一、生物陶瓷概述
生物陶瓷是材料工业发展的一个新领域，受到世界各国的重视。生物陶瓷是指用作特定生物或生理功能的一类陶瓷材料，即直接用于人体或与人体直接相关的生物、医用、生物化学等的陶瓷材料。生物陶瓷不仅具有不锈钢、塑料所具有的特性，而且具有亲水性，能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性，生物陶瓷主要是用于人体硬组织修复和重建的陶瓷材料，与传统的陶瓷材料不同，它不单指多晶体，而且包括单晶体、非晶体生物玻璃和微晶玻璃、涂层材料、梯度材料、无机与金属的复合、无机与无机、无机与有机或生物材料的复合材料。
生物陶瓷按其生物学性能可分为生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。生物惰性陶瓷的化学性能稳定，生物相容性好，如氧化铝、氧化锆等，其物理机械性能及功能特性与人体组织相匹配，主要特点是力学强度高，耐磨性强。生物活性陶瓷包括表面活性陶瓷和生物吸收性陶瓷，常见的生物活性陶瓷有生物活性玻璃、羟基磷灰石陶瓷、磷酸三钙、硫酸钙陶瓷等[1]。
根据生物陶瓷在生理环境中的化学活性，生物陶瓷又可分为3种类型：近于惰性的生物陶瓷，表面活性的生物陶瓷和可吸收生物陶瓷。生物陶瓷和其他材料所构成的复合材料可被认为是第4类陶瓷。近于惰性的生物陶瓷，如氧化铝（Al2O3）和氧化锆（ZrO2）生物陶瓷等，长期暴露于生理环境中不发生或仅发生十分微弱的化学反应，能保持长期稳定。生物惰性陶瓷主要包括氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷、生物玻璃陶瓷、复合材料与涂层、多孔质陶瓷材料。表面活性生物陶瓷主要是羟基磷灰石生物活性陶瓷、生物活性玻璃陶瓷及复合材料与涂层，在生理环境中可通过其表面发生的生物化学反应与组织形成化学键结合。可吸收陶瓷，包括羟基磷灰石及磷酸钙系统吸收骨置换材料，如石膏，磷酸三钙陶瓷，在生理环境中可被逐步降解和吸收。常见生物陶瓷主要制备方法、相关特征比较及常见用途见表1。
二、生物陶瓷主要应用
不同种类的生物陶瓷的物理、化学和生物学性质差别很大，在医学领域中有着不同的用途。在临床中，生物陶瓷主要用于肌肉-骨骼系统的修复和替换，用于骨科、整形外科、牙科、口腔外科、心血管外科、眼外科、耳鼻喉科及普通外科等方面，在临床上已用于髋、膝关节、人造牙根、牙嵴增高和加固，颌面重建、心脏瓣膜、中耳听骨等（图1）。也可用于测量和诊断，用于心血管系统的修复和制作药物释放和传递载体。它们的生物相容性和磁性或放射性，能有效治疗肿瘤。生物陶瓷药物释放载体是20世纪80年代末开始发展出来的一类新型药物缓释系统。生物陶瓷在临床的部分应用见表2。
三、生物陶瓷市场分析
《全球生物材料与应用2020预测》报告预测全球生物材料市场将以复合年增长率16%的速度增长，将从2015年的620.6亿美元达到2020年的1 305.7亿美元[4]。Nanomarkets公司的《世界医用陶瓷市场：2013》报道世界医用陶瓷市场将从2013年的11亿美元增加到2018年的23亿美元[5]。
医用生物陶瓷关键市场：医用陶瓷的关键市场是移植生物陶瓷和具有分析及科学仪器的医疗设备。移植生物陶瓷包括用于齿和骨头替换的医疗设备和移植体。生物陶瓷由于在生物构成的生物活性和与金属制造成不同的复合材料，包括自然或合成聚合物、碳纤维或碳纳米管，因此其作为移植材料有巨大的市场需求。
移植生物陶瓷市场：生物陶瓷的耐磨性和生物相容性使其适用许多医疗设备，从药物传递装置到人工关节，刺激器和电子传感器。如氧化锆和氧化铝陶瓷能承受人体的不友好环境。牙齿和骨替代是移植陶瓷的2个主要市场。
牙科消费包括胶合剂、粘合剂、牙髓、复合材料、印模材料、牙齿正畸、移植和牙冠/牙桩，牙科设备包括如数字成像系统、痰盂、压缩机、通信系统、椅子、消毒器和灭菌器等大设备，及小的设备例如超音波擦净剂、复印机、实验室设备、手持件擦净剂、混汞器和除汞合金系统等。主要跨国制造商占有全球移植体市场的大致2/3。其余市场则由数百个竞争对手分割，大多数聚焦在某个区域国家或地区。全球牙移植体市场竞争激烈，市场上只有几个主要公司，即Zimmer、Dentsply、Straumann和NobelBiocare。世界老龄人口增加，较低的牙移植率和寿命延长是主要的市场驱动因素，增加的城镇人口和消费水平是另一个市场驱动因素。
氧化铝和氧化锆是骨移植体的关键陶瓷材料。如摩根工业陶瓷Vitox AMC陶瓷公司用在髋关节的氧化铝复合材料磨损率低，Amedica研发的医疗级别氮化硅陶瓷可用于脊柱和关节置换。氧化铝和氧化锆还可以用于骨组织工程。
生物医疗设备用陶瓷：主要包括成像仪、医学化验设备、检验系统和超声波设备。医疗设备用陶瓷数量取决于生产和使用的设备数量，因此可以预测，移植体生物陶瓷需求量将大于医疗设备陶瓷需求量。
移植体陶瓷市场机会：在牙齿保健行业，牙齿消耗最大，其次是牙科设备。考虑平稳增长的小移植体市场，可以预测生物陶瓷市场将在2013年的未来8年有显著增长。生物材料供应商将从天然基质、复合材料和新生产技术中，如静电纺和注射模型技术，获得新的利润。具有生物活性、长生命周期和低生产成本是提升临床应用的关键。
纳米陶瓷复合材料：纳米陶瓷复合材料在骨组织重生方面有应用潜力。体外实验已经证明成骨细胞可在纳米陶瓷颗粒和涂层组成的基质上增殖。但也有研究在用陶瓷与碳纳米管的复合材料时观察到了细胞毒性。并且，纳米陶瓷与胺或酰胺形成复合材料可能引起有毒碎片累积，并引起炎症或免疫反应导致移植体排斥。
四、中国生物陶瓷研究热点
我国近几年对生物陶瓷的研究主要集中在激光熔覆生物陶瓷涂层[6、7]，以及抗菌生物陶瓷功能方面、稀土在生物陶瓷领域的应用[8-10]。2014年度的生物陶瓷大会[11]关注研究热点如组织再生的生物陶瓷及复合材料、用于疾病诊断/治疗的纳米无机材料、生物陶瓷涂层材料、用于药物释放的纳米无机材料等。中国涉及生物陶瓷的国家重点实验室有：新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室（清华大学）、高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室（中国科学院上海硅酸盐研究所）、无机合成与制备化学国家重点实验室（吉林大学）、材料复合新技术国家重点实验室（武汉理工）、有机无机复合材料国家重点实验室（北京化工大学）等。这些高校和研究机构对生物陶瓷领域一直在进行相关的研究。例如：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员吴成铁与常江带领的研究小组首次提出将骨组织工程与光热治疗相结合的思想，在制备用于治疗与修复骨肿瘤缺损的光热功能化的生物活性陶瓷支架的研究中取得了新进展[12]。该研究通过3D打印技术制备出生物陶瓷与氧化石墨烯复合支架（图2），在超低功率近红外光下可使支架温度迅速升高，且其光热性能可控。中国科学院宁波材料研究所李华团队近期开发了一种新型的羟基磷灰石-石墨烯纳米复合生物块材解决了长期以来存在的陶瓷生物材料的增韧问题。材料表面改性例如纳米结构以及石墨烯新材料的添加，极大地提高了羟基磷灰石生物陶瓷的生物特性。该材料具备的优化的力学性能以及生物特性意味着该复合生物材料有望在生物医学领域得到应用[13]。
此外，在企业方面，昆山华侨科技新材料有限公司是集生物医用材料，医用植入体以及先进制造工艺的研发、生产和销售的高科技企业，在实际研发生产过程中和中国科学院上海硅酸盐研究所在高科技产品的研发、促进科技成果转化、推动科技成果产业化、合作共建研发平台、加强人才培养与交流等方面建立了长期的合作关系。合作伙伴还有美国诺邦生物制品有限公司等。该公司拥有多项专利，同时定期与交通大学、美国生物材料研究中心等合作交流，确保在生物材料研发项目中始终处于国际先进水平中。该公司开发出的多孔生物活性玻璃已获得国家发明专利，其产品远销美国、欧盟等国家和地区，并逐步推向国内市场，在临床上被广泛的应用于骨科、整形外科、脑外科、五官科以及口腔科等领域，并且拥有超过65万成功手术案例的保证[14]。
五、未来发展建议
目前全球的生物医用材料产业高度集中或垄断，产品多样化、生产和销售国际化研发的全球化等都是生物医用材料产业发展的特点和趋势。同时，为适应国际贸易的发展，国际标准化组织（ISO）不断制定和发布生物医用材料和制品的国际标准[15]。高技术含量的研发实力和创新实力、先进精密的自动化生产、检测设备、信息化技术已经普及，保证了企业的产品先进性和市场的垄断地位。生物医用材料产业是一个新兴的产业，其产品和技术更新换代周期短，通常仅10年左右，为保持技术的先进性和产品的市场竞争力，技术创新和升级是其生存和进一步发展的基础。为此，发达国家企业在研究与开发方面的投入不断增大，仅次于新药研发，高达其销售额的11%～13%，且持续增长。在我国常规高技术生物医用材料市场基本上为外商垄断的情况下，抓住生物材料科学与工程正在发生革命性变革的有利时机，前瞻未来20～30年的世界生物材料科学与产业，刻意提高创新能力，使我国生物材料科学与产业与世界先进水平接轨难得的机遇。
生物陶瓷在技术方面还存在着生物相容性和结构的稳定性、自定义结构的生产和加工的产业化、原料材料性能改进及生物陶瓷制品的后处理工艺以及制造成本高等技术问题，但是随着3D打印技术等先进的生产技术以及一些如纳米技术、复合新材料等新兴的材料的研发和应用，有关生物陶瓷的制备会越来越简易，应用也越来越广泛，在医学、生物学以及日常生活和工业生产中都会有广泛的发展空间。
与国外研发主要集中在行业垄断企业集中不同，目前我国有关生物陶瓷的研发还是主要集中在科研机构和高校的学术机构，科研转化相对比较少。未来应当重点考虑教育、科研学术机构加大科技成果转移转化，将现有的或未来研发的内容向企业进行成果转移和转化，加大对生物陶瓷市场的占有率。
参考文献
[1] 高定，徐永清，李福兵.生物陶瓷材料的应用及其研究进展[J].西南国防医药，2014，24（9）.
[2] 伍小沛.硫酸钙基多孔复合支架材料的制备及其性能研究[D].昆明理工大学，2013.
[3] Thamaraiselvi T V，Rajeswari S.Biological evaluation of bioceramic materials-a review A Review Trends[J].Trends in Biomaterials & Artificial Organs，2003，18（1）.
[4] Biomaterials Market Worth 130.57 Billion USD by 2020[EB/OL].http：///PressReleases/ global-biomaterials.asp.
[5] Worldwide Medical Ceramics Markets：2013[EB/OL].http：///news-releases/worldwide-medicalceramics-markets-2013-240452651.html.
[6] 崔瑛，王海玲，段海平，等.特殊生物矿物源双机抗菌陶瓷浸出液的毒理学评价[J].毒理学杂志，2014（1）：84-86.
[7] 夏昌其.La2O3对激光熔覆生物陶瓷涂层显微组织结构的影响[J].广东化工，2014（11）：98-100.
[8] 张玲琰，刘其斌，江佩泽，等.混合稀土掺杂对宽带激光熔覆梯度生物陶瓷涂层生物活性的影响[J].稀有金属，2014（4）：653-659.
[9] 蒋海兵，刘其斌，张玲琰.Y2O3-CeO2稀土氧化物对激光熔覆生物陶瓷涂层中HA的影响[J].中国表面工程，2014（3）：38-42.
[10] 李宾，汪震.稀土活性梯度生物陶瓷涂层的组织结构研究[J].硅谷，2014（15）：36-37.
[11] 中国科学院上海分院.第十四届亚洲生物陶瓷大会（ABC2014）在上海召开[EB/OL].http：//.cn/g928/s3102/t1917.aspx.