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關(guān)鍵詞： 生物醫(yī)用復(fù)合材料
0 引 言
生物醫(yī)用復(fù)合材料(biomedical composite materials)是由兩種或兩種以上的不同材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用材料，它主要用于人體組織的修復(fù)、替換和人工器官的制造［1］。長期臨床應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)醫(yī)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(jié)合，在生理環(huán)境中或植入體內(nèi)后受生理環(huán)境的影響，導(dǎo)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(xué)穩(wěn)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(huán)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(yīng)用于不承受負荷或僅承受純壓應(yīng)力負荷的情況。因此，單一材料不能很好地滿足臨床應(yīng)用的要求。利用不同性質(zhì)的材料復(fù)合而成的生物醫(yī)用復(fù)合材料，不僅兼具組分材料的性質(zhì)，而且可以得到單組分材料不具備的新性能，為獲得結(jié)構(gòu)和性質(zhì)類似于人體組織的生物醫(yī)學(xué)材料開辟了一條廣闊的途徑，生物醫(yī)用復(fù)合材料必將成為生物醫(yī)用材料研究和發(fā)展中最為活躍的領(lǐng)域。
1 生物醫(yī)用復(fù)合材料組分材料的選擇要求
生物醫(yī)用復(fù)合材料根據(jù)應(yīng)用需求進行設(shè)計，由基體材料與增強材料或功能材料組成，復(fù)合材料的性質(zhì)將取決于組分材料的性質(zhì)、含量和它們之間的界面。常用的基體材料有醫(yī)用高分子、醫(yī)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(yī)用不銹鋼、鈷基合金等醫(yī)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(nèi)的材料在人體復(fù)雜的生理環(huán)境中，長期受物理、化學(xué)、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(tài)的相互作用，因此，生物醫(yī)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(fù)合后不出現(xiàn)有損生物學(xué)性能的現(xiàn)象；(2)具有良好的生物穩(wěn)定性，材料的結(jié)構(gòu)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(yīng)；(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(yīng)，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(yīng)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(yīng)用受到限制。
2 生物醫(yī)用復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
2.1 陶瓷基生物醫(yī)用復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)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(fù)合材料。目前生物陶瓷基復(fù)合材料雖沒有多少品種達到臨床應(yīng)用階段，但它已成為生物陶瓷研究中最為活躍的領(lǐng)域，其研究主要集中于生物材料的活性和骨結(jié)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(yīng)用研究，但它與生物硬組織的結(jié)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(yōu)良力學(xué)性能的基礎(chǔ)上賦予其一定的生物活性和骨結(jié)合能力。將具有不同膨脹系數(shù)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(guān)節(jié)植入物表面進行涂層，試樣經(jīng)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(jié)合，復(fù)合材料在緩沖溶液中反應(yīng)數(shù)十分鐘即可有羥基磷灰石的形成［2］。為滿足外科手術(shù)對生物學(xué)性能和力學(xué)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(fù)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(fù)合材料的研究也日益增多［3，4］。30% HA與70%TCP在1150℃燒結(jié)，其平均抗彎強度達155MPa，優(yōu)于純HA和TCP陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)HA-TCP致密復(fù)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(fù)合材料植入動物體內(nèi)，其性能起初類似于β-TCP，而后具有HA的特性，通過調(diào)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(fù)合材料，植入兔骨中8周后取出，骨質(zhì)與復(fù)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(yī)用陶瓷材料由于其結(jié)構(gòu)本身的特點，其力學(xué)可靠性(尤其在濕生理環(huán)境中)較差，生物陶瓷的活性研究及其與骨組織的結(jié)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(fù)合增強等［3，5～7］。當HA粉末中添加10%～50%的ZrO2粉末時，材料經(jīng)1350～1400℃熱壓燒結(jié)，其強度和韌性隨燒結(jié)溫度的提高而增加，添加50%TZ-2Y的復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料的一種有效增韌補強材料，目前用于補強醫(yī)用復(fù)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(fù)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(shù)高達24.7，成為可靠性最高的生物陶瓷基復(fù)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(fù)合材料的增韌補強效果同復(fù)合材料的氣孔率有關(guān)，當復(fù)合材料相對密度達92%～95%時復(fù)合材料的斷裂韌性可提高40%。
2.2 高分子基生物醫(yī)用復(fù)合材料
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(gòu)成的，如人體骨骼和牙齒就是由天然有機高分子構(gòu)成的連續(xù)相和彌散于其基質(zhì)中的羥基磷灰石晶粒復(fù)合而成的。生物有機高分子基復(fù)合材料，尤其生物無機與高分子復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展，為人工器官和人工修復(fù)材料、骨填充材料開發(fā)與應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。
生物陶瓷增強聚合物復(fù)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(fù)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(zhuǎn)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(diào)整和改變復(fù)合材料的性能。HA增強HDPE復(fù)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(fù)合材料的彈性模量處于自然骨楊氏模量范圍之內(nèi)，具有極好的力學(xué)相容性，并且具有引導(dǎo)新骨形成的功能。AW玻璃陶瓷和生物玻璃增強HDPE復(fù)合材料具有與HA增強HDPE復(fù)合材料相似的力學(xué)性能和生物學(xué)性能，復(fù)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(diào)整AW玻璃陶瓷和生物玻璃的含量，使其滿足不同臨床應(yīng)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(jié)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(fù)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(nèi)逐漸轉(zhuǎn)化為自然骨組織，從而提高材料的骨結(jié)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(fù)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(zhì)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(jié)合能力，12周后材料具有210MPa的彎曲強度，高于皮質(zhì)骨內(nèi)固定材料彎曲強度200MPa的最底要求。因此該復(fù)合材料可望作為骨折內(nèi)固定材料，廣泛應(yīng)用于臨床。PDLLA-HA復(fù)合內(nèi)固定棒治療兔子髁部骨折的實驗研究表明［11］，術(shù)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(guān)節(jié)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(yī)用高分子復(fù)合材料是發(fā)展最早的一類醫(yī)用復(fù)合材料，它主要用作骨水泥、人工關(guān)節(jié)和接骨板等［12，13］。碳纖維增強HDPE復(fù)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(fù)雜應(yīng)力和摩擦作用的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。碳纖維增強聚砜復(fù)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(fù)合材料在90年代初就成功地用于顱骨缺損修復(fù)，其彎曲強度、斷裂模量及其抗沖擊性能均優(yōu)于人體顱骨材料，對患者實施顱骨缺損修復(fù)后起到重要的防護作用。用四氟乙烯纖維與碳纖維復(fù)合制備成多孔復(fù)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(guān)節(jié)軟骨的修復(fù)。
2.3 金屬基生物醫(yī)用復(fù)合材料
作為生物醫(yī)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(xué)性能和優(yōu)良的加工性能，是國內(nèi)外較早將其作為人體硬組織修復(fù)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(yōu)化材料的整體性能外，必須通過表面涂層、離子注入等技術(shù)進行表面處理。自國外1931年發(fā)表生物氧化物涂層的文獻以來，涂層的技術(shù)和種類已得到不斷的豐富和發(fā)展，但材料與骨組織之間的結(jié)合性能以及涂層與基體之間的界面結(jié)合性能仍是目前金屬基復(fù)合材料的研究重點。近年來，隨著涂層技術(shù)的不斷發(fā)展，電化學(xué)沉積法、浸漬-熱解法、水熱處理法不斷出現(xiàn)，它已成為金屬基生物復(fù)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(fā)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(yōu)良力學(xué)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(fā)生化學(xué)結(jié)合，結(jié)合界面處含有明顯的Ca、P成分過渡區(qū)，用該法制備的鈦合金人工骨、人工齒根已成功地應(yīng)用于臨床。近年來，我國采用兩步燒結(jié)法，以膨脹系數(shù)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(jié)在基體表面形成復(fù)合涂層，有效地解決了涂層與基體之間的界面結(jié)合性能。
非氧化物陶瓷涂層近幾年發(fā)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(jīng)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(yī)用復(fù)合材料的研究趨勢與展望
3.1 先進復(fù)合材料的研究
對生物材料來說，生物相容性、力學(xué)適應(yīng)性和抗血栓性，都是不可缺少的條件。單一結(jié)構(gòu)的生物材料由于其本身的結(jié)構(gòu)所決定，很難滿足人體環(huán)境的要求。而單純的幾種材料復(fù)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(huán)節(jié)，一系列性能在此發(fā)生突變而導(dǎo)致失效。因此，研究植入體在人體骨骼系統(tǒng)的各種受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，從生物力學(xué)方面指導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與加工處理。研究材料多相結(jié)構(gòu)與多孔性機體組織的力學(xué)相容性、疲勞過程以及損傷的影響因素，調(diào)整其結(jié)構(gòu)及有關(guān)相的組成，使得整體材料性能按梯度規(guī)律變化，從而研制出生物相容性和力學(xué)適應(yīng)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
材料生理活化研究是生物醫(yī)用復(fù)合材料發(fā)展的一個重要方向，它利用現(xiàn)代生物工程技術(shù)，將生物活性組元引入生物材料，加速材料與機體組織的結(jié)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(nèi)外引起關(guān)注。膠原與多孔羥基磷灰石陶瓷復(fù)合，其強度比HA陶瓷提高2～3倍，膠原膜還有利于孔隙內(nèi)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(fù)合也已成為克服牙槽嵴萎縮的理想材料［17］。具有誘導(dǎo)成骨作用的骨形態(tài)蛋白同磷酸鈣生物陶瓷復(fù)合，可賦予僅具有傳導(dǎo)骨生長作用的磷酸鈣生物陶瓷以誘導(dǎo)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(xiàn)良好的前景。
3.3 仿生材料研究
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(jīng)過億萬年的演變進化，形成具有結(jié)構(gòu)復(fù)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(guī)律，從材料科學(xué)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(guī)律來指導(dǎo)復(fù)合材料的設(shè)計與研究，制備成分、結(jié)構(gòu)與天然骨組織相接近的復(fù)合替代材料，獲得生物相容性好、具有良好生理效應(yīng)和力學(xué)性能的人工骨替代材料。
3.4 組織工程材料研究
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(xué)相容性研究轉(zhuǎn)移到組織工程材料研究。它通過建立適當?shù)慕M織再生環(huán)境，調(diào)動生物組織的主動修復(fù)能力誘導(dǎo)組織再生。組織工程材料的研究為利用細胞培養(yǎng)制造生物材料和人造器官開辟了光明前景。
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