人造骨头的种类和工艺及其展望

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1、人造骨头的种类和工艺及其展望摘要：陶瓷膏状人造骨，陶瓷制成的新型人造骨骼,由骨骼的无机成分磷酸钙和有机成份骨胶原组成的复合材料制 成的,金属钛的合金材料等材料是目前医学界公认的人造骨骼替代材料。最近发 现海草形成的钙化骨骼含有碳酸钙和生物功能玻璃能够满足和达到生理和生物 功能，在对骨缺损的修补和人造骨与自然骨的等手术上有重要的应用。骨科手术 也向着快速成型制造，等离子喷涂人造骨发展。最后对两项新技术：能生长的人 造骨骼；生物降解泡沫活骨进行了展望。关键词：人造骨种类工艺引言:对于世界上每一个人来说.无时无刻不处在运动之中.也就是说我们无 时无刻不在用我们的手臂、腿、脚等部分来完成哪十白是极其微

2、小的一个动作， 而支配这种运动的基础就是我们的骨骼。推而广之，世界上大多数的动物，也是 依靠自身神奇的骨骼结构来完成他们赖以生存的运动。很难想象，假若没有了骨 骼和牙齿，人会变成什么样子。哪个白我们的骨骼朋友稍稍出点毛病，也会使我 们的日常生活增添不小甚至是很大的麻烦，如牙齿松动，就要影响进食；骨骼受 伤，轻者卧床休息，重者需要截肢！在我们迅猛发展的科技社会中，一方面，汽车等现代化的交通工具已经紧 紧融解在我们的生活里，改变了我们的生活，但同时也给我们带来了一个日益严 重的问题:车祸。车祸使许多健康人直接暴露在伤筋断骨甚至是截肢的危险之中， 有时给他们的心灵造成难以弥合的创伤。最近两年来，人造

3、骨骼还是取得了许多 可喜的进展。人造骨运用的新材料：1陶瓷膏状人造骨日本特殊陶业公司研制出容易加工、变fl： t.的陶瓷制膏状人造骨。膏状 人造骨可以按照人体骨损坏部位的形状进行加工，但是迄今已有的人造骨硬化时 间都很长，有的需要几天时间。新研制的人造骨特点是硬化快，与已有人造骨大 约相差8个小时。此外，新产品还具有可防血液浸入骨头内部、可以用专用注射 针注入和与原骨亲和性高等特点。这家公司开始在东京大学医学系附属医院等日 本国内5家医院进行了临床治疗骨折实验，得到的评价中“极为有用”占82%。 它们争取于2004年通过制药公司生产投入市场。12美国陶瓷人造骨骼美国科学家研制出一种陶瓷制成的新

4、型人造骨骼.移植后可以替代人体内 的真正骨骼.且人体内的组织细胞不会出现坏死现象.并能继续生长不仅如 此.这种骨骼在手术前的二至三小时就可制作完成。以前，需安装金属假肢的或 做人体骨骼手术的患者.则要等待较长时间.才能找到较为合适的金属假肢或人 体骨骼。用陶瓷制造骨骼.是通过计算机系统为患者专门定做的，因此它完全 适合患者。这项新技术依靠x射线来确定骨骼尺寸和形状，它的精细度达到0. 1 毫米制定骨骼之后.还可在骨骼上钻一些小孔.以便手术医生将新骨骼与病人 原先之骨骼连接起来。此外.这种人造骨骼所用的材料与人体骨骼非常相似，有 助于患者更加活动自如。外科手术医生寄希望于这项新技术，因为金属假肢

5、尚不 尽人意，移植骨骼也有缺陷：但陶瓷骨骼能否长期保持其坚固性、仍需实践予以 检验。3人造“懒骨头”现在，日本医学科学家发明了一种人造骨.其工作特点颇具智能，可为病 人减少定时服用钙制剂及定期测定血钙的痛苦，有人戏称”懒骨头”。此种义骨 的工作原理是.将药物预先装入人造骨骼中.完成植入手术。该义骨不仅可支撑 体重，同时当体内血钙浓度降低时.人造骨即释放钙离子入Fm：而当血钙升高 时.钙离子即在人造骨表面形成一神奇薄膜，堵塞其表面的微孔.阻止药物释 放入Fm。4磷酸钙和骨胶原人造骨骼日本物质和材料研究机构与有关大学合作开发出新的人造骨骼.是用由骨骼 的无机成分磷酸钙和有机成份骨胶原组成的复合材料

6、制成的.其强度与弹性均接 近于真正的骨骼.把它移植到缺损部位能很快被吸收并长出新的骨骼来。在狗身 上做实验表明.大约3个月就可以再生出新的骨骼来。这一科研成果目前仅处 于动物实验阶段，尚需进行实用化研究开发，才能达到临床试验水平。5钛骨骼金属钛的合金材料是目前医学界公认的人造骨骼替代材料，钛被人们赞誉 为”新生物金属”现在它已开始应用于膝关节、肩关节、肋关节、头盖骨、主动,C- 瓣、骨骼固定夹等方面。钛无毒.又与人体组织和Fm液有良好的相容性.因 此.钛是一种理想的生物材料。钛头、钛制心脏起搏器不受雷雨天气的影响： 钛义齿在头面部MAI检查中不须拆除修复体。1 973年在国内首先开始研制成功

7、钛制人工关节.此项目在1 978B获全国科学大会奖。金属钛具有良好的生物相 容性和弹性模量，但其抗磨性能较差。金属钛有强度和良好的韧性.很接近生物 骨骼的要求.但植入人体或生物体后.往往难以产生理想的生物相容性.缺乏 生物活性.只是简单的机械物理结合，使这种材料的应用受到很大的限制。6海草人造骨德国基尔市的科学家成功制成了一种新型的可代替骨头的生物材料.它是生 长在海赫尔果兰岛边浅水处的某些海草。这些海草形成的钙化骨骼含有碳酸 钙.其表面有布满直径51 0微米的小孔.与天然骨头差不多。利用这种多孔 材料可以制成性能几乎与人的骨头完全一样的人造骨.是理想的骨组织替代 物.尤其适用于假牙。7生物玻

8、璃人造骨生物功能玻璃主要是指能够满足和达到生理和生物功能的玻璃。近年来开发 出一些具有生物活性、机械强度高的生物功能玻璃。它具有与周围骨质结合牢固 （生物活性）：植入骨内没有排异反应.对人体无害、无毒（生物亲和性）.机械强 度较自然骨骼高.且在人体内无强度疲劳现象，容易灭菌：成型加工容易等特 点。生物功能玻璃多为含钙和磷的向晶玻璃。将这样的玻璃植入骨骼后.自玻 璃表面溶出的钙离子与体液中存在的磷酸根离子结合生成磷酸钙层.借此与骨头 表面新后骨的磷酸钙层牢固地结合在一起。生物玻璃主要用在人造骨、人造牙、 人造关节等方面。这种玻璃的临床使用将会为人类生活带来更多快乐和幸福.大 大提高人们的生活质量

9、。8玻璃基生物水泥(GBC)生物水泥(骨水泥)在对骨缺损的修补和人造骨与自然骨的蒙古结等手术上 有重要的应用。它可以在不牺牲生物活性的基础上.现场成型和加工.以满足 骨I-4手术中矫形或修补的要求.对恢复骨功能有重要意义。此外：在手术中 人造骨与机体内的自然骨之间的连接，需要用骨水泥进行秸结，通常用聚甲基 丙烯酸甲酶作为骨蒙古结剂(bone cement).虽然PMMA骨水泥成型容易，使用 方便.但由于其生物相容性差，与人体骨是非骨性结合，在使用后期会造成连 接部位的松动，降低连接强度此外，PMMA水泥不能白行凝固硬化.需要添加 固化剂，在凝固硬化时产生大量热效应.同时由于PMMA会降解成有毒

10、的单位， 对机体也是十分有害的。因此.在手术中PMMA骨水泥材料的作用受到限制.从 而提出研制新型骨水泥Jr4-：l-的要求。用玻璃粉作为生物水泥的基体.加入 调和液缓凝剂及粘固液.制成玻璃基生物水泥(GBC)。利用玻璃中的离子活性大 于晶体中的离子活性，降低水化硬化反应的活化能.从而缩短固化时间，而且玻 璃中离子离析可在中陛溶液中进行.此外玻璃本身也可具有很高的强度。玻璃 基生物水泥.耐压强度为55M pa，抗折强度为16 Mpa，凝固时间为1025 分钟，密度为2. 012. 2Og / cm。玻璃基生物zK泥经上海新华医院动物实 验证明，无毒性作用，对动物生长无影响，对体内血象变化无影响

11、。玻璃基Jzk： 泥有望成为新型的无机生物水泥材料。人造骨工艺新发展：1快速成型制造工艺传统方法中医生给不幸受伤的人们植入人造骨骼时，先要根据所需植入骨骼 形状制备模型，然后用金属钛等进行”铸造”，费时费力且精度不高。德国科 学家为此发明一种新型制造工艺一陕速成型制造工艺。可以利用激光对金属钛 等原材料按照特定尺寸进行三维切割.直接生产出伤者所需要的人造骨骼，这不 仅大大缩短制造时间而且精度也高。弗劳恩霍夫学会设在亚琛的激光技术研究所 由-：1-学家迈纳斯带领的科研小组.首先通过断层扫描技术(cT)获N-伤者所需 植入骨骼的三维数据，然后根据这些数据由电脑控制激光束来熔化金属粉末.造 出所需的

12、人造骨骼，然后将各点”连接起来逐层铸造”。上述工序在一个可升 降的-T-台上完成，因此铸造完毕一层以后可通过高速平台高度重新铺洒金属粉 末进行下一层的”铸造”工作，最终精确按照CT数据制造出伤者所需要的人造 骨骼。利用这种制造工艺不仅可以节约原材料，而且精度高速度快，更重要的 是该工艺独特的”逐点逐层”制造方法，它可确保制造出各种复杂形状的植入骨 骼。tl： k,l-，该工艺还可用来制造其他应用领域的特殊形状物件。科学家已经 研制出了利用该工艺生产的仪器，但大规模临床使用尚待时日。2等离子喷涂人造骨羟基磷灰石等离子喷涂，是在已有的金属复合材料表面，用高温等离子火焰 喷涂上一层几十微米厚的羟基磷

13、灰石。目前医学界公认的人造骨骼替代材料是金 属钛的合金材料和羟基磷灰石材料。但它们各自存着不可克服的缺陷。使众多的 -：1-学家为之苦恼：金属钛有强度和良好的韧性.很接近生物骨骼的要求，但 植入人体或生物体后.11-3E难以产生理想的生物相容性.缺乏生物活性，只 是简单的机械物理结合，使这种材料的应用受到很大的限制：羟基磷灰石是与骨 骼成分一样的陶瓷材料，做成人造骨骼后，试验表明，植入生物体后虽然具有很 好的生物相容性，但强度和韧性却很低，始终不能成为骨骼的理想的替代品， 也极大的限制了它在医学领域的应用。而我国开展的羟基磷灰石等离子喷涂法人 造骨骼的研究，创造性的将两种最具有前途的生物材料揉

14、合在一起。即保持了金 属材料的强度和韧性，保持了羟基磷灰石的生物活性。该涂层克服了一般的简单 植入骨骼替代品的，常用的是金属合金或陶瓷涂层所带来的生物机体排异陛，实 现了良好的生物相容性，能够很好的为成骨细胞所接受。在生物材料的研究领域， 向前迈了一大步。从生物材料的研究结果来看，等离子喷涂法在生物活性材料领 域的优势是不言而喻的。可以预测的是，在不久的将来，羟基磷灰石等离子喷涂 人造骨骼会真正的造福于那些不幸的车祸或战争受害者。2人造骨向活性发展：1能生长的人造骨骼活的骨骼是一种复杂的材料.尽管经常被溶解与更新，但还必须像三维结 构网络一样发挥着机械功能。培育人造骨骼的努力已经仅仅集中在补充

15、矿物质的 组织上，但是没有能力控制形成的羟磷灰。和同事们表明通过对两性肽段的合 理设计.能够同时处理生长和结构的问题。在pH值低的情况下肽段装配成长 的圆柱体，上面则是羟磷灰石品体。这种晶体具有与圆柱体有关的适当方向，并 且当pH值升高后能够再溶解。一种关键的骨骼矿物能被诱导，沿着一个自装配 的脚手架生长，其生长方向与骨胶原中骨骼的生长方向一致。该晶体也能再溶解， 表明这种设计过程可能对制造用于替代矿化组织的新材料会有所帮助。2生物降解泡沫活骨多伦多的生物医学专家约翰戴维斯和他的同事们利用改造的生物降解泡沫 材料，成功地研制出了一种可用于骨骼移植手术的人造骨。他们用生物降解泡沫 材料为病人做了

16、一个需修补部位的骨架模型.模型上布满了无数个与人体软骨组 织类似的微孔，然后在微孔中植入骨骼生长细胞.这种人造骨骼模型一旦被植入 人体，其中的骨骼生长细胞可按骨架方向生长形成新骨.并能被人体很好地吸 收.从而达到修补骨骼的目的。本世纪移植术将取得巨大进步，不仅手术的方 法将得到完善，外科医生还可以利用最新的化学成果避免排异反应，迅速发展起 来的基因工程也将得到应用。用待植机体的健康细胞人工培植器官的办法将得到 广泛应用。从患者身上取下的细胞可培育人造阴茎、人造骨头和软骨。根据同样 原理还可以进行人工皮肤培植，为烧伤患者进行皮肤移植。2 1世纪治疗脱发也 将取得革命性突破，生长蛋白将使男人重新拥有一头浓密的头发。参考文献：1 庾晋人造骨头取得的新进展，科学前瞻2 沈思宏羟基磷酸钙人造骨的应用研究北京航天材料研究院