生物医用金属材料的研究进展.docx

生物医用金属材料的研究进展刘兰云（浙江工贸职业技术学院，浙江温州325003）摘要：介绍了医用金属材料目前的研究现状、性能和应用，指出了医用金属材料应用中目前存在的主要问题，阐述了近年来生物医用金属材料的新进展，提出镁及镁合金材料的应用是生物医用金属材料的发展方向。关键词：生物材料； 生物医用金属材料中图分类号：TB31文献标识码：A文章编号：1672-0105（2008）01004704Research and Development of Biomedical Metallic MaterialsLiu LanyunCZhejiang Industry & Trade Vocational College, Wenzhou Zhejiang 3250033Abstract: Great progress has been made in research and development of biomedical metallic materials in recentyears. Research, development and application of these materials with good biocompatibility are reviewed in this paper, including improvement of metallic implants by surface modification techniques. Current problems in biomedical metallic materials and the new trend of research and development are also well described in the paper.Key words: Biomaterial; Biomedical metallic material生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料，可用于诊断、治疗，以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。目前用于临床的生物医用材料主要生物医用金属材料、生物医用有 机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料） 以及生物医用复合材料等。与生物陶瓷及生物高分子材料相比，生物医用金属材料，如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵 金属等具有高强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其他医用材料不可替代的优 良性能。生物医用金属材料在应用中面临的主要问题，是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围 组织扩散以及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者可能导致植入失效1-2。因此研究 和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。1 生物医学对材料的要求医用金属材料严格满足如下的生物学要求：（1）良好的组织相容性，包括无毒性、无热源反应、不收稿日期：20080317作者简介：刘兰云（1979- ），女，助教，主要研究方向：镁、铝及其合金的表面处理，各种涂层、薄膜。47浙江工贸职业技术学院学报致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等。（2）物理和化学稳定性好，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等。（3）易于加工成型，材料易于制造，价格适当。（4）对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满 足以上条件外，还须具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破 坏血小板、不改变血中蛋白（特别是脂蛋白）、不扰乱电解质平衡等。2 生物医用材料的现状人类在古代就已经尝试使用外界材料来替换修补缺损的人体组织3。在公元前，人类就开始利用天 然材料如象牙来修复骨组织；到了19世纪，由于金属冶炼技术的发展，人们开始尝试使用多种金属材料， 不遗余力地发展生物医用材料，以解救在临床上由于创伤、肿瘤、感染所造成的骨组织缺损患者。但是 由于医学技术、材料加工工艺及材料本身的局限性，这些应用受到限制，临床应用效果亟待提高。目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛合金和记忆合金等几大类。此外还有形 状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。2.1 医用不锈钢 在所有生物医用植入材料中，金属材料应用最早，而且在临床中的应用也最为广泛。近代第一种用作植入材料的是不锈钢18-8 （标准牌号302），其强度比钒钢高，抗蚀能力也较强。后来，在18-8不锈 钢的基础上，人们发展了316不锈钢。该不锈钢中Mo元素的存在改善了其在生理盐水中的抗蚀性。到20 世纪50年代，316不锈钢中的最高碳含量由0. 08 %（质量分数）降到0. 03 %（质量分数），提高了316不 锈钢在氯化物溶液中的抗蚀性能，成为新的316L不锈钢4。316L不锈钢是制作医用人工关节比较廉价的常用金属材料，主要用作关节柄和关节头材料5。但临 床表明316L不锈钢植入人体后，在生理环境中，有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问 题6-7，并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和Cr5+，从而引起假体松动，最终导致植入体失效8。近些年来低镍和无镍的医用不锈钢正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。这样生产的无镍不锈钢解决了原来难以加工而制造成本太 高的问题。利用此法生产的无镍不锈钢生产成本低廉，有望广泛用于医疗领域9。2.2 医用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。锻造加工的 Co-Ni-Cr-Mo合金是一种新材料，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，它们是：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Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金（F563）。 其中锻造Co-Cr-Mo合金和锻造Co-Ni-Cr-Mo合金已广泛用于植入体制造1。四川大学华西口腔医院的研 究人员发现，深冷处理可以有效提高钴铬钼高熔铸造合金的抗拉强度10，也能有效增强口腔铸造合金的 弯曲弹性模量、抗弯强度、耐磨性和耐腐蚀性11-12。 但是由于钴基合金价格较高，并且合金中Co、Ni 元素存在着严重致敏性等生物学问题，应用受到一定的限制，近些年通过表面改性技术来改善钴基合金 的表面特性，有效提高了其临床效果。48刘兰云：生物医用金属材料的研究进展2.3 医用钛及钛合金纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点，因此，20世纪50年代美国和英国开始把纯钛 用于生物体 13 。 到了20世纪60年代 ，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钛合金14，钛合金在人体植入材料方面获得了较快的发展。1973 年北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂合作生产了300个钛人工股骨和髋关节，并 用于临床13。由于钒有毒，对人体具有潜在的有害影响，因此20世纪7080年代世界各国开始用钛合金 研制无钒植入物。80年代中期2种新型+型钛合金Ti-5Al-2. 5Fe和Ti-6Al-7Nb在欧洲得到了发展15，这类合金的力学性能与Ti-6Al-4V相近，具有较好的生物相容性和耐腐蚀性。然而此类合金仍含有Al元素（Al元素能导致器官的损伤，引起骨软化、贫血和神经紊乱等症状16-17），且其弹性模量为骨弹性模 量的410倍。种植体与骨弹性模量之间的不匹配，使得载荷不能由种植体很好地传递到相邻骨组织，出 现“应力屏蔽”现象，从而导致种植体周围出现骨吸收，最终引起种植体松动或断裂，造成种植失败18。2.4 医用贵金属以及钽、铌、锆等金属 医用贵金属是指用作生物医用材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属的生物相容性较好，但价格昂贵，所以类贵金属得到发展，如仿金材料的研究。钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应，可以和 其他金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。在临床上，钽也表现出良好的生物相容性。铌、钽及锆与 钛都具有极相似的组织结构和化学性能，在生物医学上也得到一定应用。但总的来说，医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵，广泛应用受到限制。3新型医用金属材料的研究和发展镁及镁合金由于密度低，比强度、比刚度高等优异的综合性能已被较为广泛地应用在航空航天、电子通信、汽车制造等领域。从这十几年来国内外对镁及镁合金各方面的报道发现镁如作为硬组织植入材 料，与现己投入临床使用的各种金属植入材料相比，具有资源丰富、与人骨的密质骨密度相近、镁及镁 合金有高的比强度与比刚度且加工性能良好、能有效地缓解应力遮挡效应、镁离子对人体的微量释放是有益的，且镁及其合金与生物相容性好，资源丰富，价格低。 虽然有很多优于其他金属生物材料的性能，但镁及镁合金的耐蚀性能较差，并且在腐蚀介质中产生的氧化膜疏松多孔，不能对基体产生很好的保护作用。尤其是在含有Cl-离子的腐蚀介质中，MgO表面膜的完整性会遭到破坏，导致腐蚀加剧。因此，要使镁及镁合金替代现有金属生物材料成为可能，必须对 其进行表面改性，以满足临床应用对生物材料耐蚀性能的苛刻要求。（1）稀土转化膜对镁及镁合金进行表面改性稀土无毒环保，而且具有较好的生物相容性。高家诚19等人用激光在Ti6A14V上合成及涂覆含稀土 的生物基钙磷基陶瓷涂层。植入成年狗7-180d后，与骨结合良好。可见，将稀土转化膜工艺处理过的纯镁或镁合金应用在生物材料领域是可能的。（2）碱处理、热处理对镁及镁合金的表面改性Kwahara20（99.9%）在803K下热处理9-25h后，再将试样放在HBSS溶液中浸泡。风干后用失重法测49浙江工贸职业技术学院学报量发现部分试样重量不但没有减少，而且有增加的现象。并且增加的重量（质量百分比）与热处理时间成正比。Al-Abdullat首次提出了用碱处理的方法表面改性纯镁，探索其在生物医用材料领域应用的可能 性。但他提出的碱处理法处理纯镁还存在着许多问题，如碱液处理纯镁时对纯镁的严重腐蚀、涂层致密 疏松等，都需要解决与完善。4结束语对镁及镁合金作为医用金属材料进行研究在国外也刚起步，但镁及镁合金作为现有金属生物材料的新一代产品所表现出的优势与潜力，必定会引起越来越多人的关注。我国镁资源丰富，镁产业制品的发 展已列入国家重大研究项目。通过对镁及镁合金腐蚀本质的深入了解和对沉积工艺、机理的系统研究， 相信在不久的将来，镁及镁合金会以其在金属植入材料领域的广阔应用，对我国生物材料产业和镁制品行业的发展产生巨大的推进作用。参考文献：1 浦素云金属植入材料及其腐蚀M北京：北京航空航天大学出版社，1990，232 Granchi D，et alJ M ater Sci:：Mater in Med，1998，9：313 李世普，陈晓明生物陶瓷M武汉：武汉工业大学出版杜，1989，15 4 阮建明，邹俭鹏，黄伯云生物材料学M北京:科学出版社，20045 王安东，戴起勋生物医用材料316L不锈钢的磨损腐蚀特性研究J金属热处理，2005，30(3)：33 366 Thomann U I ，Uggowitzer P JWear-corrosion Behavior of Biocompatible Austenitic Stainless Steels JWear，2000，239 (1)：48587 阎建中等316L不锈钢微动磨蚀过程表面钝化膜自修复行为研究J中国腐蚀与防护学报，2000，20(6)：354 8 任伊宾，杨柯，梁勇新型生物医用金属材料的研究和进展J 材料导报，2002，16(2)：12159 启明利用高温渗氮法生产适合作生体医用材料用的无镍不锈钢J日金属，2003，73(3)：4610 陈孟诗，朱智敏，李宁深冷处理对钴铬钼高熔铸造合金拉伸力学性能的影响J华西口腔医学杂志，2004，22(3)：25225411 赵娟，朱智敏，陈孟诗深冷处理技术对口腔中熔铸造合金耐磨性的影响J华西口腔医学杂志，2003，21 (3)：18418812 朱智敏，赵娟，黄旭深冷处理技术对口腔中熔铸造合金耐腐蚀性的影响J 华西口腔医学杂志，2002，20 (5)：316 31913 王桂生，朱明外科植入物用钛合金研究进展和标准化现状J稀有金属，2003，27(1)：43 4814 周宇，杨贤金，崔振铎新型医用-钛合金的研究现状及发展趋势J金属热处理，2005，30(1)：4750 15 于思荣生物医学钛合金的研究现状及发展趋势J材料科学与工程，2000，18(2) ：13113416 张玉梅，郭天文，李佐臣钛及钛合金在口腔科应用的研究方向J生物医学工程学杂志，2000，17 (2)：206 208 17 Long M，Rack H JTitanium alloys in total joint replacement a materials science perspective JBiomaterials，1998，19：162116391