生物金屬材料

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生物金屬材料(biomedical metal material)：植入人體(或動物體)以修復(fù)器官和恢復(fù)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(guān)節(jié)等和軟組織如心臟瓣膜、腦膜、腹膜、人工器官等。

簡史

人類利用生物材料由來已久，早在公元前5000年，中國就已將人工牙植入頜骨內(nèi)修復(fù)失牙。公元前6000年埃及就已將黃金作為人工牙。但是，生物材料于上世紀(jì)末才開始略具雛形。近百年來，植入人體材料的開發(fā)和應(yīng)用，已由純金屬、天然材料發(fā)展成為多功能合金、高分子材料、陶瓷材料及復(fù)合材料等新型材料。生物金屬材料在生物材料中占有重要位置。目前常用的生物金屬材料與其他材料，人骨的力學(xué)性能比較見表1。                                                              

  表1生物金屬材料與其他材料、入骨的力學(xué)性能比較

材    料	抗拉強(qiáng)度 ／MPa	彈性模量   ／GPa	伸長率   ／％
不銹鋼(Fe—Cr Ni Mo) 鈷基合金(c。一cr Mo) 鈷基合金(Co Ni—cr—w) 工業(yè)純鈦 鈦基合金(Ti—Al—V) 鈦基合金(Ti—A1 Fe) 聚乙烯 尼隆66 聚甲基丙烯酸酯(PMMA) 聚四氟乙烯(PTFE) 氧化鋁 人骨	500   700   1300   500   1000   1)50   50   85   70   20   ①   130	200   220   240   100   110     ——     O．5     2．8     3．O     O．5     350     17	10     5     12     25     15     15     500     100     5     400     <1     2

①變化很大，在拉伸時材料很脆。

特征

生物金屬材料的最主要特征是在生理環(huán)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(xué)性質(zhì)。生物相容性則是一種生物材料和宿主反應(yīng)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后不會引起毒性反應(yīng)，更要求植入材料和機(jī)體間的相互作用能夠永久協(xié)調(diào)。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于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、不銹鋼、鈷基合金、鈦基合金等。骨科使用的金屬材料主要有不銹鋼、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銹鋼，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(xué)成分國際標(biāo)準(zhǔn)列于表2。                                                               

表2常用生物金屬材料化學(xué)成分(％)

元  素	不銹鋼   Fe—Cr—Ni—M0	鈦基合金     Ti Al—V	鈦基合金     Ti—Al Fe	鈷基合金     Co—CpMo	鈷基合金     C0一Ni—Cr—Mo
Al     C     Co     Cr     Cu     Fe     H     Mn     Mo     N     Ni     0     P     S     Si     Ti     V	<o．03 </o．03     17．O～19．O     <o．50 </o．50     余     <2．O     2．25～3．5     <o．10 </o．10     13．O～15．O     <o-025 </o-025     <o．01 </o．01     <1．O	5．50～6．75     <o．08 </o．08     <o．30 </o．30     <o．015 </o．015     <o．05 </o．05     <o．20 </o．20     余     3．50～4．50	4·5～5．5     <o．08 </o．08     2～3     <o．013 </o．013     <o．05 </o．05     <o．20 </o．20     余	<o．35 </o．35     余     26．5～30．O     <1．O     <1．O     4．5～7．O     <2．5     <1．O	<0．025     △     19．O～21．O     <1．O     <o．1 5 </o．1 5     9．O～lO．5     33．O～37．O     <0.015 <0.015     <0.010 <0.010     <0.15 <0.15     <1.0

不銹鋼 骨科使用的不銹鋼典型合金成分是Fe一18cr一14Ni一3Mo(見表2)。它的耐蝕性和強(qiáng)度不如鉆鉻鉬合金，但價格便宜，加工性能好，在醫(yī)療中使用量最大。不銹鋼主要用于制作固定骨折部位的接骨板、骨鉤和骨螺釘?shù)攘慵部捎米魅斯す呛腿斯りP(guān)節(jié)。

鈷基合金 其典型成分是co一30(：r一6Mo(見表2)，它還含O．35％c，是以碳化物為主要強(qiáng)化相的高溫合金。它的耐蝕性比不銹鋼好，并具有優(yōu)異的耐疲勞性和耐磨性，是目前較好的骨科金屬材料。缺點是硬度高，加工困難。

鈦基合金 與不銹鋼、鈷基合金相比耐蝕性最好，密度也最小，僅是它們的一半。純鈦的強(qiáng)度與不銹鋼相當(dāng)，約為500MPa，TC4(Ti一6Al一4V)鈦合金的強(qiáng)度較高為1000MPa(見表1)。鈦及鈦合金的耐磨性差，用它制成的人工關(guān)節(jié)的磨損碎屑在人體內(nèi)積存，會造成人體組織變異。這類材料經(jīng)過氮化處理可改善耐磨性能，已取得良好的臨床效果。鈦及鈦合金已用作髖關(guān)節(jié)、長骨頭、接骨板、頭蓋骨蓋板、假牙等。鈦一鎳形狀記憶合金(鈦中含50％Ni(原子分?jǐn)?shù)))具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性、優(yōu)良的耐磨耐蝕性，同時還具有高的強(qiáng)度和疲勞性能。其抗拉強(qiáng)度大于980MPa，伸長率大于20％。鈦一鎳形狀記憶合金是一種新型功能材料，也是一種較理想719shl石的生物材料，已應(yīng)用的有血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯唇弓絲、人工關(guān)節(jié)、血管擴(kuò)張支架、前列腺增生尿道擴(kuò)張固定支架等。

其他 生物金屬材料除采用鍛件和鑄件外，也可采用粉末冶金法制成的多孔材料。由于這種多孔材料能使人體組織移入微細(xì)孔內(nèi)再生，從而使人體組織與材料內(nèi)部呈現(xiàn)化學(xué)結(jié)合、力學(xué)結(jié)合的組織性能，較好地控制了界面反應(yīng)。

展望

生物材料領(lǐng)域目前的任務(wù)是為發(fā)展長壽命的矯形假體和人工器官提供較為理想的新型材料。最終目標(biāo)是要研制出接近人體自然組織、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)理想的生物活性材料。