醫(yī)用金屬材料的研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

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(yīng)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(diǎn)，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(jìn)一步的研究方向，并對(duì)生物醫(yī)用金屬材料未來的研究及應(yīng)用進(jìn)行展望。

【關(guān)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(hào)】

R249 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】

A 【文章編號(hào)】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(jié)合并修復(fù)的材料，可分為生物醫(yī)用高分子材料、生物醫(yī)用無機(jī)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(yīng)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(jī)非金屬材料等相比更易加工，強(qiáng)度較高，抗疲勞性也較好，主要應(yīng)用于骨科、齒科、心血管科等領(lǐng)域。

理想的生物醫(yī)用金屬材料應(yīng)具備以下條件：（1）生物相容性好，如對(duì)組織無破壞作用、無毒副作用和致畸致癌性、對(duì)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(qiáng)度高等。（3）加工較容易，價(jià)格適合普通群眾。目前廣泛應(yīng)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(shí)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(jìn)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(jì)，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(jì)起，醫(yī)用貴金屬材料大規(guī)模應(yīng)用于臨床，如顱骨修復(fù)、制作假牙等等。醫(yī)用貴金屬材料具有許多優(yōu)良特點(diǎn)，如延展性好，易于加工制造；性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐蝕，適應(yīng)條件苛刻的生物環(huán)境；導(dǎo)電性強(qiáng)；毒性低。

基于其特有性能，醫(yī)用貴金屬在許多領(lǐng)域發(fā)揮作用。比如，由于其化學(xué)性質(zhì)不活潑，抗腐蝕性極強(qiáng)，能適應(yīng)口腔中復(fù)雜的環(huán)境，因此醫(yī)用貴金屬材料長(zhǎng)期被用作假牙等材料；因其導(dǎo)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(shí)，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(jià)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(yīng)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(qiáng)度大、抗腐蝕性較好，且價(jià)格較低，易于加工成型，在臨床醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用，如在齒科用于矯正或鑲嵌牙齒，在心血管內(nèi)科領(lǐng)域用作心血管支架，在骨科領(lǐng)域被制作成人工關(guān)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(qiáng)，但仍存在一定問題。首先，醫(yī)用不銹鋼具有高密度、高強(qiáng)度、高彈性模量等特性，骨組織易出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，力學(xué)刺激不夠?qū)е鹿琴|(zhì)疏松，增加再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)；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(duì)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(huì)引起過敏、生理病變等毒性反應(yīng)，還會(huì)使植入體因松動(dòng)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(guó)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(xué)性能，有望得到臨床應(yīng)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(yàn)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(guān)節(jié)連接件；后者則是鍛造而成的合金，主要用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干[3]。因?yàn)槠浔砻娲嬖阝g化膜，抗腐蝕性更好，適用范圍更廣，更適合制造長(zhǎng)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(diǎn)蝕和間隙腐蝕而產(chǎn)生氣泡、孔隙等問題；同時(shí)醫(yī)用鈷基合金價(jià)格較貴，且彈性模量較大，應(yīng)用受到一定限制。史勝鳳等人[5]通過實(shí)驗(yàn)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(shí)檸檬酸鹽溶液會(huì)使耐腐蝕性降低。該實(shí)驗(yàn)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(shù)，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(qiáng)度[3]，使其在臨床應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。

2.4 醫(yī)用鈦合金 經(jīng)過科學(xué)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(yīng)用于關(guān)節(jié)頭修復(fù)、牙齒修復(fù)、顱骨修復(fù)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(diǎn)狀腐蝕等優(yōu)勢(shì)，有利于新骨形成，在骨科領(lǐng)域應(yīng)用較廣。

但鈦合金中含有的鋁元素對(duì)人體有潛在危害，同時(shí)醫(yī)用鈦合金的彈性模量與人骨相比依然較高。美國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)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(xì)低模醫(yī)用鈦合金時(shí)發(fā)現(xiàn)Fe的含量對(duì)鈦合金的力學(xué)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(qiáng)，在骨科固定修復(fù)領(lǐng)域有很大的應(yīng)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(shí)恢復(fù)原有形狀的性質(zhì)，且彈性模量小、耐腐蝕、機(jī)械性能好，便于操作，對(duì)人體副作用小，有很大的發(fā)展前景。

基于其特殊性質(zhì)，醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金應(yīng)用于許多領(lǐng)域。在骨科可治療多種骨折、制造高強(qiáng)度人工關(guān)節(jié)，能產(chǎn)生持續(xù)應(yīng)力，減少應(yīng)力屏蔽的發(fā)生；在人體內(nèi)管道支架上，醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金廣泛應(yīng)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(yīng)用于齒科中的種植牙、正畸絲等 [8]?？梢灶A(yù)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(diǎn)。

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(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)低，化學(xué)性質(zhì)非常活潑，在體內(nèi)發(fā)生電化學(xué)腐蝕速度快，材料植入后，隨著組織的修復(fù)，可逐漸降解，最終被人體吸收，免除二次手術(shù)的痛苦。同時(shí)，鎂合金彈性模量小，不易出現(xiàn)應(yīng)力遮擋現(xiàn)象，有利于骨組織的恢復(fù)。

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(nèi)的降解速率成為其進(jìn)入臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵。為使得降解速率與人體骨組織恢復(fù)速率一致，人們往鎂中摻入Ca、Zn、Sr、稀土元素等等[9]，并運(yùn)用表面改性技術(shù)提高了生物相容性。龔才華[10]進(jìn)行醫(yī)用鎂合金的有機(jī)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(jìn)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(yīng)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(jié)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(qiáng)度特性，在骨科、齒科、心血管外科等領(lǐng)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(yīng)力遮擋現(xiàn)象，增加再次骨折的風(fēng)險(xiǎn)；（2）腐蝕性和毒性問題；（3）需二次手術(shù)取出，增加患者的痛苦和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。而對(duì)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(fù)速度不匹配的問題，作為支架易造成血管再狹窄。

針對(duì)以上問題，未來生物醫(yī)用金屬材料應(yīng)朝著降低彈性模量、保證強(qiáng)度、材料可降解、降解速率可精確調(diào)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(zhì)材料，實(shí)現(xiàn)不同的生物功能，為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域做出更大的貢獻(xiàn)，為人類更好地服務(wù)。

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