中国粉体网讯 氮化硅（Si3N4）是一种性能优异的结构功能一体化陶瓷材料，因具有高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、电性能好等优异特性而被广泛应用于机械、冶金、化学、航空、半导体等领域。
随着生物医学材料研究的不断深入，人们发现氮化硅陶瓷不仅具有良好的生物相容性与骨传导性，还能与细胞等生物组织表现出良好的亲和性，而且还具有较好的成像性能，是一种理想的人体植入材料。
氮化硅人体植入材料（图片来源：Sintx）
氮化硅作为人体植入材料的优势
生物相容性
为保证临床应用的安全性，人体植入材料必须具有良好的生物相容性。良好的生物相容性具体表现在材料与生物体组织之间的相互作用不引起明显的临床反应，在宿主体内不产生生物排斥和破坏。细胞毒性实验是最常用的检测生物相容性的体外实验之一。研究人员对致密氮化硅的细胞毒性和作为生物材料的适用性进行了研究，采用Al2O3-Y2O3-Yb2O3和Al2O3-Y2O3两种不同烧结助剂体系的致密氮化硅样品（SN1、SN4）进行体外细胞毒性实验。结果表明，两种氮化硅体系样品及其制备过程对细胞毒性均呈现阴性，游离Si4+含量（0.02ppm~0.05ppm）和其他离子（Al3+、Y3+、Yb3+）含量（<0.006ppm）均属于微量，不足以产生毒性，从而证明氮化硅陶瓷是一种非常有潜力的生物材料。
体外细胞毒性实验对照曲线（图片来源：王再义等，《氮化硅人体植入材料研究进展》）
射线成像性
氮化硅陶瓷能很好地阻挡射线透过，作为生物植入材料在X射线成像时更加清晰。另外氮化硅陶瓷是无磁性的，在计算机断层扫描（CT）和核磁共振（MRI）成像时能清晰地显示种植体周围组织的整合，不会产生通常在钛合金植入体周围观察到的放射状伪影。
抗菌性
植入材料必须能够抑制细菌的产生和附着，减少植入体附近组织炎症的发生。研究人员通过体外实验分别研究了3种常见细菌（金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和铜绿假单胞菌）在氮化硅、钛合金、聚醚醚酮上的生长情况。研究表明，经过72h培养后，表皮葡萄球菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌在氮化硅上的生物膜产量分别是聚醚醚酮的1/4、1/5、1/10和钛合金的1/2、2/3、1/4，说明氮化硅可以在不依赖抗生素的前提下降低生物膜的形成和细菌数量。
骨传导性
国外在骨传导性方面开展了大量的动物植入实验。Guedes等将氮化硅植入兔的胫骨部两月后，通过组织学和扫描电镜观察，植入物周围组织相容性良好，没有副反应，新生骨组织生长良好，并且氮化硅表面有骨桥形成，说明其具有良好的骨传导性能。
氮化硅作为人体植入材料的应用
牙科
氮化硅牙科种植体
目前常用的牙科种植材料是PEEK、钛合金等。PEEK力学强度、生物相容性、粘接性能等较差；钛合金制作工艺复杂、价格偏高、表面活性较低、不耐磨损，易引起患者过敏反应和牙龈萎缩等问题。氮化硅陶瓷以其优异的综合性能可以很大程度地避免以上问题，是一种极具前景的新型牙科种植材料，目前，牙科植入物用的骨钉、外科钢板、螺钉轴等已开发和测试。
牙科种植效果图（图片来源：姜磊等，《氮化硅陶瓷牙科修复材料研究进展》）
氮化硅桩核冠
金属铸桩核冠会因为微渗漏的存在，发生不同程度的氧化，长时间使用后金属离子析出，对牙龈牙体产生颜色渗入。而全瓷桩核冠不存在氧化的问题，不会对牙龈及牙体的基本色泽产生影响。
氮化硅作为人体植入材料的应用
骨科
氮化硅骨科植入材料（图片来源：Sintx）
髋关节和膝关节
人工髋关节和膝关节置换负重面需要具有低磨损率和良好摩擦系数的生物材料，这些材料在人体内可以保持几十年的稳定使用寿命。致密氮化硅陶瓷材料的力学性能优于目前用于全髋关节和膝关节置换的氧化铝基陶瓷和复合材料。当与自身或CoCr合金接触时，氮化硅的磨损率比氧化铝对氧化铝关节面的磨损率低，是骨科手术中使用的任何关节面材料中最低的。因此，氮化硅是一种很好的人工髋关节和膝关节假体材料，特别是当这种材料在水中与自身发生摩擦时，具有非常好的摩擦学性能。
颅颌面
颅颌面外科（CMF）涉及头部和面部的先天性和后天性条件的矫正。在美国，大量患者需要针对这些类型的疾病进行手术。以往都是利用预成型金属、聚合物或生物活性陶瓷植入物用于需要骨修复或置换的情况。然而，这些材料的平均故障率为5.5%，由此导致的感染，材料腐蚀、退化和断裂，经常需要手术修复、清创、长期抗生素使用和植入物更换，因此需要更好的材料来克服这些问题。目前，氮化硅植入材料在颅颌面外科的应用是比较有潜力的。与现有材料相比，它已被证明可以加速骨愈合，降低感染发生率，消除金属毒性，增强影像学检查，减轻患者疼痛和残疾，并减少失败的植入物相关的整体医疗保健负担。
颈椎、脊柱
由氮化硅复合材料制作的颈椎间隔器和脊柱融合器已投入使用，并取得了成功的临床结果。尤其在脊柱方面，多孔氮化硅制备的脊柱椎间体融合手术的植入材料，在澳大利亚的临床应用已经超过15年；致密氮化硅在美国的脊柱应用中植入超过3年。
氮化硅颈椎植入物（图片来源：Sintx）
结语
氮化硅基陶瓷在人体植入材料方面具有非常好的应用前景。然而，氮化硅陶瓷同样存在脆性大、可加工性欠佳等问题。因此，通过引入第二相在保持良好的生物性的同时改良其韧性和可加工性是之后的发展方向。
参考资料：
Sintx官网
1、王再义等，《氮化硅人体植入材料研究进展》
2、姜磊等，《氮化硅陶瓷牙科修复材料研究进展》
3、戴勇，《多孔聚醚醚酮/氮化硅涂层生物材料骨修复性能的研究》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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