什么是纳米生物陶瓷材料？
生物陶瓷作为一种生物医用材料，无毒副作用，与生物组织相容性好，耐腐蚀，已广泛应用于临床制造人工骨、骨钉、假牙、牙种植体和髓内钉。目前，生物陶瓷材料的研究已经从短期的替代和填充发展到永久牢固的种植，从生物惰性材料发展到生物活性材料。但由于常规陶瓷材料中孔隙和缺陷的影响，这种材料的低温性能较差，弹性模量远高于人体骨骼，力学性能不匹配，容易断裂，强度和韧性达不到临床要求，大大限制了其应用。
纳米材料的出现使生物陶瓷的生物学和力学性能大大提高成为可能。与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷内部孔隙或缺陷的尺寸大大减小，材料不易引起穿晶断裂，有利于提高固体材料的断裂韧性。但晶粒细化大大增加了晶界数量，有助于晶界间的滑移，使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。一些材料科学家指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。同时，纳米材料固有的表面效应使得其表面原子有很多悬挂键，不饱和，化学活性高。这种特性可以增加材料的生物活性和成骨诱导能力，实现植入材料在体内早期固定的目的。
美国科学家在体外模拟实验中研究了纳米固体氧化铝和纳米固体磷灰石材料与常规氧化铝和磷灰石固体材料的区别。结果表明，纳米固体材料具有更强的细胞吸附和繁殖能力。他们怀疑这可能是由于以下原因。
(1)纳米固体材料在模拟环境中更容易降解。
(2)晶粒和孔径的减小改变了材料的表面粗糙度，增强了类成骨细胞的功能。
(3)纳米固体材料表面亲水性更强，细胞更容易吸附在上面。
此外，人们还利用纳米颗粒小、比表面积大、扩散率高的特点，在一些已提出的生物陶瓷材料中添加纳米陶瓷粉末，以提高此类材料的密度和韧性，并将其用作骨替代材料，如纳米氧化铝增韧氧化铝陶瓷、纳米氧化锆增韧氧化锆陶瓷等。，并取得了一定的进展。
中国四川大学的科学家将纳米类骨磷灰石晶体和聚酰胺聚合物制成复合物，并将纳米晶体的含量调整到与人体骨骼所含比例相同，成功研制出纳米人工骨。这种纳米人工骨是一种高强度、柔性的复合仿生生物活性材料。由于这种复合材料具有优良的生物相容性、机械相容性和生物活性，由其制成的纳米人工骨不仅能与天然骨形成生物结合，而且能与人体肌肉和血管牢固生长。还能诱导软骨的形成，各种特性几乎与人骨相当。此外，他们还设想将纳米固体陶瓷材料制成人造眼球的外壳，使这种人造眼球不仅能像真眼一样同步运动，还能通过电脉冲刺激脑神经，看到精彩的世界；理想的纳米生物陶瓷眼球能与眼眶肌肉组织很好地融合，并能同步运动。
在无机非金属材料中，磁性纳米材料最受关注，已成为新兴生物材料领域的研究热点。特别是磁性纳米粒子表现出良好的表面效应，比表面积急剧增加，官能团密度和选择性吸附能力增加，携带药物或基因的百分比增加。在物理和生物学意义上，顺磁性或超顺磁性纳米铁氧体纳米颗粒在外磁场作用下，通过升温至40 ~ 45℃即可杀死肿瘤。
德国学者报道了氧化铁含量为75% ~ 80%的超顺磁性多糖纳米粒子(200 ~ 400 nm)的合成及其理化性质。它与纳米二氧化硅相互作用以提高颗粒基体的强度，并研究了纳米磁性颗粒在分子生物学中的应用。测试具有特定比表面的葡萄糖和二氧化硅增强的纳米颗粒。与工业上可用的人工磁珠相比，它包括DNA自动纯化、蛋白质检测、分离纯化、生物材料中的逆转录病毒检测、内毒素去除和磁性细胞分离。例如，在DNA的自动纯化中，用浓度为25mg/mL的葡聚糖纳米颗粒和SiO2 _ 2增强的纳米颗粒悬浮液实现了DNA类型1-2KD的非特异性DNA结合能力。二氧化硅增强葡聚糖纳米颗粒的应用大大减弱了背景信号。此外，磁性纳米粒子还可以包覆高分子材料，与蛋白质结合，作为药物载体注射到人体内。在2125×103/π(A/m)的外磁场作用下，磁性纳米粒子的磁取向可以使其向病灶移动，从而达到定向治疗的目的:Fe3O4例，10 ~ 50n。这种局部治疗效果好，副作用少。有前途的纳米技术。
此外，根据TiO _ 2纳米粒子具有很高的氧化还原能力，在光照下可以分解微生物的蛋白质这一事实，科学家进一步将TiO _ 2纳米粒子应用于癌细胞的治疗。研究结果表明，TiO _ 2纳米粒子在紫外线照射65438±00分钟后能杀死所有癌细胞。
还有一些其他应用的例子。
20世纪80年代初，人们开始利用纳米粒子分离细胞，并建立了利用纳米二氧化硅粒子分离细胞的新技术。基本原理和过程如下:首先，制备二氧化硅纳米颗粒，尺寸控制在15 ~ 20 nm。结构一般是无定形的，然后其表面被单层覆盖。涂层的选择主要取决于待分离细胞的种类，通常选择与待分离细胞具有亲和力的物质作为附着层。包覆二氧化硅纳米粒子形成的复合物的尺寸约为30纳米；。第二步，制备含有各种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液，并适当控制胶体溶液的浓度；第三步是将纳米二氧化硅包覆颗粒均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中，然后通过离心技术和密度梯度原理快速分离出所需细胞。这种方法的优点是:①容易形成密度梯度；②纳米二氧化硅颗粒易于从细胞中分离出来。这是因为纳米二氧化硅颗粒属于无机玻璃范畴，性质稳定。一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不污染生物细胞，也不容易分离。
基于不同抗体对细胞内各种器官和骨组织的敏感性和亲和力的显著差异，选择抗体类型，将纳米金颗粒与预先精制的抗体或单克隆抗体混合，制备各种纳米金-抗体复合物。借助与细胞内各种器官和骨骼系统结合的复合颗粒，复合物在白光或单色光照射下呈现某种特征颜色(如10nm的金颗粒在光学显微镜下呈红色)，从而用不同的颜色“标记”各种组合，从而为提高细胞内组织的分辨率提供了一种急需的染色技术。
生物材料应用于人体后，周围组织有发生关联感染的危险，会导致材料和手术的失败，给患者带来极大的痛苦。为此，人们开发了一些具有抗菌性能的纳米生物材料。如在合成羟基磷灰石纳米粉体的反应中，向反应物中加入银、铜等可溶性盐的水溶液，使抗菌金属离子进入磷灰石晶体产物中，制备抗菌磷灰石微粉，用于骨缺损填充等方面。
目前，已经发现了许多具有杀菌或抗病毒功能的纳米材料。二氧化钛是光催化剂的一种，普通的TiO2只有在紫外光照射下才有催化作用，但当其粒径达到几十纳米时，只要在可见光照射下就有很强的催化作用。研究表明，其表面会产生自由基离子破坏细菌中的蛋白质，从而杀死细菌，降解细菌释放的有毒化合物。在实际应用中，可以在产品的整体或部分加入纳米TiO2 _ 2，然后用另一种物质将其固定化，在一定温度下会缓慢释放出自由基离子，使产品具有杀菌或抗菌功能。比如用TiO2处理过的毛巾用可见光照射，毛巾上的细菌会被纳米TiO2释放的自由基离子杀死。TiO2 _ 2光触媒适合直接放置在医院病房、手术室、生活空间等细菌密集的地方。
经过近几年的发展，纳米生物陶瓷材料的研究取得了可喜的成果，但总体上看，该领域仍处于起步阶段，许多基础理论和实际应用还需要进一步研究。比如纳米生物陶瓷的制备技术研究——如何降低成本，使其成为民用医用材料；新型纳米生物陶瓷材料的开发与利用:如何使功能性纳米生物陶瓷材料尽快从前景走向现实，从实验室走向临床；大力推动分子纳米技术的发展，早日实现维持人类健康的分子水平的仪器和装置的构建等。这需要材料工作者和医务工作者的通力合作和共同努力才能实现。