生物醫(yī)用金屬材料的簡介

 

發(fā)布日期：[2024/4/26]
 

生物醫(yī)用金屬材料是用于生物醫(yī)學(xué)材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料，是一類惰性材料。此類材料具有高機械強度、抗疲勞和易加工等優(yōu)良性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料。此類材料的應(yīng)用非常廣泛，涉及硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等各個方面。
生物醫(yī)用金屬材料發(fā)展歷史
生物醫(yī)用金屬材料是人類最早利用的生物醫(yī)用材料之一。人類很早開始用黃金來修復(fù)缺損牙齒。
1546年，純金薄片用于修復(fù)顱骨缺損
1588年，發(fā)現(xiàn)有用黃金版用于顎骨修復(fù)。
1775年，有記載用金屬固定體內(nèi)骨折
1800年，大量應(yīng)用金屬板固定骨折的報道；
1809年，用黃金制成種植牙
1880年，銀用于膝蓋骨縫合
1896年，鍍鎳鋼釘用于骨折治療
20世紀30年代，鈷鉻合金，不銹鋼、鈦及合金得到廣泛應(yīng)用
20世紀70年代，Ni-Ti形狀記憶合金，金屬表面涂層的應(yīng)用
近30年，發(fā)展較慢，但在臨床仍占據(jù)重要地位
生物醫(yī)用金屬材料的特性
1、材料毒性
生物醫(yī)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，由此作用于細胞，抑制酶的活性，組織酶的擴散和破壞溶酶體。具體可表現(xiàn)為與體內(nèi)物質(zhì)生成有毒化合物。并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、表面涂層等。
2、生理腐蝕性
生物醫(yī)用金屬材料的生理腐蝕性是決定材料植入后成敗的關(guān)鍵，其產(chǎn)物對生物機體的影響決定植入器件的使用壽命。
3、力學(xué)性能
生物醫(yī)用金屬材料需要有足夠的強度與塑性。一般說來，對人工髖關(guān)節(jié)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于骨的彈性模量，由此會使得材料與骨應(yīng)變不同，界面處發(fā)生的相對位移造成界面松動；除此產(chǎn)生應(yīng)力屏蔽，引起骨組織的功能退化或吸收。
4、耐磨性
耐磨性影響植入摩擦器件的壽命；以及可能產(chǎn)生有害的金屬微?；蛭⑿?，導(dǎo)致周圍組織的炎性、毒性反應(yīng)?？赏ㄟ^提高硬度，表面處理等方法進行改善。
常用生物醫(yī)用金屬材料
1、醫(yī)用不銹鋼
醫(yī)用不銹鋼主要化學(xué)成分為{316，36L，317L}；在應(yīng)用中，容易發(fā)生點蝕，界面腐蝕，以致長期穩(wěn)定性差；溶出的某些離子可能誘發(fā)腫瘤形成；力學(xué)相容性差，無生物活性。
2、醫(yī)用鈷基合金
主要化學(xué)成分為Co-Cr-Mo、Co-Cr-W-Ni等。耐蝕性比不銹鋼高數(shù)十倍，一般無明顯的組織反應(yīng)。作為人工髖關(guān)節(jié)界面松動率較高，Co離子的釋放，引起細胞與組織的壞死、皮膚過敏反應(yīng)等。其具有優(yōu)異的耐摩擦性能，承載能力較強。通常作為唱起植入件。
3、醫(yī)用鈦及其合金
鈦及鈦合金是目前應(yīng)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(yōu)于不銹鋼和鈷合金，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，并且合金中含有毒性元素。根據(jù)合金性質(zhì)，鈦合金主要分為α、β、α-β鈦合金。
4、醫(yī)用鎂合金
鎂合金作為可降解醫(yī)用材料被譽為第三代生物醫(yī)用材料。鎂是一種對人體溫和的元素，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(fù)上有很好的應(yīng)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。
其他醫(yī)用金屬材料
最先廣泛用于臨床治療的金、銀、鉑等貴金屬，具有良好的穩(wěn)定性和加工性能，但因其價格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制，現(xiàn)金在牙科、針灸、體內(nèi)植入及醫(yī)用生物傳感器等方面仍有廣泛應(yīng)用。
鉭、鈮、鋯，具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以與其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。并且表現(xiàn)出良好的生物相容性，但也因其價格較貴，應(yīng)用受限。
形狀記憶合金是一種新型醫(yī)用生物材料。臨床上已采用的形狀記憶合金主要為鎳鈦形狀記憶合金。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，在低溫下比較柔軟，可以變形將其加熱到人體溫度時立刻恢復(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。其與不銹鋼和鈦合金相當?shù)纳锵嗳菪浴Ｆ鋬?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(yīng)。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，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，還由于金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的影響。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負電性，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)化合形成復(fù)雜的化臺物（有些含有強烈的毒性）。另外，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；離子進入組織液里會引發(fā)某些生物反應(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、細胞和蛋白質(zhì)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于造成血栓的形成。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(yīng)。已有研究報道了植入物釋放出來的金屬離子誘導(dǎo)炎癥的過程，并且發(fā)現(xiàn)即使亞微摩爾濃度的鋅、鎳和鈷．也能誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞E選擇素的表達?？茖W(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年頒布的歐洲議會標準，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格控制其中的金屬元素，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。