生物醫(yī)用金屬材料

1、1生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料摘要：摘要：在概述醫(yī)用金屬材料目前的研究現(xiàn)狀、性能和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出了醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中目前存在的主要問題，闡述了近些年生物醫(yī)用金屬材料的新進展，并對今后的發(fā)展進行展望分析。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：生物醫(yī)用金屬材料現(xiàn)狀研究進展引言：引言：生物醫(yī)用材料（biomedicalmaterial）是用于對生物體進行診斷、治療、修復(fù)或替換其病損組織、器官或增進其功能的新型高技術(shù)材料，能夠植入生物體或與生物組織相糅合。它

2、的研究及產(chǎn)業(yè)化對社會和經(jīng)濟發(fā)展的重大作用正日益受到各國政府、產(chǎn)業(yè)界和科技界的高度重視。目前用于臨床的生物醫(yī)用材料主要包括生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用有機材料（主要指有機高分子材料）、生物醫(yī)用無機非金屬材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物醫(yī)用復(fù)合材料等。而與其它幾種生物材料相比，生物醫(yī)用金屬材料具有高的強度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強度、優(yōu)異的加工性能等許多其它醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能。但生物醫(yī)用金屬材料在應(yīng)用中也面臨著一些問

3、題，由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散以及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，后者可能導(dǎo)致植入失效，因此研究和開發(fā)性能更優(yōu)、生物相容性更好的新型生物醫(yī)用金屬材料依然是材料工作者和醫(yī)務(wù)工作者共同關(guān)心的課題。生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料生物醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料。通常用于整形外科、牙科等領(lǐng)域，具有治療、修復(fù)固定和置換人體硬組織系統(tǒng)的功能。在生物醫(yī)學(xué)材

4、料中，金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史。人類在古代就已經(jīng)嘗試使用外界材料來替換修補缺損的人體組織。在公元前，人類就開始利用天然材料，如象牙，來修復(fù)骨組織；到了19世紀(jì)，由于金屬冶煉技術(shù)的發(fā)展，人們開始嘗試使用多種金屬材料，不遺余力地發(fā)展生物醫(yī)用材料，以解救在臨床上由于創(chuàng)傷、腫瘤、感染所造成的骨組織缺損患者，如用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補牙等；目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦和鈦合金等幾大類。此外還

5、有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。醫(yī)用金屬材料的特性與要求醫(yī)用金屬材料的特性與要求（1）生物形容性即生物學(xué)反應(yīng)最小，包括無毒性、無熱源反應(yīng)、不致畸、不致癌、不引起過敏反應(yīng)或干擾機體的免疫機理、不破壞臨近組織，也不發(fā)生材料表面的鈣化沉積等。（2）物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，包括強度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性以及界面穩(wěn)定性等。（3）易于加工成型，材料易于制造，價格適當(dāng)（4）對于植入心血管系統(tǒng)或與血液接觸的材料，除能滿足以上條件

6、外，還須具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破壞紅細(xì)胞（不溶血）、不破壞血小板、不改變血中蛋白（特別是脂蛋白）、不擾亂電解質(zhì)平衡等。生物醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀生物醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用現(xiàn)狀1.純鈦和鈦合金純鈦和鈦合金純鈦具有無毒、質(zhì)輕、強度高、生物相容性好等優(yōu)點，且純鈦不會生銹，而且耐高溫、低溫、耐腐蝕，可與骨組織直接連接形成物理性結(jié)合，經(jīng)證明與骨組織也可以發(fā)生化學(xué)性結(jié)合，因此在骨科領(lǐng)域應(yīng)用較廣。基于以上優(yōu)點，20世紀(jì)50年代，

7、美國和英國就開始把純鈦用于生物體。到了20世紀(jì)60年代，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應(yīng)用于臨床。鈦合金就是為了進一步加強純鈦的強度而制成的。生物相容性不如純鈦，但強度是不銹鋼的3性能偏低而未應(yīng)用。貴金屬材料在牙科、針灸、體內(nèi)植入及醫(yī)用生物傳感器等方面有其廣泛的應(yīng)用。鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以和其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。在臨床上，鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。鈮、鋯

8、及鉭與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物學(xué)上也得到一定應(yīng)用。但總的來說，醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。5.形狀記憶合金形狀記憶合金形狀記憶合金是一種新型醫(yī)生物材料，國內(nèi)醫(yī)用形狀記憶合金研究始于20世紀(jì)70年代，并很快得到了廣泛應(yīng)用。臨床上已采用的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金，前者應(yīng)用廣泛。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（0℃左右，處于馬氏體狀態(tài)

9、）比較柔軟，可以變形，將其加熱到人體溫度時（高溫相狀態(tài)）立刻恢復(fù)到原來形狀，產(chǎn)生持續(xù)柔和的恢復(fù)力。而此時材料較硬富有彈性，可起到矯形或支撐作用。其記憶恢復(fù)溫度為362℃，符合人體溫度，在臨床上表現(xiàn)出與不銹鋼和鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵嗳菪?。其?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。但由于鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素，如果表面處理不當(dāng)，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴散滲透。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口

10、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)用金屬材料目前存在的主要問題生物醫(yī)用金屆材料具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能加工工藝簡便是應(yīng)用最廣泛的一類醫(yī)用材料。傳統(tǒng)使用的醫(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，主要還是由金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的。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的

11、負(fù)電性，能夠變化其電子價態(tài)并與生物體內(nèi)的有機物或無機物質(zhì)化臺形成復(fù)雜的化臺物(有些含有強烈的毒性，與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、金屬離于進八組織液里會引發(fā)～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(

12、Mo)、鈷(Co)等人體必需的微量元素中，鎳、鈷、鉻離子對人體都有致敏反應(yīng)，鋼中的鉻元素當(dāng)呈現(xiàn)六價態(tài)時對人體也有較大的毒性和過敏傾向。鎳離子的富集對人體有很大毒性，有過敏反應(yīng)可能誘導(dǎo)有機體突變以及發(fā)生癌變。有研究報道了植入物釋放出來的金屬離誘導(dǎo)炎癥的過程，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。研究金屬毒性的醫(yī)生早就知道鎳是一種能夠致癌的有毒化學(xué)元素，科學(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

13、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)用金屬材料時必須嚴(yán)格控制其中的金屬元隸，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。新型醫(yī)用金屬材料的研究和進展新型醫(yī)用金屬材料的研究和進展在過去的幾十年中生物醫(yī)用金屬材料已經(jīng)得到很快的發(fā)展，然而在臨床上使用的仍然是有限的幾種。因此研究

14、并推動新型生物醫(yī)用材料的應(yīng)用，依然非常重要。新型金屬材料的發(fā)展應(yīng)從現(xiàn)存的舊題出發(fā)，采用新技術(shù)和新工藝，改善現(xiàn)有生物金屬材料的性能，以減少和避免上述問題。1.鎂及鎂合金鎂及鎂合金鎂及鎂合金由于密度低，比強度、比剛度高等優(yōu)異的綜合性能已被廣泛應(yīng)用在航空航天、電子通信、汽車制造等領(lǐng)域。從這十幾年來國內(nèi)外對鎂及鎂合金各方面的報道發(fā)現(xiàn)鎂如作為硬組織植入材料，與現(xiàn)已投入臨床使用的各種金屬植入材料相比，具有資源豐富、與人骨的密致骨密度相近、鎂及鎂合金