中國粉體網(wǎng)訊 氮化硅（Si3N4）是一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷材料，因具有高硬度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、電性能好等優(yōu)異特性而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、化學(xué)、航空、半導(dǎo)體等領(lǐng)域。
隨著生物醫(yī)學(xué)材料研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷不僅具有良好的生物相容性與骨傳導(dǎo)性，還能與細(xì)胞等生物組織表現(xiàn)出良好的親和性，而且還具有較好的成像性能，是一種理想的人體植入材料。
氮化硅人體植入材料（圖片來源：Sintx）
氮化硅作為人體植入材料的優(yōu)勢
生物相容性
為保證臨床應(yīng)用的安全性，人體植入材料必須具有良好的生物相容性。良好的生物相容性具體表現(xiàn)在材料與生物體組織之間的相互作用不引起明顯的臨床反應(yīng)，在宿主體內(nèi)不產(chǎn)生生物排斥和破壞。細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)是最常用的檢測生物相容性的體外實(shí)驗(yàn)之一。研究人員對致密氮化硅的細(xì)胞毒性和作為生物材料的適用性進(jìn)行了研究，采用Al2O3-Y2O3-Yb2O3和Al2O3-Y2O3兩種不同燒結(jié)助劑體系的致密氮化硅樣品（SN1、SN4）進(jìn)行體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，兩種氮化硅體系樣品及其制備過程對細(xì)胞毒性均呈現(xiàn)陰性，游離Si4+含量（0.02ppm~0.05ppm）和其他離子（Al3+、Y3+、Yb3+）含量（<0.006ppm）均屬于微量，不足以產(chǎn)生毒性，從而證明氮化硅陶瓷是一種非常有潛力的生物材料。
體外細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)對照曲線（圖片來源：王再義等，《氮化硅人體植入材料研究進(jìn)展》）
射線成像性
氮化硅陶瓷能很好地阻擋射線透過，作為生物植入材料在X射線成像時(shí)更加清晰。另外氮化硅陶瓷是無磁性的，在計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和核磁共振（MRI）成像時(shí)能清晰地顯示種植體周圍組織的整合，不會產(chǎn)生通常在鈦合金植入體周圍觀察到的放射狀偽影。
抗菌性
植入材料必須能夠抑制細(xì)菌的產(chǎn)生和附著，減少植入體附近組織炎癥的發(fā)生。研究人員通過體外實(shí)驗(yàn)分別研究了3種常見細(xì)菌（金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和銅綠假單胞菌）在氮化硅、鈦合金、聚醚醚酮上的生長情況。研究表明，經(jīng)過72h培養(yǎng)后，表皮葡萄球菌、金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌在氮化硅上的生物膜產(chǎn)量分別是聚醚醚酮的1/4、1/5、1/10和鈦合金的1/2、2/3、1/4，說明氮化硅可以在不依賴抗生素的前提下降低生物膜的形成和細(xì)菌數(shù)量。
骨傳導(dǎo)性
國外在骨傳導(dǎo)性方面開展了大量的動物植入實(shí)驗(yàn)。Guedes等將氮化硅植入兔的脛骨部兩月后，通過組織學(xué)和掃描電鏡觀察，植入物周圍組織相容性良好，沒有副反應(yīng)，新生骨組織生長良好，并且氮化硅表面有骨橋形成，說明其具有良好的骨傳導(dǎo)性能。
氮化硅作為人體植入材料的應(yīng)用
牙科
氮化硅牙科種植體
目前常用的牙科種植材料是PEEK、鈦合金等。PEEK力學(xué)強(qiáng)度、生物相容性、粘接性能等較差；鈦合金制作工藝復(fù)雜、價(jià)格偏高、表面活性較低、不耐磨損，易引起患者過敏反應(yīng)和牙齦萎縮等問題。氮化硅陶瓷以其優(yōu)異的綜合性能可以很大程度地避免以上問題，是一種極具前景的新型牙科種植材料，目前，牙科植入物用的骨釘、外科鋼板、螺釘軸等已開發(fā)和測試。
牙科種植效果圖（圖片來源：姜磊等，《氮化硅陶瓷牙科修復(fù)材料研究進(jìn)展》）
氮化硅樁核冠
金屬鑄樁核冠會因?yàn)槲B漏的存在，發(fā)生不同程度的氧化，長時(shí)間使用后金屬離子析出，對牙齦牙體產(chǎn)生顏色滲入。而全瓷樁核冠不存在氧化的問題，不會對牙齦及牙體的基本色澤產(chǎn)生影響。
氮化硅作為人體植入材料的應(yīng)用
骨科
氮化硅骨科植入材料（圖片來源：Sintx）
髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)
人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換負(fù)重面需要具有低磨損率和良好摩擦系數(shù)的生物材料，這些材料在人體內(nèi)可以保持幾十年的穩(wěn)定使用壽命。致密氮化硅陶瓷材料的力學(xué)性能優(yōu)于目前用于全髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換的氧化鋁基陶瓷和復(fù)合材料。當(dāng)與自身或CoCr合金接觸時(shí)，氮化硅的磨損率比氧化鋁對氧化鋁關(guān)節(jié)面的磨損率低，是骨科手術(shù)中使用的任何關(guān)節(jié)面材料中最低的。因此，氮化硅是一種很好的人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)假體材料，特別是當(dāng)這種材料在水中與自身發(fā)生摩擦?xí)r，具有非常好的摩擦學(xué)性能。
顱頜面
顱頜面外科（CMF）涉及頭部和面部的先天性和后天性條件的矯正。在美國，大量患者需要針對這些類型的疾病進(jìn)行手術(shù)。以往都是利用預(yù)成型金屬、聚合物或生物活性陶瓷植入物用于需要骨修復(fù)或置換的情況。然而，這些材料的平均故障率為5.5%，由此導(dǎo)致的感染，材料腐蝕、退化和斷裂，經(jīng)常需要手術(shù)修復(fù)、清創(chuàng)、長期抗生素使用和植入物更換，因此需要更好的材料來克服這些問題。目前，氮化硅植入材料在顱頜面外科的應(yīng)用是比較有潛力的。與現(xiàn)有材料相比，它已被證明可以加速骨愈合，降低感染發(fā)生率，消除金屬毒性，增強(qiáng)影像學(xué)檢查，減輕患者疼痛和殘疾，并減少失敗的植入物相關(guān)的整體醫(yī)療保健負(fù)擔(dān)。
頸椎、脊柱
由氮化硅復(fù)合材料制作的頸椎間隔器和脊柱融合器已投入使用，并取得了成功的臨床結(jié)果。尤其在脊柱方面，多孔氮化硅制備的脊柱椎間體融合手術(shù)的植入材料，在澳大利亞的臨床應(yīng)用已經(jīng)超過15年；致密氮化硅在美國的脊柱應(yīng)用中植入超過3年。
氮化硅頸椎植入物（圖片來源：Sintx）
結(jié)語
氮化硅基陶瓷在人體植入材料方面具有非常好的應(yīng)用前景。然而，氮化硅陶瓷同樣存在脆性大、可加工性欠佳等問題。因此，通過引入第二相在保持良好的生物性的同時(shí)改良其韌性和可加工性是之后的發(fā)展方向。
參考資料：
Sintx官網(wǎng)
1、王再義等，《氮化硅人體植入材料研究進(jìn)展》
2、姜磊等，《氮化硅陶瓷牙科修復(fù)材料研究進(jìn)展》
3、戴勇，《多孔聚醚醚酮/氮化硅涂層生物材料骨修復(fù)性能的研究》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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