生物醫用金屬材料

生物醫用金屬材料是人類最早利用的生物醫用材料之一。人類很早開始用黃金來修復缺損牙齒。

1546年，純金薄片用於修復顱骨缺損

1588年，發現有用黃金版用於顎骨修復。

1775年，有記載用金屬固定體內骨折

1800年，大量應用金屬板固定骨折的報道；

1809年，用黃金製成種植牙

1880年，銀用於膝蓋骨縫合

1896年，鍍鎳鋼釘用於骨折治療

20世紀30年代，鈷鉻合金，不鏽鋼、鈦及合金得到廣泛應用

20世紀70年代，Ni-Ti形狀記憶合金，金屬表面塗層的應用

近30年，發展較慢，但在臨牀仍佔據重要地位

生物醫用金屬材料的毒性主要來自金屬表面離子或原子因腐蝕或磨損進入周圍生物組織，由此作用於細胞，抑制酶的活性，組織酶的擴散和破壞溶酶體。具體可表現為與體內物質生成有毒化合物。並且金屬離子進入組織液，會引起水腫、栓塞、感染和腫瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蝕性、提高光潔度、表面塗層等。

生物醫用金屬材料的生理腐蝕性是決定材料植入後成敗的關鍵，其產物對生物機體的影響決定植入器件的使用壽命。

生物醫用金屬材料需要有足夠的強度與塑性。一般説來，對人工髖關節金屬材料的要求是：屈服強度>450Mpa；抗拉強度>800Mpa；疲勞強度>400Mpa；延伸率>8%。通常材料的彈性模量大於骨的彈性模量，由此會使得材料與骨應變不同，界面處發生的相對位移造成界面鬆動；除此產生應力屏蔽，引起骨組織的功能退化或吸收。

耐磨性影響植入摩擦器件的壽命；以及可能產生有害的金屬微粒或微屑，導致周圍組織的炎性、毒性反應。可通過提高硬度，表面處理等方法進行改善。

醫用不鏽鋼主要化學成分為{316，36L，317L}；在應用中，容易發生點蝕，界面腐蝕，以致長期穩定性差；溶出的某些離子可能誘發腫瘤形成；力學相容性差，無生物活性。

主要化學成分為Co-Cr-Mo、Co-Cr-W-Ni等。耐蝕性比不鏽鋼高數十倍，一般無明顯的組織反應。作為人工髖關節界面鬆動率較高，Co離子的釋放，引起細胞與組織的壞死、皮膚過敏反應等。其具有優異的耐摩擦性能，承載能力較強。通常作為唱起植入件。

鈦及鈦合金是目前應用最多的植入金屬生物材料，具有密度小，比強度高，彈性模量低，耐腐蝕性和抗疲勞性能優於不鏽鋼和鈷合金，生物相容性好，但硬度低，耐摩擦性差，疲勞和斷裂韌性不甚理想，彈性模量仍然偏高，並且合金中含有毒性元素。根據合金性質，鈦合金主要分為α、β、α-β鈦合金。

鎂合金作為可降解醫用材料被譽為第三代生物醫用材料。鎂是一種對人體温和的元素，具有很好的可吸收性和生物相容性，在骨科植入中，具有與骨接近的密度和彈性模量。鎂合金還具有可控的腐蝕速率，在心血管植入和骨修復上有很好的應用前景。目前研究的鎂合金主要包括WE43、AZ31、Mg-Ca、MgZnCa等。鎂合金主要腐蝕速率過快，機械強度不夠等問題。

最先廣泛用於臨牀治療的金、銀、鉑等貴金屬，具有良好的穩定性和加工性能，但因其價格較貴，廣泛應用受到限制，現金在牙科、針灸、體內植入及醫用生物傳感器等方面仍有廣泛應用。

鉭、鈮、鋯，具有很好的化學穩定性和抗生理腐蝕性，氧化物基本上不被吸收和不呈現毒性反應，可以與其他金屬結合使用而不破壞其表面的氧化膜。並且表現出良好的生物相容性，但也因其價格較貴，應用受限。

形狀記憶合金是一種新型醫用生物材料。臨牀上已採用的形狀記憶合金主要為鎳鈦形狀記憶合金。醫用鎳鈦形狀記憶合金在相變區具有形狀記憶特性和超彈性，在低温下比較柔軟，可以變形將其加熱到人體温度時立刻恢復到原來形狀，產生持續柔和的恢復力。而此時材料較硬富有彈性，可起到矯形或支撐作用。其與不鏽鋼和鈦合金相當的生物相容性。其優良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒等特徵，被稱為21世紀的新型功能材料。但鎳鈦記憶合金中鎳離子可能向周圍組織擴散滲透，引起不良反應。醫用形狀記憶合金主要用於整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。

醫用金屬材料經過多年的臨牀應用，仍然存在許多問題，除了醫用材料常見的宿主反應以外，還由於金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的影響。醫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負電性，能夠變化其電子價態並與生物體內的有機物或無機物質化合形成複雜的化台物（有些含有強烈的毒性）。另外，金屬材料植入人體以後，由於腐蝕、磨損等導致金屬離子溶出、金屬；離子進入組織液裏會引發某些生物反應，如組織反應．血液反應和全身反應，表現為水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現象。

另外在人體血液中．由於血小板、細胞和蛋白質帶有負電荷，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於造成血栓的形成。在鐵(Fe)、鉻(Cr)、鎳（Ni）、鉬(Mo)、鈷(Co)等人體必需的微量元素中，鎳、鈷、鉻離子對人體都有很大的毒性和致敏反應。已有研究報道了植入物釋放出來的金屬離子誘導炎症的過程，並且發現即使亞微摩爾濃度的鋅、鎳和鈷．也能誘導內皮細胞E選擇素的表達。科學上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題”，直到最近幾十年才受到各國重視，對日用和醫用金屬材料中的鎳含量限制越來越嚴格，標準文件中所允許的最高鎳含量也越來越少。由1967年、1988年和1994年頒佈的歐洲議會標準，就可以清楚地看出這種趨勢。因此在發展新型醫用金屬材料時必須嚴格控制其中的金屬元素，最好是少用或不用對人體產生毒性和過敏性較大的合金化元素。

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