生物醫(yī)用金屬材料研究現(xiàn)狀與應用進展

供稿|張文毓 / ZHANG Wen-yu

內容導讀

生物醫(yī)用金屬材料又稱醫(yī)用金屬材料或外科用金屬材料，當生物醫(yī)用金屬材料廣泛被用于植入材料時，長期的實用性與安全性便成為了對醫(yī)用金屬材料的第一要求。生物醫(yī)用金屬材料在臨床上已經(jīng)取得了廣泛的應用，同時也具備重要的深入研究價值。文章綜述了生物醫(yī)用金屬材料的最新研究進展，詳細介紹了鈦基、鈷基、鎂基、鋯基、鋅基、鋁合金以及不銹鋼、鎢、貴金屬等生物醫(yī)用金屬材料的研究與應用進展，展望了未來研究的發(fā)展方向及臨床的應用前景。文章指出雖然生物醫(yī)用金屬材料在過去的幾十年中已得到較快的發(fā)展，但在臨床上廣泛使用的仍然是有限的幾種，因此加大新型醫(yī)用金屬材料的研究并推動其發(fā)展顯得尤為必要。

生物醫(yī)用金屬材料又稱醫(yī)用金屬材料或外科用金屬材料，是在生物醫(yī)用材料中使用的合金或金屬，屬于一類惰性材料，具有較高的抗疲勞性能和機械強度，在臨床中作為承力植入材料而得到廣泛應用。在臨床已經(jīng)使用的醫(yī)用金屬材料主要有鈷基合金、鈦基合金、不銹鋼、形狀記憶合金、貴金屬、純金屬鈮、鋯、鈦、鉭等[1]。不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金具有強度高、韌性好以及穩(wěn)定性高的特點，是臨床常用的3類醫(yī)用金屬材料。隨著制備工藝和技術的進步，新型生物金屬材料也在不斷涌現(xiàn)，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量鈦合金等。

性能要求

生物醫(yī)用金屬材料一般用于外科輔助器材、人工器官、硬組織、軟組織等各個方面，應用極為廣泛。但是，無論是普通材料植入還是生物金屬材料植入都會給患者帶來巨大的影響，因而生物醫(yī)用金屬材料應用中的主要問題是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質的退變，前者可能導致毒副作用，后者常常導致植入的失敗。因此，生物醫(yī)用金屬材料除了要求具有良好的力學性能及相關的物理性質外，優(yōu)良的抗生理腐蝕性和生物相容性也是其必須具備的條件。

生物醫(yī)用金屬材料的性能要求：(1)機械性能。生物醫(yī)用金屬材料一般應具有足夠的強度和韌性，適當?shù)膹椥院陀捕?，良好的抗疲勞、抗蠕變性能以及必需的耐磨性和自潤滑性?2)抗腐蝕性能。生物醫(yī)用金屬材料發(fā)生的腐蝕主要有：植入材料表面暴露在人體生理環(huán)境下發(fā)生電解作用，屬于一般性均勻腐蝕；植入材料混入雜質而引發(fā)的點腐蝕；各種成分以及物理化學性質不同引發(fā)的晶間腐蝕；電離能不同的材料混合使用引發(fā)的電偶腐蝕；植入體和人體組織的間隙之間發(fā)生的磨損腐蝕；有載荷時，植入材料在某個部位發(fā)生應力集中而引起的應力腐蝕；長時間的反復加載引發(fā)植入材料損傷斷裂的疲勞腐蝕，等等。(3)生物相容性。生物相容性是指人體組織與植入材料相互包容和相互適應的程度，也就是說植入材料是否會對人體組織造成破壞、毒害和其他有害的作用。生物醫(yī)用材料必須具備優(yōu)異的生物相容性，具體體現(xiàn)在：對人體無毒、無刺激、無致癌、無突變等作用；人體無排異反應；與周圍的骨骼及其他組織能夠牢固結合，最好能夠形成化學鍵合以及具有生物活性；無溶血、凝血反應，即具有抗血栓性。生物相容性是衡量生物材料優(yōu)劣的重要指標[2]。

研究現(xiàn)狀

生物醫(yī)用鈦合金材料

生物醫(yī)用鈦合金材料是用于生物醫(yī)學工程的一類功能結構材料，常用于外科植入物和矯形器械產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造。鈦合金醫(yī)療器械產(chǎn)品如人工關節(jié)、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、治療、修復、替換人體組織或器官，或增進人體組織或器官功能，其作用是藥物不能替代的。醫(yī)用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學、生物、醫(yī)學、電子顯微及生化分析等多個學科，研究方向包括：醫(yī)用金屬材料的合金設計與評價體系、材料的加工-組織-性能關系與人體軟、硬組織的相容性匹配、材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性和耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規(guī)律等。

純鈦具有無毒、質輕、強度高、生物相容性好等優(yōu)點。20世紀50年代美國和英國開始把純鈦用于生物體。20世紀60年代后，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發(fā)展起來的新型β鈦合金，如表1所示，鈦合金在人體植入材料方面的研究獲得了較快的發(fā)展。

鈦的密度與人骨近似，質輕。純鈦生物相容性好，強度為390～490 MPa。實驗證明，鈦相比于鈷基合金和不銹鋼的抗疲勞性和耐蝕性能更優(yōu)越，鈦的表面活性好，組織反應輕微，容易與氧發(fā)生反應建立致密氧化膜，鈦的氧化層比較穩(wěn)定。因此，鈦與鈦合金具備生物醫(yī)用材料的條件，是一種較為理想的、適于植入體的、具有發(fā)展前途的植入材料。臨床上廣泛采用鈦與鈦合金制造人工關節(jié)部件、接骨板和螺釘?shù)?，還用于制成人造椎體(脊柱矯正器)、人工心臟(心臟瓣膜)、人工種植牙、心臟起搏器外殼等[3]。

表1 生物醫(yī)用鈦合金的分類和典型性能[4]

鎳鈦形狀記憶合金是一種在一定溫度下經(jīng)過處理能夠塑性變形為另一種形狀，而在一定條件下又能自動恢復成原有形狀的形狀記憶合金。鎳鈦形狀記憶合金的疲勞極限較高，耐腐蝕性良好，其具有的獨特的形狀記憶恢復溫度與人體溫度相適宜，具有良好的生物相容性，因此在醫(yī)學領域得到廣泛應用。近年來，鎳鈦形狀記憶合金開始應用于心血管治療領域，鎳鈦形狀記憶合金支架可應用于冠心病的治療，具有較大發(fā)展前景。

鈦合金在生物醫(yī)用領域的應用呈快速發(fā)展的趨勢，結合國內外的研究現(xiàn)狀，其未來的發(fā)展方向為：

(1) 單晶生物醫(yī)用鈦合金，沿某一方向生長獲得的單晶材料可獲得接近人體骨骼的彈性模量，制作的植入體也會具有更好的彈性模量匹配；

(2) 超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物相容性及產(chǎn)業(yè)化；

(3) 超彈性和形狀記憶功能醫(yī)用低彈性模量鈦合金的組織性能調控；

(4) 調節(jié)孔隙率的大小來降低生物醫(yī)用多孔鈦合金材料彈性模量的同時提升其力學性能[5]。

鈷基合金醫(yī)用金屬材料

鈷基合金通常指Co-Cr合金，有2種基本牌號：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微觀組織為鈷基奧氏體結構，能夠鍛造或鑄造，但制作加工非常困難，其機械性能和耐蝕性優(yōu)于不銹鋼，是現(xiàn)階段比較優(yōu)良的生物醫(yī)用金屬材料。鍛造鈷基合金是一種新型材料，用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干，如膝關節(jié)和髖關節(jié)替換假體等。美國材料實驗協(xié)會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金(F76)、鍛造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)，其中F76和F562已廣泛用于植入體制造[6]。

不銹鋼醫(yī)用金屬材料

醫(yī)用不銹鋼具有低成本和良好的加工性能、力學性能等，目前在口腔醫(yī)學和骨折內固定器械、人工關節(jié)等領域應用廣泛。302不銹鋼是最早使用的醫(yī)用金屬材料，抗腐蝕性能較好，強度較高。有研究人員將鉬元素加入不銹鋼中制作316不銹鋼，有效地改善了醫(yī)用不銹鋼的抗腐蝕性。20世紀50年代，研究人員研制出新的316L不銹鋼，將不銹鋼中的最高碳含量降至0.03%，使得材料的抗腐蝕性能得到進一步提高。從此，醫(yī)用不銹鋼便成為國際上公認的外科植入體的首選材料。

雖然鈷基合金的抗蝕性強于不銹鋼，但是醫(yī)用不銹鋼具有價格低廉、易加工的優(yōu)勢，可制成各種人工假體及多種形體，如齒冠、三棱釘、螺釘、髓內針、板、釘?shù)绕骷?，另外制作手術器械和醫(yī)療儀器時也廣泛應用，現(xiàn)階段醫(yī)用不銹鋼依然是應用最為廣泛的醫(yī)用金屬材料。 目前常用的醫(yī)用不銹鋼為316L、317L，不銹鋼中的C質量分數(shù)≤0.03%可以避免其在生物體內被腐蝕，主要成分為Fe60%～65%，添加重要合金Cr17%～20%和Ni12%～14%，還有其他少量元素成分，如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S。

為了避免鎳的毒性作用，研究人員研制出了高氮無鎳不銹鋼[7]。近些年來，低鎳和無鎳的醫(yī)用不銹鋼逐漸得到發(fā)展和應用。日本的物質材料研究所(筑波市)開發(fā)了一種不含鎳的硬質不銹鋼的簡易生產(chǎn)方法，解決了無鎳不銹鋼難以加工而制造成本太高的問題，生產(chǎn)成本低廉，有望廣泛用于醫(yī)療領域。

生物醫(yī)用鋁合金材料

鋁及其合金材料具有良好的性能，可塑性和生物相容好，作為植入材料早在20世紀40年代就已廣為使用，目前可承受高負荷的部件也多用鋁及其合金制成。鋁具有較高的耐蝕性，除在氫氟酸、苛性堿、熱的濃硫酸、鹽酸和硝酸的混合液溶解外，其他試劑對鋁都發(fā)揮不了腐蝕作用，體液不影響鋁的交變疲勞強度，良好的生物相容性使得鋁植入材料不刺激人體。另外，相比于不銹鋼，鋁的抗缺口裂紋擴展能力很高。

生物醫(yī)用可降解鎂合金材料

多孔鎂合金材料作為一種可降解的生物材料可為細胞提供三維生長的空間，有利于養(yǎng)料和代謝物的交換運輸。鎂本身具有生物活性，可誘導細胞分化生長和血管長入。在材料降解吸收的過程中，種植的細胞會繼續(xù)增殖生長，有望形成新的具有原來特定功能和形態(tài)的相應組織和器官，以達到修復創(chuàng)傷和重建功能的目的。生物醫(yī)用可降解鎂合金材料的完全可降解性和杰出的生物相容性使其有望廣泛應用于臨床硬組織修復或替代。可降解鎂合金血管支架是鎂合金作為可降解生物醫(yī)用金屬材料研究領域最大的研究進展。

生物醫(yī)用鎂合金具有良好的生物相容性、力學相容性和可降解性而受到了廣泛關注，但是腐蝕速率過快又限制了其實際應用。針對這個問題，研究者提出了鎂合金的合金化、表面處理、非晶化和復合材料等4類解決方案，實驗表明雖然抗腐蝕性能得到了明顯改善但是4類方案仍然沒有完全解決鎂合金在實用化道路上的所有問題，因此需要更好的實驗設計和方案來解決這些問題：(1)選擇對生物體無毒無害的恰當?shù)暮辖鹪負饺腈V合金體系，使其綜合性能得到提高；(2)結合上述兩種甚至多種策略同時對鎂合金進行處理，從而同時優(yōu)化其各項性能指標；(3)進一步完善和規(guī)范生物醫(yī)用鎂合金材料的體外和體內測試標準，加速其大規(guī)模實用化的應用研究[8]。鎂合金的安全性和降解速率是其能否成為標準商用的可降解生物醫(yī)用材料主要影響因素?？山到怄V合金在生理環(huán)境下的腐蝕降解過程和機制、過程控制方法、生物相容性等問題還亟待進一步研究闡明?？山到怄V合金材料的未來研究方向：(1)通過合金化、冷加工、熱處理和表面處理等方法改善鎂合金的耐腐蝕性能；(2)添加合金元素對于材料生物相容性的影響；(3)對腐蝕過程中材料力學性能變化的分析；(4)可降解鎂合金材料腐蝕產(chǎn)物的成分分析以及生物安全性評價。相信在不久的將來，鎂合金必定會在醫(yī)用金屬植入材料領域得到廣泛的應用[9]。

生物醫(yī)用鋯基合金材料

鋯基生物醫(yī)用合金材料因其強度高、韌性好、抗腐蝕性好且具有良好的生物相容性等優(yōu)點而被廣泛應用于醫(yī)療領域。

Zr是一種擁有優(yōu)良耐腐蝕性能、組織相容性好、無毒性的金屬，常被用作合金化元素添加進Ti合金中，以提高Ti合金的機械性能。從Zr-Ti 二元相圖可以看出，Zr和Ti能相互溶解，說明它們具有相似的物理和化學性質。近年來，通過添加無毒副作用的合金元素對Zr合金進行強化及性能優(yōu)化開發(fā)出了新型生物醫(yī)用合金材料。Zr基生物醫(yī)用合金材料因其彈性模量低、強度高、在生理環(huán)境中耐腐蝕性能好、生物相容性好等優(yōu)點逐漸引起人們的關注，被用作人體硬組織替代材料。

從近些年Zr基生物醫(yī)用合金材料的體系開發(fā)及相關性能研究來看：一方面，研究逐漸從單一的關注材料機械性能轉到關注材料的機械性能和生物相容性能和諧發(fā)展，未來Zr基生物醫(yī)用合金材料的研究將以不斷提高其使用安全性為主；另一方面，科研工作者也應致力于建立Zr基生物醫(yī)用合金材料體系的基礎數(shù)據(jù)庫，比如體系的相圖、熱力學數(shù)據(jù)、對人體毒性的系統(tǒng)化研究、人體環(huán)境中的腐蝕機理等。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，從分子水平上展開Zr基生物醫(yī)用合金材料的研究，深入了解其對人體的影響，使基礎數(shù)據(jù)庫日益完善。

此外，為推動Zr基合金在生物醫(yī)用材料領域的應用，還應從材料設計與制備方面加強研究，例如，從第一原理出發(fā)進行Zr基生物醫(yī)用合金材料新體系的設計，為新型合金的開發(fā)提供指導；從有限元分析的角度出發(fā)設計Zr基生物醫(yī)用合金材料的加工工藝，對復雜的挑戰(zhàn)性需求形狀進行混合加工；采用3D打印技術完成Zr基生物醫(yī)用合金植入體的定制化打印，以滿足不同患者的需求。

生物醫(yī)用可降解鋅基合金材料

大量研究表明，Zn作為新一代可降解金屬具有廣闊的應用前景。合金化可以克服純鋅力學性能差的缺陷，另外合金化元素的加入在有效改善鋅基合金力學性能的同時也能夠給合金帶來一定的生物性能改變：Mg的添加提高了Zn的細胞相容性，Cu和Ag能夠增強合金抗菌性能，Cu2+還能對血管內皮化產(chǎn)生積極作用。目前對鋅及其合金的研究多集中在體外實驗和小動物研究，而對于植入材料研究而言，接近于人體應用環(huán)境的大動物實驗(原位)研究是必需的，并且在以后的研究中也應著重提高Zn基合金的生物相容性。馮相蓺等綜述了鋅鎂合金、鋅銅合金、鋅銀合金、鋅鋰合金等鋅基合金的主要研究進展[10]。

生物醫(yī)用金屬材料——鎢

鎢是除了碳之外熔點最高的元素，由于其較好的輻射不透過性和致血栓性，純鎢機械可脫性微彈簧圈被用于介入手術治療腦動脈瘤，并表現(xiàn)出良好的生物相容性，但是鎢的可降解性往往導致被堵塞的血管再通以及血清中鎢離子濃度增大。

生物醫(yī)用貴金屬材料

用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑及其合金總稱為醫(yī)用貴金屬。貴金屬的價格比較昂貴，但具有較好的生物相容性，因此，類貴金屬得以發(fā)展，例如仿金材料等。

醫(yī)用貴金屬(金、銀、鉑等)具有獨特的生物相容性，良好的延展性，且對人體無毒，是人類最早應用的醫(yī)用金屬材料之一。其中，鉑族金屬是醫(yī)學上重要的鑲牙材料；另外，鉑族催化劑對氧化作用來說具有極好的催化活性，還有著良好的導電率和抗蝕性，可用作人工心臟的能源。

納米銀因其獨特的光學、電學、生物學特性而引起了科技界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，成為近年來的研究熱點之一。納米銀的波長低于光的臨界波長，賦予了其透明的特性，所以被廣泛應用在化妝品、涂層及包裝上。銀納米粒子具有表面效應、小尺寸效應、宏觀隧道效應、量子尺寸效應，開創(chuàng)了在催化劑材料、防靜電材料、低溫超導材料、導電涂層、導電油墨等領域的應用。銀納米粒子能橫穿血管，到達目標器官，而且能附在DNA單鏈中，促使其出現(xiàn)了生物傳感、生物標記、生物成像、醫(yī)療診斷及治療等生物醫(yī)學領域上的應用。納米銀具有良好的廣譜抗菌能力，被應用在藥膏和面霜中，防止燒傷及開放性傷口表面被細菌感染。銀納米材料也應用于醫(yī)療器械及設備、水凈化裝置、運動設備、抗菌類醫(yī)藥、植入體、抗菌涂料等領域[11]。

其他生物醫(yī)用金屬材料

大塊非晶合金具有不同于晶態(tài)合金的獨特性質，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、高疲勞抗力、低彈性模量等，有可能用于接骨板、螺釘、起搏器等方面。因此開展了大量的有關研究，其中尤以鈦基、鋯基、鐵基、鎂基、鈣基為主。

高熵合金是另一類具有研究前途的新型金屬材料，這是基于大塊非晶合金具有超高玻璃化形成能力的合金。高熵合金一般由5種以上的元素按照原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵。五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區(qū)。高熵合金具有一些傳統(tǒng)合金所無法比擬的優(yōu)異性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、低彈性模量、良好的生物相容性等。另外，通過添加不同的元素，如銀、銅等還可以具有抗菌性能。

從未來發(fā)展趨勢上看，可生物降解醫(yī)用金屬材料的研究將集中在：(1)通過合金化、冷加工、熱處理和表面處理等方法改善鎂合金和鐵合金的腐蝕速度；(2)合金化后添加元素對于材料生物相容性的影響；(3)為了避免植入物在早期失效，對于腐蝕過程中材料力學性能變化的分析；(4)可生物降解醫(yī)用金屬材料腐蝕產(chǎn)物的成分分析以及生物安全性評價；(5)尋找新的可生物降解合金體系，挖掘潛在的應用可能；(6)建立更為完善的體外評價標準，使得體外實驗對于體內實驗結果的預測更加精確。隨著可生物降解性醫(yī)用金屬材料研究的不斷深入，可以預見材料的性能將逐漸完善以滿足臨床應用的需求，這類新材料有望部分取代部分傳統(tǒng)的生物醫(yī)用金屬材料在臨床上獲得實際應用[12]。

生物醫(yī)用金屬材料應用進展

目前臨床應用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷基合金等，生物可降解鎂合金是近年來快速發(fā)展的新型醫(yī)用金屬材料，有誘人的臨床應用潛力。醫(yī)用金屬材料主要應用于骨科、齒科及矯形外科的內植入物及人工假體等植入醫(yī)療器械的制造，以心血管支架為典型代表的各類管腔支架，以及各式各樣的外科手術器械和工具，為延長患者壽命、改善患肢功能、提高患者的整體生活質量發(fā)揮了重要作用。

抗菌醫(yī)用金屬材料的應用進展

由植入器械引發(fā)的細菌感染是臨床上亟待解決的重要問題?？咕t(yī)用金屬材料具有強烈的廣譜殺菌功能，可以抑制細菌生物膜的形成，具有廣闊的應用前景。不銹鋼、鈦合金、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料應用于制造各類植入醫(yī)療器械，通過在這些醫(yī)用金屬材料中加入適量具有強烈抗菌功能的銅元素，使其在生理環(huán)境中持續(xù)和微量釋放銅離子，從而起到顯著的抗菌作用，是降低臨床上發(fā)生細菌感染的一個新思路和有效途徑。

表面改性是進一步提高現(xiàn)有醫(yī)用金屬材料表面性能的重要途徑，已經(jīng)廣泛應用于各類金屬植入器件。因此，在醫(yī)用金屬材料表面改性層中添加適量具有強烈抗菌作用的銅、銀等金屬元素或抗菌肽等其他類型抗菌物質是應對金屬植入器件相關感染的直接措施，受到了人們的廣泛關注，并為之開展了大量的相關研究。抗菌金屬骨針、抗菌不銹鋼外科手術器械、抗菌鈦合金牙種植體、抗菌鈷基合金牙冠等產(chǎn)品均以進入臨床實驗階段[13]。

鎂合金材料臨床應用進展

(1) 心血管領域的應用。鎂合金在生理條件下的力學性能及腐蝕動力學均具有良好的可控性，在達到擴張血管目的的同時，克服了植入體長期存留所造成的并發(fā)癥，同時其生物降解性為在同一病變進行多次介入干預提供了可能。鎂合金表面帶有負電荷，具有低血栓源性，降低了支架內急性血栓的形成。鎂合金的降解產(chǎn)物鎂是三磷酸腺苷酶的輔因子，也是生理性鈣拮抗劑，可以有效預防各種缺血再灌注造成的鈣超載損傷。

(2) 骨科領域的應用。鎂合金材料與人骨力學性能匹配，將鎂合金作為骨固定材料會具有一定的優(yōu)勢。一是鎂及鎂合金密度與人骨密度相接近，能有效降低應力遮擋效應，符合理想接骨板的力學性能要求；二是鎂降解生成的鎂離子易被人體組織吸收或通過體液排出體外，其可生物降解性避免了患者二次手術的痛苦，兼具良好的生物相容性，使之成為了一種新型骨科醫(yī)用材料。鎂合金材料作為骨固定材料，在骨折愈合初期能夠提供穩(wěn)定的力學環(huán)境，逐漸而不是突然降低其應力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的應力刺激，從而加速骨折愈合與塑形，防止局部骨質疏松和再骨折的發(fā)生。骨修復研究的最終目標是人工骨不僅可以替代受損的骨骼，還應在體內逐漸降解，并同時引導骨細胞生長，最終實現(xiàn)骨再生。因此，多孔鎂基合金材料作為骨修復材料具有很大的可操作性。

(3) 普外科領域的應用。鎂合金良好的力學性能能夠對膽道管腔提供暫時的支撐作用，其可靠的生物相容性及可降解性避免了植入支架對人體的危害和長期放置引起的并發(fā)癥，在肝膽外科尤其是膽道良性疾病的治療方面有著廣闊的發(fā)展前景。

(4) 口腔科領域的應用。鎂合金相對于其他金屬材料而言更接近人體骨密質，作為牙種植體材料具有更好的生物力學相容性，同時，鎂合金能促進鈣磷的沉積，密質骨的生長，表明鎂及其合金在口腔種植領域有良好的應用前景[14]。

醫(yī)用鈦合金的應用

隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應用成倍增加。細分市場占比超過5%的子行業(yè)包括體外診斷、心臟、影像診斷、骨科、眼科、整形六大細分領域。新型β鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進材料。鈦合金的生產(chǎn)技術應向著低模量、高強度、良好生物相容性和力學相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢來看，β型鈦合金將成為未來發(fā)展的方向和醫(yī)用鈦合金市場的主流。

與傳統(tǒng)的生物醫(yī)用不銹鋼和鈷鉻合金相比，鈦及鈦合金材料由于其低彈性模量、高比強度、優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性等特點，具有更適宜的生物醫(yī)用特性，被廣泛應用于人工關節(jié)(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關節(jié)等)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品(髓內釘、固定板、螺釘?shù)?、脊柱矯形內固定系統(tǒng)、牙種植體、牙托、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫(yī)用材料。

(1) 牙科。鈦與人體結締的組織、骨骼上皮組織都具有良好的親和性，優(yōu)良的力學性能也體現(xiàn)其在醫(yī)用合金中的優(yōu)勢，且密度小、質量輕、耐腐蝕性好、戴用舒適，因此，鈦作為義齒(種植牙)材料受到廣泛青睞。此外，鈦義齒通過表面處理之后，美觀性能增加，能夠滿足大眾對美的需求，給人以視覺的享受。

(2) 肢體矯正。據(jù)有關文獻報道[15]，每年世界上約有1 億病人患有膝關節(jié)和臂關節(jié)等有關炎癥，進行替換手術治療勢在必行，因此具有優(yōu)良替換功能的鈦合金為患者帶來福音。與陶瓷、不銹鋼等材料相比，鈦合金的彈性模量更接近于人體骨骼，在模量大小上更具有優(yōu)勢。因此鈦合金在踝關節(jié)、肘關節(jié)等矯正中得以廣泛應用。此外，多孔鈦合金材料能夠使假體具有生物活性，有助于股骨頭的愈合；鈦合金表面的生物相容性較好，能誘導骨細胞生長，因此被臨床醫(yī)生、骨科領域專家等所推崇。

(3) 植入修復與替代。鈦及鈦合金作為植入修復物的優(yōu)點主要有：①強度高，化學穩(wěn)定性及生物相容性好；②無毒，對人體不會造成傷害；③彈性模量低，與人體骨骼更匹配；④記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復功能。鈦在顱骨修復方面的應用主要體現(xiàn)在：利用鈦網(wǎng)可以修復缺損的顱骨。在人體心血管方面的應用體現(xiàn)在：制備人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等[15]。

醫(yī)用不銹鋼的應用

醫(yī)用不銹鋼作為醫(yī)用金屬材料的一大類，以金屬植入材料或醫(yī)療器械形式在臨床上用量很大，雖然存在著一些問題，但也促使和推動了材料工作者對其進行優(yōu)化和改善，主要包括兩方面的工作：一是對傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼的改進；另一方面是研究開發(fā)新型醫(yī)用不銹鋼。由于醫(yī)用不銹鋼在體液環(huán)境下的失效很大程度是由點蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞及應力腐蝕斷裂等局部腐蝕而引起的，因此，優(yōu)異的耐體液環(huán)境腐蝕性能是其應用的重要條件和要求，研究工作也主要依據(jù)這一方面來開展。新型醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)包括：(l)鐵素體及雙相醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)；(2)低鎳及無鎳醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)。研究表明[16]，與傳統(tǒng)316L不銹鋼相比，醫(yī)用無鎳不銹鋼具有優(yōu)異的力學性能和耐蝕性能。另外，在避免了Ni離子有害作用的同時，體內和體外結果均顯示其生物相容性明顯提高，而且還發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的骨誘導和骨整合能力。這為解決傳統(tǒng)不銹鋼作為骨植入材料存在的力學性能、耐蝕性和生物相容性不足等問題提供了新的材料途徑。在應用方面，醫(yī)用無鎳不銹鋼作為空心螺釘材料已經(jīng)被大量使用，在解決人工髖關節(jié)斷裂和無菌性松動等問題方面具有良好前景，同時醫(yī)用無鎳不銹鋼輕量化在降低接骨板的應力遮擋效應方面也具有明顯優(yōu)勢。人們還在不斷探索其更多的臨床應用潛力[16]。

綜上所述，與傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼相比，醫(yī)用無鎳不銹鋼作為骨植入材料具有更加優(yōu)異的綜合性能，在骨科植入器械領域中臨床應用潛力巨大。目前我國在醫(yī)用無鎳不銹鋼的應用基礎研究方面已經(jīng)處于國際先進水平，然而在產(chǎn)品開發(fā)方面仍顯落后。因此，在進一步開展創(chuàng)新性應用基礎研究的同時，需要加大對醫(yī)用無鎳不銹鋼在骨科相關應用的成果轉化投入[16]。

3D打印生物醫(yī)用金屬材料

醫(yī)用金屬材料具有良好的物理強度、延展性和導電性，這使得它們在硬組織修復領域有著絕對優(yōu)勢。由于金屬熔化溫度高，3D打印難度大，通常采用光固化立體打印和選擇性激光燒結的方法進行金屬3D打印[17，18]。目前，醫(yī)用金屬材料主要被用于打印骨組織工程支架，用于3D打印的醫(yī)用金屬材料主要包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁等。已有研究人員制備出具有高度互連的多孔結構的骨組織工程支架材料并具備適當?shù)奈锢硇阅芎蜕镄阅躘19]。

結束語

當生物醫(yī)用金屬材料廣泛被用于植入材料時，長期的實用性與安全性便成為了對醫(yī)用金屬材料的第一要求。目前，醫(yī)用金屬材料在臨床上已經(jīng)取得了廣泛的應用，同時也具備重要的深入研究價值。雖然生物醫(yī)用金屬材料在過去的幾十年中已得到較快的發(fā)展，但在臨床上廣泛使用的仍然是有限的幾種。因此，加大新型醫(yī)用金屬材料的研究并推動其發(fā)展顯得尤為必要。