中國粉體網訊 氮化硅（Si3N4）是一種性能優異的結構功能一體化陶瓷材料，因具有高硬度、高韌性、耐高溫、耐腐蝕、電性能好等優異特性而被廣泛應用于機械、冶金、化學、航空、半導體等領域。
隨著生物醫學材料研究的不斷深入，人們發現氮化硅陶瓷不僅具有良好的生物相容性與骨傳導性，還能與細胞等生物組織表現出良好的親和性，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勢
生物相容性
為保證臨床應用的安全性，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，在宿主體內不產生生物排斥和破壞。細胞毒性實驗是最常用的檢測生物相容性的體外實驗之一。研究人員對致密氮化硅的細胞毒性和作為生物材料的適用性進行了研究，采用Al2O3-Y2O3-Yb2O3和Al2O3-Y2O3兩種不同燒結助劑體系的致密氮化硅樣品（SN1、SN4）進行體外細胞毒性實驗。結果表明，兩種氮化硅體系樣品及其制備過程對細胞毒性均呈現陰性，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。
體外細胞毒性實驗對照曲線（圖片來源：王再義等，《氮化硅人體植入材料研究進展》）
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射線成像時更加清晰。另外氮化硅陶瓷是無磁性的，在計算機斷層掃描（CT）和核磁共振（MRI）成像時能清晰地顯示種植體周圍組織的整合，不會產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菌的產生和附著，減少植入體附近組織炎癥的發生。研究人員通過體外實驗分別研究了3種常見細菌（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，經過72h培養后，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菌數量。
骨傳導性
國外在骨傳導性方面開展了大量的動物植入實驗。Guedes等將氮化硅植入兔的脛骨部兩月后，通過組織學和掃描電鏡觀察，植入物周圍組織相容性良好，沒有副反應，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性能。
氮化硅作為人體植入材料的應用
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力學強度、生物相容性、粘接性能等較差；鈦合金制作工藝復雜、價格偏高、表面活性較低、不耐磨損，易引起患者過敏反應和牙齦萎縮等問題。氮化硅陶瓷以其優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材料研究進展》）
氮化硅樁核冠
金屬鑄樁核冠會因為微滲漏的存在，發生不同程度的氧化，長時間使用后金屬離子析出，對牙齦牙體產生顏色滲入。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生影響。
氮化硅作為人體植入材料的應用
骨科
氮化硅骨科植入材料（圖片來源：Sintx）
髖關節和膝關節
人工髖關節和膝關節置換負重面需要具有低磨損率和良好摩擦系數的生物材料，這些材料在人體內可以保持幾十年的穩定使用壽命。致密氮化硅陶瓷材料的力學性能優于目前用于全髖關節和膝關節置換的氧化鋁基陶瓷和復合材料。當與自身或CoCr合金接觸時，氮化硅的磨損率比氧化鋁對氧化鋁關節面的磨損率低，是骨科手術中使用的任何關節面材料中最低的。因此，氮化硅是一種很好的人工髖關節和膝關節假體材料，特別是當這種材料在水中與自身發生摩擦時，具有非常好的摩擦學性能。
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行手術。以往都是利用預成型金屬、聚合物或生物活性陶瓷植入物用于需要骨修復或置換的情況。然而，這些材料的平均故障率為5.5%，由此導致的感染，材料腐蝕、退化和斷裂，經常需要手術修復、清創、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用是比較有潛力的。與現有材料相比，它已被證明可以加速骨愈合，降低感染發生率，消除金屬毒性，增強影像學檢查，減輕患者疼痛和殘疾，并減少失敗的植入物相關的整體醫療保健負擔。
頸椎、脊柱
由氮化硅復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的植入材料，在澳大利亞的臨床應用已經超過15年；致密氮化硅在美國的脊柱應用中植入超過3年。
氮化硅頸椎植入物（圖片來源：Sintx）
結語
氮化硅基陶瓷在人體植入材料方面具有非常好的應用前景。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改良其韌性和可加工性是之后的發展方向。
參考資料：
Sintx官網
1、王再義等，《氮化硅人體植入材料研究進展》
2、姜磊等，《氮化硅陶瓷牙科修復材料研究進展》
3、戴勇，《多孔聚醚醚酮/氮化硅涂層生物材料骨修復性能的研究》
（中國粉體網編輯整理/長安）
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