環球微動態丨“C位”出道的第三代人工骨修復與替代材料——生物活性陶瓷

骨是人體內最重要的結締組織之一，在維持人體正常活動、保護體內器官、產生血液細胞等方面發揮著不可替代的作用。

骨骼雖然堅硬，但有時也會遭受損傷，如：由創傷、年老骨脆或疾病引起的骨折，還有意外、先天殘疾等引起的大面積骨組織缺損等。這些損傷僅靠骨組織的自我修復很難愈合，必須通過修復重建手術來恢復其形狀和功能，而這個過程需要借助骨修復與替代材料，并產生較大的醫用消費。那么，有沒有一類骨修復材料能夠做到性能更好，價格更低呢？

(資料圖)

圖1 常見骨缺損及其骨修復

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過去，戰士們征戰負傷，通常會用珊瑚、象牙、金屬、人骨、動物骨、甚至木材來替代或幫助修復骨缺損。而這些就是最早期的骨修復與替代材料。

圖2 早期的骨修復與替代材料

隨著現代醫學的發展，人們逐漸擁有了更好的骨修復與替代材料：

早期的人工骨修復材料屬于生物惰性材料，主要追求材料的理化特性與被替換的組織相匹配，并對人體產生最小的毒性反應，即“巋然不動”型；第二代人工骨修復材料出現于1960年代，稱為可生物降解或生物活性材料，這一代骨修復材料開始注重植入材料與人體之間的相互作用，追求良好的生物相容性或可觀的降解能力，即“相敬如賓”型；第三代人工骨修復與替代材料是既具有生物活性又可降解的生物材料，不僅能誘導新骨的生成，植入體還會隨之降解，即“此消彼長”型。可降解生物活性陶瓷，就是其中的典型。

圖3 骨修復與替代材料的發展

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第三代人工骨修復與替代材料具體好在哪里呢？這要從骨組織的構成說起。

**骨組織是由特殊的細胞和蛋白纖維混合于水、無機鹽和碳水化合物所形成的膠凍狀的基質中而構成，由65%的無機鹽和約35%的有機物組成。**其中的無機物主要是磷酸鈣，因此磷酸鈣類生物陶瓷在骨修復方面展現出了明顯的優勢。

目前，應用最廣的磷酸鈣類生物陶瓷是羥基磷灰石（HA）和磷酸三鈣（TCP）。磷酸鈣類陶瓷具有良好的生物相容性，植入體內不僅安全、無毒，還可傳導骨生長。主要用于不承力部位的骨缺損修復與替換，如骨缺損腔填充、牙槽脊增高、耳聽骨替換及藥物釋放載體等。

圖4 部分羥基磷灰石陶瓷產品圖片

圖5 部分磷酸三鈣生物陶瓷產品圖片

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那么，什么是“生物活性”呢？

1970年代初，美國的生物材料學家Larry Hench教授發現一種含硅的玻璃可以與骨組織形成骨性結合，并可誘導新生骨組織的形成，調控骨的發育和生長。他據此提出了“生物活性”的概念，自此開創了骨修復材料的新方向——生物活性陶瓷材料。

圖6 硅的存在對生長發育的重要性

在骨修復領域，生物活性主要指生物材料與活體骨產生化學鍵合的能力。人們通常把植入材料在生理或者模擬生理環境下能否誘導類骨羥基磷灰石沉積，作為判定材料是否具有生物活性的判據之一。

硅酸鹽類生物活性材料在植入人體內后，能夠在材料表面形成一層類骨羥基磷灰石，并通過這層類骨羥基磷灰石與骨組織形成牢固結合。因為擁有良好的生物活性，在骨骼修復、創口愈合、覆蓋修復材料甚至美容護膚高檔化妝品中，你都能見到硅基生物陶瓷粉體的身影。

既然磷酸鈣類陶瓷和硅基生物陶瓷都這么優秀，讓它們強強聯手，性能會不會更強大？

科學家們正是這樣做的。近年來，他們更加聚焦于**“鈣-磷-硅系生物活性陶瓷”的開發和研究工作。比如硅磷酸鈣（Ca5(PO4)2SiO4，CPS）生物活性陶瓷——它擁有良好的生物相容性，在模擬生理環境下能誘導類骨羥基磷灰石的快速形成。而且由于硅元素的加入，它獲得了比傳統的羥基磷灰石更優異的骨長入能力及降解能力**，能夠完美地做到“花落草長、此消彼長”。

此外，鋅、鐵、鎂、鍶、銅等多種生物活性元素摻雜的生物陶瓷材料也正在研究中。如果這些新型生物活性陶瓷能夠早日進入臨床，無疑是傷者的福音。

目前，為了得到具有集生物安全性、生物相容性、骨誘導性和高力學強度一體的生物醫用陶瓷，為了賦予生物陶瓷更多優異的功能，使其在機體內實現更好的臨床功效，科研工作者仍在不懈努力。

標簽： 生物活性 生物陶瓷 羥基磷灰石