用作生物材料的纳米陶瓷yd6110
綦玉荣1，2 周廉1 (1西北有色金属研究院，西安 710016) (2西安交通大学，西安 710049)
原载：稀有金属快报2002/2；1-3
摘 要； 纳米生物材料是当今国际生物材料研究中的前沿课题，本文着重介绍了近年来纳米陶瓷粉体及固体材料在生物医学方面的应用现状。
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前言
生物陶瓷作为一种生物医用材料，无毒副作用，与生物组织具有良好的相容性和耐腐蚀，备受人们的青睐。目前，生物陶瓷材料的研究已从短期的替代与填充发展成为永久性的种植，从生物惰性材料发展到生物活性材。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的影，该材料低温性能较差，弹性模量远高于人
骨．力学性能不匹配，易发生断裂破坏，强度和韧性都不能满足临床上的要求．致使其应用受到很大的限制。
纳米材料的问世，使生物陶瓷材料的生物性能和力学性能大大提高成为可能。纳米微粒的尺寸很小，一般在1nm-l00nm之间。与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷中的内在气孔或缺陷尺寸大大减小，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高固体材料的断裂韧性。而晶粒的细化又使晶界数量大大增加，有助于晶界间的滑移，使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。同时纳米材料固有的表面效应使其表面原子存在许多悬空键，并且有不饱和性质，具有很高化学活性。这一特性可以增加该材料的生物活性和成骨诱导能力，实现植入材料在体内早期固定的目的。
此外，纳米材料本身与人体就有着十分密切的联系。众所周知，人的牙齿就是由规则排列的纳米级羟基磷灰石微粒构成的，血液中红血球的大小为6000nm-9000nm，一殷细菌(如大肠杆菌)的长度为2000nm-3000nm，导致人体发病的病毒尺寸一般也只有几十纳米。因此，纳米材料在生物材料方面具有广阔的应用前景。
2
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，即利用纳米微粒进行细胞分离或利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。目前，关于这方面的研究还处于初始阶段。
2．1
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。其基本原理和过程是：首先制备Si02纳米微粒，尺寸控制在15nm-20nm之间，结构一般为非晶态，再将其表面包覆单分子层，包覆层的选择主要依据所要分离的细胞种类而定，一般选择与所要分离细胞有亲和作用的物质作为附着层。这种Si02纳米粒子包覆后所形成复合体的尺寸约为30nm。第二步是制取含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，适当控制胶体溶液浓度。第三步是将纳米Si02包覆粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，再采用离心技术，利用密度梯度原理，使所需要的细胞很快分离出来。此方法的优点是：易形成密度梯度。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Si02粒子与细胞的分离。这是因为纳米Si02微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物胞，也容易将它们分开
2.2
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。
2.3
用于治疗癌症和肿瘤
现代医学中为了杀死病人体内残存的癌细胞和肿瘤细胞，最常采用的方法是进行放射性治疗。但这种大面积辐射的方法在杀死病变细胞的同时也会使正常细胞受到伤害，尤其是对生命极其重要的具有造血功能的骨髓干细胞很可能受到更为严重的伤害。为此人们利用纳米微粒可在体内方便传输的特点开发出放射疗法用陶瓷微粒，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，就可达到直接照射癌细胞又可不损伤周围正常组织的目的，适用于这种目的的材料有含钇和含磷纳米微粒。
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℃使癌细胞遭到毁灭，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。
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。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20nm-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。
2．4
具有抗菌性的生物树料
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。
3 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型，再经过一定的热处理工艺可制成致密型纳米固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，从而使得该材料具有与其它固体材料不同的性能。
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，纳米固体材料具有更强的细胞吸附和繁殖能力。他猜测这可能是由于：1)纳米固体材料在模拟环境中更易于降解；2)晶粒和孔洞尺寸的减小改变了材料的表面粗糙度，增强了类成骨细胞的功能：3)纳米固体材料的表面亲水性更强，细胞更易于在其上吸附。
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己被提出的生物陶瓷材料中，以便提高此类材料的致密度和韧性，用作骨替代材料，如用纳米氧化铝增韧氧化铝陶瓷，用纳米氧化锆增韧氧化锆陶瓷等，已取得了一定的进展。
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。这种纳米人工骨是一种高强柔韧的复合仿生失物活性材料。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车牢长在一起，并可以诱导软骨的生成，各种特性几乎与入骨特性相当。此种制备技术在国际上尚届首例，据报道，其成果已可进入产业化阶段。
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 结语
经过近几年的发展，纳米生物陶瓷材料研究己取得了可喜的成绩，但从整体来分析，此领域尚处于起步阶段，许多基础理论和实践应用还有待于进一步研究。如纳米生物陶瓷材料制备技术的研究——如何降低成本使其成为一种平民化的医用材料：新型纳米生物陶瓷材料的开发和利用：如何尽快使功能性纳米生物陶瓷材料从展望变为现实，从实验室走向临床；大力推进分子纳米技术的发展，早日实现在分子水平上构建器械和装置，用于维护人体健康等，这些工作还有待于材料工作者和医学工作者的竭诚合作和共同努力才能够实现。