几种生物医用金属材料的研究与应用

几种生物医用金属材料的研究与应用

在临床已经使用的医用金属材料主要有钴基合金、钛基合金、不锈钢、形状记忆合金、贵金属、纯金属铌、锆、钛、钽等。不锈钢、钴基合金和钛基合金具有强度高、韧性好以及稳定性高的特点，是临床常用的三类医用金属材料。随着制备工艺和技术的进步，新型生物金属材料也在不断涌现，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量钛合金等。

性能要求：(1)机械性能。生物医用金属材料一般应具有足够的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳、抗蠕变性能以及必需的耐磨性和自润滑性。(2)抗腐蚀性能。(3)生物相容性。具体体现在：对人体无毒、无刺激、无致癌、无突变等作用；人体无排异反应；与周围的骨骼及其他组织能够牢固结合，最好能够形成化学键合以及具有生物活性；无溶血、凝血反应，即具有抗血栓性。1.钛合金生物医用钛合金材料是用于生物医学工程的一类功能结构材料，常用于外科植入物和矫形器械产品的生产和制造。钛合金医疗器械产品如人工关节、牙种植体和血管支架等用于临床诊断、治疗、修复、 替换人体组织或器官，或增进人体组织或器官功能， 其作用是药物不能替代的。纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好 等优点。20世纪50年代美国和英国开始把纯钛用于 生物体。20世纪60年代后，钛合金开始作为人体植入材料而广泛应用于临床。从最初的Ti-6Al-4V到随 后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年发展 起来的新型β钛合金，钛合金在人体植 入材料方面的研究获得了较快的发展。2.钴基合金 钴基合金通常指Co-Cr合金，有2种基本牌号：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微观组织为钴基奥氏体结构，能够锻造或铸造，但制作加工非常困难，其机械性能和耐蚀性优于不锈钢，是现阶段比较优良的生物医用金属材料。锻造钴基合金是一种新型材料，用于制造关节替换假体连接件的主干，如膝关节和髋关节替换假体等。 美国材料实验协会推荐了4种可在外科植入中使用的钴基合金：锻造Co-Cr-Mo合金(F76)、锻造Co-Cr-W-Ni 合金(F90)、锻造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、锻造CoNi-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)，其中F76和F562已广泛 用于植入体制造。 3.不锈钢 医用不锈钢具有低成本和良好的加工性能、力 学性能等，目前在口腔医学和骨折内固定器械、人 工关节等领域应用广泛。302不锈钢是最早使用的医 用金属材料，抗腐蚀性能较好，强度较高。有研究 人员将钼元素加入不锈钢中制作316不锈钢，有效地 改善了医用不锈钢的抗腐蚀性。20世纪50年代，研 究人员研制出新的316L不锈钢，将不锈钢中的最高 碳含量降至0.03%，使得材料的抗腐蚀性能得到进一 步提高。从此，医用不锈钢便成为国际上公认的外 科植入体的首选材料。为了避免镍的毒性作用，研究人员研制出了高 氮无镍不锈钢。近些年来，低镍和无镍的医用不锈 钢逐渐得到发展和应用。日本的物质材料研究所(筑波市)开发了一种不含镍的硬质不锈钢的简易生产方 法，解决了无镍不锈钢难以加工而制造成本太高的问题，生产成本低廉，有望广泛用于医疗领域。 4.铝合金 铝及其合金材料具有良好的性能，可塑性和生 物相容好，作为植入材料早在20世纪40年代就已广 为使用，目前可承受高负荷的部件也多用铝及其合 金制成。铝具有较高的耐蚀性，除在氢氟酸、苛性碱、热的浓硫酸、盐酸和硝酸的混合液溶解外，其 他试剂对铝都发挥不了腐蚀作用，体液不影响铝的 交变疲劳强度，良好的生物相容性使得铝植入材料 不刺激人体。另外，相比于不锈钢，铝的抗缺口裂纹扩展能力很高。 5.镁合金 多孔镁合金材料作为一种可降解的生物材料可 为细胞提供三维生长的空间，有利于养料和代谢物 的交换运输。镁本身具有生物活性，可诱导细胞分化生长和血管长入。在材料降解吸收的过程中，种 植的细胞会继续增殖生长，有望形成新的具有原来 特定功能和形态的相应组织和器官，以达到修复创 伤和重建功能的目的。生物医用可降解镁合金材料的完全可降解性和杰出的生物相容性使其有望广泛 应用于临床硬组织修复或替代。可降解镁合金血管 支架是镁合金作为可降解生物医用金属材料研究领 域最大的研究进展。 生物医用镁合金具有良好的生物相容性、力学 相容性和可降解性而受到了广泛关注，但是腐蚀速 率过快又限制了其实际应用。 可降解镁合金材料的未来研究方向：(1)通过合金化、冷加工、热处理和表面处理等方法改善镁合 金的耐腐蚀性能；(2)添加合金元素对于材料生物相 容性的影响；(3)对腐蚀过程中材料力学性能变化的 分析；(4)可降解镁合金材料腐蚀产物的成分分析以及生物安全性评价。 6.锆基合金 Zr是一种拥有优良耐腐蚀性能、组织相容性 好、无毒性的金属，常被用作合金化元素添加进Ti 合金中，以提高Ti合金的机械性能。 近年来，通过添加无毒副作用 的合金元素对Zr合金进行强化及性能优化开发出了新型生物医用合金材料。Zr基生物医用合金材料因 其弹性模量低、强度高、在生理环境中耐腐蚀性能 好、生物相容性好等优点逐渐引起人们的关注，被用作人体硬组织替代材料。 7.锌基合金对锌及其合金的研究多集中在体外实 验和小动物研究，而对于植入材料研究而言，接近于 人体应用环境的大动物实验(原位)研究是必需的，并 且在以后的研究中也应着重提高Zn基合金的生物相容性。 8.钨 钨是除了碳之外熔点最高的元素，由于其较好 的辐射不透过性和致血栓性，纯钨机械可脱性微弹 簧圈被用于介入手术治疗脑动脉瘤，并表现出良好的生物相容性，但是钨的可降解性往往导致被堵塞 的血管再通以及血清中钨离子浓度增大。9.贵金属用作生物医用材料的金、银、铂及其合金总称 为医用贵金属。贵金属的价格比较昂贵，但具有较 好的生物相容性，因此，类贵金属得以发展，例如仿金材料等。 医用贵金属(金、银、铂等)具有独特的生物相容 性，良好的延展性，且对人体无毒，是人类最早应 用的医用金属材料之一。其中，铂族金属是医学上 重要的镶牙材料；另外，铂族催化剂对氧化作用来说具有极好的催化活性，还有着良好的导电率和抗 蚀性，可用作人工心脏的能源。目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、 钛及钛合金、钴基合金等，生物可降解镁合金是近年 来快速发展的新型医用金属材料，有诱人的临床应用潜力。医用金属材料主要应用于骨科、齿科及矫形外 科的内植入物及人工假体等植入医疗器械的制造，以 心血管支架为典型代表的各类管腔支架，以及各式各 样的外科手术器械和工具，为延长患者寿命、改善患肢功能、提高患者的整体生活质量发挥了重要作用。

免责声明：以上内容转载自钛之家，所发内容不代表本平台立场。
全国能源信息平台联系电话：010-65367702，邮箱：hz@people-energy.com.cn，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社