[科普中国]-生物金属材料

基本介绍

植入人体或动物体以修复器官和恢复功能用的金属材料称为生物金属材料(Biomedical Metallic Materials)。生物金属材料是目前使用最多的生物材料，因为生物体用材料中，金属比生物有机材料(主要指有机高分子材料)、生物无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物复合材料等具有以下优点：拉伸及压缩强度高；耐冲击性及延展性好；成形加工性能好，可制成形状复杂的部件；性能稳定，可靠性高。1

植入人体（或动物体）以修复器官和恢复功能用的金属材料。生物金属材料有的可以制成牙齿、骨头等起支撑作用的硬组织，有的可制成心脏瓣膜、脑膜、腹膜等软组织。植入体内的金属材料是浸泡在血液、淋巴液、关节润滑液等体液之中使用的。体液含有有机酸、无机盐，存在Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子,是一种电解质,而且使用时间长达几年甚至几十年之久，因此生物金属材料首先要具备与人体组织和体液有良好的适应性（无毒，不引起变态反应和异常新陈代谢，对组织无刺激性），同时还要有耐蚀性和化学稳定性（金属离子不随血液转移，在体内生物环境中不发生变化，不受生物酶的影响）。生物金属材料要承受人体的各种机械动作，因此在力学上应具有适宜的强度、韧性、耐磨性和耐疲劳性能。此外，生物金属材料还要容易加工成各种复杂形状，价格便宜和使用方便。

生物金属材料中使用比较成熟和应用比较广泛的，主要是牙科和骨科用的金属材料。牙科用的金属材料有金、银、铂等贵金属合金以及不锈钢、钴基和钛基合金等（见牙科金属材料）。骨科使用的金属材料主要有镍铬不锈钢、钴铬钼合金和钛及其合金，有时也应用价格昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。

要求作为生物体用金属材料还必须具备以下条件：与人体组织和体液有良好的适应性，具有耐蚀性和化学稳定性，有适当的强度和韧性、耐磨性、耐疲劳性，容易加工，价格便宜，使用方便。具体包括以下几点： ．

（1）良好的组织相容性，包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉积等；

（2）物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等；

（3）针对不同的使用目的而具有特定的功能；

（4）易于加工成型，材料易于制造，价格适当；

（5）材料具有可消毒性，可使用压力锅、环氧乙烷、臭氧、Y射线等技术进行消毒；

（6）对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白（特别是脂蛋白）、不扰乱电解质平衡等。1

主要特征生物金属材料的最主要特征是在生理环境约束下行使功能，因而必须具备生物功能性和生物相容性。所谓生物功能性，是指生物材料在其植入位置上具有行使功能所要求的物理和化学性质。生物相容性则是一种生物材料和宿主反应起作用的能力。目前对生物相容性的理解，已不仅仅是要求材料植入后不会引起毒性反应，更要求植入材料和机体间的相互作用能够永久协调。另外，还要求生物金属材料容易加工成形，使用方便和价格便宜。种类 生物金属材料主要包括较成熟和广泛用于牙科和骨科的金属材料。牙科用的金属材料有金、银、铂及其合金、不锈钢、钴基合金、钛基合金等。骨科使用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金，有时也使用昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。在生物金属材料中，目前使用量最多的是不锈钢，以美国为例占全部使用量的75%，其次是钴基合金占20%，而钛及其合金只占5%。这3类材料的化学成分国际标准列于表2。

主要材料不锈钢耐蚀性和强度不如钴铬钼合金，但价格便宜,加工性能好,所以在医疗中使用量最大。不锈钢主要制作固定骨折部位的接骨板、骨钩和骨螺钉等零件，也有用来制造人工骨、人工关节的。骨科使用的不锈钢的典型合金是Fe-18Cr-12Ni-2Mo。合金中硅和锰等杂质的含量越低越好。

钴铬钼合金这种钴基合金常称 Vitallium（见钴基高温合金）。它的典型成分为 Co-30Cr-6Mo,还含碳0.35%。它的耐蚀性比不锈钢 (Fe-18Cr-12Ni-2Mo)高40倍左右，且有优异的耐疲劳性能和耐磨性能，是目前较好的骨科合金材料。合金中铬和钼的作用是提高强度和耐蚀性能；钼还能阻止结晶时的晶粒长大，从而改善耐疲劳性能。缺点是硬度高，加工困难。

钛及其合金这类材料在骨科常用的三类金属材料中耐蚀性能最好，比重最轻(约为其他材料的一半)。纯钛强度较低,钛合金(Ti-6Al-4V)强度较高。钛及其合金的耐磨性差，制成的人工关节的磨损碎屑在体内积存,会造成人体组织变异。这类材料通过氮化处理可改善耐磨性能,已取得临床效果。Ti-50Ni合金是新发展起来的形状记忆合金，有形状记忆效应并有良好的力学性能。它的摩擦损耗只有钛的几十分之一。这种合金可制造人工关节，因有形状记忆效应，也可制造脊椎矫正棒、接骨板及各种类型的止血夹。

用钴铬钼合金和钛合金粉末制作的多孔金属作人工关节，不仅可减少人工关节与关节头之间的弹性模量差别，而且骨组织又能进入多孔金属中达到生理结合的效果，正在临床试用中。

存在问题生物金属材料是应用最广泛的一类医用承力材料。传统使用的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，还存在两个方面的主要问题：

1、植入生物金属材料在植入生物体内容易失效；

2、植入生物金属材料的感染发炎问题。人工植入生物金属材料在植入生物体内容易失效，其失效原因，大致有以下几种：

（1）植入物因各种原因而断裂；

（2）植入物在内发生严重的磨损或松动；

（3）植入物材料因腐蚀、磨损而产生的腐蚀、磨损产物进入周围组织，引起严重的组织反应这几种情况均可导致手术失败。1

生物相容性材料发生变化原因发材料发生变化的主要因素有：

(1) 生理活动中骨髂、关节、肌肉的力学行动态运动；

(2) 细胞生物电、磁场和电解、氧化作用；

(3)新陈代谢过程中生物化学和催化反应：

(4)细胞粘附吞噬作用：

机体发生反应因素材料引发机体发生反应的主要因素有：

(1) 材料中残留有毒性的低分子物质；

(2)材料聚合过程中残留有毒性、刺激性的单体；

(3)材料在灭菌过程吸附了化学毒剂和高温引发的裂解产物；

(4)材料和制品的形状、大小、表面光滑程度；

(5)材料的酸碱度。2