劉思睿

【摘 要】 生物醫(yī)用金屬材料已經(jīng)在臨床上取得了廣泛的應用。本文介紹了生物醫(yī)用金屬材料的主要分類和性能特點，包括醫(yī)用不銹鋼、醫(yī)用鈦合金、醫(yī)用可降解金屬等，提出了目前生物醫(yī)用金屬材料存在的主要問題和進一步的研究方向，并對生物醫(yī)用金屬材料未來的研究及應用進行展望。

【關鍵詞】 生物醫(yī)用金屬材料；醫(yī)用不銹鋼；鎳鈦形狀記憶合金；醫(yī)用可降解金屬

【中圖分類號】

R249 【文獻標志碼】

A 【文章編號】1005-0019（2018）21-295-01

1 引言

生物醫(yī)用材料，即能夠植入到生物體中，并且與生物組織結合并修復的材料，可分為生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用無機非金屬材料、生物醫(yī)用金屬材料等類型。其中，生物醫(yī)用金屬材料最早得到應用。生物醫(yī)用金屬材料是指生物醫(yī)用材料中的合金材料，和生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用無機非金屬材料等相比更易加工，強度較高，抗疲勞性也較好，主要應用于骨科、齒科、心血管科等領域。

理想的生物醫(yī)用金屬材料應具備以下條件：（1）生物相容性好，如對組織無破壞作用、無毒副作用和致畸致癌性、對免疫系統(tǒng)無影響、無凝血作用等。（2）彈性模量值與人體較相符、抗腐蝕性好、強度高等。（3）加工較容易，價格適合普通群眾。目前廣泛應用于臨床的生物醫(yī)用金屬材料包括醫(yī)用貴金屬材料、醫(yī)用不銹鋼、醫(yī)用鈷基合金、醫(yī)用鈦合金、醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金等，而以醫(yī)用鎂合金為代表的醫(yī)用可降解金屬材料也在積極研究實踐中。但目前生物醫(yī)用金屬材料仍存在較多缺陷，需要在未來的進一步研究中加以解決。

2 醫(yī)用金屬材料分類概述

2.1 醫(yī)用貴金屬材料 醫(yī)用貴金屬材料，包括金、銀、鉑及其合金，是人們最早使用的醫(yī)用金屬材料。早在公元前7世紀，意大利的伊特拉斯坎人便開始用金絲固定牙齒[1]。自15世紀起，醫(yī)用貴金屬材料大規(guī)模應用于臨床，如顱骨修復、制作假牙等等。醫(yī)用貴金屬材料具有許多優(yōu)良特點，如延展性好，易于加工制造；性質穩(wěn)定，耐腐蝕，適應條件苛刻的生物環(huán)境；導電性強；毒性低。

基于其特有性能，醫(yī)用貴金屬在許多領域發(fā)揮作用。比如，由于其化學性質不活潑，抗腐蝕性極強，能適應口腔中復雜的環(huán)境，因此醫(yī)用貴金屬材料長期被用作假牙等材料；因其導電性好，醫(yī)用貴金屬可用于制造心臟起搏器、生物傳感器等[1]。同時，醫(yī)用貴金屬在中醫(yī)的針灸中也有舉足輕重的地位。但醫(yī)用貴金屬價格昂貴，且密度大，彈性模量大，一定程度上限制了醫(yī)用貴金屬的普遍應用。

2.2 醫(yī)用不銹鋼 醫(yī)用不銹鋼由鐵、碳、鎳、鉻、鉬等元素組成，強度大、抗腐蝕性較好，且價格較低，易于加工成型，在臨床醫(yī)學上廣泛應用，如在齒科用于矯正或鑲嵌牙齒，在心血管內科領域用作心血管支架，在骨科領域被制作成人工關節(jié)和各種骨折固定器械。

醫(yī)用不銹鋼經(jīng)歷了不銹鋼18-8、不銹鋼316、不銹鋼316L等發(fā)展階段[2]，抗腐蝕性能不斷加強，但仍存在一定問題。首先，醫(yī)用不銹鋼具有高密度、高強度、高彈性模量等特性，骨組織易出現(xiàn)應力遮擋現(xiàn)象，力學刺激不夠導致骨質疏松，增加再次骨折的風險；其次，醫(yī)用不銹鋼不可避免地存在縫隙腐蝕、摩擦腐蝕、疲勞腐蝕等問題，對環(huán)境要求較高；再者不銹鋼中含有較多的鎳，而鎳析出可能會引起過敏、生理病變等毒性反應，還會使植入體因松動而失效[2]。近年來，低鎳和無鎳不銹鋼正在研發(fā)中，其中中科院金屬研究所開發(fā)出一種新型的醫(yī)用高氮無鎳奧氏體不銹鋼，并獲得了國家發(fā)明專利，這種不銹鋼不僅有效解決了鎳元素的毒性問題，還改善了力學性能，有望得到臨床應用[3]。除此之外，中科院還通過在醫(yī)用不銹鋼中添加銅元素，研制出多種抗菌不銹鋼，并驗證了其抗菌效果[4]。這些研發(fā)成果將有效降低材料成本和潛在的副作用，使醫(yī)用不銹鋼有更廣闊的發(fā)展前景。

2.3 醫(yī)用鈷基合金 醫(yī)用鈷基合金目前有Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金兩種。前者是鑄造而成的合金，一般用于制造人工關節(jié)連接件；后者則是鍛造而成的合金，主要用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干[3]。因為其表面存在鈍化膜，抗腐蝕性更好，適用范圍更廣，更適合制造長期植入體，如冠脈支架等。

鑄造Co-Cr-Mo合金由于晶粒較大，鈍化膜易被點蝕和間隙腐蝕而產(chǎn)生氣泡、孔隙等問題；同時醫(yī)用鈷基合金價格較貴，且彈性模量較大，應用受到一定限制。史勝鳳等人[5]通過實驗研究醫(yī)用鈷基合金的耐腐蝕性能，得出提高鉻含量能有效提高醫(yī)用鈷基合金的耐腐蝕性，同時檸檬酸鹽溶液會使耐腐蝕性降低。該實驗有助于醫(yī)用鈷基合金的發(fā)展提高。近年來通過表面改性技術，改善了醫(yī)用鈷基合金的性能。人們也正在研究往鈷基合金中加入氮、鎢等元素以提高強度[3]，使其在臨床應用中發(fā)揮更大的作用。

2.4 醫(yī)用鈦合金 經(jīng)過科學家的研發(fā)，醫(yī)用鈦合金目前已經(jīng)發(fā)展到新型β鈦合金，生物相容性、耐腐蝕性得到了提升，應用于關節(jié)頭修復、牙齒修復、顱骨修復等[6]。相比于不銹鋼和鈷基合金，鈦合金具有彈性模量值較小、抗點狀腐蝕等優(yōu)勢，有利于新骨形成，在骨科領域應用較廣。

但鈦合金中含有的鋁元素對人體有潛在危害，同時醫(yī)用鈦合金的彈性模量與人骨相比依然較高。美國、日本、中國等國家研究的新型β鈦合金不含Al和V元素，彈性模量較低，減少了副作用。李元元等人[7]在研究粉末冶金法合成超細低模醫(yī)用鈦合金時發(fā)現(xiàn)Fe的含量對鈦合金的力學性能影響較大，其合成的其中一種醫(yī)用鈦合金彈性模量低，耐磨性比目前廣泛使用的鈦合金強，在骨科固定修復領域有很大的應用潛力。

2.5 醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金 醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金具有在人體體溫時恢復原有形狀的性質，且彈性模量小、耐腐蝕、機械性能好，便于操作，對人體副作用小，有很大的發(fā)展前景。

基于其特殊性質，醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金應用于許多領域。在骨科可治療多種骨折、制造高強度人工關節(jié)，能產(chǎn)生持續(xù)應力，減少應力屏蔽的發(fā)生；在人體內管道支架上，醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金廣泛應用于胸外科、心血管外科的治療，臨床效果較好；醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金還應用于齒科中的種植牙、正畸絲等 [8]?？梢灶A見，鎳鈦形狀記憶合金將繼續(xù)作為未來生物醫(yī)用金屬材料的研究熱點。

2.6 醫(yī)用可降解金屬 醫(yī)用可降解金屬的代表是醫(yī)用鎂合金，被稱為第三代生物醫(yī)用金屬材料。鎂的標準電極電勢低，化學性質非?；顫?，在體內發(fā)生電化學腐蝕速度快，材料植入后，隨著組織的修復，可逐漸降解，最終被人體吸收，免除二次手術的痛苦。同時，鎂合金彈性模量小，不易出現(xiàn)應力遮擋現(xiàn)象，有利于骨組織的恢復。

但醫(yī)用鎂合金降解速率過快，易產(chǎn)生大量氣泡使植入失敗。因此控制醫(yī)用鎂合金材料在人體內的降解速率成為其進入臨床醫(yī)學領域的關鍵。為使得降解速率與人體骨組織恢復速率一致，人們往鎂中摻入Ca、Zn、Sr、稀土元素等等[9]，并運用表面改性技術提高了生物相容性。龔才華[10]進行醫(yī)用鎂合金的有機涂層表面改性的研究，得出成膜速度過快和過慢都不利于涂層的致密度，進而影響使用效果，因此控制表面改性劑的濃度十分重要。該研究成果為提高表面改性的效果提供了思路。醫(yī)用鎂合金距離真正廣泛臨床應用仍有一定距離，但它將成為未來生物醫(yī)用金屬材料的重要發(fā)展方向。

3 結論及展望

生物醫(yī)用金屬材料具有其他生物醫(yī)用材料所不具備的高強度特性，在骨科、齒科、心血管外科等領域發(fā)揮作用。但醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用不銹鋼、醫(yī)用鈷基合金、醫(yī)用鈦合金等不可降解醫(yī)用金屬材料普遍存在以下問題：（1）彈性模量值較高，易出現(xiàn)應力遮擋現(xiàn)象，增加再次骨折的風險；（2）腐蝕性和毒性問題；（3）需二次手術取出，增加患者的痛苦和經(jīng)濟負擔。而對于醫(yī)用鎂合金等可降解材料則面臨降解速率和人體受損組織恢復速度不匹配的問題，作為支架易造成血管再狹窄。

針對以上問題，未來生物醫(yī)用金屬材料應朝著降低彈性模量、保證強度、材料可降解、降解速率可精確調控、改善生物相容性等方向發(fā)展，并能根據(jù)不同需要制作不同性質材料，實現(xiàn)不同的生物功能，為醫(yī)學領域做出更大的貢獻，為人類更好地服務。

參考文獻

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