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    1. 生物醫用金屬材料現狀與進展

      日期: 2021-06-11  來源:  點擊數:  

      生物醫用金屬材料又稱醫用金屬材料或外科用金屬材料,當生物醫用金屬材料廣泛被用于植入材料時,長期的實用性與安全性便成為了對醫用金屬材料的第一要求。生物醫用金屬材料在臨床上已經取得了廣泛的應用,同時也具備重要的深入研究價值。本文講述了生物醫用金屬材料的最新研究進展,詳細介紹了鈦基、鈷基、鎂基、鋯基、鋅基、鋁合金以及不銹鋼、鎢、貴金屬等生物醫用金屬材料的研究與應用進展。


      性能要求


      生物醫用金屬材料的性能要求:


      (1)機械性能


      生物醫用金屬材料一般應具有足夠的強度和韌性,適當的彈性和硬度,良好的抗疲勞、抗蠕變性能以及必需的耐磨性和自潤滑性。


      (2)抗腐蝕性能


      生物醫用金屬材料發生的腐蝕主要有:植入材料表面暴露在人體生理環境下發生電解作用,屬于一般性均勻腐蝕;植入材料混入雜質而引發的點腐蝕;各種成分以及物理化學性質不同引發的晶間腐蝕;電離能不同的材料混合使用引發的電偶腐蝕;植入體和人體組織的間隙之間發生的磨損腐蝕;有載荷時,植入材料在某個部位發生應力集中而引起的應力腐蝕;長時間的反復加載引發植入材料損傷斷裂的疲勞腐蝕等。


      (3)生物相容性


      生物相容性是指人體組織與植入材料相互包容和相互適應的程度,也就是說植入材料是否會對人體組織造成破壞、毒害和其他有害的作用。生物醫用材料必須具備優異的生物相容性,具體體現在:對人體無毒、無刺激、無致癌、無突變等作用;人體無排異反應;與周圍的骨骼及其他組織能夠牢固結合,最好能夠形成化學鍵合以及具有生物活性;無溶血、凝血反應,即具有抗血栓性。生物相容性是衡量生物材料優劣的重要指標。



      研究現狀


      01 生物醫用鈦合金材料



      生物醫用鈦合金材料是用于生物醫學工程的一類功能結構材料,常用于外科植入物和矯形器械產品的生產和制造。鈦合金醫療器械產品如人工關節、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、治療、修復、替換人體組織或器官,或增進人體組織或器官功能,其作用是藥物不能替代的。醫用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學、生物、醫學、電子顯微及生化分析等多個學科,研究方向包括:醫用金屬材料的合金設計與評價體系、材料的加工-組織-性能關系與人體軟、硬組織的相容性匹配、材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性和耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規律等。


      純鈦具有無毒、質輕、強度高、生物相容性好等優點。20世紀50年代美國和英國開始把純鈦用于生物體。20世紀60年代后,鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發展起來的新型β鈦合金,如下表所示,鈦合金在人體植入材料方面的研究獲得了較快的發展。


      類型 分類 典型性能 典型合金
      α α 低強度,較好的加工性能和最好的生物相容性 TA1-TA3
      近α 中強度 Ti3Al2.5V
      良好的加工性能和生物相容性
      α+β α+β 高強度,良好的綜合性能 Ti6Al4V
      可通過時效增加強度和良好的生物相容性 Ti6Al7Nb
      β β 中強度,低模量 Ti30Mo
      良好的加工性能和生物相容性
      亞穩β 中高強度,更低模量 Ti15Mo
      更好的綜合性能 Ti12Mo6Zr2Fe
      近β 可時效加強 Ti1Nb13Zr
      更好的加工性能和生物相容性


      鈦的密度與人骨近似,質輕。純鈦生物相容性好,強度為390~490 MPa。實驗證明,鈦相比于鈷基合金和不銹鋼的抗疲勞性和耐蝕性能更優越,鈦的表面活性好,組織反應輕微,容易與氧發生反應建立致密氧化膜,鈦的氧化層比較穩定。因此,鈦與鈦合金具備生物醫用材料的條件,是一種較為理想的、適于植入體的、具有發展前途的植入材料。臨床上廣泛采用鈦與鈦合金制造人工關節部件、接骨板和螺釘等,還用于制成人造椎體(脊柱矯正器)、人工心臟(心臟瓣膜)、人工種植牙、心臟起搏器外殼等。


      鎳鈦形狀記憶合金是一種在一定溫度下經過處理能夠塑性變形為另一種形狀,而在一定條件下又能自動恢復成原有形狀的形狀記憶合金。鎳鈦形狀記憶合金的疲勞極限較高,耐腐蝕性良好,其具有的獨特的形狀記憶恢復溫度與人體溫度相適宜,具有良好的生物相容性,因此在醫學領域得到廣泛應用。近年來,鎳鈦形狀記憶合金開始應用于心血管治療領域,鎳鈦形狀記憶合金支架可應用于冠心病的治療,具有較大發展前景。


      鈦合金在生物醫用領域的應用呈快速發展的趨勢,結合國內外的研究現狀,其未來的發展方向為:


      (1) 單晶生物醫用鈦合金,沿某一方向生長獲得的單晶材料可獲得接近人體骨骼的彈性模量,制作的植入體也會具有更好的彈性模量匹配;


      (2) 超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物相容性及產業化;


      (3) 超彈性和形狀記憶功能醫用低彈性模量鈦合金的組織性能調控;


      (4) 調節孔隙率的大小來降低生物醫用多孔鈦合金材料彈性模量的同時提升其力學性能。


      02 鈷基合金醫用金屬材料



      鈷基合金通常指Co-Cr合金,有2種基本牌號:Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微觀組織為鈷基奧氏體結構,能夠鍛造或鑄造,但制作加工非常困難,其機械性能和耐蝕性優于不銹鋼,是現階段比較優良的生物醫用金屬材料。鍛造鈷基合金是一種新型材料,用于制造關節替換假體連接件的主干,如膝關節和髖關節替換假體等。美國材料實驗協會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金:鍛造Co-Cr-Mo合金(F76)、鍛造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563),其中F76和F562已廣泛用于植入體制造。


      03 不銹鋼醫用金屬材料



      醫用不銹鋼具有低成本和良好的加工性能、力學性能等,目前在口腔醫學和骨折內固定器械、人工關節等領域應用廣泛。302不銹鋼是最早使用的醫用金屬材料,抗腐蝕性能較好,強度較高。有研究人員將鉬元素加入不銹鋼中制作316不銹鋼,有效地改善了醫用不銹鋼的抗腐蝕性。20世紀50年代,研究人員研制出新的316L不銹鋼,將不銹鋼中的最高碳含量降至0.03%,使得材料的抗腐蝕性能得到進一步提高。從此,醫用不銹鋼便成為國際上公認的外科植入體的首選材料。


      雖然鈷基合金的抗蝕性強于不銹鋼,但是醫用不銹鋼具有價格低廉、易加工的優勢,可制成各種人工假體及多種形體,如齒冠、三棱釘、螺釘、髓內針、板、釘等器件,另外制作手術器械和醫療儀器時也廣泛應用,現階段醫用不銹鋼依然是應用最為廣泛的醫用金屬材料。目前常用的醫用不銹鋼為316L、317L,不銹鋼中的C質量分數≤0.03%可以避免其在生物體內被腐蝕,主要成分為Fe60%~65%,添加重要合金Cr17%~20%和Ni12%~14%,還有其他少量元素成分,如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S。為了避免鎳的毒性作用,研究人員研制出了高氮無鎳不銹鋼。近些年來,低鎳和無鎳的醫用不銹鋼逐漸得到發展和應用。日本的物質材料研究所(筑波市)開發了一種不含鎳的硬質不銹鋼的簡易生產方法,解決了無鎳不銹鋼難以加工而制造成本太高的問題,生產成本低廉,有望廣泛用于醫療領域。


      04 生物醫用鋁合金材料


      鋁及其合金材料具有良好的性能,可塑性和生物相容好,作為植入材料早在20世紀40年代就已廣為使用,目前可承受高負荷的部件也多用鋁及其合金制成。鋁具有較高的耐蝕性,除在氫氟酸、苛性堿、熱的濃硫酸、鹽酸和硝酸的混合液溶解外,其他試劑對鋁都發揮不了腐蝕作用,體液不影響鋁的交變疲勞強度,良好的生物相容性使得鋁植入材料不刺激人體。另外,相比于不銹鋼,鋁的抗缺口裂紋擴展能力很高。

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