骨科疾病是与日常生活息息相关的重大问题，随着技术手段的提升，人类攻克相关疾病也越来越得心应手，选用合适的材料进行修复或替代是常用的治疗手段。目前治疗骨缺损所用的材料来源有自体移植、异体移植和人工合成生物材料3大类。Medtec 中国展16大特色展区，包括骨科加工专区，及超精密激光加工、金属材料，部件和加工设备等研发设计领域，许多展商也将来到展会现场展示企业最新的产品及设计。

自体移植成分符合最佳，且不会导致免疫排斥反应，但自体移植存在手术费用昂贵，缺少足够供体供应和会导致供体部位损伤、疾病等问题；异体移植是 从活体人类供体、尸体或异种移植物（动物来源）中获取骨骼，相对供体充足，但同时也带来了不同的重塑动力学、免疫原性反应风险和病毒病理学传播等问题；相对于前两者的材料来源局限性，人工合成生物材料具有材料来源广泛、生物相容性好、对机体无毒副作用、无免疫排斥反应等优点，因此使用人工合成的生物材料作为长期骨替代材料成为一种有广阔前景的治疗手段。

人工骨材料
骨替代材料的生物和物化性能

理想的骨替代材料通常需要符合以下性质：
（1）良好的生物性能，主要包括生物相容性、骨传导性、骨诱导性、骨整合性，有利于与天然骨整合，刺激新骨生成；
（2）合适的物理和化学性能，主要为具有与骨骼相近的弹性模量、优异的硬度、足够的抗压强度、良好的断裂韧性，能够减少骨磨损，避免新骨形成前的骨缺损区塌陷和脆性断裂，同时还需可抵抗人体环境的腐蚀和溶解；
（3）同时满足生物、物化方面众多性能需求，而实际使用中人工骨替代材料往往难以同时满足，这可能会导致某些种植体在使用初期由于磨损、感染、弹性模量不匹配、强度低等原因而失效，需要二次手术，增加了手术成本和患者的痛苦。

理想骨替代材料所需的性能
几种典型的骨替代生物陶瓷材料

高分子材料、金属材料、生物陶瓷及复合材料均是研究和制备人工骨替代材料的候选者，其中，生物陶瓷材料由于密度和成分与人骨相似、化学性质稳定、机械 强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点在医疗行业中的应用广泛，除了性能优异外，生物陶瓷还可通过与陶瓷或与其他种类的材料复合以改善其综合性能，因而非常具有研究潜力。更多医用材料相关议题尽在Medtec 中国展16技术论坛A：医疗器械诞生的助推器——创新医用材料/配件及精加工（一）议题覆盖医用塑料在医疗器械生产过程中的应用、汉高医疗行业创新解决方案、埃万特医疗级聚合物解决方案如何为您的体外诊断（IVD）应用增加价值、蔻兰多彩高性能材料解决方案在医疗行业的应用等。

6种典型骨替代材料的性能对比

一磷酸盐生物陶瓷材料
天然骨主要是由I型胶原蛋白有机相和羟基磷灰石晶体无机相以特定的结构排列而成，骨基质中的羟基磷灰石晶体与胶原蛋白相结合而被保护，在人体不会被降解。而人工合成的磷酸盐材料由于缺少I型胶原蛋白的保护，在人体环境中被降解成Ca2+、PO45-或类骨磷灰石微晶，这些释放物可促使骨细胞分化、增殖而形成新的骨骼。

因此，磷酸盐生物陶瓷具有良好的生物相容性、骨传导性、生物活性，使其被广泛应用于牙科植入物、骨填充、骨移植、脊柱融合和药物释放系统等领域。目前，用于骨修复和骨替代的磷酸盐生物陶瓷的钙磷摩尔比在1.5 ~ 1.67，主要包括羟基磷灰石(HAp)、磷酸三钙(TCP)、双相磷酸钙(BCP)、磷酸八钙(OCP)、焦磷酸钙(CPP)、磷酸氢钙(DCP)、磷酸镁等。

β磷酸三钙陶瓷
羟基磷灰石(HAp)的化学成分和晶体结构与天然骨中无机相一致，是研究最广泛的磷酸钙陶瓷之一。但其断裂韧性差、脆性大，通过对HAp的离子取代或与其他材料复合是改善力学性能、提高生物相容性、骨诱导性，赋予特殊性能的解决方案。其中，通过将HAp与β-TCP（磷酸三钙）生物陶瓷复合制备双相磷酸钙(BCP)是研究的热点之一。

二硅酸盐生物陶瓷材料

磷酸盐材料通常不具有骨诱导性，而硅酸盐材料中Si4+可促进骨形成、参与骨基质的早期矿化，并在促进骨形成的代谢中发挥重要作用，同时可能影响蛋白质分泌、细胞存活、凋亡，对成骨细胞和细胞外基质有刺激作用。鉴于这些特点，硅酸盐生物陶瓷已被广泛用于诱导骨再生的骨修复材料，通常用于制备骨组织工程支架材料。

硅酸钙支架与细胞之间的作用过程
常用的硅酸盐生物陶瓷有硅酸钙(CaSiO3)、透辉石(CaMgSi2O6)、镁黄长石 (Ca2MgSi2O7)、闪锌矿(Ca7MgSi4O16)、硬石膏(Ca2ZnSi2O7)、镁橄榄石(Mg2SiO4)等。

硅酸盐陶瓷主要应用于非承重部位：CaMgSi2O6用于眼眶重建植入物；Ca2MgSi2O7和Ca7MgSi4O16主要应用于骨组织工程的支架材料；Ca2ZnSi2O7与HAp和CaSiO3相比，具有更好的生物相容性、弯曲强度和断裂韧性，是骨再生支架、生物活性涂层的合适候选材料；Mg2SiO4与其他硅酸盐生物陶瓷相比降解率较低，力学性能优于HAp和CaSiO3，良好的生物活性、生物相容性和力学性能使其可成为修复骨缺损的理想材料，未来有望成为骨替代领域的承载材料。

三氧化物生物陶瓷材料

氧化物生物陶瓷（如氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷）的优势在于机械强度高、耐磨性好、物理化学性质稳定，临床上通常用于承重人工骨，如髋关节、膝关节和牙齿等部位。但由于氧化物生物陶瓷稳定的化学性质导致其难以与宿主骨形成化学键合，生物活性差，限制了其在骨替代领域中的应用。

氧化锆陶瓷作为骨替代材料的应用
氧化铝陶瓷具有高强度、优异的耐腐蚀性和耐磨性，但Al2O3和组织之间缺乏化学键合，存在生物活性差和断裂韧性差的问题。可通过形成高度多孔结构改善氧化铝陶瓷的生物相容性和生物活性，或通过纳米尺度的第二陶瓷相的分散来增强断裂韧性和弯曲强度。

四方氧化锆陶瓷(TZP)具有优异的生物相容性、美学性能、高断裂韧性、高弯曲强度和压缩强度，但耐磨性差和老化现象会损害其应用的长期稳定性。可通过减少 晶粒尺寸、降低孔隙率、减少团聚体来提高材料的耐磨性和抗老化性。同时，氧化锆增韧氧化铝陶瓷(ZTA)也具有优异的抗老化性能和综合机械性能，在生物医学应用中已被用作单斜氧化锆陶瓷的替代品。

四非氧化物生物陶瓷材料
1. β-Si3N4生物陶瓷材料

氮化硅曾被划分为生物惰性陶瓷一类，而目前研究表明β-Si3N4具有活性表面化学成分，可以保护、刺激并最终促进组织愈合。与氧化物陶瓷不同，β-Si3N4的表面 化学和表面形貌可以通过工程设计来满足体内的潜在需求。当浸入水环境中时，硅和氮从其表面缓慢洗脱，在人体内弱碱条件下以NH4+的形式存在，能够促进骨组织愈合、改善细胞代谢和增强骨形成，不仅可以产生纤维互锁的完全致密的结构，满足全关节置换术中所要求的耐磨性、弯曲强度和断裂韧性等性能，还可以制成多孔植入物，应用于骨支架、脊柱融合和颌面部重建。

氮化硅陶瓷
2. β-SiAlON生物陶瓷材料

β-SiAlON是由部分Al-O键取代了Si-N键而得到的β-Si3N4的固溶体，这种局部化学键的取代使得二者晶体结构相似、力学性能相近，但也使得β-SiAlON的无序度增加，在烧结过程中易产生大量瞬时液相，大幅改善烧结性能，解决了β-Si3N4不易烧结的问题。

β-SiAlON在人体环境中不存在毒性，并具有骨诱导性能，此外，β-SiAlON可通过与其他材料复合，不仅能克服β-SiAlON的制备困难问题，还能进一步提高β-SiAlON的力学性能，改善其生物性能，使得β-SiAlON在生物陶瓷领域中有望成为β-Si3N4的替代物，成为最具潜力的骨替代生物陶瓷材料之一。

3. SiC生物陶瓷材料

碳化硅具有优异的力学性能，耐磨性好，具有一定的生物相容性。将SiC制备成多孔生物陶瓷支架，与β-Si3N4复合可应用于骨科和牙科植入物领域。但由于SiC 生物陶瓷本身具有生物惰性，其表面还未发现更有利于骨替代的特殊表面化学性 质，所以目前对于SiC生物陶瓷做骨替代材料的研究较少。

若您想了解更多有关人工关节等骨科相关的热点话题，不妨加入Medtec中国展 “第八届植入介入医疗器械中国峰会”，来自北京大学等高校的嘉宾将讲解金属植介入器械产品中的医工结合。议题覆盖金属骨科植入物的材料选择、产品设计与生物学评价、金属心血管介入器械的材料选择、产品设计与生物学评价等。

总结

尽管可用于骨替代的材料种类繁多，但根据骨科疾病发生部位的特殊性，应选用不同的骨替代材料，发挥材料的自身优势。由于理想骨替代材料需要优异的物理、化学和生物性能，单一的材料往往难以同时满足这些性能的需求，所以近些年关于骨替代复合材料的研究也比较热门，主要集中在金属与生物陶瓷的复合、不同生物陶瓷之间的复合、高分子材料与生物陶瓷的复合三个方向，生物陶瓷的多功能化以及更好地进行人体骨免疫调节等领域依旧具有很大的研究空间。

参考来源：
1. 骨替代生物陶瓷材料的研究现状，高金星、李丽亚、穆菁华、徐恩霞、刘新红、马成良、张灿、张丽果（郑州大学学报）；
2. 骨替代材料的研究方法及进展，倪卓、杨莎、王应、刘士德（深圳大学学报）。

来源：粉体圈