[科普中國]-生物醫(yī)用金屬材料

生物醫(yī)用金屬材料是用于生物醫(yī)學(xué)材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料，是一類惰性材料。此類材料具有高機(jī)械強(qiáng)度、抗疲勞和易加工等優(yōu)良性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。此類材料的應(yīng)用非常廣泛，涉及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個(gè)方面。

生物醫(yī)用金屬材料發(fā)展歷史生物醫(yī)用金屬材料是人類最早利用的生物醫(yī)用材料之一。人類很早開始用黃金來修復(fù)缺損牙齒。

1546年，純金薄片用于修復(fù)顱骨缺損

1588年，發(fā)現(xiàn)有用黃金版用于顎骨修復(fù)。

1775年，有記載用金屬固定體內(nèi)骨折

1800年，大量應(yīng)用金屬板固定骨折的報(bào)道；

1809年，用黃金制成種植牙

1880年，銀用于膝蓋骨縫合

1896年，鍍鎳鋼釘用于骨折治療

20世紀(jì)30年代，鈷鉻合金，不銹鋼、鈦及合金得到廣泛應(yīng)用

20世紀(jì)70年代，Ni-Ti形狀記憶合金，金屬表面涂層的應(yīng)用

近30年，發(fā)展較慢，但在臨床仍占據(jù)重要地位

生物醫(yī)用金屬材料的特性1、材料毒性生物醫(yī)用金屬材料的毒性主要來自金屬表面離子或原子因腐蝕或磨損進(jìn)入周圍生物組織，由此作用于細(xì)胞，抑制酶的活性，組織酶的擴(kuò)散和破壞溶酶體。具體可表現(xiàn)為與體內(nèi)物質(zhì)生成有毒化合物。并且金屬離子進(jìn)入組織液，會(huì)引起水腫、栓塞、感染和腫瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蝕性、提高光潔度、表面涂層等。

2、生理腐蝕性生物醫(yī)用金屬材料的生理腐蝕性是決定材料植入后成敗的關(guān)鍵，其產(chǎn)物對生物機(jī)體的影響決定植入器件的使用壽命。

3、力學(xué)性能生物醫(yī)用金屬材料需要有足夠的強(qiáng)度與塑性。一般說來，對人工髖關(guān)節(jié)金屬材料的要求是：屈服強(qiáng)度>450Mpa；抗拉強(qiáng)度>800Mpa；疲勞強(qiáng)度>400Mpa；延伸率>8%。通常材料的彈性模量大于骨的彈性模量，由此會(huì)使得材料與骨應(yīng)變不同，界面處發(fā)生的相對位移造成界面松動(dòng)；除此產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，引起骨組織的功能退化或吸收。

4、耐磨性耐磨性影響植入摩擦器件的壽命；以及可能產(chǎn)生有害的金屬微?；蛭⑿?，導(dǎo)致周圍組織的炎性、毒性反應(yīng)。可通過提高硬度，表面處理等方法進(jìn)行改善。

常用生物醫(yī)用金屬材料1、醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼主要化學(xué)成分為{316，36L，317L}；在應(yīng)用中，容易發(fā)生點(diǎn)蝕，界面腐蝕，以致長期穩(wěn)定性差；溶出的某些離子可能誘發(fā)腫瘤形成；力學(xué)相容性差，無生物活性。

2、醫(yī)用鈷基合金主要化學(xué)成分為Co-Cr-Mo、Co-Cr-W-Ni等。耐蝕性比不銹鋼高數(shù)十倍，一般無明顯的組織反應(yīng)。作為人工髖關(guān)節(jié)界面松動(dòng)率較高，Co離子的釋放，引起細(xì)胞與組織的壞死、皮膚過敏反應(yīng)等。其具有優(yōu)異的耐摩擦性能，承載能力較強(qiáng)。通常作為唱起植入件。

3、醫(yī)用鈦及其合金鈦及鈦合金是目前應(yīng)用最多的植入金屬生物材料，具有密度小，比強(qiáng)度高，彈性模量低，耐腐蝕性和抗疲勞性能優(yōu)于不銹鋼和鈷合金，生物相容性好，但硬度低，耐摩擦性差，疲勞和斷裂韌性不甚理想，彈性模量仍然偏高，并且合金中含有毒性元素。根據(jù)合金性質(zhì)，鈦合金主要分為α、β、α-β鈦合金。

4、醫(yī)用鎂合金鎂合金作為可降解醫(yī)用材料被譽(yù)為第三代生物醫(yī)用材料。鎂是一種對人體溫和的元素，具有很好的可吸收性和生物相容性，在骨科植入中，具有與骨接近的密度和彈性模量。鎂合金還具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復(fù)上有很好的應(yīng)用前景。目前研究的鎂合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、MgZnCa等。鎂合金主要腐蝕速率過快，機(jī)械強(qiáng)度不夠等問題。

其他醫(yī)用金屬材料最先廣泛用于臨床治療的金、銀、鉑等貴金屬，具有良好的穩(wěn)定性和加工性能，但因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制，現(xiàn)金在牙科、針灸、體內(nèi)植入及醫(yī)用生物傳感器等方面仍有廣泛應(yīng)用。

鉭、鈮、鋯，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以與其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。并且表現(xiàn)出良好的生物相容性，但也因其價(jià)格較貴，應(yīng)用受限。

形狀記憶合金是一種新型醫(yī)用生物材料。臨床上已采用的形狀記憶合金主要為鎳鈦形狀記憶合金。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金在相變區(qū)具有形狀記憶特性和超彈性，在低溫下比較柔軟，可以變形將其加熱到人體溫度時(shí)立刻恢復(fù)到原來形狀，產(chǎn)生持續(xù)柔和的恢復(fù)力。而此時(shí)材料較硬富有彈性，可起到矯形或支撐作用。其與不銹鋼和鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪浴Ｆ鋬?yōu)良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒等特征，被稱為21世紀(jì)的新型功能材料。但鎳鈦記憶合金中鎳離子可能向周圍組織擴(kuò)散滲透，引起不良反應(yīng)。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應(yīng)用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。

醫(yī)用金屬材料目前存在的主要問題醫(yī)用金屬材料經(jīng)過多年的臨床應(yīng)用，仍然存在許多問題，除了醫(yī)用材料常見的宿主反應(yīng)以外，還由于金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的影響。醫(yī)用金屬材料中均含有較多的合金化元素．但它們在人體中所允許的濃度非常低。這些合金化元素多呈強(qiáng)的負(fù)電性，能夠變化其電子價(jià)態(tài)并與生物體內(nèi)的有機(jī)物或無機(jī)物質(zhì)化合形成復(fù)雜的化臺物（有些含有強(qiáng)烈的毒性）。另外，金屬材料植入人體以后，由于腐蝕、磨損等導(dǎo)致金屬離子溶出、金屬；離子進(jìn)入組織液里會(huì)引發(fā)某些生物反應(yīng)，如組織反應(yīng)．血液反應(yīng)和全身反應(yīng)，表現(xiàn)為水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現(xiàn)象。

另外在人體血液中．由于血小板、細(xì)胞和蛋白質(zhì)帶有負(fù)電荷，而金屬析出離子一般帶有正電荷，因此血液中大量金屬離子的析出還易于造成血栓的形成。在鐵(Fe)、鉻(Cr)、鎳（Ni)、鉬(Mo)、鈷(Co)等人體必需的微量元素中，鎳、鈷、鉻離子對人體都有很大的毒性和致敏反應(yīng)。已有研究報(bào)道了植入物釋放出來的金屬離子誘導(dǎo)炎癥的過程，并且發(fā)現(xiàn)即使亞微摩爾濃度的鋅、鎳和鈷．也能誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞E選擇素的表達(dá)?？茖W(xué)上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題”，直到最近幾十年才受到各國重視，對日用和醫(yī)用金屬材料中的鎳含量限制越來越嚴(yán)格，標(biāo)準(zhǔn)文件中所允許的最高鎳含量也越來越少。由1967年、1988年和1994年頒布的歐洲議會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，就可以清楚地看出這種趨勢。因此在發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料時(shí)必須嚴(yán)格控制其中的金屬元素，最好是少用或不用對人體產(chǎn)生毒性和過敏性較大的合金化元素。

擴(kuò)展閱讀1. Qizhi Chen, George A. Thouas, Metallic implant biomaterials, Materials Science and Engineering R 87（2015）1-57

2. 劉江 醫(yī)用金屬材料的研制與應(yīng)用[J]. 金屬功能材料2007，14（6）

3. Pickford M A，Scamp T．Harrison D H．Morbidity after gold weight insertion into the upper eyehd in facia!palsy[J]．Br J Plast Surg。1992，45：460．

4. Helsen J A．Breme H J．Eds．Metal as biomaterials[M]．John Wihty and Sons Ltd,1998．265．

5. Anita Kapanen．Anne Kinnunen．et al. TGF-bl secretion of ROS一17/2．8 cultures On NiTi implant material．[J]．Biomateriels，2002．3341．

6. Pan J，Karlen C，Ulfvin C．Electrochemical study of res：．stanee to localized corrosion of steel for biornaterial aplication[J]．J E!ectrochemical .Society．2000，147(3)；1021．

7. 松下富春．[J] -工業(yè)材料，2002，50(2)，30．

8. 姜淑文，齊民．生物醫(yī)用多孔金屬材料的研究進(jìn)展[J]．材料科學(xué)與工程，2002 20(4)：597．

9. Pei Y T，et aL Functionally graded materials produced by laser cladding[J]．Aeta Mater．2000，48(10)：2617．

10. 任伊賓， 楊村， 梁勇新型生物醫(yī)用金屬材料的研究和進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào). 2002,16(2)

11. 浦素云. 金屬植入材料及其腐蝕.北京航空航天大學(xué)出版社. 1990.23

12. Mafla HeleIIa Fernandes. J Biomaterlals Appllcatlons，1999．14(10)；113

13. Joachim MenzeI.Walter Kirschner，Gerald Stern．1SIJ International，1996，36(7)：893.

14. Peter J Uggowitzer．Ruth Magdowski，Markus O Speidel．ISIJ International. 1996，36(7)：901

15. 趙娟，朱智敏，陳孟詩. 深冷處理技術(shù)對口腔中熔鑄造合金耐磨性的影響[J] 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志 2003,21（3）；184～188

16. 朱智敏，趙娟，黃旭 深冷處理技術(shù)對口腔中熔鑄造合金耐腐蝕性的影響[J] 華西口腔醫(yī)學(xué)雜志 2002,20（5）；316～319

17. 王桂生，朱明 外科植入物用鈦合金研究進(jìn)展和標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀[J] 稀有金屬 2003,27（1）；43～48

18. 周宇，楊賢金，崔振鐸 新型醫(yī)用 —鈦合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J] 金屬熱處理 2005,30（1）；47～50

19. 趙興偉，王景彥．生物材料在骨科臨床中的應(yīng)用．中國骨傷，2004。17(10)：636．

20. 馬春．2005年世界新材料研究進(jìn)展[J]．新材料產(chǎn)業(yè)t 2006，(1)：58．

21. 高加誠，張亞平，文靜 激光熔凝一步制備復(fù)合生物陶瓷涂層得生物相容性[J] 生物醫(yī)學(xué)工程 1999,16（增）；20

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

成艷 - 副教授 - 北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院