氮化硅生物陶瓷的“十八般武艺”

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（来源：新型陶瓷）

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前言

氮化硅（Si3N4）作为一种新兴的生物陶瓷材料，以其优异的机械性能、生物相容性，在医学植入物中展现出巨大的应用潜力。具体而言，氮化硅已被用作一种骨科生物材料，并成功应用于假体髋关节和膝关节的轴承部件，以改善假体的磨损和延长其使用寿命。此外，在脊柱手术中，氮化硅材料还被用于促进骨融合。氮化硅陶瓷材料在医学领域展现出优异的稳定性和可靠性。氮化硅材料还表现出较强的细胞粘附性和骨传导性，这为其在骨修复中的应用提供了重要的生物学基础[1-2]。然而，氮化硅生物陶瓷应用于骨修复面临两大瓶颈：脆性高、难降解，导致新骨无法长入替代，临床应用受限。

近二十年来，随着材料科学和生物工程的发展，国内外围绕氮化硅生物陶瓷的研究日益活跃，氮化硅生物陶瓷材料经历了快速的发展[3]。本文系统论述了氮化硅生物陶瓷材料的基础性能研究及临床应用探索，以期为该领域的持续创新提供参考。

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氮化硅生物陶瓷的基础性能研究[1]

2.1 力学性能研究

Si3N4陶瓷因其卓越的力学性能闻名，表现出极高的强度和硬度。不同烧结工艺下Si3N4陶瓷的性能存在显著差异，具体表现在密度、弯曲强度、压缩强度、断裂韧性、弹性模量等方面。在生物医学领域，由于热压烧结Si3N4具有优异的机械性能、生物相容性及稳定性，尤其适用于承载力要求高的人工关节、脊柱融合器和种植牙基台等承重型植入物。相比之下，无压烧结Si3N4陶瓷力学性能虽然略逊于热压烧结Si3N4，但仍能满足中等负荷条件下的生物医用植入物，如非承重型骨修复填充材料及牙科修复附件的应用需求。反应烧结Si3N4陶瓷在低负荷、非承重的骨修复支架及短期植入物上仍有一定应用前景，尤其适合于对经济成本敏感或个性化植入物快速成型的临床应用场景[4-5]。

2.2表面化学性能研究

Si3N4因其表面化学特性而被证明是一种独特的生物陶瓷，这种特性使其能够与人体良好地相互作用[6]。Si3N4特殊的表面化学特性，最初被研究是为了提高其力学性能，如今已成为理解其生物学特性的关键。氮化硅在空气或水环境中的相互作用表现出以下重要特征：

氧化：Si3N4粉末暴露于干燥空气中会形成主要由Si2N2O组成的过渡氧化层。在潮湿空气中，会生成一系列中间产物，包括硅醇、亚胺、硅胺和硅炔基团。氮元素被释放并迅速反应生成氨。持续的氧化会在表面边界形成二氧化硅（SiO2），随后进一步水解为硅酸（Si(OH)4）。

水解：Si3N4在水中分散时易发生水解，其反应路径与潮湿空气中的氧化过程一致。水解释放的氨会在固体表面形成二氧化硅。氨的溶出（及其质子化生成铵离子NH4+）使固液界面处形成强效的pH缓冲环境。氧化生成的二氧化硅层会逐渐溶解，转化为胶体二氧化硅（即硅酸）和其他硅酸盐物种。

表面化学的相互依赖性：表面氧含量、Si-OH与Si2-NH表面基团的相对比例以及表面电荷密度之间存在显著关联。理解这种关联性使生物材料科学家能够精准调控Si3N4的表面化学特性，以满足特定生物医学需求。

氧化表层的溶解性：氮化硅表面氧化层的浸出速率随pH升高而加快。研究表明，氧化、水解及溶解过程均会显著改变表面组成及其电荷分布。

2.3骨传导特性研究

氮化硅能积极促进骨组织细胞的附着、分化和增殖。类似于羟基磷灰石，Si3N4具有亲生物的两性离子表面，有助于成骨细胞的沉积和运动。Si3N4独特的表面化学在浸入生物环境中时被激活，通过水解反应释放出硅和氮。这些元素进一步转化为成骨促进基团，如硅酸、铵离子和氨：一方面，硅被成骨细胞摄取，并整合到新矿化的骨组织中；另一方面，氨气可自由穿过细胞膜，而铵离子则通过双重途径去质子化并跨细胞运输；氨气通过酶促转化为外源性一氧化氮，作为调控骨生成过程的信号分子。实验证据表明，它以一种促进成骨细胞而抑制破骨细胞的浓度进行动力学释放和转化。Si3N4的高度亲骨表面与这些成骨促进基团的联合作用，增强了成骨活性。研究表明，Si3N4有望在多种骨骼疾病和病症的治疗中带来革新。

2.4抗菌性能研究

氮化硅对多种细菌菌株（包括革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌）表现出强效的抗菌活性。氮化硅较为粗糙的亚微米级/纳米级形貌及其特殊的pH依赖性表面化学性质是主要的抑菌机制之一。同时，氮化硅表面的Si-NH3+、Si-NH2、Si-O等亲水官能团通过蛋白质吸附和细胞粘附阻碍了细菌生物膜的形成[7]。在生理pH水溶液条件下，氮化硅能将氢原子从Si-OH基团中解离出来，产生超氧自由基，使其表面带负电荷，通过静电作用阻碍细菌附着。同时氮化硅表面Si-NH3+基团的解离从而使自发释放的氨增加了介质的pH，导致建立了不利于细菌粘附的弱碱性环境（pH值约为8.5），也影响了细菌的代谢。研究还表明，Si3N4对一些常见且具有高毒性的病毒也具有抗病毒效果。

2.5成像特性研究

研究发现，氮化硅具有非常优异的成像性能，在X射线下半透明，很容易看到，不会阻碍植入体后面骨解剖的成像，其介电和非磁性特性消除了CT和MRI扫描中的畸变，在CT和MRI下不产生伪影[8]，在外科手术中有利于医生对手术的判断。

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氮化硅生物陶瓷材料的临床应用探索

3.1脊柱融合方面的研究

Si3N4作为脊柱植入物的新颖用途始于20世纪80年代中期。当时，首个将Si3N4用于脊柱植入物的研究团队发现，使用反应结合的Si3N4椎间隔器显著减轻了患者的疼痛并促进了脊柱融合[9]。四十多年来，氮化硅已被临床上用于脊柱融合术中的多孔椎间间隔器，且未出现任何不良长期影响。为实现椎间融合，氮化硅能够促进新骨向内生长和骨整合，且其已证实的抑菌性能及增强的医学影像效果均优于传统的聚醚醚酮（PEEK）和钛植入物。这主要归因于其显著的亲水性，能够吸引富含促进骨骼生长的非胶原蛋白的细胞外液，激活成骨细胞并抑制破骨细胞。因此，氮化硅能加速骨骼愈合、骨融合，从而促进植入物整合。氮化硅在脊柱重建中的有效性还得到其强抗菌性的支持，这是由表面化学、表面pH值、质地和电荷的协同作用引起的。

3.2在全髋关节置换术中的应用

氮化硅陶瓷由于其高机械稳定性和摩擦学特性的优异结合，已成为全髋关节置换术轴承中股骨头的一个非常有前景的候选材料[10]。影响全髋关节置换术关节寿命的最重要因素是股骨头与髋臼组件的磨损性能。Bal[11]等人首次在2008–2009年采用硬对硬配对进行评估测试。结果表明，Si3N4–Si3N4和CoCr–Si3N4轴承的磨损率与商用的Al2O3–Al2O3轴承基本相当，且显著低于CoCr-CoCr。

3.3 在牙科领域的应用[12]

与经典钛合金植入物相比，由氮化硅制成的牙科植入物被认为具有更优的机械性能。近年来，研究人员探索Si3N4陶瓷应用于牙科种植体和全瓷冠等牙科修复领域上，并已取得初步的进展。

白色Si3N4可以在氮气氛围中于1650°C下通过无压烧结制备而成，可优选用于制造符合ISO6872标准的多单位牙科修复体。要获得适用于修复应用的色度，Si3N4的颜色还可以通过引入的孔隙度来定制。不过，目前可用的临床前数据较少，Si3N4作为牙科植入物材料的研究才刚刚起步，还需进一步研究。

结语

目前氮化硅生物陶瓷材料的研究取得了较大的进展，但仍需更深入和系统的研究探索，尤其是如何平衡材料的力学性能与生物学性能，使其更好地适应复杂的骨修复需求。虽然氮化硅材料在部分骨科植入物中的初步应用已取得了积极成果，但其长期临床效果和广泛适用性仍需更多的实验验证与临床评估。随着材料科学、生物医学工程及临床医学研究的深入发展，氮化硅生物陶瓷材料在未来有望突破现有瓶颈，进一步实现材料性能的综合提升并推动临床应用的快速转化，为骨缺损修复提供更安全、更高效、更经济的治疗方案。

参考文献

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[3]BOSCHETTO F,RONDINELLA A,MARIN E.Biological activity of silicon nitride ceramics: a critical review [J].Materials,2024,17(22):5548.

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[11]BAL BS, KHANDKAR A,LAKSHMINARAYANAN R,et al.Fabrication and testing of silicon nitridebearings in total hip arthroplasty[J].The Journal of Arthroplasty,2009, 24(1):110-116.