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HAP复合材料


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中华实验 外科杂 志 2 0 07年 6月第 2 4卷第 6期

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述 评

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骨 科 纳 米 生物 材 料 的研 究现 状 与 展 望 
郑 启新 潘海涛 郭晓 东   作 纳 米 纤维 支架 的理 想材 料 。研 究结 果 显示来 自天然  原 料 的纳 米 纤维 通 常 比合 成 聚合 物纳 米纤 维有 更好 的   组 织 相容 性 。纳 米 纤维支 架较 传统 的支 架有更 高 的表  自 18 9 1年德 国科 学 家 H. lir 用惰 性 气体凝  Gee 采 t 聚 蒸发 结合 原位 加 热冷压 成 型方 法制 备 出具 有清 洁界  面 的人 工纳 米材 料 以来 , 米 生 物材 料 的 开发 和 研 制  纳 得 到快 速 的发 展 , 为 新 的科 技 前 沿和 热 门领 域。 纳  成 米 生物 材 料表 面 电子 结构 和 晶体 结 构 的 变化 , 生 了 产  
宏观 物 体 所不具 备 的小尺 寸 效应 、 子效 应 、 面 效应  量 表

面积体积比和孔 隙率, 与天然细胞 外基质在形态结构 
上具 有 更高 的 相 似 性 , 以大 大 增 加 细胞 的黏 附 、 可 迁  移 、 殖及 分 化 功 能。 因此 , 增 纳米 纤维 支架 较传 统 的支  架更 有发 展 前途 。   纳米 生 物材 料 在 软 骨组 织 工 程 中也 得 到 研 究 应  用 。L 等 将软 骨 细胞 种植 在 P L纳 米 纤维 支 架 上 , i C 在 

和 界 面效 应 , 得其 具 有传 统 材 料 所 不具 备 的 一 系列  使 优 异 的力 、 、 光 学 、 学 和 生 物 学 等 宏 观 特 性 , 磁 电、 化 从  而作 为 一种 新 型生物 材料 应用 于 医 学领 域 。现 就 骨科  纳米 生物材 料研 究现 状及 展 望作 一述 评。  


不含血清的介质 中培养 , 现软 骨细胞通过不断表达  发
软 骨 特有 的细胞 外基 质来 维持 其软 骨表 型 。 除 了促进  软 骨 细胞 表 型 的表 达 外 , 究还 发 现 P L纳 米 纤 维置  研 C 于 富含 血 清 的 介 质 中 时 能促 进 软 骨细 胞 的增 殖 。 此 



组 织工 程支 架材 料 

纳 米 生物材 料在 骨科 领域 研 究最广 泛 的是 用作 组  织 工程 支 架材料 。在 组 织 工 程 学研 究 中, 胞 外 基 质  细 替代 物 即基 质材 料 的研 究是 一个 至关 重要 的方面 。理  想 的基 质 支架材 料 不仅 需要 具 备 良好 的生 物 相 容 性 、  

外, B S s P L纳米纤维支架 中培养, 将 M C在 C 在转化生   长 因子 ( G )B T F . l作 用 下 可 以诱 导 生 成 软 骨 细 胞 , 可 
以通过 软 骨特 有 的基 因表达 和 合成 软 骨相关 的细胞 外  基 质 ( C 蛋 白证 实 。近 来 Mahw E M) t e s等 在 用 电子 纺  t 丝法研 究胶 原 作 为细 胞 支 架 的可行 性 , 冻 干 的鸡 胸  用 软 骨 Ⅱ型胶 原 电子纺 丝后 获得 了 10n ~18 m 的  1 m .  纤维 , 并将 软 骨细 胞 种 植在 这 种 纤维 支 架 上 。结 果 显  示 , 原纳 米 纤维 支架 与软 骨细胞 具 有 良好 的相容 性 , 胶   能促 进 细胞 生长 , 并且 细胞容 易迁 移 到支 架 内部 。   纳米 生物 材料 还 被 应 用 于肌 肉组 织 工程 、 经组  神 织工 程及 骨科 领 域 的其 他 方 面。 如 B wi 用 电子  ol n等 纺 丝法 制备 的 P A P A纳 米 纤 维膜 作 为肌 细 胞 的支  L/G 架, 开展 肌 肉组 织工 程 的研 究。Sho等则 利 用 P G   ao LA 纳 米 纤维支 架 开展 肌腱/ 带组 织工 程研 究。 韧   对 纳米 生 物材 料进 行 多肽 仿 生 固定修 饰可 以进 一  步 改进 纳 米 生物材 料 的生 物 学性 能 。Fja a等设 计  ui w s 了富含 酸 性 氨基 酸 Gu的仿 生肽 ( l) -r.r—l— l Gu 7PoA gGy 

适度 的生物降解性、 良好的结构相容性、 好 的表面相 良  
容 性 以及 特 定 的生 物 活性 , 必须 使 材 料 表 面 能 够促  还
进种 子 细胞 的黏 附与 生长 , 能通 过表 面修 饰 、 并 控释 生 

物分 子 或对环 境刺 激做 出响应 等机 制对 种 子细胞 的黏 

附和生长进行调控。纳米生物材料 的开发为这种高度  仿 生或 “ 能” 智 型基 质 支架 材 料 的研 制提 供 了可 能 , 其  中纳米纤维支架是组织工程研究中最早和最 主要采用   的基 质 支架 材料 。 目前 主 要 通 过 自组 装 、 电子 纺 丝 和 
相分 离 等三种 纳 米技 术 合 成这 种 纳 米 纤 维 支架 材 料 ,   如 Sup等 应用 p 控 制 的 自组 装 技 术 设 计合 成 一种  tp H “ 亲性 多肽 ”, 以 自组 装 成 纳 米 纤 维 , 化 生成 的  两 可 矿 H 纳米 纤 维 的钙 磷 比及 纤 维 排 列 与天 然 骨 的纳 米结  A 构 高度 类似 , 一研 究结 果 为 骨 组 织 工 程 基 质材 料 的  这
仿生设 计 提供 了极 大 的启 示。  

电 子纺 丝技 术是 通 过 在 聚 合体 溶液/ 融液 中加 入  电荷 悬浮微 粒 而 制成超 细 的纳米 纤 维。现 在 组织 工程 

A pT r将其吸附在羟基磷灰 石表 面, s.h, 改变它的生物  
相容 性 , 验 证 明 可 以促 进 成 骨 细 胞 的 附 着 与扩 展 。 实  

中广泛应用 的生物基质材料大多数是 由电子纺丝技术  制 成 的纳米 纤 维。 天 然 的 聚合 体 , 胶 原 、 如 丝蛋 白、 弹  力蛋 白衍 生肽 、 纤维 蛋 白原、 酪蛋 白及 脂 肪酶 甚 至   D A都可 以用 电子纺丝技术处理制成纳米纤维支架, N   P A、G P G P L等 人 工 合 成 有 机 聚合 物 也 是 制  L P A、L A、C

R z i等也发现 , ea a n 通过 引入合适 比例的细胞结合域与   肝素 结合 域 肽链 来修 饰 纳 米 生物 材 料 表 面 , 以模 仿 骨 
的非 胶原 E M, 以大 大 促 进 细 胞 的 扩 展 和 E M 的 C 可 C  
钙化 , 终 调 控 成 骨 细 胞 表 型 的表 达 。 此 外 , 链 团 最 糖  

族/ 糖脂 质修 饰 、 扑结构 修饰 、 拓 自组装 技术 、 模板 技 术 
作者单位 : 0 2 4 02武汉 , 中科技 大学 同济医学 院附属协和医院骨  3 华
科 

等是纳米生物材料表面修饰工程中值得注意的研究方  
向。  

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中华 实验 外 科 杂 志 2 o o7年 6月 第 2 4卷 第 6期

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二、 骨缺 损充 填 材料 

骨质缺 损是 骨 科 最 常 见 而 难 于处 理 的 问题 之 一 。   长 期 以来 , 骨修 复材 料 主要采 取 自体 或 异体 骨移植 物 。   虽然 自体 骨是 最理 想 的植 骨材料 , 但它 的来源 有 限 , 不  能满足 需大 量植 骨的 病例 , 一方 面 会 造 成取 骨 区各  另 种 并发 症 。异体 骨主 要来 源 于 尸体 或 者 患者 家 属 ,   虽

孔松质骨的骨小梁的数量 同周边正常多孔松质骨中观  察 到 的数量 相 同 , 而对 照 组 骨缺 损 区一 直 都 没有 新 骨 
充填 。通过 对该 复 合材 料 仿 生设 计 、 化 分 析 以及 家  理 犬肱 骨试验 证 实 , 米 骨 浆 可 通 过 注 射 到 达 需 要填 充  纳 缺损 的部位 , 以调 节硬 化 时 间 、 自定 型 、 可 能 不产 热 、   即

使在 潮湿的部位和血运丰富的组织 中亦能硬化。其成 
分 呈 p 中性 , H 不含 任何 聚 合 物 或 可 塑剂 , 可 促进 骨  是 组 织 生长和 功 能恢 复 的新 材料 。   纳米 骨浆 可 以通 过 手 术 植 入 人体 , 可 以直 接 注  也

然来源相对充足, 但异体 骨易产 生免疫排斥反应、 感染 
病毒等, 移植失败率也高, 而且异体骨被取代缓慢 , 新  生骨体积偏小。因此人们研 制了多种仿生纳米材料用  
于骨缺 损 的充 填修 复 , 示 出 良好 的 临床 应 用前 景。 显   1 纳 米 晶羟 基 磷灰 石/ . 胶原 复 合骨仿 生材 料 : 用  利 生物 系统 在分 子水 平 上 储 存 和 加 工信 息 的功 能 , 体  在

射到人体的骨缺损空腔 中, 植入 5 s 纳米骨浆很快    后,
开 始硬 化 , 有 很好 的重 塑型 。数周 后 , 具 充填 骨缺 损处 

外模拟天然骨生物矿化和 自组装机制, 均可制备 出纳 
米 H / 原 骨 基 质 仿 生材 料 用 于 骨缺 损 充填 。 由 于  A胶 纳 米 级 HA结 晶 均 匀 沉积 于胶 原 蛋 白上 , 于被 机 体  易
组织 和细胞 识 别 和利 用 , 原 蛋 白诱 导 组 织 细胞 生长  胶

纳米骨浆的网状结构 内可生长 出较 多新生的骨细胞 ,   而充填 的纳 米 骨材 料 完全 降 解 消 失 , 缺 损部 完全 被  骨
新 生 骨取代 。 纳米 骨浆 对 骨缺损 处 的周 围组 织长 期接 

触, 无组织毒性反应, 并具有愈合速 度快、 强度 高的 良  
好 性 能。  

的生 物 学特 性 以及 作 为 骨组 织 的天 然基 质促 进 了细胞  的分 化 、 殖 、 附 、 熟 , 成 类 骨 质进 而矿 化 , 快  增 黏 成 生 加

4 羟基 磷灰 石/ . 纳米 碳 纤维 复合 材料 : 与微 米级 碳 

骨折的愈合及骨痂 的生长。因而这种纳米仿生材料既   可 以单独 用于修 复 骨缺 损 , 可 以作 为 骨 组 织 工 程 学  又 基质材料 , 与种子细胞及生长 因子复合 , 以提高修复质 
量 , 别是 大 段 骨缺损 的 修复 质量 。 特  

纤维比较, 纳米碳纤维不仅具有低 密度、 比模量、   高 高 比强 度 、 高导 电性 等特 点 , 具 有缺 陷 数量 极 少 、 还 比表 
面积 大 、 结构 致 密等优 点及 更好 的机 械 性 能。纳 米 碳  纤 维 可 以提 高 成 骨细胞 的黏 附 功 能而减 弱成 骨细胞 竞  争细胞 ( 纤 维 细 胞 、 骨 细 胞 和 平 滑 肌 细胞 ) 黏  成 软 的 附, 导致 骨与种 植体 表 面 的更 快 融合 ; 可促 进成 骨细  还

2 纳米羟基磷灰石/ . 聚酰胺复合材料: 这是一种新   型仿 生无 机相/ 机相 复 合 骨生 物材料 体 系 , 有 通过 常压 
共 溶 法直 接用 纳 米 磷 灰 石 浆 液 制各 纳 米 H 晶体/ A 聚 

胞增殖, 促进碱性磷酸酶的合成、 聚集更多的细胞外基  质 钙 。这 种材 料 由于 能提 高 与 骨 的相 容 性 , 将 来 极  在
有 可 能成 为有 前景 的 骨修 复和 牙种 植材 料。  
5 纳 米 TO / 合 物 : 研 究人 员 用 聚 二 甲基 丙  . i  聚 有

酰胺生物活性材料, 可获得高纳米 H A含量和分 散均  匀 的复合材 料 。纳 米 H 晶体 在 形 态 、 寸 、 成 、 A 尺 组 结  构和结 晶度上与人骨 H 晶体高度类似; A 聚酰胺 与胶  原 分 子链结 构 类似 , 生物相 容 性好 , 其极 性基 团有 利 于  与无机 相 形成 牢 固的化 学 界 面键 合 , 时保 证 生 物 活  同
性和 力 学性能 。力 学 测 试 表 明 , 复 合 材 料 具 有 与 人  该 骨相近 的力学 性 能。 生 物 学 实 验 表 明, 材 料具 有优  该 良的生物 活 性 , 自然 骨形 成 了牢 固 的 生 物 性 键 合 。 与  

烯 酸 酯 、 偏 氟 乙烯 和钛 盐 作 原 料 , 用 溶胶/ 胶 工  聚 应 凝 艺合 成 的纳 米 TO / 合 物 复 合材 料 , 作 人 工 骨 , i:聚 用 其  强度 和 韧性等 力 学性 能与 人体 骨相 当。  

此外 , 还有学者研制出纳米羟基磷灰石/ 聚左旋乳  酸、 纳米羟基磷灰石/ 壳聚糖复合物及多孔仿珊瑚纳米  人工骨用于骨缺损的充填并获得 良好的实验效果。  
三 、 向纳 米 药物 载体  导 所谓 导 向, 是指 药物 能 选 择 性地 到 达特 定 的生 理 

在软组织植入实验 中发现在复合材料周 围有骨和软骨  
形成, 即具 有 骨诱 导和 软 骨诱 导特 性。   3 纳米 骨 浆 : 米 骨浆 是 以磷 酸 钙 和 生 物体 可 吸  . 纳 收的纳 米 晶粒 H 为 主要 成 分 的生 物 陶瓷 混 合 物 , A 是 


部位、 器官、 组织和细胞 , 其释放速度亦被有效地控制,   从而发挥其药效。这就 需要一种理 想的药物载体 ,   目
前 应 用最 为广 泛 的是纳 米 粒 ( aoatlsN ) 是 粒  nnprc ,P , ie 径 大 小介 于 1 0—10 m 的 固态胶 体颗 粒 。 目前最 常  00n
用 作 导 向药物 载 体 的 纳 米 高 分 子 聚 合 物 主 要 有 聚 乳 

种 可注 射 、 可原 位立 即固化 、 降解 、 可 无致 热 、 有 良 具  

好 生 物相容 性 的 纳 米 骨材 料 , 已进 入 临床 试 用 。 试验 

者通过 犬肱 骨缺损模型来对这种骨浆的有效性进行评 
估 。结 果 通过 x线 片观 察 , 种 骨浆填 充 骨缺 损 与用  这 烧 结 的 H T P混合 物 填 充 以及 对 照组 比较 , 浆 的  A—C 骨 修 复速 度 最快 。在 l 2一l 8周 内完全 吸 收 , —C 混  HAT P

酸 、 乳 酸一 醇酸 、 丙 烯 酸 酯 等。 它们 都 有 良好 的  聚 乙 聚 相 容 性 , 以可 以作 为 多种 药 物 的载体或 包覆 , 所 并且 能 

够有效地控制药物释放速度。 目前 已在临床应用的载   药纳米粒有: 免疫纳米粒 、 性纳米粒、 磁 磷脂纳米粒 以   及 光 敏纳 米粒 等 。通过 对 纳 米 微 粒 的修 饰 , 以增 强  可

合物的吸收速度 比骨浆的慢。植入 骨浆的组织切片分  析显示, l 在 3周和 l 9周间期 内植入位置 的皮质及 多  

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中华实验 外科 杂志 2 0 0 7年 6月第 2 4卷第 6期

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纳米药物载体的生物相容性, 可以增 强其对 骨组织 还   的靶 向性 , 减少 药物 的非特 定 聚集 , 用 药物 的控 制性  利 缓慢释放 降低药物的毒 副作用并延长治疗时 间, 从而  发挥更好 的抗炎、 抗肿瘤作用。  
四、 因转移 载体  基

塑 性变 形可 达 10 , 为 一 种 超 塑 性材 料 。这 种 特  0% 成

性使得纳米陶瓷在医学领域特别是 骨科领域获得重要  应用 , 人工 骨骼 、 工关 节、 螺 钉 、 工 椎 体 、 如 人 骨 人 海绵 
骨的充填 材 料等 , 米 陶瓷使 得 这 些 人 工 医用 材 料 的  纳

强度、 硬度、 韧性和超塑性等性能均大为提高。   2 纳米羟基磷 灰石 网: 国科 学家 B n e . 英 ofl i d等将 
羟基 磷 灰石 与聚 乙烯混合 压 缩 后制备 合 成纳 米羟 基磷 

基因运载方式是 目前基 因治疗 能否成功 的关键,   因此基 因运 载体 系 的研 究越 来越 重要 。 目前基 因治疗 
所 面临 的一个 难 题是 没 有十 分理 想 的载体 。传 统 的基  因转移 技术 分 为病 毒 和 非病 毒 载 体 系统 , 前 者 因存  但

灰石网, 它的物理特性符合理想 的骨骼替代 物的模数 
匹配 , 的强度 数值 和 密度指 数 与 骨骼相 似 , 物相容  它 生

在毒性、 免疫原性等安全隐患而使其应用 受到很大 限   制; 后者 虽 然安全 性高 , 但其 转染 率却 大 不如前 者 。 因   此, 发展一种安全 有效的基 因载体就 显得尤 为重要。  
由于纳 米颗 粒 的独特 性 能及 纳 米技 术 的 日渐 成 熟 , 纳  米颗 粒 便成 为近 年发 展起 来 的新 型基 因载体 。 以纳米 

性好 , 因而认为是 一种能够模 拟 骨骼结构并替代 骨科  医疗中合金的纳米生物材料。这种 由羟基磷灰 石晶格 
构 成 的物质 , 生物 骨质 的成分 相 同 , 与 与天然 骨 质 的强  度和 密度 也相 同, 与人体 骨折 部分 完全 融合 , 生物  可 其 生命 期 超过 3 0年 , 显示 出明显 的应用 优 势。   3 纳米碳 材 料 : . 由碳 元 素 组 成 的碳 纳 米 材 料 统称  为 纳米碳 材 料。 纳 米碳材 料 主要 包括 纳 米碳 纤维 和碳  纳 米管 , 其是超 微 型 气 相 生 成 的纳 米碳 纤 维具 有极  尤

颗粒作基 因载体 , D A R A等基 因治疗分子包 裹 将 N 、N   在 纳米 颗粒 之 中或 吸 附 其表 面 , 在颗 粒 表 面偶 联 特  再
异 性 的靶 向分 子 , 如特 异性 配体 、 克 隆抗 体 等通 过靶  单

分子与细胞表面特异性受体 结合, 通过受体介 导的 内   吞机制载体 与基 因片段定向进入靶细胞。颗粒进入细   胞 后 , 胞 内溶 酶体 作 用 下 , 米颗 粒 被 降解 , 在 纳 目的基  因得 以释放 , 从而实现安全、 有效的靶向性治疗。   纳米基 因载体研 究一般都采用可降解性纳米高分  子 生 物材 料 , 类 纳 米 生物 材 料 最 突 出的特 点是 良好  这 的生物降解 性和 生物相容 性, 中最 为常用 的就是  其 P G 。有研 究结果 显示 P G LA L A纳 米粒 经含 R D肽  G K6 R D P 1G G S C修 饰后 介 导 T FB G .1基 因转染 能促 进 骨 
髓基 质 干细 胞 向成 骨 细胞 定 向分 化 。D v ai 则 利 用  s等 环 糊精 (yldxr ) 合 物 构 建 纳 米 基 因载 体 , cc etn 聚 o i 内含 
配体 转铁 蛋 白和 s N 通 过 对 E ig s肉瘤 模 型超  i A, R wn ’

高的比强度和比模 量使得 它作为增强纤维用于复合材 
料 中, 用纳 米碳 纤 维 的人 工 骨 骼 和 人 工肌 腱 的 物理  使

性能得到极大的提高。碳纳米管具有 良好的力学和电   学性 能 , 强度 是钢 的数 百倍 , 具 有 毛 细 管性 质 , 且 与人 
体 骨骼 及各个 器 官 有 良好 的 生 物相 容 性 , 为 一种 新  作 型纳米 生 物材料 , 它在 骨科领 域 有广 阔的应用 前景 。   4 纳 米金 属 : 物材料 包 括金 属材 料 、 . 生 无机 材料 和 

有机材料三大类。应用纳米技术制成 的纳米金属具有  许 多令 人惊 奇 的特 性 。纳 米 金 属 毒 性低 , 传 感 特 性  其
和 弹性模 量 可接近 正 常 的天 然 生 物 组织 , 可使 细 胞 在 

其表面生长 , 有修复骨质缺损的功能, 具 因而是制作人  工假 体 的理 想材 料 。  
六、 展望 

过 5年 的远 期疗 效 观 察 , 现这 种 s N 发 i A纳 米粒 能 显  R 著 降低 E ig s肉瘤 细胞 的 转 录水 平 并 抑 制 肿 瘤 生  wn ’ 长 。近 年 来 , 壳聚糖 纳 米粒 、 羟基 磷灰 石 纳米粒 作 为基 

纳 米 生物材 料作 为 一种 新 型材 料 , 以其 优 异 的性  能在 骨科领 域展 现 出诱人 的应用 前景 。 为进 一步推 动  纳 米生 物材料 在 骨科 的研 究 与应 用 , 需在 以下 几 个  尚 方 面进 行深 入 的研 究 : 1 研 制 与天 然 骨 极 度 类 似 的  ()

因转染载体 的研究 日益受到重视。   目前 , 也有选 用 无机 物作 为基 因载 体 的报 道 。 无 
机 物对 细胞 毒 性小 , 易 受到 体 内各 种 酶 的消 化 。 因 不   此 , 无机 物制 成 的纳 米 颗 粒 可 能 比 目前 的纳 米基 因 用   载体 更 优越 , 望成 为最 有前 景 的基 因载体 材 料 。 有   五 、 型纳 米 生物材 料  新 1纳 米 陶瓷 : 米 陶瓷是 一种 新 型纳 米生 物材 料 , . 纳   已成为 热 点研 究方 向。最早 的纳 米 陶瓷是 应 用惰 性 气 

纳米人工骨, 以使支架材料获 得最佳 的力 学强度和生  
物相 容 性 ;2 研 制 功 能 性 的纳 米 基 质材 料 , () 以在 纳 米  水平 精 确诱 导人们 所 期望 的特 异 性 、 可控 性生 物应答 ;   () 3 纳米 生物材 料血 管化 、 经 化 , 神 以构建 最 利 于 组 织 

修复的组织工程化骨 ;4 研 制新型纳米药物及基 因 ()   传递 系统 , 药 物 和 基 因 在 骨 组 织 中靶 向、 能 化 传  使 智
递, 高效 、 控性表 达 , 可 并将 其 应 用 于 骨科 疾 病 的诊 断  与 治疗 ;5 骨科纳 米 生 物材 料 的临 床 应用 及 产 业 化。 ()   可 以预 见 , 随着 骨科 纳米 生 物材 料 的不 断研 发 和 改进 ,   必将 对 骨科 学 的发展 产 生深远 的影 响。  
( 稿 日期 :0 70 -1  收 2 0 -3 ) 0

体冷凝法成功制备金属 T 后并在超高真 空室中将其  i 氧 化制 得 纳 米 晶 粒 TO , 而 采 用 原 位 压 实 方 法 制  i: 进
成 。 一般 的 陶瓷材 料 随 着 强度 升 高 而 断裂 韧 性 下 降 ,  

而纳米晶体 TO 的断裂韧性随强度升高而升高, i: 表现 
出既具 有高 强度 又 具 有 高 韧 性 , 至 有 的纳 米 陶 瓷 的  甚


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