[科普中国]-生物医用金属材料

生物医用金属材料是用于生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料，是一类惰性材料。此类材料具有高机械强度、抗疲劳和易加工等优良性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。此类材料的应用非常广泛，涉及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。

生物医用金属材料发展历史生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一。人类很早开始用黄金来修复缺损牙齿。

1546年，纯金薄片用于修复颅骨缺损

1588年，发现有用黄金版用于颚骨修复。

1775年，有记载用金属固定体内骨折

1800年，大量应用金属板固定骨折的报道；

1809年，用黄金制成种植牙

1880年，银用于膝盖骨缝合

1896年，镀镍钢钉用于骨折治疗

20世纪30年代，钴铬合金，不锈钢、钛及合金得到广泛应用

20世纪70年代，Ni-Ti形状记忆合金，金属表面涂层的应用

近30年，发展较慢，但在临床仍占据重要地位

生物医用金属材料的特性1、材料毒性生物医用金属材料的毒性主要来自金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，由此作用于细胞，抑制酶的活性，组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物。并且金属离子进入组织液，会引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蚀性、提高光洁度、表面涂层等。

2、生理腐蚀性生物医用金属材料的生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。

3、力学性能生物医用金属材料需要有足够的强度与塑性。一般说来，对人工髋关节金属材料的要求是：屈服强度>450Mpa；抗拉强度>800Mpa；疲劳强度>400Mpa；延伸率>8%。通常材料的弹性模量大于骨的弹性模量，由此会使得材料与骨应变不同，界面处发生的相对位移造成界面松动；除此产生应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收。

4、耐磨性耐磨性影响植入摩擦器件的寿命；以及可能产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、毒性反应。可通过提高硬度，表面处理等方法进行改善。

常用生物医用金属材料1、医用不锈钢医用不锈钢主要化学成分为{316，36L，317L}；在应用中，容易发生点蚀，界面腐蚀，以致长期稳定性差；溶出的某些离子可能诱发肿瘤形成；力学相容性差，无生物活性。

2、医用钴基合金主要化学成分为Co-Cr-Mo、Co-Cr-W-Ni等。耐蚀性比不锈钢高数十倍，一般无明显的组织反应。作为人工髋关节界面松动率较高，Co离子的释放，引起细胞与组织的坏死、皮肤过敏反应等。其具有优异的耐摩擦性能，承载能力较强。通常作为唱起植入件。

3、医用钛及其合金钛及钛合金是目前应用最多的植入金属生物材料，具有密度小，比强度高，弹性模量低，耐腐蚀性和抗疲劳性能优于不锈钢和钴合金，生物相容性好，但硬度低，耐摩擦性差，疲劳和断裂韧性不甚理想，弹性模量仍然偏高，并且合金中含有毒性元素。根据合金性质，钛合金主要分为α、β、α-β钛合金。

4、医用镁合金镁合金作为可降解医用材料被誉为第三代生物医用材料。镁是一种对人体温和的元素，具有很好的可吸收性和生物相容性，在骨科植入中，具有与骨接近的密度和弹性模量。镁合金还具有可控的腐蚀速率，在心血管植入和骨修复上有很好的应用前景。目前研究的镁合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、MgZnCa等。镁合金主要腐蚀速率过快，机械强度不够等问题。

其他医用金属材料最先广泛用于临床治疗的金、银、铂等贵金属，具有良好的稳定性和加工性能，但因其价格较贵，广泛应用受到限制，现金在牙科、针灸、体内植入及医用生物传感器等方面仍有广泛应用。

钽、铌、锆，具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应，可以与其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。并且表现出良好的生物相容性，但也因其价格较贵，应用受限。

形状记忆合金是一种新型医用生物材料。临床上已采用的形状记忆合金主要为镍钛形状记忆合金。医用镍钛形状记忆合金在相变区具有形状记忆特性和超弹性，在低温下比较柔软，可以变形将其加热到人体温度时立刻恢复到原来形状，产生持续柔和的恢复力。而此时材料较硬富有弹性，可起到矫形或支撑作用。其与不锈钢和钛合金相当的生物相容性。其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒等特征，被称为21世纪的新型功能材料。但镍钛记忆合金中镍离子可能向周围组织扩散渗透，引起不良反应。医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科，镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架，特别是心血管支架。

医用金属材料目前存在的主要问题医用金属材料经过多年的临床应用，仍然存在许多问题，除了医用材料常见的宿主反应以外，还由于金属腐蚀和磨损直接或间接造成的影响。医用金属材料中均含有较多的合金化元素．但它们在人体中所允许的浓度非常低。这些合金化元素多呈强的负电性，能够变化其电子价态并与生物体内的有机物或无机物质化合形成复杂的化台物（有些含有强烈的毒性）。另外，金属材料植入人体以后，由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出、金属；离子进入组织液里会引发某些生物反应，如组织反应．血液反应和全身反应，表现为水肿、血栓栓塞、感染及肿瘤等现象。

另外在人体血液中．由于血小板、细胞和蛋白质带有负电荷，而金属析出离子一般带有正电荷，因此血液中大量金属离子的析出还易于造成血栓的形成。在铁(Fe)、铬(Cr)、镍（Ni)、钼(Mo)、钴(Co)等人体必需的微量元素中，镍、钴、铬离子对人体都有很大的毒性和致敏反应。已有研究报道了植入物释放出来的金属离子诱导炎症的过程，并且发现即使亚微摩尔浓度的锌、镍和钴．也能诱导内皮细胞E选择素的表达。科学上早就存在的“镍过敏和镍致癌问题”，直到最近几十年才受到各国重视，对日用和医用金属材料中的镍含量限制越来越严格，标准文件中所允许的最高镍含量也越来越少。由1967年、1988年和1994年颁布的欧洲议会标准，就可以清楚地看出这种趋势。因此在发展新型医用金属材料时必须严格控制其中的金属元素，最好是少用或不用对人体产生毒性和过敏性较大的合金化元素。

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本词条内容贡献者为:

成艳 - 副教授 - 北京大学前沿交叉学科研究院