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　口腔生物梯度材料基础与应用展望      

发表时间：2006-11-28 10:47:00

更多保健方面的文章请到中国保健网>>     一、引言　　随着医用生物材料的开发，金属、陶瓷、高分子及其复合材料在人体组织缺损缺失修复和重建方面发挥了重要作用，但目前所使用的生物材料未能在材料与材料之间、材料与机体之间产生有效的化学性与生物性结合，难以适应人体生长与发育、修复与改建的立体动态变化的复杂环境，不能达到长期使用的目的。天然生物材料经过亿万年的进化，形成特殊的结构并具有优异的功能，这为生物材料的设计与研究提供了很好的模式，而生物材料的仿生设计，赋予材料生物结构和生物功能也是生物材料发展的方向。生物梯度功能材料正是在这种背景下产生的。功能梯度材料是受贝壳、竹、树木、骨等物质的组织结构变化的启示，日本学者于1984年提出这一正式规范化概念。所谓功能梯度材料（Functionally Gradient Material，FGM）是一种集各种成分(如金属、陶瓷、高分子等)、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或综合性能呈现连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料。其特点在于材料内部没有明显的界面，组成、形态、微结构连续呈梯度渐变，性质和功能也随之呈梯度变化。随着功能梯度材料的研究和开发，其应用不再局限于宇航业，已扩展至能源、化工、热电、压电、光电、磁学和生物医学工程等领域，迄今为止已开发了两百多种用途。生物梯度功能材料从研究以来，已受到越来越广泛的关注。 a)梯度材料　　　　b) 均质材料功能梯度材料示意图 二、生物梯度功能材料概况　　梯度材料的概念与自然界的许多生物材料结构相吻合，天然生物材料几乎均具有梯度结构和梯度功能。如动植物的层片结构，竹子的纤维螺旋状结构，人骨的哑铃状结构，皮肤的多层结构等，它们的组织结构在内部连续变化，随之相伴的是功能也呈连续变化。因此，借鉴天然生物材料完美的组成结构形式，利用功能梯度材料的概念进行生物梯度材料的仿生研究，必将开辟新的研究领域。生物梯度材料就是将仿生学、工程学、材料学和生物医学等相结合，应用功能梯度材料的概念，采用仿生学的研究方法，参照天然生物材料的结构和功能规律而设计、制备出的一类新型医用复合材料。其特征是生物材料的构成要素（组成结构及结合形式）等呈梯度渐变，从而满足生物材料在体内不同部位上有不同性能的要求。　　生物梯度材料的研究在国际上刚起步，涉及人体硬组织替代材料，人工关节，人工脏器，人工血管以及辅助感觉等领域。将梯度概念引入医用生物材料的设计和制备中，可使生物梯度材料在组成上可从金属、陶瓷、高分子及其复合体系，发展到蛋白质、多糖和多肽等生物活性物质，制备出生物活性材料，使生物医用材料生物化，达到材料本身具有生命性质的目的。　　生物梯度材料研究内容主要包括梯度设计、梯度材料制备与结构控制、梯度材料特性评价三个基本要素。其分类从材料组成结构变化来看，生物梯度材料可分为生物梯度材料本体型（整体材料的组成呈梯度变化）、生物梯度材料表面型（即在基体材料表面上形成组成渐变的涂层）、以及生物梯度功能连接型（粘接在两个基体间的界面组成梯度变化）。从材料的组合方式来看，生物梯度材料又有金属/金属，金属/非金属，非金属/陶瓷，陶瓷/陶瓷，金属/陶瓷，金属/陶瓷/高分子等多种组合形式。三、口腔生物梯度材料　　在口腔医学中，生物梯度材料的应用包括金属烤瓷修复体，多层复合人工牙冠修复体，塑料~橡胶义齿基托，复合人工牙种植体，以及人工骨修复体等，但目前尚无系统研究，多数仍处于设想和探索阶段，在牙种植体及人工骨领域方面研究报道相对多一些。例如应用功能梯度材料制备的牙种植体，植入颌骨的牙根部分表面为多孔陶瓷，由外向内孔隙逐渐减少形成孔隙梯度结构，而陶瓷的成分也可过渡到力学性能优异的金属形成陶瓷/金属的组成梯度，以提高种植体的生物相容性和力学相容性。另外，牙冠外表面可采用硬度高的陶瓷，为保持强度，从表面至中心部分逐渐变化为高韧性的陶瓷。以下从口腔生物材料的本体梯度和表面梯度的设计来介绍。　　3.1口腔本体梯度材料　　口腔本体梯度材料的主要设计思路是用材料组元制备成整体坯样，然后采用一定工艺获得所需性能的梯度材料，如从材料表面将生物相容性优良的生物陶瓷渐变到材料内部强度韧性好的金属。工艺主要分为成形和烧结致密两个阶段。梯度材料的成形可分为两类，一是间断梯度层，如传统干粉铺叠成形，挤压、模压、注射成形等，各层间存在成分间断；二是连续梯度层，如重力沉降、离心成形等，它是利用自然迁移现象来实现的成分连续过渡。压制烧结工艺有热压烧结、冷等静压-常压烧结(真空)、热等静压、热等静压氮化后处理等。Wataris和Bishop等人分别采用传统的干粉铺叠法制备了HA-钛（Ti）体系的梯度人工骨和人工牙根，成份分布演一个方向变化，分别为10%HA/Ti、20% HA/Ti和30% HA/Ti三层结构。陈治清等曾以粉末冶金法研究了HA-Ti、HA-生物玻璃陶瓷两种梯度复合体系。以HA-生物玻璃陶瓷体系为例，按照10-20-40-60-80-100vol%HA梯度含量颗粒排布，干压成型，采用大气电加热、真空电加热和大气微波加热三种烧结方法成功制备出HA-生物玻璃陶瓷梯度本体材料。本体中的钙、磷和硅元素分布呈现明显的渐变趋势。虽然在成型中设置了六层成分梯度，每层相差10~20%，烧结后的梯度材料本体的成分变化没有出现突变，特别是微波烧结的梯度材料成分变化最平缓。制得的梯度本体材料力学性能有较前体材料改善明显，但仍需进一步研究以期用于临床。　　目前本体梯度材料的研究，基本上只是材料颗粒间的机械混合，复合材料两相间缺乏化学键的结合，也没有形成有序的微观结构，而这两方面却往往是决定材料性能的主要因素。另外，陶瓷/有机高分子复合梯度材料的研究几乎是一片空白，有机/无机复合生物材料结合了有机组分的韧性和无机组分的刚性，可以充分利用无机组分或部分有机组分的生物活性或降解性能，形成了具有综合使用性能的硬组织替代复合材料。如胶原与多孔羟基磷灰石陶瓷复合，其强度比HA陶瓷提高2-3倍。而且人体牙齿、骨是由胶原蛋白、多糖基质等天然高分子构成的连续相和弥散于基质中的HA晶粒复合而成的梯度材料，因此陶瓷/有机高分子梯度材料是值得进行深入研究的一个方向。 　　3.2 口腔表面梯度材料 　　在基体表面涂层生物陶瓷的研究已开展多年，如在钛基体制备HA等钙磷生物涂层，复合材料具有优良的力学性能和生物活性，植入人体后可在短期内与软硬组织形成生物结合。但随着植入时间的延长，在口腔特殊环境下，涂层溶解与脱落造成种植体失败却逐年增多。因此为解决涂层与基体之间存在的宏观界面及热胀系数的不匹配问题，增强结合强度，改善涂层稳定性，在基体到涂层表面之间形成成分逐渐过渡的复合功能梯度涂层是一种行之有效的方法。即涂层材料一侧能与基体完美结合，另一侧又具有优良的生物相容性，使材料与活体表面的接触面有一定相容性的过渡层，目的是达到种植材料机械适应性与生物相容性于一体从而提高种植效应。 举例：Fe3Al-Al2O3梯度涂层的截面组织　　将梯度功能材料的概念用于种植材料表面改性的研究，可以从表面的组成梯度、孔隙梯度及生物活性梯度等几个方面考虑。组成梯度设计可以在基体与涂层之间引入中间缓冲层，通过调节化学组成使中间过渡层的热胀系数与基体金属匹配，使涂层呈适当的压应力状态，有利于提高结合强度。另外一种方法是混合粉料后制成复合梯度涂层，或在金属表面直接引入渐变的活性成分，通过组成上逐渐变化来达到目的。外部多孔到内部致密的梯度结构可以增加涂层与人体组织的接触面积，加速界面反应速度，有利于与骨组织形成结合，更重要的是为骨组织的形成提供了良好的成骨环境。另外，为实现材料表面生物化，植入材料最外表面还可选择蛋白质、多糖和多肽等生物活性物质，使表面形成一个能与生物体相适应的过渡层，来诱导特异性的细胞、组织反应，控制种植体/界面反应。利用工程学方法将特定信号识别功能的生物分子与材料结合，可以制成新一代的有特定修复功能的“智能”材料。现代物理学和化学的发展，使我们完全有能力对材料表面进行修饰，通过生物化处理及分子设计使植入材料表面具有有序性、特定分子间的可识别性和运动性。四、口腔生物梯度材料的展望　　 生物梯度材料诞生时间较短，目前制备出的梯度材料试图模拟人体精致的组织结构，与生物体组织各个层次的微观结构相比仍较粗浅。但随着深入的研究，对梯度材料的认识加深，制备方法不断更新发展和完善，可制得性能更优异的生物梯度材料。今后的研究有以下几个方面值得探索： 　　(1)为了减少制备生物梯度材料的盲目性，提高设计精度，建立生物梯度材料设计系统是急需的。这个系统应该包括设计的评判标准(如结构梯度材料设计中的热应力)、表征生物学性能与材料组织结构(特别是表面组织结构)关系的物性模型以及优化设计方法等内容。另外，微观结构模型和解析模型的建立以及计算机辅助设计生物梯度材料专家系统等方面也是重要的研究内容。　　(2)为了提高制备生物梯度材料的性能，建立联系制备技术与生物梯度材料性能的工艺模型是必要的。这可以从两方面来开展工作；一是加深对现有方法的工艺理论研究并不断改进，同时进一步开发新的复合制备方法；二是对生物梯度材料的性能，诸如生物相容性、力学性能、电学性能等，进行深入研究，这对于物性模型的建立也是有帮助的。　　(3)进一步拓宽制备生物梯度材料的种类是必要的。包括开发新的材料体系、新的梯度类型和新的材料用途。以梯度类型为例，目前整体梯度法制备的生物梯度材料都是单向梯度分布，而天然牙、骨均是径向梯度分布，例如牙的组织结构就是由外层的坚硬耐磨牙釉质到强度高韧性好的致密牙本质，再到多孔的利于血管生长的疏松牙本质。所以，可以考虑研制梯度径向分布的人工骨、牙梯度材料，如何使材料具有人体组织的多相结构、能与机体相互结合又相互作用的活性物质，使材料在整体与局部、宏观与微观、功能与结构方面与机体吻合，达到功能性长期修复的目的。　　(4)研究植入体在体内各种受力状态下的力学行为，从生物力学方面指导梯度材料的结构设计与加工处理。从梯度材料多相结构与多孔性机体组织的力学相容性、疲劳过程及相关影响因素着手，调整其结构及有关相的组成，使得梯度材料整体性能按梯度规律变化，从而研制出生物相容性和力学适应性、生物活性和生物惰性等性能递变的生物材料。　　(5)现在梯度材料制备工艺(包括粉末冶金)总的发展趋势是朝着实用化、工业生产化的方向进行，所以研究能够工业生产生物梯度材料的制备技术应是重点发展的方向。　　(6)另外，将FGM技术与纳米技术、智能材料系统等有机地结合起来研究，是21世纪材料科学发展的主导方向之一。 <tr

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