生物金屬材料

植入人體(或動物體)以修復器官和恢復功能用的金屬材料。該材料通常用作人體硬組織如牙齒、骨、關節等和軟組織如心臟瓣膜、腦膜、腹膜、人工器官等。

基本介紹

• 中文名：生物金屬材料
• 外文名：Bio metal materials
• 作用：修復器官和恢復功能
• 套用：人體硬組織和軟組織

基本介紹

植入人體或動物體以修復器官和恢復功能用的金屬材料稱為生物金屬材料(Biomedical Metallic Materials)。生物金屬材料是目前使用最多的生物材料，因為生物體用材料中，金屬比生物有機材料(主要指有機高分子材料)、生物無機非金屬材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料）以及生物複合材料等具有以下優點：拉伸及壓縮強度高；耐衝擊性及延展性好；成形加工性能好，可製成形狀複雜的部件；性能穩定，可靠性高。

生物金屬材料

植入人體（或動物體）以修復器官和恢復功能用的金屬材料。生物金屬材料有的可以製成牙齒、骨頭等起支撐作用的硬組織，有的可製成心臟瓣膜、腦膜、腹膜等軟組織。植入體內的金屬材料是浸泡在血液、淋巴液、關節潤滑液等體液之中使用的。體液含有有機酸、無機鹽，存在Na+、K+、Ca2+、Cl-等離子,是一種電解質,而且使用時間長達幾年甚至幾十年之久，因此生物金屬材料首先要具備與人體組織和體液有良好的適應性（無毒，不引起變態反應和異常新陳代謝，對組織無刺激性），同時還要有耐蝕性和化學穩定性（金屬離子不隨血液轉移，在體內生物環境中不發生變化，不受生物酶的影響）。生物金屬材料要承受人體的各種機械動作，因此在力學上應具有適宜的強度、韌性、耐磨性和耐疲勞性能。此外，生物金屬材料還要容易加工成各種複雜形狀，價格便宜和使用方便。

生物金屬材料中使用比較成熟和套用比較廣泛的，主要是牙科和骨科用的金屬材料。牙科用的金屬材料有金、銀、鉑等貴金屬合金以及不鏽鋼、鈷基和鈦基合金等（見牙科金屬材料）。骨科使用的金屬材料主要有鎳鉻不鏽鋼、鈷鉻鉬合金和鈦及其合金，有時也套用價格昂貴的鉭、鈮、金、銀、鈀、鉑等。

要求

作為生物體用金屬材料還必須具備以下條件：與人體組織和體液有良好的適應性，具有耐蝕性和化學穩定性，有適當的強度和韌性、耐磨性、耐疲勞性，容易加工，價格便宜，使用方便。具體包括以下幾點： ．

（1）良好的組織相容性，包括無毒性、無熱源反應、不致畸、不致癌、不引起過敏反應或干擾機體的免疫機理、不破壞臨近組織，也不發生材料表面的鈣化沉積等；

（2）物理和化學穩定性好，包括強度、彈性、尺寸穩定性、耐腐蝕性、耐磨性以及界面穩定性等；

（3）針對不同的使用目的而具有特定的功能；

（4）易於加工成型，材料易於製造，價格適當；

（5）材料具有可消毒性，可使用壓力鍋、環氧乙烷、臭氧、Y射線等技術進行消毒；

（6）對於植入心血管系統或與血液接觸的材料，除能滿足以上條件外，還須具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破壞紅細胞（不溶血）、不破壞血小板、不改變血中蛋白（特別是脂蛋白）、不擾亂電解質平衡等。

主要特徵

生物金屬材料的最主要特徵是在生理環境約束下行使功能，因而必須具備生物功能性和生物相容性。所謂生物功能性，是指生物材料在其植入位置上具有行使功能所要求的物理和化學性質。生物相容性則是一種生物材料和宿主反應起作用的能力。目前對生物相容性的理解，已不僅僅是要求材料植入後不會引起毒性反應，更要求植入材料和機體間的相互作用能夠永久協調。另外，還要求生物金屬材料容易加工成形，使用方便和價格便宜。種類 生物金屬材料主要包括較成熟和廣泛用於牙科和骨科的金屬材料。牙科用的金屬材料有金、銀、鉑及其合金、不鏽鋼、鈷基合金、鈦基合金等。骨科使用的金屬材料主要有不鏽鋼、鈷基合金和鈦基合金，有時也使用昂貴的鉭、鈮、金、銀、鈀、鉑等。在生物金屬材料中，目前使用量最多的是不鏽鋼，以美國為例占全部使用量的75%，其次是鈷基合金占20%，而鈦及其合金只占5%。這3類材料的化學成分國際標準列於表2。

主要材料

不鏽鋼

耐蝕性和強度不如鈷鉻鉬合金，但價格便宜,加工性能好,所以在醫療中使用量最大。不鏽鋼主要製作固定骨折部位的接骨板、骨鉤和骨螺釘等零件，也有用來製造人工骨、人工關節的。骨科使用的不鏽鋼的典型合金是Fe-18Cr-12Ni-2Mo。合金中矽和錳等雜質的含量越低越好。

鈷鉻鉬合金

這種鈷基合金常稱 Vitallium（見鈷基高溫合金）。它的典型成分為 Co-30Cr-6Mo,還含碳0.35%。它的耐蝕性比不鏽鋼 (Fe-18Cr-12Ni-2Mo)高40倍左右，且有優異的耐疲勞性能和耐磨性能，是目前較好的骨科合金材料。合金中鉻和鉬的作用是提高強度和耐蝕性能；鉬還能阻止結晶時的晶粒長大，從而改善耐疲勞性能。缺點是硬度高，加工困難。

鈦及其合金

這類材料在骨科常用的三類金屬材料中耐蝕性能最好，比重最輕(約為其他材料的一半)。純鈦強度較低,鈦合金(Ti-6Al-4V)強度較高。鈦及其合金的耐磨性差，製成的人工關節的磨損碎屑在體內積存,會造成人體組織變異。這類材料通過氮化處理可改善耐磨性能,已取得臨床效果。Ti-50Ni合金是新發展起來的形狀記憶合金，有形狀記憶效應並有良好的力學性能。它的摩擦損耗只有鈦的幾十分之一。這種合金可製造人工關節，因有形狀記憶效應，也可製造脊椎矯正棒、接骨板及各種類型的止血夾。

用鈷鉻鉬合金和鈦合金粉末製作的多孔金屬作人工關節，不僅可減少人工關節與關節頭之間的彈性模量差別，而且骨組織又能進入多孔金屬中達到生理結合的效果，正在臨床試用中。

存在問題

生物金屬材料是套用最廣泛的一類醫用承力材料。傳統使用的醫用金屬材料經過多年的臨床套用，仍然存在許多問題，除了醫用材料常見的宿主反應以外，還存在兩個方面的主要問題：

生物金屬材料

1、植入生物金屬材料在植入生物體內容易失效；

2、植入生物金屬材料的感染髮炎問題。人工植入生物金屬材料在植入生物體內容易失效，其失效原因，大致有以下幾種：

（1）植入物因各種原因而斷裂；

（2）植入物在內發生嚴重的磨損或鬆動；

（3）植入物材料因腐蝕、磨損而產生的腐蝕、磨損產物進入周圍組織，引起嚴重的組織反應這幾種情況均可導致手術失敗。

生物相容性

材料發生變化原因

發材料發生變化的主要因素有：

(1) 生理活動中骨髂、關節、肌肉的力學行動態運動；

(2) 細胞生物電、磁場和電解、氧化作用；

(3)新陳代謝過程中生物化學和催化反應：

(4)細胞粘附吞噬作用：

機體發生反應因素

材料引發機體發生反應的主要因素有：

(1) 材料中殘留有毒性的低分子物質；

(2)材料聚合過程中殘留有毒性、刺激性的單體；

(3)材料在滅菌過程吸附了化學毒劑和高溫引發的裂解產物；

(4)材料和製品的形狀、大小、表面光滑程度；

(5)材料的酸鹼度。