發展曆史

 

金屬醫用材料是人類最早利用的醫用材（cái）料之一，其應用可（kě）以追溯到公元前400~300年，腓（féi）尼基人將金屬絲用於修複牙缺失。隨後，經曆了漫長歲月（yuè）的發展，直至19世紀後期，人類成功利用貴金屬銀對患者的膝蓋骨進行縫合（1880年）。人類利用鍍鎳鋼螺釘進行骨折治療（1896年）後，才開始了（le）對（duì）金屬醫（yī）用（yòng）材料的係統研究。20世紀30年（nián）代，隨著（zhe）鈷鉻合（hé）金、不鏽鋼（gāng）和鈦及合金的（de）相繼開（kāi）發（fā）成功（gōng）並在齒（chǐ）科和骨科中得到廣泛的應用，逐（zhú）步奠定了（le）金屬醫用材料在生物醫用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形狀記憶合金在臨床醫學中的成功（gōng）應（yīng）用以（yǐ）及金屬表麵生物醫用塗層材料的發展，使生物醫用金屬材料得到了極（jí）大的發展（zhǎn）。

定義及應用領域

 

醫用金（jīn）屬（shǔ）材料也被稱為外科植入金屬材料，主要用於診斷、治療（liáo），以及替（tì）換人體中的組織或增進其（qí）功能。近20年來，雖（suī）然金屬醫用材料相對（duì）於高分子材料、複合材料以（yǐ）及（jí）雜化和衍生材料（liào）等生物醫用材料的發展緩慢，但其具有高的強度（dù）、良好的（de）韌性及抗（kàng）彎曲（qǔ）疲勞強度、優異的加工性能等許多其它幾類醫用材料不可替代的優良性能，是（shì）臨床（chuáng）應用中（zhōng）最廣泛（fàn）的承力植入材料。尤其隨（suí）著金屬3D打印技術的發展，金屬醫用材料得到（dào）了更廣泛的應用，最重要的應用（yòng）有：骨折內固定板、螺釘、人工關節和牙（yá）根種植體等。

常用金屬醫用材料

 

臨床應用的醫（yī）用金屬材料主要有不鏽鋼、鈷合金、鈦合金、形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、铌、鋯等。

1、不鏽鋼（gāng）

 

醫（yī）用不鏽鋼（gāng）（Stainless Steel as Biomedical Material）為鐵基耐蝕合金，是最早開發的生物醫用合金之一，其特（tè）點是易加（jiā）工（gōng）、價格低廉，耐蝕性和屈服強（qiáng）度可以通過冷加工提高，避免疲勞斷裂。不鏽鋼按顯（xiǎn）微組織可分為：奧氏（shì）體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼、馬氏體（tǐ）不鏽鋼、沉澱硬化型不鏽鋼等，被用以製作醫療器械：刀、剪、止血鉗（圖1）、針頭，同時被用以製作人工關節、骨折內固定器、牙齒（chǐ）矯形、人工心髒瓣膜等器件。其中，醫用應用最多的是奧氏體（tǐ）超低碳不鏽鋼316L和（hé）317L。1987年，316L和317L兩種合金已於納入國際標準ISO 5832和（hé）ISO 7153中。1990年，我國製定了（le）相應的國（guó）家標準GB 12417，並於（yú）1991年開始實施。

 

圖1 醫用不鏽鋼鉗

醫用不鏽鋼的生物相容性及（jí）相關問題，主要（yào）涉及到不（bú）鏽鋼植入人體後由於腐蝕或磨損造成金屬離子溶出所引起的組織反應等（děng）。大量的臨床資料顯示，醫用（yòng）不鏽鋼的腐蝕（shí）造成其長期（qī）植入的穩定性差（chà），加之其（qí）密度和彈性模（mó）量與人體硬組織相距（jù）較大，導致力學相容性差。由於（yú）腐蝕（shí）會造成金屬離子或其它化合物進人周圍的組織或整個機體，因而可（kě）在機體內引起某些不良組織學反應，如出現水腫、感染、組織壞死等，從而導致疼痛和（hé）過敏反應等。特別是不鏽鋼中鎳離子析出誘發的嚴重病變（通常用的奧氏體醫用不鏽鋼均含有10%左右的鎳）。近些年低鎳和無鎳的醫用不鏽鋼正逐漸得（dé）到發展和應用。

2、鈷合金

 

醫用鈷合（hé）金（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是醫療中常用的金屬醫用材料，相對不鏽鋼而言，醫用鈷合（hé）金更適合於（yú）製造體內（nèi）承載條件苛（kē）刻的長期植入（rù）件，其耐腐蝕性比不鏽鋼高40倍。最早開發的（de）醫用鈷合金為（wéi）鈷鉻（gè）鉬（Co-Cr-Mo）合金，其結構為奧氏體。70年代（dài）又開發出具有良好疲勞性能的鍛造鈷鎳鉻鋁鎢鐵(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合（hé）金和具有多相組織（zhī）的MP35N鈷鎳鉻鋁合金。鈷合金主要被用（yòng）以製作人工髖關（guān）節、膝關節、關節扣釘、接骨板、骨釘和骨針，如圖2所示。目前，應用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金，該合金已被納人ISO5582/4標準。1990年，我國將其列入國標 GB12417。

鈷合金在人（rén）體（tǐ）內多保（bǎo）持鈍化狀態，很少見腐（fǔ）蝕現象，與（yǔ）不鏽（xiù）鋼相比，其鈍化膜更穩（wěn）定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所（suǒ）有醫用金屬材（cái）料中最（zuì）好的，一般認為植入人體後沒有明（míng）顯的組織學反（fǎn）應。但是由於鈷合金價格較貴，並且鈷合金製作的人工（gōng）髖關節由於金（jīn）屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離（lí）子溶出，在體內的鬆動率較高（gāo），析出的Co、Ni元素又存在著嚴重致敏性等生物學問題，在體內容易引起細胞和組織（zhī）壞死，從而（ér）導致患者疼痛以及關節的鬆動、下沉，應用受到一定的限（xiàn）製。近年來，通過表麵改性技術來改善鈷合金的表麵特性，有效提高了其臨床效（xiào）果。

3、鈦合金（jīn）

 

醫用鈦合金（Ti-based- Alloy as Biomedical Material）是目前已知的生物親和性最好的金屬之一（yī），上世紀40年代以來，鈦和鈦合金逐漸在臨（lín）床醫學中獲得應用。1951年，人（rén）類開始用純鈦製（zhì）作接骨板和骨螺釘。20世紀70年（nián）代中（zhōng）期，鈦及（jí）鈦合（hé）金開始（shǐ）獲得廣泛的醫學應用（yòng），成為最有發展前景的醫（yī）用材料之一。目前，鈦和鈦合金主要應用（yòng）於整形外科（kē），尤其是四肢骨和顱骨（gǔ）整複，被用以製作各種骨折內固定器械、人工關節、頭（tóu）蓋骨和（hé）硬膜（圖3）、人工心（xīn）髒瓣（bàn）膜、齒、牙床、托（tuō）環和牙冠。其中，醫用應用最多（duō）的鈦合金是TC4（Ti-6A1-4V），該（gāi）合金在室溫下具有а十β兩相混合組織，通過固溶處理（lǐ）和（hé）時（shí）效處理，可使其強度（dù）等力學性能顯著提高。

鈦及鈦合金的密度在4.5g/cm3左右，幾乎僅為不鏽（xiù）鋼和鈷合金的一半，密度接（jiē）近人體（tǐ）硬組（zǔ）織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優（yōu）於不鏽鋼和鈷合金，是目前最佳（jiā）的金屬醫用材料。鈦及鈦合金與人體（tǐ）的親和（hé）性（xìng），源於植入後其表麵（miàn）致密的氧（yǎng）化鈦（TiO2）鈍化膜具有誘導體液中鈣、磷離子沉（chén）積生成磷灰石的能力，表現出一定的生物活性和骨（gǔ）結合能（néng）力，尤其適合於骨內埋植。鈦（tài）及鈦合金缺點是硬度較（jiào）低（dī），耐磨性（xìng）差（chà）。若磨（mó）損發生，首先導致氧化膜破壞（huài），隨後磨損（sǔn）的顆粒腐蝕產物進人體組織，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的釩（V）可導致（zhì）植入物的失（shī）效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可對鈦及（jí）鈦合（hé）金製品表麵進行高溫離子氨化或離子注（zhù）入技術處理，強化其表麵耐磨性。近年來，開發出的一些新（xīn）型鈦合金（主要是β型合金），都注重減少了對人體有一定危害的元素（sù），例（lì）如V和Al, 有效（xiào）地改善了鈦合金的生物相容性。

4、形狀記憶合金（jīn）

 

醫用形狀記憶合金（Shape Memory Alloy as Biomedical Material）的研究始（shǐ）於20世紀70年代，並很快得到了廣泛應用。臨床上應用最廣泛的（de）形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金。醫用鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶恢複溫度為36±2℃，符合人體溫度在臨（lín）床上表現出與鈦（tài）合金相（xiàng）當的生物相容性。但由於鎳鈦記（jì）憶合金中（zhōng）含有大量的鎳元素，如（rú）果表麵處理不當，則其中的鎳（niè）離子可能向周圍（wéi）組（zǔ）織擴散滲透，引（yǐn）起細（xì）胞和組織壞死（sǐ）。醫用形狀記憶合金主要用於整形外科和口（kǒu）腔科，鎳鈦記憶合金應（yīng）用最好的例子是自膨脹支架，特（tè）別是心血管支架（jià）（圖4）。

5、貴金屬和純金屬鉭、铌、鋯

 

醫用貴金屬是指用作生物醫用材料（liào）的（de）金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金（jīn）屬的生物相容性較好，抗氧化、抗腐蝕性強，具備獨特的物理與化學（xué）穩定性，優異的加工特性，對人體組織無毒副作用。被用作整牙修（xiū）複（fù）（圖5）、顱骨（gǔ）修複、植入電極（jí）電子裝置、神（shén）經（jīng）修複裝（zhuāng）置、耳渦神經刺激裝置、橫隔膜神經刺激裝置、視覺神（shén）經裝置和心髒起搏器電極等。

鉭具有很好的化學穩定性和抗（kàng）生理腐蝕性，鉭（tǎn）的氧化物基本上不被吸收和不呈現毒性反應，鉭可與（yǔ）其它（tā）金屬結合使用而不破壞（huài）其表麵的氧化膜。在臨床上，鉭（tǎn）也表現出良好的生物相容性。鉭、铌、鋯與鈦都具（jù）有極相似的組織結構和化學性能（néng），在生物醫學上也得到一（yī）定應用，被用作接骨板、種植牙根、義齒、心（xīn）血管支（zhī）架及人（rén）工（gōng）心髒等（děng）。但總的來說，醫用貴（guì）金屬和鉭（tǎn）、铌、鋯等金（jīn）屬因其價格較貴，廣泛應用受到限製（zhì）。

金屬醫用材料的主要問題

 

金屬（shǔ）醫用材料經臨床應用，主要問題還是生物相容性（xìng），源於金屬腐蝕和磨損。因為金屬材料中均含有較多（duō）的合金化元素，由於腐蝕、磨（mó）損將導致金屬離子溶出，進而引發細胞及組織液的一些生物（wù）反應，如組織反應、血液反（fǎn）應（yīng）和全身反應，表（biǎo）現為水腫、血栓栓塞（sāi）、感染及腫瘤等現象。鉻、鎳等離（lí）子對人體都有致（zhì）敏反應（yīng）。鋼中的鉻（gè）元素當呈現六價態時，對人體也有較大（dà）的毒性和過敏傾向。鎳離子除了對人體（tǐ）有很大毒性和過敏反應外，可能誘導有機體突變，甚至（zhì）發（fā）生癌變。科學（xué）上早就存（cún）在的“鎳（niè）過敏和鎳致癌問題”，直到最近幾十年才受到各國重視，對日用和醫用（yòng）金屬材料中的鎳含量限製越來越嚴格。因此，在發展新型醫用金屬材料時必須嚴格控製其中的金屬元素，最好是少用或不用對人體產生毒性和過敏性較大（dà）的合金化元素。

金屬醫用材（cái）料未來發展方（fāng）向

 

1、醫師及病人都希望采用最好的金屬醫用材料，長期使用的安全性及（jí）可靠性是對醫用金屬材料的基本（běn）要求。因此，未來金屬醫（yī）用材（cái）料的開發仍以不斷提高使用的安全性、可靠性及生物相容性為（wéi）主（zhǔ）。

2、建立有關（guān）金屬元素對人體毒性（xìng）方（fāng）麵係（xì）統化的基（jī）礎數據庫，利用大數據（jù）研究分析（xī）金（jīn）屬（shǔ）元素在人體內外毒性的相關性，以及植入金屬材料和（hé）人體（tǐ）的分子水平（píng）研究等。用分子生物學技（jì）術（shù）從分子水平（píng）上研究金屬元素對人（rén）體組織的影響，這樣才能進一步了解金（jīn）屬醫用材料對人體的影（yǐng）響。

3、未來金屬醫用（yòng）材料的種類有待進一步擴（kuò）展，使用成本有待進一步降低。雖（suī）然在過（guò）去的幾十年中，金屬醫用材料已經得到了很快的發展，然而在臨床上（shàng）使用的仍然是有限的幾種。因此，研究開發高耐蝕性、高耐磨性、高疲（pí）勞強度和高韌性生體合金依然重要。

4、對目前正在使用（yòng）的金屬醫用材料，采用如3D打印等新技術和新工藝，完成醫療器械（xiè）的定製化打印。現實中患（huàn）者的病情（qíng）不同，醫生所要進行的手術也不（bú）同，每一個手術（shù）都有其獨特性（xìng），針對這種不（bú）同情況的定製（zhì）化打（dǎ）印，將（jiāng）為醫生和患者提供便利，更有利於手術的成功。