發展曆史

 

金屬醫用材料是人類最早利用的醫用（yòng）材料（liào）之（zhī）一，其應用可以追溯到（dào）公元前400~300年，腓尼基人將金屬絲用（yòng）於修複牙缺（quē）失。隨後，經曆了（le）漫長歲月的發展，直至19世紀後期，人（rén）類成（chéng）功利（lì）用貴金屬銀對患者的膝蓋骨進行縫合（1880年）。人類（lèi）利（lì）用鍍鎳鋼螺釘進行骨折治療（1896年）後，才（cái）開（kāi）始了對金屬醫用材料的係統研究。20世紀30年代，隨著（zhe）鈷鉻合金、不鏽鋼和鈦（tài）及合金的相繼開發成功並（bìng）在齒（chǐ）科和骨科（kē）中（zhōng）得到（dào）廣泛的（de）應（yīng）用，逐（zhú）步奠定了金屬（shǔ）醫用材料在生物醫用（yòng）材料（liào）中的重要地位。70年代，Ni-Ti形（xíng）狀記憶合（hé）金在臨床醫（yī）學中的成（chéng）功應用以及金屬表麵（miàn）生物醫用塗層材料的發展，使生物醫用（yòng）金屬材料得到了極大的發展（zhǎn）。

定義（yì）及應用領域

 

醫用金屬材料也被稱為外科植入金屬材料，主要用於診斷、治療，以及替換（huàn）人（rén）體中的組織或增進其功能。近（jìn）20年來，雖然金屬醫用材料相（xiàng）對（duì）於高分子（zǐ）材料（liào）、複合材料以及雜化和衍生材料等生物醫用材料的發展緩慢，但其具有高的強度、良好的（de）韌性及抗彎曲疲勞強度、優異的加工性能等（děng）許多其它幾（jǐ）類醫用材料不可替代的優良性能，是臨床應用中最廣泛的承（chéng）力植（zhí）入（rù）材料。尤其隨著金屬3D打印技術的發展，金屬（shǔ）醫用材（cái）料得到了更廣泛的應用，最（zuì）重要的應用有：骨折內固（gù）定板、螺釘、人工關節和牙根種植體等。

常用金屬醫用材料（liào）

 

臨床應用的醫（yī）用金屬材料主要有不鏽鋼、鈷合金、鈦合金、形（xíng）狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、铌、鋯等。

1、不鏽鋼

 

醫用不鏽鋼（Stainless Steel as Biomedical Material）為鐵基（jī）耐蝕合金，是最早開（kāi）發的（de）生物醫（yī）用合金之一，其特點是易加工、價格低廉，耐蝕性和屈服（fú）強度可以通過（guò）冷加工（gōng）提（tí）高，避免疲勞斷裂（liè）。不（bú）鏽鋼按顯微組織可分為（wéi）：奧氏體不（bú）鏽鋼、鐵素體不鏽鋼、馬氏體不鏽鋼、沉澱硬化型不鏽鋼等（děng），被用以製作醫療器械：刀、剪、止（zhǐ）血鉗（圖1）、針頭，同時被用以製作人工關節、骨折內固定器、牙齒矯形、人工心髒瓣膜等器件。其中，醫用應用最多的是奧氏體超低碳不鏽（xiù）鋼316L和317L。1987年，316L和317L兩（liǎng）種合金已於納入國際標準ISO 5832和ISO 7153中。1990年，我國製定了相應的國家標準GB 12417，並於1991年開始實施。

 

圖1 醫用不（bú）鏽鋼鉗（qián）

醫用不鏽鋼（gāng）的生（shēng）物（wù）相容性及（jí）相關問題，主要涉（shè）及到不鏽鋼植入人體後由於腐蝕或磨（mó）損造成金屬離子溶出所引起的組織反（fǎn）應等。大量的臨床資料顯示，醫用不鏽鋼的腐蝕造成其長期植入的穩定（dìng）性差，加之其密度和彈性（xìng）模量與人（rén）體硬組織相距較大，導致力（lì）學相容性差。由於腐蝕會造成金屬（shǔ）離子或其它化合物進人周圍的組（zǔ）織或整（zhěng）個機體，因而可在機體內引起某些不良組織學反應，如出現水腫、感染、組織壞死等，從而導致疼痛（tòng）和過敏反應等。特別是不鏽鋼中鎳離子析出誘發的嚴重病變（通常用的奧氏體醫用（yòng）不鏽（xiù）鋼均含有10%左右的鎳）。近些年低鎳和無鎳的醫（yī）用不鏽鋼正逐（zhú）漸得到發展和（hé）應用。

2、鈷合金

 

醫用鈷合金（jīn）（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是醫療中常用的金（jīn）屬醫用材料，相對（duì）不鏽鋼而言，醫用鈷（gǔ）合（hé）金更適合於製造體內承載條件苛刻的長期植入件，其（qí）耐（nài）腐蝕性比不鏽鋼高40倍（bèi）。最早開發（fā）的（de）醫用鈷合金為鈷鉻鉬（Co-Cr-Mo）合金，其結構為奧氏體（tǐ）。70年代又開發出具有良好疲勞性能的鍛造鈷鎳鉻鋁鎢鐵(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合金和具有多相組織（zhī）的MP35N鈷鎳鉻鋁合金。鈷合金主要被用（yòng）以製作人工髖關節、膝（xī）關（guān）節、關（guān）節扣（kòu）釘、接（jiē）骨（gǔ）板、骨釘和骨針（zhēn），如圖2所示。目前，應用最多的（de）是鑄造鈷鉻鋁合金（jīn），該合金已被納人ISO5582/4標準。1990年，我國將其列入國標 GB12417。

鈷（gǔ）合金在人體內多保持鈍化狀態，很少見（jiàn）腐蝕現象（xiàng），與不鏽（xiù）鋼（gāng）相比，其（qí）鈍（dùn）化膜更穩（wěn）定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫用（yòng）金屬材料中最好的，一般認為植入人體後沒有明顯的組織（zhī）學反（fǎn）應。但是由於鈷合金價格較（jiào）貴，並且鈷合金製作的人工髖關節由於金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出，在體內的鬆動率（lǜ）較高，析出的（de）Co、Ni元（yuán）素又（yòu）存在著嚴重致敏性（xìng）等生物學問題，在體內（nèi）容易（yì）引起細胞和組織壞死（sǐ），從而導致患者疼痛（tòng）以及關節的鬆動、下沉（chén），應用受到一定的限製。近年來，通過表麵改性（xìng）技術來改善鈷合金的表（biǎo）麵特性，有效提（tí）高了其臨床效果。

3、鈦合金（jīn）

 

醫用鈦合金（Ti-based- Alloy as Biomedical Material）是目前已知的生物親和性最好的金（jīn）屬（shǔ）之一，上世紀40年（nián）代以來，鈦和鈦合金（jīn）逐漸（jiàn）在（zài）臨床醫學中獲得應用。1951年，人類開始用純鈦製作接骨板和骨螺釘。20世（shì）紀70年（nián）代中期，鈦及鈦合金開始獲得廣泛的醫學應用，成為最有發展（zhǎn）前景的（de）醫用材料之一。目前，鈦和鈦合金主要應用於整形外科，尤其是四肢骨（gǔ）和顱骨整（zhěng）複，被用以製作各（gè）種骨折內固定器械、人工（gōng）關節、頭蓋骨和硬膜（圖（tú）3）、人工心（xīn）髒瓣膜、齒、牙床、托環和牙冠。其中（zhōng），醫用應用（yòng）最多的鈦合金是TC4（Ti-6A1-4V），該合金在室溫下具（jù）有а十β兩相（xiàng）混合組織，通過固溶處理和時效處理，可（kě）使其強度等力學（xué）性能顯著提高。

鈦及鈦合金的密度在（zài）4.5g/cm3左（zuǒ）右（yòu），幾乎僅為不（bú）鏽鋼和鈷合金的一半，密度接近人體硬（yìng）組織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優於不鏽鋼（gāng）和鈷（gǔ）合（hé）金，是目前最佳的金（jīn）屬醫用材料。鈦及鈦合金與人體（tǐ）的親和性（xìng），源於植入後其表麵致密的氧化鈦（TiO2）鈍化膜具有誘導（dǎo）體液中鈣、磷離子沉積（jī）生成磷（lín）灰石的能力，表現出一定的生物活性（xìng）和骨結合能力，尤其適合於骨內埋植（zhí）。鈦及鈦合金缺點是（shì）硬度較低，耐磨（mó）性差。若（ruò）磨損發生，首先導致氧化膜破壞，隨後磨損的顆粒腐蝕（shí）產（chǎn）物進人（rén）體組織，尤其是Ti-6A1-4V合金中含（hán）有毒性的釩（V）可導致（zhì）植（zhí）入物的失效。為了改善鈦及鈦合（hé）金的耐磨性能，可對鈦及鈦合金（jīn）製品表麵進行高溫離子氨（ān）化或離子注入技術處（chù）理（lǐ），強化其表麵（miàn）耐磨（mó）性。近年來，開發出的一些新型鈦（tài）合（hé）金（主要是β型合金），都注重減少了對人體有一定危害（hài）的（de）元素，例如V和Al, 有效地改善了鈦合金的（de）生物相容性。

4、形狀記憶合金

 

醫用形（xíng）狀記憶（yì）合金（Shape Memory Alloy as Biomedical Material）的研究始於20世紀70年（nián）代，並很快得（dé）到了廣泛應用。臨床上應用最廣泛的形狀記憶合金主要有（yǒu）鎳鈦形（xíng）狀記憶合金。醫用鎳鈦形狀（zhuàng）記憶合金（jīn）的形狀記憶恢（huī）複溫度為36±2℃，符合人體溫（wēn）度在臨床上（shàng）表現出與鈦合金相當的生物相容性（xìng）。但由於鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素，如果表麵處理不當，則其中的（de）鎳離子可能向周圍組織擴散滲透，引起細胞和（hé）組織壞死。醫用形狀記憶合金（jīn）主要用於整形外科和口腔科，鎳鈦（tài）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（圖4）。

5、貴金（jīn）屬（shǔ）和純金屬（shǔ）鉭、铌、鋯

 

醫用貴金屬是指（zhǐ）用（yòng）作生物（wù）醫（yī）用材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相（xiàng）容性較好（hǎo），抗氧化、抗腐蝕性強，具備獨特的物理與化學穩定性，優異的加工特性，對人體組織無毒副作用。被用作（zuò）整牙（yá）修複（圖5）、顱骨修複、植入（rù）電極（jí）電子裝置、神經修複裝置、耳渦神經刺激（jī）裝置、橫隔膜神（shén）經（jīng）刺激裝置、視覺神經裝（zhuāng）置和心髒起搏器電極等（děng）。

鉭具有很好的化學穩定性和（hé）抗生理腐蝕性，鉭的（de）氧化物基本上不被吸收和不呈現毒性（xìng）反應，鉭可與其它金屬結合（hé）使用而不破壞其表麵的氧化膜（mó）。在臨床上，鉭也表現出良好的生物相容性。鉭、铌、鋯與鈦都具有極相似的組織結（jié）構和化學性能，在生（shēng）物醫學上也得到一定應用，被（bèi）用作接骨板、種植牙根、義齒、心血管支架及人工（gōng）心髒等。但總的來說，醫用貴金屬和鉭、铌、鋯等金屬因其價格（gé）較貴，廣泛應用受到（dào）限製。

金屬醫用材（cái）料的（de）主要問題（tí）

 

金屬醫用材料經（jīng）臨床應用，主要問題還是生物相容性，源於金屬腐蝕和磨損。因（yīn）為金屬材料中均含有較（jiào）多的合（hé）金化（huà）元（yuán）素，由於腐（fǔ）蝕、磨損將（jiāng）導致金屬離子溶出，進而引發細胞及組織液（yè）的一些生物反應，如組織反應、血液反應（yīng）和全身反應，表現為（wéi）水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現（xiàn）象。鉻、鎳等離子對人體都有致敏反應（yīng）。鋼中的鉻元素當呈現六價態時，對人體也有較大的毒（dú）性和過敏傾（qīng）向。鎳離子除了對人（rén）體有很大毒性和過敏反應外，可能誘導有機體突變，甚至發生癌變。科學上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題”，直（zhí）到（dào）最近幾十年（nián）才受到各國重視，對日用和醫用金（jīn）屬材料中的（de）鎳含量限製越來越嚴（yán）格。因此，在發展新型醫用金屬材（cái）料時（shí）必（bì）須嚴格控製（zhì）其中的金屬元素，最好是（shì）少用或不用對人體產生毒性和過敏性較大的合金化（huà）元素。

金屬醫（yī）用材料（liào）未來發展方向

 

1、醫師及病人都希望采用最好的金屬醫用材料，長（zhǎng）期使用（yòng）的（de）安全性及可靠（kào）性是對醫用金屬材料的基本（běn）要求。因此（cǐ），未來金屬醫用材料的開發仍以（yǐ）不斷提（tí）高（gāo）使用的安全性、可靠性及生物相容性為主。

2、建立有關金屬元（yuán）素對人體毒性方麵係統化的基（jī）礎數（shù）據庫，利用大數據研究分析金屬元素在人體內（nèi）外毒性的相關性，以及植入金屬材料和人體的分子水平（píng）研究等。用分子生物學技術從分子水平上（shàng）研究金屬元素對人體組織的影響，這樣才能進一步了解金屬（shǔ）醫用材料對人體（tǐ）的影響。

3、未來金屬醫用材料的種類有待進一（yī）步擴展，使用成（chéng）本有待進一步降低。雖然在過去的幾十年中，金屬醫（yī）用材料已經得到了很快的發展，然而在臨（lín）床上（shàng）使用的仍然是有限的幾種。因此，研究開發高耐蝕性、高耐磨性、高疲（pí）勞強度和高韌性生體合金依然重要（yào）。

4、對目前正（zhèng）在使用（yòng）的金屬醫用材（cái）料，采用如（rú）3D打印等新（xīn）技術（shù）和新工藝，完成醫療器械的定製化打印。現實中患者的病情（qíng）不（bú）同，醫生所要進行（háng）的手術也不同，每一（yī）個手術都有其獨特性，針對這種不同情況的定製化（huà）打印，將為醫生和患者提（tí）供便利，更有利於手術的成功。