纳米生物陶瓷材料

纳米陶瓷是20世纪80年代中期发展起来的先进材料，是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料，它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量级的水平。纳米结构所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域，是纳米科学技术的重要组成部分。

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性，备受人们的青睐，在临床上已有广泛的应用，用于制造人工骨、骨钉、人工齿、牙种植体、骨髓内钉等。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牢固种植，从生物惰性材料发展到生物活性材料。但是由于常规陶瓷材料中气孔、缺陷的影响，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学性能和力学性能大大提高成为可能。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。一些材料科学家指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。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，具有很高的化学活性。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。

美国的科学家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。他们猜测这可能是由于以下原因。

(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已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，用做骨替代材料，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。

我国四川大学的科学家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生物活性材料。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牢牢长在一起。并可以诱导软骨的生成，各种特性几乎与人骨特性相当。另外他们还构思将纳米固体陶瓷材料制造成人工眼球的外壳，使这种人工眼球不仅可以像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；理想中的纳米生物陶瓷眼球可与眶肌组织达到很好的融合，并可以实现同步移动。

在无机非金属材料中，磁性纳米材料最为引入注目，已成为目前新兴生物材料领域的研究热点。特别是磁性纳米颗粒表现出良好的表面效应，比表面激增，官能团密度和选择吸附能力变大，携带药物或基因的百分数量增加。在物理和生物学意义上，顺磁性或超顺磁性的纳米铁氧体纳米颗粒在外加磁场的作用下，温度上升至40～45℃，可达到杀死肿瘤的目的。

德国学者报道了含有75％～80％铁氧化物的超顺磁多糖纳米粒子(200～400nm)的合成和物理化学性质。将它与纳米尺寸的SiO2相互作用，提高了颗粒基体的强度，并进行了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用研究，试验了具有一定比表面的葡萄糖和二氧化硅增强的纳米粒子。在卞列方面与工业上可获得的人造磁珠做了比较：DNA自动提纯、蛋白质检测、分离和提纯、生物物料中逆转录病毒检测、内毒素消除和磁性细胞分离等。例如在DNA自动提纯中，用浓度为25mg／mL的葡聚糖纳米磁粒和SiO2增强的纳米粒子悬浊液，达到了＞300ng／μL的DNA型1-2KD的非专门DNA键合能力。SiO2增强的葡聚糖纳米粒子的应用使背景信号大大减弱。此外，还可以将磁性纳米粒子表面涂覆高分子材科后与蛋白质结合，作为药物载体注入到人体内，在外加磁场2125×103／π(A／m)作用下，通过纳米磁性粒子的磁性导向性，使其向病变部位移动，从而达到定向治疗的目的：例如10～50nm的Fe3O4磁性粒子表面包裹甲基丙烯酸，尺寸约为200nm，这种亚微米级的粒子携带蛋白、抗体和药物可以用于癌症的诊断和治疗。这种局部治疗效果好，副作用少。一前途无量的纳米技术另外根据TiO2纳米微粒在光照条件下具有高氧化还原能力而能分解组成微生物的蛋白质，科学家们进一步将TiO2纳米微粒用于癌细胞治疗，研究结果表明，紫外光照射10min后，TiO2纳米微粒能杀灭全部癌细胞。

其他方面的应用还有一些例子。

20世纪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：先制备SiO2纳米微粒，尺寸大小控制在15～20nm。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SiO2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SiO2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，再通过离心技术，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：①易形成密度梯度；②易实现纳米SiO2粒子与细胞的分离。这是因为纳米SiO2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，既不会玷污生物细胞，也容易把它们分开。

利用不同抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力的显著差异，选择抗体种类，将纳米金粒子与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，制备成多种纳米金-抗体复合物。借助复合粒子分别与细胞内各种器官和骨骼系统结合而形成的复合物，在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金粒子在光学显微镜下呈红色)，从而给各种组合“贴上”了不同颜色的标签，因而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。

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他方面。

目前已发现多种具有杀菌或抗病毒功能的纳米材料。二氧化钛是一种光催化剂，普通TiO2在有紫外光照射时才有催化作用，但当其粒径在几十纳米时，只要有可见光照射就有极强的催化作用。研究表明在其表面会产生自由基离子破坏细菌中的蛋白质，从而把细菌杀死，并同时降解由细菌释放出的有毒复合物。实践中可通过向产品整体或部件中添加纳米TiO2，再用另一种物质将其固定化，在一定的温度下自由基离子会缓慢释放，从而使产品具有杀菌或抗菌功能。例如用TiO2处理过的毛巾，只要有可见光照射，毛巾上的细菌就会被纳米TiO2释放出的自由基离子杀死。TiO2光催化剂适合于直接安放于医院病房、手术室及生活空间等细菌密集场所。

经过近几年的发展，纳米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成绩，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。