Biokeramiken dringen in unseren Körper ein

Seit dem 21. Jahrhundert haben neue Materialien allmählich Einzug in unser tägliches Leben gehalten. Als neues Material hat die Biokeramik dem Leben und der Gesundheit der Menschen großen Nutzen gebracht, so dass sie in den letzten Jahren im Bereich der medizinischen Geräte und biomedizinischen Materialien immer mehr Beachtung gefunden hat.

Biokeramik ist eine Art keramischer Werkstoffe, die für bestimmte biologische oder physiologische Funktionen verwendet werden, d. h. keramische Werkstoffe, die direkt im menschlichen Körper verwendet werden oder in direktem Zusammenhang mit dem menschlichen Körper stehen, z. B. in der Biologie, Medizin und Biochemie. Aufgrund ihrer guten Biokompatibilität und ihrer stabilen physikalisch-chemischen Eigenschaften werden sie häufig in der Orthopädie, Zahnmedizin, plastischen Chirurgie, Oralchirurgie, Herz- und Gefäßchirurgie und Augenchirurgie eingesetzt.

Je nach Verwendungszweck lassen sich Biokeramiken in pflanzliche Biokeramiken und biotechnische Biokeramiken unterteilen; je nach der Aktivität der Biokeramik in vivo kann man sie in aktive Biokeramiken und inerte Biokeramiken unterteilen. In dieser Mitteilung werden die Biokeramiken wie folgt unterteilt.

Bioinerte Keramiken

Bioinerte Keramiken haben stabile chemische Eigenschaften und eine gute Biokompatibilität, wie z. B. Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid usw., und ihre physikalischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihre funktionellen Eigenschaften entsprechen denen des menschlichen Gewebes. Ihre Hauptmerkmale sind eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit.

Zirkoniumdioxid (ZrO2)

Zirkoniumdioxid-Keramik ist das bei weitem stärkste Material für Zahnersatz und wird häufig in der Orthopädie für Hüftprothesen verwendet. Zirkoniumdioxid und Osteoblasten wurden in vitro kultiviert und die Biokompatibilität wurde bestätigt. In der Orthopädie werden Zirkoniumdioxidkeramiken hauptsächlich für künstliche Hüftgelenke verwendet. Die Haftfestigkeit von Zirkoniumdioxidkeramiken ist jedoch unzureichend, was die Stabilität der Verbindung beeinträchtigt. Gegenwärtig werden mehr Oberflächenbehandlungsmethoden wie Säureätzen und Sandstrahlen angewandt, um die Haftfähigkeit der Keramik zu verbessern. Außerdem beeinträchtigt die Sprödigkeit von Zirkoniumdioxid-Keramik die Verwendung, so dass in der Regel ein Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit angewandt wird.

Tonerde (Al2O3)

In den 1970er Jahren begann die Verwendung von Aluminiumoxid-Keramik bei der Hüft-Totalendoprothese (THA). Aluminiumoxidkeramik mit einer Härte von über 2000 HV ist in vitro nur geringfügig toxisch für menschliche Fibroblasten, und ihre mechanischen Eigenschaften bleiben in der inneren Umgebung lange Zeit unverändert. Durch die Anwendung der thermisch-isostatischen Druckplastik und der Laserätztechnik wird die Korngröße der Aluminiumoxidkeramik der dritten Generation kleiner, die Reinheit und Dichte höher, die Festigkeit und Härte deutlich erhöht und die Fragmentierungsrate verringert. Die hohe Härte und die gute Verschleißfestigkeit der Aluminiumoxidkeramik machen sie zum wichtigsten biologischen Material in der orthopädischen HTEP.

Siliziumkarbid（SiC）

In den letzten Jahren hat man versucht, Siliziumkarbidkeramik im Bereich der oralen Medizin einzusetzen. Als Implantatmaterial wurde Siliziumkarbidkeramik zunehmend von der wissenschaftlichen und klinischen Forschung bevorzugt, und es wurden Untersuchungen zu den Aspekten Biokompatibilität und Toxizität durchgeführt. Die Oberfläche der Siliziumkarbidkeramik wurde mit einer Bioglasbeschichtung versehen, die die biologische Aktivität der Siliziumkarbidkeramik weiter erhöht.

Bioaktive Keramiken

Zu den bioaktiven Keramiken, die auch als biologisch abbaubare Keramiken bezeichnet werden, gehören bioaktive Oberflächenkeramiken und bioabsorptive Keramiken. Bioaktive Keramiken enthalten in der Regel Hydroxyl und können porös sein, so dass das biologische Gewebe wachsen und sich fest mit der Oberfläche verbinden kann. Bioabsorbierbare Keramiken zeichnen sich durch eine teilweise oder vollständige Absorption aus und induzieren das Wachstum von neuem Knochen im Organismus. Zu den bioaktiven Keramiken gehören bioaktives Glas (Kalziumphosphat), Hydroxylapatit-Keramik und Trikalziumphosphat-Keramik.

Hydroxylapatit-Keramik (HAP)

Um die mechanischen Eigenschaften von Hydroxylapatit zu verbessern, wurden die mechanischen Eigenschaften des kompakten HAP verbessert. Die offensichtliche Porosität ist jedoch relativ gering. Nach der Implantation in den menschlichen Körper kann sich nur an der Oberfläche Knochen bilden, der nicht in der Lage ist, die Knochenbildung anzuregen, und nur als Gerüst für die Knochenbildung verwendet werden kann.

Daher konzentriert sich die Forschung auf poröse Hydroxylapatit-Keramiken. Es wurde festgestellt, dass das poröse Kalziumphosphor-Implantat die Struktur der Knochenmatrix nachahmt und eine Knocheninduktion aufweist, die das Gerüst und den Kanal für das Wachstum von neuem Knochengewebe bilden kann. Daher war die Gewebereaktion des Implantats nach der Implantation deutlich besser als bei der dichten Keramik.

Bioglaskeramik

Der Hauptbestandteil der Bioglaskeramik ist CaO-Na2O-SiO2-P2O5, das mehr Kalzium und Phosphor als gewöhnliches Fensterglas enthält und sich chemisch natürlich und fest mit dem Knochen verbinden kann. Es hat einzigartige Eigenschaften, die es von anderen biologischen Materialien unterscheiden, und es kann an der Implantationsstelle schnell eine Reihe von Oberflächenreaktionen durchlaufen, die schließlich zur Bildung der Apatitschicht auf Karbonatbasis führen. Die Biokompatibilität von Bioglaskeramiken ist gut. Die Materialien werden ohne Abstoßung, Entzündung und Gewebsnekrose in den Körper implantiert und können mit dem Knochen eine Knochenverbindung eingehen.

Derzeit wird dieses Material zur Reparatur kleiner Ohrknochen verwendet und hat eine gute Wirkung auf die Wiederherstellung des Hörvermögens. Aufgrund seiner geringen Intensität kann es jedoch nur an Körperstellen eingesetzt werden, an denen die Kraft nicht sehr groß ist. Das mit der Sol-Gel-Methode hergestellte Material zeichnet sich durch eine gute Reinheit, hohe Homogenität, gute biologische Aktivität und eine große spezifische Oberfläche aus, was einen höheren Forschungs- und Anwendungswert hat. Insbesondere hat das bioaktive poröse Glasmaterial gute Aussichten für die Verwendung als Gerüst für Knochengewebe.

Kalziumsulfat

Medizinisches Kalziumsulfat hat als Halbhydratkristall nach vollständigem Abbau keine offensichtlichen Auswirkungen auf den Serumkalziumspiegel im Körper. Nach der Verbindung mit Wasser wird es zu einem festen Implantat und kann als Träger für wasserlösliche Antibiotika verwendet werden. Kalziumsulfat gerinnt bei niedriger Temperatur selbst und schädigt nicht das periphere Nervengewebe, und es hat das Potenzial, Knochen zu induzieren und Kalziumionen freizusetzen. In Zusammenarbeit mit einem schwach sauren Milieu können lokal hohe Kalziumionen an den kalziumempfindlichen Rezeptor von Osteoblasten binden, um die Proliferation und Differenzierung von Knochenzellen zu fördern und die Bildung von Osteoid zu regulieren. Die osteogene Kapazität von reinen Kalziumsulfatstents ist jedoch begrenzt, und nur wenn das Periost vorhanden ist, können Kalziumsulfatstents einige alternative osteogene Eigenschaften aufweisen.

Hotspots der Biokeramik

Zusammengesetztes Material

Um die mechanischen Eigenschaften, die Stabilität und die Biokompatibilität von Biokeramiken zu verbessern, haben viele Materialwissenschaftler intensiv an Verbundwerkstoffen für Biokeramiken geforscht. Zu den gängigen Matrixmaterialien gehören biologische Polymermaterialien, Kohlenstoffmaterialien, biologisches Glas, Kalziumphosphat-Biokeramik und andere Materialien, während zu den Verstärkungsmaterialien Kohlenstofffasern, Fasern aus rostfreiem Stahl oder Kobaltlegierungen, Bioglaskeramikfasern, Keramikfasern und andere Faserverstärkungen gehören. Darüber hinaus gibt es Zirkoniumdioxid, Kalziumphosphat-Bio-Keramik, Bioglas-Keramik und andere Partikel-Verstärker.

Nanotechnologie

Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von Nanometermaterialien wie Oberflächeneffekt, Kleinheitseffekt und Quanteneffekt haben Nanometer-Biokeramik-Materialien eine breite Anwendungsperspektive, die bei der Herstellung und klinischen Anwendung von Hartgewebeersatzmaterialien wie künstlichen Knochen, künstlichen Gelenken und künstlichen Zähnen hervorragende Leistungen erbringen werden.

Im Bereich der bioaktiven Keramiken liegt der Schwerpunkt der Forschung derzeit auf der Simulation einer feinen natürlichen Knochenstruktur. Im natürlichen Knochen besteht Hydroxylapatit hauptsächlich aus Nadelkristallen von 10-60nm Länge und 2-6nm Breite. Daher konzentriert sich die aktuelle Forschung zu HAP-Nanomaterialien hauptsächlich auf Nano-HAP-Kristalle, Nano-HAP/Polymer-Verbundwerkstoffe und Nano-HAP-Beschichtungsmaterialien.