一文速览 生物医用陶瓷（国家出版基金项目）

生物医用陶瓷（biomedical ceramics），简称生物陶瓷（bioceramics），是一类以医用为目的而特别设计的陶瓷，是生物材料的一个重要分支，是人类最早用于对人体病变组织、器官进行诊断、治疗或再生修复的无机非金属材料。

中国人在历史上率先发明了陶瓷，后来通过丝绸之路传遍了全世界。20 世纪六七十年代，陶瓷被特别设计，广泛用于医学，极大地改善了人类生命质量，由此出现了生物医用陶瓷。

鉴于人体系统的复杂性，早期选用植入人体内进行组织替换修复的材料以不发生生化反应、具有高稳定性为判据，由此出现了第一代生物陶瓷，即生物惰性陶瓷（bioinert ceramics）。随着人们对植入材料与人体的相互作用研究的深入，发展了第二代生物陶瓷，即能与组织产生生物化学结合的生物活性陶瓷（bioactive ceramics）。其中多孔磷酸钙生物活性陶瓷在一定条件下还表现出骨诱导性，即无需外加生长因子或活体细胞就可以诱导骨组织生成。这一新发现掀起了组织再生材料研究的热潮，通过控制生物材料尤其是生物医用陶瓷的各种材料参数，如材料的相结构、化学组成、力学特性、多孔结构和表面微纳构造等，将能够有效调控材料的生物学效应，包括调控干细胞定向分化、组织特异性细胞行为，从而调控血管的生长、骨和软组织再生，促进受损组织再生修复等。基于对多孔磷酸钙陶瓷的骨诱导性研究，发展了新一代组织诱导性生物材料，它们在植入人体后，可以刺激人体发生特定反应，调动人体的自我完善和修复功能，直至再生人体受损组织或器官。

组织诱导性生物材料

传统观念认为，无生命的生物材料不可能诱导组织形成和器官再生。用无生命的物质诱导出有生命的组织和器官是对生物材料传统观念的质的颠覆。近年来，基于磷酸钙生物医用陶瓷诱导骨组织生成现象的发现和深入研究，国内外学者提出利用无生命的生物材料植入体内，诱导有生命的机体组织和器官再生或形成，也就是在不添加任何生物因子和活体细胞的前提下，通过优化材料的理化性质，协同介导免疫响应，优势富集特殊的蛋白或生长因子，刺激干细胞的增殖和向特定组织的分化，进而激活和调动机体自身再生与修复功能，直接诱导有生命的组织器官的再生，即材料诱导组织再生的概念。2018 年，在国际生物材料科学与工程学会联合会主办的“2018 生物材料定义共识会”上，基于生物医用陶瓷研究的领先基础，我国学者提出的“组织诱导性生物材料” （tissue-inducing biomaterial）获得了广泛认同，被列入“生物材料定义”新目录。这是首个由我国科学家提出的生物材料新定义。组织诱导生物材料定义为：在不添加细胞和/或生物活性因子的情况下，一种设计用于诱导受损或缺失组织或器官再生的生物材料。

▲ 生物医用陶瓷材料诱导骨形成的机制示意图

描述了生物医用陶瓷材料诱导骨形成的相关材料因素，然而目前这些理论仍然不能完全解释在诱导骨形成过程中观察到的所有现象。骨诱导生物材料的理化性质可直接或间接触发异位骨形成；微纳表面结构有利于与骨形态发生蛋白（bone morphogenetic protein，BMP）和其他重要内源性蛋白质的相互作用，进而触发干细胞向成骨细胞分化；表面磷灰石层和无机离子释放也可能是成骨分化和骨形成过程的直接触发因素；特殊的表面拓扑结构通过力传导的方式作用于黏附细胞，直接触发骨诱导过程

近年来，生物医用陶瓷领域的研究方兴未艾，医用传统意义上，生物医用陶瓷仅能用于骨和牙齿等硬组织修复，新的发现却表明，生物医用陶瓷通过调控干细胞，也可用于各种不同的软组织修复再生。新的研究领域在不断拓展，国内学者在国际知名刊物上提出了生物材料生物适配性概念、材料生物学和生物材料基因工程等新领域，包括3D打印、纳米技术、高通量制备与评价、微流控技术等新的制备技术和评价手段在不断涌现，这将进一步促进生物医用陶瓷领域的研究向纵深发展。可以预期，生物医用陶瓷研究不仅将为临床应用提供越来越多个性化且具有特殊功能的生物材料和器件，还将改变传统的治疗方法并提供新的治疗手段，从而推动现代医学的高质量发展，造福人类健康。

▋ 生物医用陶瓷的应用领域

生物医用陶瓷现可应用于人工骨、人工关节、人工齿根、骨填充材料、骨置换材料、组织工程支架，还可应用于人造心脏瓣膜、人工肌腱、人工血管、人工气管和皮肤修复体等领域。

从临床应用来看，生物医用陶瓷材料的主要用途还是通过移植技术取代受损的骨组织和牙组织等硬组织，起到填充缺损空间和力学支撑的作用。由于生物医用陶瓷与人体硬组织在物理化学性质上的相似性，它们在齿科和骨科等外科手术应用中起到了越来越重要的作用。比较有代表性的有氧化铝和氧化锆陶瓷，它们的力学性能优异，可以制成人工种植体、牙冠和贴片等用于齿科手术，恢复受损牙组织的功能，还可以制成人工关节来替换受损关节，恢复运动功能。随着生物医用陶瓷制备技术的发展，陶瓷人工关节在髋、膝、肩、肘和腕等关节手术中展示出比传统合金材料更优的性能。例如，氧化铝-氧化锆复合陶瓷关节（俗称“粉陶”），在关节替换术中因为耐磨性、化学稳定性和生物相容性的提升，基本消除了上一代“黄陶”人工关节的问题，成为最有希望的人工关节界面材料，有望逐步替代传统合金关节和普通陶瓷人工关节材料。

▲ BIOLOX 生物医用陶瓷髋臼系统的发展

图片来源：https://www.ceramtec.com/biolox/materials/

医用陶瓷人工关节假体是生物惰性医用复合陶瓷的应用代表，经过四代工艺技术改进，日趋完善。可以说，医用复合陶瓷技术为生物医学应用提供了不断更新的产品，为解决单一相医用陶瓷材料的临床问题提供了更多可能。

此外，近年来推广比较多的还有羟基磷灰石和生物活性玻璃类生物医用陶瓷材料，这些材料通常作为金属植入材料的涂层，或者与高分子制成复合植入材料，如骨钉、骨板等内植固定物，这些材料充分发挥了其生物相容性高的性能，可大幅度提升植入物的骨整合能力，在骨折固定与修复、脊柱融合、牙槽骨增高、下颌骨重建和齿根替换等手术中开始发挥重要作用。在骨置换和充填应用中，多孔可降解生物医用陶瓷在植入生物体后，可以被迅速吸收，促进骨组织再生和加速骨组织功能恢复，这类材料包括多孔羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙陶瓷等。这些多孔陶瓷材料也常常被作为细胞和因子的载体，用于骨组织工程，提高骨再生的能力。随着生物医用陶瓷3D打印技术的成熟，生物医用陶瓷未来可能会获得更多的临床应用机会。

▲ 多因子协同调控骨再生过程

骨组织工程支架释放多种生物活性因子作用于骨形成的不同时相以促进内源性干细胞（MSCs）募集到缺损部位，并沿预定的途径扩增、分化以实现骨组织愈合

▋《生物医用陶瓷》

《》（张胜民等著. 北京：科学出版社，2023.1）为“”之一，得到国家重点研发计划项目（2022YFC2405700）的资助。本书按照“生物材料科学与工程丛书”的总体安排，分章节系统阐述生物医用陶瓷的组成成分、结构性能、先进制备技术、生物与物理效应以及临床应用等方面的基础知识和最新研究进展，共12章。

第1、2章介绍生物医用陶瓷的总体情况；第3、4章介绍生物医用陶瓷与蛋白质、细胞和活体组织的相互作用；第5章介绍典型的生物医用陶瓷的制备方法；第 6章介绍生物医用陶瓷的表面结构特征及其构建方法；第7章介绍生物医用复合与掺杂陶瓷；第8章介绍生物医用陶瓷骨水泥；第9章介绍纳米陶瓷材料及其特殊的生物物理效应；第10章介绍生物医用陶瓷材料上固载药物、生长因子等实现调控组织再生的相关内容；第11章介绍材料基因组方法与生物医用陶瓷高通量制备；第12章介绍生物医用陶瓷的临床应用。

参与撰写的作者均为国内重点单位长期从事生物医用陶瓷研究的一线专家。各章节的分工如下：第1章由西南交通大学翁杰教授和华中科技大学张胜民教授负责撰写；第2章、第4章和第10章由西南交通大学翁杰教授负责撰写；第3章由中国科学院上海硅酸盐研究所吴成铁研究员负责撰写；第5章和第12章由武汉理工大学戴红莲教授负责撰写；第6 章由四川大学杨帮成教授负责撰写；第7章由华中科技大学张胜民教授负责撰写；第8章由华东理工大学袁媛教授负责撰写；第9章由武汉理工大学韩颖超教授负责撰写；第11章由西南交通大学鲁雄教授负责撰写；张胜民教授和翁杰教授对全书进行了统稿。

在本书的撰写过程中既简要介绍了生物医用陶瓷的系统理论基础知识，又涵盖了本领域近年来的最新研究成果和发展趋势，充分体现了本领域研究的新颖性和前瞻性。同时，重点揭示了无机非金属材料的组织诱导特性及其与人体组织的生物学适配性效应和规律，为推动生物材料的研究水平再上新台阶，解决临床上国产生物材料匮乏的难题提供支撑。本书可作为高等院校、科研单位从事生物材料，特别是生物医用陶瓷相关领域研究的科研人员、研究生以及企事业单位相关工作人员的重要参考书。

本文摘编自《生物医用陶瓷》（张胜民等著. 北京：科学出版社，2023.1）一书“前言”，有修改，标题为编者所加。

（生物材料科学与工程丛书/王迎军总主编）

国家出版基金项目

ISBN 978-7-03-074544-6

丛书策划：翁靖一

（本文编辑： 刘四旦）

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