医用金属材料的研究进展

医用金属材料的研究进展 姓名：因学号：专业：材料摘要：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1。Medical metal materials with high strength toughness, fatigue resistance, easy processing and forming excellent properties become clinical dosage biggest and wide application of biomedical materials.关键词：医用金属 种类 应用 研究进展一 生物医用金属材料的简介 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。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料2。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。除了要求它具有良好的力学性能及相关的物理性质外，优良的抗生理腐蚀性和生物相容性也是其必须具备的条件。医用金属材料应用中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及植入材料自身性质的退变，前者可能导致毒副作用，后者常常导致植入的失败。已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆等、不锈钢、钴基合金和钛基合金等3。二 生物医用金属材料的特性2.1材料毒性生物医用金属材料的毒性主要来自金属表面离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，由此作用于细胞，抑制酶的活性，组织酶的扩散和破坏溶酶体。具体可表现为与体内物质生成有毒化合物。并且金属离子进入组织液，会引起水肿、栓塞、感染和肿瘤等。一般才用的降毒方法包括合金化、提高耐蚀性、提高光洁度、表面涂层等4。2.2生理腐蚀性生物医用金属材料的生理腐蚀性是决定材料植入后成败的关键，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。2.3力学性能生物医用金属材料需要有足够的强度与塑性。一般说来，对人工髋关节金属材料的要求是：屈服强度450Mpa；抗拉强度800Mpa；疲劳强度400Mpa；延伸率8%。通常材料的弹性模量大于骨的弹性模量，由此会使得材料与骨应变不同，界面处发生的相对位移造成界面松动；除此产生应力屏蔽，引起骨组织的功能退化或吸收8。2.4耐磨性耐磨性影响植入摩擦器件的寿命；以及可能产生有害的金属微粒或微屑，导致周围组织的炎性、毒性反应。可通过提高硬度，表面处理等方法进行改善。三 医用金属材料的种类 3.1不锈钢 不锈钢抗蚀性虽不如钻基合金,但易加工,且价格低廉。不锈钢中要尽量减少si、Mn等杂质元素及非金属夹杂物,否则影响其耐蚀性.不锈钢的耐蚀性和强度也可经冷加工而 提高.不锈钢的耐蚀性和强度虽不如钻其合金7,但它价格低,加工简易,可制成多种形体,如针、板、钉、螺钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和各种人工假体,目前应用仍最广泛,同时还用于制作医疗仪器和手术器械18。 3.2钴基合金 钴铬钼合金为钻基奥氏体结构,或称钒钢或活合金.可以铸造或锻造,但硬度大,加工制作较困难.从耐蚀性和机械性能考虑,它较不锈钢优越,是目前较优良的材料。1929年已开始应用于临床,其锻造植人器件已列入150国际标准,并有硬、中、软3种类型14。 3.3钛及其合金 钦质轻,比重与人骨近似。纯钦强度为390一490MPa,生物相容性好。实验证明其耐蚀性和抗疲劳性能均优于不锈钢和钻基合金,组织反应轻微，表面活性好,易与氧反应形成致密氧化膜,即钦的氧化层稳定。故具有生物材料的条件;适于植人,为较理想有发展前途的一种植入材料9。 3.4担及其合金 钮及其合金性能良好，早在40年代就用作植入材料。当时只是从生物相容性和可塑性上来考虑,近年来则用钮及其合金制成了可承受高负荷的部件.钮的耐蚀性高,除溶解在硝酸和氢氛酸的混合液、氢氟酸、热的浓硫酸、苛性碱外，其他试剂对钮都不起作用12。对人体无刺激，体液对担的交变疲劳强度无影响.与不锈钢相比,钮有很高的抗缺口裂纹扩展能力。在相同的交变载荷下,担制髓内针的回转刚性比AO用钢材高60倍。 3.5其他的金属（医用贵金属） 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。妮、担及错与钦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,医用贵金属和担、妮、错等金属因其价格较贵,广泛应用受到限制13。四 医用金属材料目前存在的主要问题医用金属材料经过多年的临床应用，仍然存在许多问题，除了医用材料常见的宿主反应以外，还由于金属腐蚀和磨损直接或间接造成的影响。医用金属材料中均含有较多的合金化元素但它们在人体中所允许的浓度非常低。这些合金化元素多呈强的负电性，能够变化其电子价态并与生物体内的有机物或无机物质化合形成复杂的化台物（有些含有强烈的毒性）。另外，金属材料植入人体以后，由于腐蚀、磨损等导致金属离子溶出、金属；离子进入组织液里会引发某些生物反应，如组织反应血液反应和全身反应，表现为水肿、血栓栓塞、感染及肿瘤等现象11。另外在人体血液中由于血小板、细胞和蛋白质带有负电荷，而金属析出离子一般带有正电荷，因此血液中大量金属离子的析出还易于造成血栓的形成。在铁(Fe)、铬(Cr)、镍（Ni)、钼(Mo)、钴(Co)等人体必需的微量元素中，镍、钴、铬离子对人体都有很大的毒性和致敏反应17。已有研究报道了植入物释放出来的金属离子诱导炎症的过程，并且发现即使亚微摩尔浓度的锌、镍和钴也能诱导内皮细胞E选择素的表达。科学上早就存在的“镍过敏和镍致癌问题”，直到最近几十年才受到各国重视，对日用和医用金属材料中的镍含量限制越来越严格，标准文件中所允许的最高镍含量也越来越少。由1967年、1988年和1994年颁布的欧洲议会标准，就可以清楚地看出这种趋势。因此在发展新型医用金属材料时必须严格控制其中的金属元素，最好是少用或不用对人体产生毒性和过敏性较大的合金化元素15。五 应用与发展前景迄今为止 ,被详细研究过的生物材料已有一千多种，医学临床上广泛使用的也有几十种，涉及到材料学的各个领域。生物医用材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物医用材料的需求。目前生物医用材料研究的重点是在保证安全性的前提下寻找组织相容性更好、可降解、耐腐蚀、持久、多用途的生物医用材料19。伴随着临床应用的巨大成功，一个高技术生物医学材料产业已经形成，且是一个典型的低原材料消耗、低能耗、低环境污染(一个售价5000余元的药物洗脱冠脉支架，其不锈钢用量仅100mg，全球不锈钢用量不超过1吨)、高技术附加值(知识成本可达总成本的50-70%)的新兴产业10，近十余年来以高达20%以上的年增长率持续增长，即使近年国际金融危机导致世界经济衰退，2009年美国医疗器械产业仍保持7%的年增长率，表明其发展受外部环境影响很小，对国家经济及安全具有重大意义，是世界经济中最具生气的朝阳产业。过去，中国对于生物医用金属材料市场并没有较强有力的切入动机，一方面是金属材料厂商大多以量产思维为主要营运模式，另方面下游医疗器材采购量不大，实难要金属材料厂商舍量产而选生物医学16。但近年，政府大力推动医疗器材产业，使我国医疗器材产业供应链逐渐齐全，加上过去产学研相关金属材料研发能量的累积，有利国内发展生物医用金属材料相关产业。我国的骨科、齿科市场近年快速成长，有锻造、铸造、机加工等成形能力，也拥有功能设计能力，甚至可以自有品牌推销，对于国内生物医用金属材料（包括钛合金、不锈钢、镍钛合金等）将有其相当大的商机。近年积极与相关外企交流，也有利于生物医用金属材料技术（如医用不锈钢、钛合金、镍钛合金、镁合金、多孔钽等）交流，共同开创世界市场5。1. 刘江 医用金属材料的研制与应用J. 金属功能材料2007，14（6）2. Pickford M A，Scamp THarrison D HMorbidity after gold weight insertion into the upper eyehd in facia!palsyJBr J Plast Surg。1992，45：4603. 杨巍;杨贤金;朱胜利;崔振铎;钛合金表面生物活性陶瓷涂层的制备A;全国首届青年复合材料学术交流会论文集C;2007年 4. 魏强;崔振铎;杨贤金;王媛;粉末冶金法制备医用Ti28Nb245Zr合金A;第九次全国热处理大会论文集（一）C;2007年 5 黄利军;黄旭;曹春晓;一种Ti-Mo-Zr-Fe钛合金的拉伸性能与断口特征A;中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集C;2007年6. Helsen J ABreme H JEdsMetal as biomaterialsMJohn Wihty and Sons Ltd,19982657. Anita KapanenAnne Kinnunenet al. TGF-bl secretion of ROS一17/28 cultures On NiTi implant materialJBiomateriels，2002338. Pei Y T，et aL Functionally graded materials produced by laser claddingJAeta Mater2000，48(10)：26179. 杨巍;杨贤金;朱胜利;崔振铎;钛合金表面生物活性陶瓷涂层的制备A;全国首届青年复合材料学术交流会论文集C;2007年 10. 魏强;崔振铎;杨贤金;王媛;粉末冶金法制备医用Ti28Nb245Zr合金A;第九次全国热处理大会论文集（一）C;2007年 11. 黄利军;黄旭;曹春晓;一种Ti-Mo-Zr-Fe钛合金的拉伸性能与断口特征A;中国有色金属学会第十二届材料科学与合金加工学术年会论文集C;2007年12. Mafla HeleIIa Fernandes. J Biomaterlals Appllcatlons，199914(10)；11313. Joachim MenzeI.Walter Kirschner，Gerald Stern1SIJ International，1996，36(7)：893.14. Peter J UggowitzerRuth Magdowski，Markus O SpeidelISIJ International. 1996，36(7)：90115. 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）；18418816. 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