活性等,可以显著提高材料的烧结致密化程度、节约能源;使陶瓷材料的组成结构致密化、均匀化,改善陶瓷材料的性能,提高其使用可靠性。
2.2 纳米陶瓷的制备工艺
主要包括纳米粉体的制备、成形和烧结。
纳米陶瓷粉体的制备方法多种多样,但应用较广且方法较成熟的主要有气相合成和凝聚相合成两种。
(1) 粉体制备
气相合成:主要有气相高温裂解法、喷雾转化法和化学气相合成法。这种合成法增强了低温下的可烧结性,并且有相对高的纯净性和高的表面及晶粒边界纯度,粒径可小至3~4nm。
凝聚相合成(溶胶-凝胶法):是指在水溶液中加入有机配体与金属离子形成配合物,通过控制pH值、反应温度等条件让其水解、聚合,经溶胶-凝胶而形成一种空间骨架结构,再脱水焙烧得到产物的一种方法。此法在制备复合氧化物纳米陶瓷材料时具有很大的优越性。凝聚相合成已被用于生产小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2纳米团。
(2) 纳米陶瓷成形
主要方法有:冷等静压成形、超高压成形、橡胶等静压成形、原位成形、离心注浆成形、凝胶直接成形、凝胶浇注成形和渗透固化等。
(3) 纳米陶瓷烧结
纳米陶瓷的烧结与其它陶瓷的烧结不同:普通陶瓷的烧结一般不必过分考虑晶粒的生长,而在纳米陶瓷的烧结过程中必须控制晶粒长大。目前,无压烧结因设备简单、易于工业化生产,是最基本的烧结方法。另外,还有很多其它方法,如:相变辅助烧结、热压烧结、烧结锻压等方法,根据不同的条件和要求,可选择不同的烧结方法。
2.3 纳米陶瓷的特性
纳米陶瓷的特性主要表现在其具有较高的硬度、断裂韧度和较好的低温延展性等。有关研究表明:纳米陶瓷具有在较低温度下烧结就能达到致密化的优越性,而且纳米陶瓷的出现将有助于解决陶瓷的强化和增韧问题。在室温压缩时,纳米颗粒已有很好的结合性,高于500℃很快致密化,而晶粒大小只有稍许的增加;所得材料的硬度和断裂韧性更好,而烧结温度却要比工程陶瓷低400~600℃,且烧结不需要任何添加剂,其硬度和断裂韧性随烧结温度的增加(即孔隙度的降低)而增加,故低温烧结能获得好的力学性能。
3用于生物材料的纳米陶瓷
3.1纳米陶瓷微粒用作生物材料
纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多,这就为生物学研究提供了一个新的研究途径[3]。目前,关于这方面的研究还处于初始阶段。
3.1.1 用于细胞分离
80年代初,人们开始利用纳米微粒进行细胞分离,建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术。纳米包覆体尺寸约30nm,因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度;易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。
3.1.2 用作药物载体
人们利用纳米级粒子使药物在人体内的传输更为方便这一特点,将磁性纳米粒子制成药物载体,通过静脉注射到动物体内,在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航,使其移动到病变部位,达到定向治疗的目的。动物临床实验证实,带有磁性的Fe2O3粒子是发展这种技术的最有前途的对象。该方法局部治疗效果好、副作用少。
3.1.3 用于治疗癌症和肿瘤
利用纳米微粒可在体内方便传输的特点,科学家开发出放射疗法用的陶瓷微粒。把可放射β-射线的化学元素掺入纳米微粒内,制成β-射线源材料,把它植入肿瘤附近,就可直接照射癌细胞又不损伤周围正常组织,这种材料有含钇和含磷的纳米微粒。
德国柏林沙里特临床医院的专家们利用癌细胞耐热性差,加热至43℃以上就死亡的规律,将纳米氧化铁微粒注入肿瘤内,并将患者置于交变磁场中,受磁场影响,肿瘤内的纳米氧化铁微粒升温至 45~47℃,杀死癌细胞而不会伤及周围的正常组织。该方法在动物实验中取得了较好的疗效[4]。
此外,研究发现,羟基磷灰石(HAP)纳米颗粒对癌细胞有一定的抑制作用。1992年,Aoki在HAP纳米颗粒的体外细胞培养实验中发现,它对正常细胞无影响。1994年,Kano用HAP纳米颗粒吸附抗癌药物的细胞培养实验中,发现用作空白实验的HAP微粒对癌细胞的生长有抑制作用。我国武汉理工大学的李世普教授对HAP微粒抑癌作用进行了多年的研究[3]。他发现纳米HAP材料要杀死癌细胞、不伤害正常细胞必须具备两个条件:1)纳米粒子必须具有一定的尺度,在20~100nm之间;2)纳米材料具有分散性。他于1998年进行动物实验,向小鼠体内肿瘤注射 HAP 纳米粒子溶胶,7 天后抑瘤率66.1%,外观上肿块消失。
3.1.4 具有抗菌性的生物材料
生物材料应用于人体后,其周围组织有伴生感染的危险,这将导致材料的失效和手术的失败,给患者带来巨大的痛苦。为此,人们开发出一些兼具抗菌性的纳米生物材料。如在合成羟基磷灰石纳米粉的反应中,将银、铜等可溶性盐的水溶液加入反应物中,使抗菌金属离子进入磷灰石结晶产物中,制得抗菌磷灰石微粉,用于骨缺损的填充和其它方面[5~6]。
3.2 纳米固体陶瓷用作生物材料
将纳米超微颗粒在高压下压制成形,再经过一定的热处理工艺可制成致密型纳米固体陶瓷材料。
美国的T.J.Webster博士研究了纳米固体氧化铝和纳米固体磷灰石材料与常规的氧化铝和磷灰石固体材料在体外模拟实验中的差异。结果发现,纳米固体陶瓷材料具有更强的细胞吸附和繁殖能力。此外,人们还利用纳米微粒颗粒小、比表面积大并有高的扩散速率的特点,将纳米陶瓷粉体加入某些生物陶瓷材料中,以便提高此类材料的致密度和韧性,用作骨替代材料。
1997年,四川大学的李玉宝教授将纳米类骨磷灰石晶体与聚酰胺高分子制成复合体,并将纳米晶体含量调节到与人骨所含的纳米晶体比例相同,研制成功纳米人工骨[7]。这种纳米人工骨是一种高强、柔韧的复合仿生生物活性材料。由于这种复合材料具有优异的生物相容性、力学相容性和生物活性,用它制成的纳米人工骨不但能与自然骨形成生物键合,而且易与人体肌肉和血管牢牢长在一起,并可以诱导软骨的生成,各种特性几乎与人骨特性相当。
纳米固体陶瓷材料另一个颇具前景的应用方向是制造人工眼球的外壳。即将纳米陶瓷晶体作成人工眼球,这种眼球不仅可以象真眼睛一样同步移动,也可以通过电脉冲刺激大脑神经,看到精彩世界。这种新颖大胆的构思也是四川大学李玉宝教授首次提出的。理想中的纳米生物陶瓷眼球可与眼肌组织达到很好的融合,并可以实现同步移动。
4纳米生物陶瓷的应用前景和展望
应该指出的是:和其它一些已经获得商业应用的纳米材料相比,纳米陶瓷尽管经过了二十多年的研究,但由于这一体系在理论上尚不完善,在经验上缺少积累,因此到现在为止,在商业应用方面尚未取得突破性进展。
首先,如何在低成本下获得大批高质量的纳米粉体?到目前为止,要想获得“理想粉体”(即同时满足组分均匀、颗粒细、粒径分布窄、无团聚、比表面积大等苛刻条件)依然十分困难;更重要的是,虽然制备其中某种特性或几种特性比较突出的高质量的纳米粉体并不太难,但其成本往往比较高。因此,如何进一步研究制备过程中纳米粉体的形成、生长机制及各种条件的影响;研究各种纳米粉体在化学制备过程中的团聚体形成机理;寻求低成本下获得大批量、高质量纳米粉体的途径等,是纳米陶瓷获得广泛应用的前提。
其次,如何获得大体积的相对密度较高,同时结构均匀的纳米陶瓷素坯?如何发展新的成形工艺,使得在较低的成本下获得大体积、结构均匀的素坯,将是今后纳米陶瓷的干法成形研究的主要方面。另一方面,对纳米陶瓷湿法成形的研究不多,到目前为止只有过很少量的报道。但是,从已有的研究结果来看,纳米陶瓷的湿法成形已显示出很多干法成形无法比拟的独特优点,可以预计,今后湿法成形有可能成为纳米陶瓷成形的主要方法之一。
第三,如何烧结大块的纳米陶瓷?除了粉体制备、素坯成形等方面的原因外,烧结工艺也是很重要的一个原因。这是由于纳米陶瓷的烧结本身有很多特殊性,一般的烧结理论不能对其起到有效的指导作用[8]。因此,研究在特殊的烧结工艺(如高温等静压、微波烧结、超高温烧结、爆炸烧结和放电等离子烧结等)条件下纳米粉体的烧结动力学、控制烧结过程的晶粒生长、研究材料的不同性质与相应尺寸效应的关系、分析相应的物理化学机理等都是纳米陶瓷领域必须研究的内容。
完善和发展陶瓷粉体、纳米陶瓷的结构和性能的表征测试方法,也是今后要着力加强的一项内容。现在很多表征方法并不是专门针对纳米粉体或纳米陶瓷的,有时并不能完全满足粉体和纳米陶瓷的表征需要。因此,有必要研究新的表征方法和工具,对纳米粉体和陶瓷要作出更具体、更深入的分析;更全面地把握其结构、性能,从而设计出更切实的工艺,制备出更多更好的纳米陶瓷[9]。
尽管目前看来,纳米陶瓷无论是理论研究还是工艺技术都还远不成熟,离推广应用还有一段距离,但作为一种新型的陶瓷材料,纳米陶瓷所显示出来的潜在优异性能是其它陶瓷所无法代替的。
参考文献
1 全国第二届纳米材料和技术应用会议论文集.中国材料研究学会,2001
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7 李玉宝,顾 宁,魏于全.纳米生物医药材料[M].北京:化学工业出版社,2004.3
8 郑华秀等.纳米粉体烧结特性及性能的影响[J],材料研究学报,1996,10(3):307~309
9 阎玉华等.生物陶瓷及制品的研究现状和发展前景[J]. 中国陶瓷,1998,34(2):36~38
Development and Application Prospect of Nano-biomedical Ceramics
Tu HaoYan Yuhua
( Biomedical Materials and Engineering CenterWuhan University of Technology 430070)
Abstract: The characteristics and preparation of nano-biomedical ceramics were summarized in this paper,and its development and application prospect in biomedical related fields were also analysed.
Keywords: bioceramics,nano-technology,nanoceramics
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