生物陶瓷材料用于修復人體硬組織歷史悠久，從生物惰性陶瓷材料（如氧化鋁和氧化鋯等）發(fā)展到既具有生物活性又可降解的生物活性陶瓷材料（如磷酸鹽和硅酸鹽生物陶瓷、硅基生物玻璃等），其生理功能要求不再是簡單的組織填充替代物，而是能誘導組織再生、調(diào)節(jié)細胞生長和功能分化的組織工程材料。越來越多證據(jù)表明，特定生物活性陶瓷材料具有促進軟/硬組織特異性細胞再生活性的作用，被廣泛應用于骨骼、牙齒和皮膚的組織缺損修復。
目前氧化鋁陶瓷已經(jīng)應用于人造骨、人工關(guān)節(jié)及人造齒根的制作方面。氧化鋁陶瓷在體外對熱纖維細胞只有微弱的毒性，長時間存于體內(nèi)環(huán)境，力學特性也無明顯改變，硬度超過2000維氏單位。
氧化鋁陶瓷關(guān)節(jié)
近些年隨著熱等靜壓成型技術(shù)和激光刻蝕技術(shù)的應用，使三代氧化鋁陶瓷晶粒更小，純度及密度更高，強度和硬度得到顯著增加，破裂率顯著降低。氧化鋁陶瓷超強的硬度，良好的抗磨損能力，使之成為骨科THA中主要的生物材料。
生物活性陶瓷又叫生物降解陶瓷，包括活性陶瓷和生物吸收性陶瓷。生物表面活性陶瓷通常含有羥基，還可做成多孔性，生物組織可長入并同其表面發(fā)生牢固的鍵合；生物吸收陶瓷的特點是能部分吸收或者全部吸收，在生物體內(nèi)能夠誘發(fā)新生骨的生長。
主要是由SiO2、P2O5、CaO、Na2O構(gòu)成，可以鍵合到現(xiàn)有的骨組織中，可降解，并通過它們的溶解產(chǎn)物對細胞的作用刺激新骨生長。它具有區(qū)別于其他生物材料的獨特屬性，能在植入部位迅速發(fā)生一系列表面反應，最終導致含碳酸鹽基磷灰石層的形成。
用于癌癥治療的生物活性玻璃
生物活性陶瓷中應用最多的是羥基磷灰石，簡稱HAp，屬表面活性材料，由于生物體硬組織（牙齒、骨）的主要成分是羥基磷灰石，因此有人也把羥基磷灰石陶瓷稱為人工骨。具有生物活性和生物相容性好、無毒、無排斥反應、不致癌、可降解、可與骨直接結(jié)合等特點，是一種臨床應用價值很高的生物活性陶瓷材料。
用于骨組織工程的互連多孔羥基磷灰石陶瓷
目前廣泛應用的生物降解陶瓷為β-磷酸三鈣，β-磷酸三鈣的最大優(yōu)勢就是生物相容性好，植入基體與骨直接融合，無任何局部炎性反應及全身毒副作用。其不足是高切口敏感性導致的低疲勞強度，較高剛性和脆性使其難以加工成型或固定鉆孔。
然而，實際臨床上存在許多特殊的組織損傷，如骨腫瘤或皮膚癌組織手術(shù)切除后的組織缺損，需要在修復組織缺損之前先清除殘留的腫瘤細胞以免腫瘤復發(fā)。為實現(xiàn)腫瘤治療和組織再生的雙重功能，前期研究通過將生物活性陶瓷與具有腫瘤治療功能的光熱試劑復合，制備出光熱功能化生物活性陶瓷材料。盡管這是一種有效的策略，但光熱納米試劑在體內(nèi)的長期安全性尚待考察。因此，如何在不引入外來添加劑的條件下，實現(xiàn)生物活性陶瓷材料本身的組織再生和腫瘤等疾病治療功能一體化尤為重要。
早前，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員吳成鐵與常江帶領的研究團隊，在多功能黑色生物活性陶瓷材料研究方面取得進展。該研究團隊通過對傳統(tǒng)的白色生物活性陶瓷材料（硅酸鹽和磷酸鹽等）進行熱還原處理，研制出新一代“黑色生物活性陶瓷”，將傳統(tǒng)生物活性陶瓷材料的應用領域從組織再生拓展到腫瘤等疾病治療。
該團隊采用鎂熱還原法，將傳統(tǒng)的白色生物活性陶瓷粉進行熱還原處理，制備出一系列黑色生物活性陶瓷材料，包括硅酸鹽（即CaSiO3，MgSiO3）和磷酸鹽（即Ca3(PO4)2、Ca5(PO4)3(OH)）兩種體系的生物活性陶瓷。與傳統(tǒng)白色生物陶瓷相比，黑色生物陶瓷材料的晶體內(nèi)部存在大量的氧空位和結(jié)構(gòu)缺陷，其降解性能得到明顯改善，對于成骨細胞和皮膚細胞的粘附、鋪展、增殖、遷移和分化等細胞生物活性有更好的促進作用。在慢性皮膚創(chuàng)傷及大塊骨缺損修復動物實驗中，黑色生物陶瓷對于皮膚和骨組織修復效果明顯優(yōu)于白色陶瓷，表現(xiàn)出顯著的促進軟/硬組織多功能再生活性。
此外，在低功率的近紅外光照射下，黑色生物活性陶瓷材料表現(xiàn)出明顯的光熱升溫效果，可導致材料周圍的腫瘤細胞死亡，在體內(nèi)實驗中成功抑制皮膚癌和骨腫瘤的增長，具有優(yōu)異的光熱抗腫瘤效果。
新一代“黑色生物活性陶瓷”的晶體內(nèi)部存在大量的氧空位和結(jié)構(gòu)缺陷，其降解性能得到明顯改善，兼具促進多種組織再生活性及腫瘤治療等多功能特性。該研究成功將生物活性陶瓷的應用范圍由組織再生拓展到腫瘤治療，有力推動了生物陶瓷的學科發(fā)展和臨床應用。
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