生物陶瓷(Bioceramics)是指用作特定的生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料，与传统的陶瓷材料不同，它不单指多晶体，而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属的复合、无机与无机、无机与有机或生物材料的复合材料。它不是药物，但它可作为药物的缓释载体；它们的生物相容性和磁性或放射性，能有效地治疗肿瘤。在临床上已用于髋、膝关节、人造牙根、牙嵴增高和加固、颌面重建、心脏瓣膜、中耳听骨等，从而在材料科学和临床医学上确立了“生物陶瓷”这一术语。它涉及材料科学、生物物理、生物化学、临床医学等，是材料科学与临床医学的交叉学科。艾邦建有医用陶瓷产业微信群，欢迎产业链上下游企业加入，长按识别下方二维码即可加入。
作为生物陶瓷材料，需要具备如下条件：生物相容性，力学相容性，与生物组织有优异的亲和性，抗血栓，灭菌性并具有很好的物理、化学稳定性。应用于临床的生物陶瓷必须是安全无毒的，根据它们与组织的效应，分为三类:
(1) 惰性生物陶瓷，在生物体内与组织几乎不发生反应或反应很小，例如氧化铝陶瓷和蓝宝石、碳、氧化锆陶瓷，氮化硅瓷等。
(2) 活性生物陶瓷，在生理环境下与组织界面发生作用，形成化学链结合，系骨性结合。如羟基磷灰石等陶瓷及生物活性玻璃，生物活性微晶玻璃。
(3) 可被吸收的生物陶瓷，这类陶瓷在生物体内逐渐降解，被骨组织吸收，是一种骨的重建材料，例如磷酸三钙等。
图 LithaBone HA 480材料3D 打印骨骼替代物，来源：Lithoz
(1) 能承受负载的矫形材料，用于骨科、牙科及颌面外科的有：Al2O3陶瓷，稳定 ZrO2 陶瓷，PE-HA 复合材料，具有生物活性表面涂层 (HAP、生物活性玻璃、生物微晶玻璃) 的相应材料。
(2) 种植齿：Al2O3 陶瓷，HAP 陶瓷， HAP-氟聚合物-金属的复合材料，生物活性玻璃，活性涂层材料(HAP、生物玻璃)。
(3) 牙槽增高：Al2O3陶瓷，HAP 与自身骨的复合材料，HAP-PLA 复合材料，生物活性玻璃，自固化磷酸盐水泥和玻璃水泥。
(4) 耳鼻喉科：Al2O3陶瓷，HAP陶瓷，生物活性玻璃及生物活性微晶玻璃，磷酸盐陶瓷。
(6) 人工心脏瓣膜：热解碳涂层(抗凝血，摩擦系数小)。
(7) 可供组织长入的涂层(心血管、矫形、牙、颌面修复)：多孔Al2O3陶瓷。
(8) 骨的充填料：磷酸钙及磷酸钙盐粉末或颗粒，β-TCP 颗料。
(9) 清除牙周袋：HAP 粉体，HAP-PLA 复合材料。
(10) 重建颌面：Al2O3陶瓷，HAP陶瓷，HAP-PLA 复合材料，生物活性玻璃。
(11) 径皮端子(腹透)：生物活性微晶玻璃，生物活性玻璃，HAP 陶瓷。
(12) 矫形固定器：PLA-碳纤维，PLA-以玻璃为基体的磷酸盐复合材料。
(14) 眼科(义眼)：生物玻璃，多孔羟基磷灰石。
1、生物惰性陶瓷
生物惰性陶瓷通常具有良好的生物相容性与稳定的物理化学性能，植入生物体后不发生反应或产生极小反应。生物惰性陶瓷有氧化铝、氧化锆以及医用碳素材料等。这类陶瓷材料的结构都比较稳定，分子中的键合力较强，具有较高的强度、耐磨性及化学稳定性。
①氧化铝
氧化铝(Al2O3)是生物惰性陶瓷中具有代表性的。1933 年 Rock 首先建议将Al2O3陶瓷用于临床医学。1963 年由 Smith 用于矫形外科。自此以后，Al2O3陶瓷用于人造牙根、髋关节、膝关节、髁骨、中耳听骨，在临床上逐渐推广应用，成为医用生物陶瓷中的一种重要材料。
生物陶瓷使用的是最为稳定的α-Al2O3相，其晶型结构为斜方六面体，在人体内能够稳定存在，同时不与强酸强碱发生反应，具有高强度、低磨损率与良好的生物相容性。但随着陶瓷材料自身所具有的脆性和自身裂纹扩展，患者失败案例也有过报道，因此，氧化铝陶瓷材料作为种植体的可靠性仍然需要不断提高。
通过在氧化铝中添加增韧材料，可明显改善这一现象。其中氧化锆增韧氧化铝陶瓷被证明具有较好的增韧效果，将氧化铝的稳定性和氧化锆的强度相结合，一旦出现裂痕扩散，氧化锆颗粒会产生气囊效应，吸收外界应力，板状晶体抑制裂纹扩展，从而增强强度和韧性。
②氧化锆
氧化锆(ZrO2)是生物陶瓷的另一个代表，可以用于关节处替代物。在机械强度和断裂韧性方面，氧化锆陶瓷要比氧化铝陶瓷更加优异。
氧化锆具有三种晶型，包括：单斜相、四方相与立方相。在低温环境下，单斜相是最稳定的。在发生相变的过程中会产生体积变化，亚稳态四方相在转变为单斜相时，会发生体积增大，这一现象会阻止裂纹进一步扩展。在氧化锆三种晶型中，四方相具有较好的力学强度，能够满足生物陶瓷在力学强度的要求，所以在生物医学材料领域得到广泛应用。
到目前，亚稳态氧化锆由于其优越的韧性特性与力学强度，逐渐成为氧化铝的代替材料。向氧化锆中添加氧化钇，能够形成稳定的四方相或者立方相，阻止其向单斜相的转变。对于钇稳定氧化锆生物陶瓷材料，植入患者体内后具有很好的断裂韧性。氧化锆骨科植入物的使用可以减少摩擦力和聚乙烯碎屑的出现，并且摩擦性能比氧化铝更优越。
生物吸收材料是一种暂时性的骨替代材料。植入体内后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之。这种效应也称之为降解效应。生物降解(可吸收)陶瓷在临床上主要用作治疗脸部和颌部的骨缺损，填补牙周的空洞及与有机或无机物复合制作人造肌腱及复合骨板，还可作为药物的载体。
最早应用的降解材料是石膏。1892 年Dreesman 第一次用石膏作骨填充材料。石膏的生物相容性较好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽，造成塌陷，因此在许多情况下是不成功的。目前广泛应用的生物降解陶瓷为β-三磷酸钙(β-TCP)，是一种可以缓慢降解的陶瓷，具有良好的生物相容性并在骨科领域应用广泛，但机械强度偏低，经不起力的冲击。将β-TCP与其他材料混合制成双相或多相陶瓷，是提高其力学强度的方法之一。
从理论上讲，可降解生物材料是较理想的生物修复材料。因为材料在生物体内被逐渐吸收，从而被新生骨组织替代，达到安全、永久的骨重建。但因磷酸钙陶瓷的初始机械强度低，应用受限制，加之降解速度还是较难控制，其产骨性和骨诱导性也不强，常会出现溶解速度与新骨生长速度不匹配，导致局部塌陷。
3、生物活性陶瓷
生物活性陶瓷通常指能够通过化学键的形式和骨组织、软组织互相结合的陶瓷材料。生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷等。
①羟基磷灰石(HA)
羟基磷灰石（hydroxyapatite，HA）组成与天然磷灰石矿物相近，是人体骨骼和牙齿的主要成分，其化学式是 Ca10(PO4)(OH)2，密度为 3.16 g/cm3。
HA有良好的生物相容性，植入体内不仅安全无毒，还能传导骨生长，作为骨代替物被用于骨移植。
②生物玻璃陶瓷
生物玻璃陶瓷的主要成分是 CaO-Na2O-SiO2，比普通窗玻璃含有较多钙和磷，能与骨自然牢固地发生化学结合。它具有区别于其他生物材料的独特属性，能在植入部位迅速发生一系列表面反应，最终导致含碳酸盐基磷灰石层的形成。生物玻璃陶瓷的生物相容性好，材料植入体内，无排斥、炎性及组织坏死等反应，能与骨形成骨性结合；与骨结合强度大，界面结合能力好，并且成骨较快。目前此种材料已用于修复耳小骨，对恢复听力具有良好效果。但由于强度低，只能用于人体受力不大的部位。
生物惰性陶瓷与生物活性陶瓷两者的区别在于是否能够在骨与陶瓷之间形成一个整体。当生物惰性陶瓷植入患者体内，软组织会与其发生作用，致新骨内生长与结合。生物活性陶瓷能够产生新骨，但是与生物惰性陶瓷相比，其力学性能较差。
2.生物陶瓷3D打印技术研究进展与趋势，王真,等.
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原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：一文了解医用生物陶瓷及临床应用
