王海波论文 医用金属材料

王海波论文 医用金属材料 医用金属材料及其应用 摘要:生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料 ,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包括生物医用金属材料、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。 生物医用金属材料,如不锈钢、钴基合金、钛和钛合与生物陶瓷及生物高分子材料相比, 金以及贵金属等具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。 关键字:医用金属 种类 应用 研究进展 近代科学技术的发展为医学提供了更多的诊疗手段,特别是生物材料的开发与应用,如体内人工假体和矫形物,已成为临床诊治伤病不可缺少的重要器材之一,为日趋发展的替代医学创造了条件。生物材料中,金属材料应用最早,已有数百年的历史[1?2]。金属材料半永久性或永久性地植人体内,以置换被破坏的、病变的或部分磨损的组织,可进行骨骼、关节、血管、牙齿等的修复。随着工业的进展和医疗技术的提高,预期必将有更大的发展和突破。 金属材料因其具有较高强度和韧性,适用于修复硬组织系统,故最早被采用。如用金属板修补颅骨缺损或镶牙。随着医用金属材料的发展,研制了抗蚀性能好的不锈钢,以后又发展了钻基合金和担。这些材料组织反应小,效应更佳。钦及其合金质量轻,弹性模量与骨相近似,有推广趋势,应用范围也随之扩大,如人工关节、人工骨、矫形物以及人工假体、血管套管吻合、脑止血夹等等,已成为不可缺少的医用金属材料。 由于各种生物材料各具其优缺点,为取长补短,适应不同需求,复合材料的应用已成为现阶段发展的趋向.我国生物材料科学的开发与研制起步晚,但已引起重视,进展迅速,并已取得一定成绩。诸如新材料的开发、医用生物材料标准制定、基础理论研究等,均已开始,并鱼待探索以赶上世界先进水平,为广大伤病员造福。 一、生物医学对材料的要求 医用金属材料作为生物材料的一类,其研究和发展要严格满足如下的生物学要求: (l)良好的组织相容性,包括无毒性、无热源反应、不致畸、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。 二、医用金属材料的种类 2.1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,但它价格低,加工简易,可制成多种形体,如针、 目前应用仍最广泛,同时还用板、钉、螺钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和各种人工假体, 于制作医疗仪器和手术器械。 2.2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。 2.3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。 2.4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。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。 2.5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。 三、医用金属材料的现状 最早用作生体材料的钛合金TiA1V已实用多年,至今并无引起毒性事故的实例报告,但64 其成分中的V有明显毒性,因此科研人员多年来致力于由无毒性元素所构成的生体用钛合金的开发。 3.1铁素体及双相医用不锈钢的开发 目前临床上广泛应用的是316L及317L型医用不锈钢,但其耐腐蚀性能并不十分令人满意。对传统医用不锈钢的改进,通过改进熔炼工艺如采用真空-电弧重熔工艺来减少非金属夹杂物的含量,可提高316L医用不锈钢的耐腐蚀性能。再者,通过向传统医用316L及317L不锈钢中添加N也改善了钢的耐腐蚀性能,从而提高了使用的安全性。近年来,研究者开发出一些铁素体及双相不锈钢,通过对这些材料在模拟体液环境下的点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀断裂及Fe、Cr、Ni等金属元素的溶出试验研究表明,材料具有良好的耐局部腐蚀性能,有望用 由于材料具有铁磁性,也限制了其在医疗领域的应用[6]。 作植入材料。但是, 3.2医用低镍和无镍Cr-Mn-N型奥氏体不锈钢 ,国外对低镍及无镍医用不锈钢的研究开发比较活跃。对于低镍医用不锈钢,国际标最近 准化组织制订了外科植入高氮不锈钢标准ISO5832-9。瑞典的Sandvik钢铁公司应用先进的熔炼技术,不需经过二次重熔制备了超纯净高氮医用不锈钢。 3.3新型钛合金 最新开发的生物医用钛合金主要包括:(1)(A+B)型钛合金: TiAlMoZr; TiA1Nb;Ta; 53462TiA1Nb;TiSnNbTa;TiZrNbTa;TiZrNbTa。(2)B型钛合金: TiMo; TiMoZrAl; 67154215421544151553TiMoZrFe;TiMoNbSi; TiNbZr; TiNbHf。新型钛合金中减少或消除了Al和 126215280.213131610 V元素的影响,并采用Zr、Nb、Ta、Sn等作为合金元素来改善钛合金的力学性能。Ti13Nb13Zr是美国研制的一种新型生物体植入钛合金,该合金提高了与生物体的相容性,并且有较高的强度和优异的耐腐蚀性,这种新型合金在500e温度下扩散硬化,产生一种层状钛氧化物陶瓷层,十分坚固和光滑,可作骨头连接部件。 3.4多孔镍钛合金 多孔镍钛合金是目前医用金属材料的研究热点,已有研究表明它的多孔结构可使新骨生长,因而可形成牢固的嵌合。研究人员对长入多孔结构的新骨的显微硬度及组织学参数进行了检定,证明同周围的骨质具有相似的性质,因而此种材料比较适合作为颅骨、颌骨的替代材料。生物医用多孔金属材料由于其独特的多孔结构极大地提高了植入体生物相容性,此外多孔金属还具有多孔聚合物和多孔陶瓷不可比拟的优良强度和塑性组合,因而作为一种新型的骨关节和牙根等人体硬组织修复和替换材料,具有广阔的应用前景。 四、医用金属材料目前存在的主要问题 生物医用金属材料具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,加工工艺简便,是应用最广泛 的一类医用材料。传统使用的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,主要还是由金属腐蚀和磨损直接或间接造成的。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合物(有些含有强烈的毒性)。当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一些生物反应,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。 ,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 另外在人体血液,卜 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)、钥 (eo)等人体必需的微量元素中,镍、钻、铬离子对人体都有致敏反应[4一7],钢中的(Mo)、钻 铬元素当呈现六价态时,对人体也有较大的毒性和过敏倾向。镍离子的富集对人体有很大毒性,有过敏反应,可能诱导有机体突变以及发生癌变。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,发现即使亚微摩尔浓度的锌、镍和钻,也能诱导内皮细胞上E一选择素的表达[8]。研究金属毒性的医生早就知道镍是一种能够致癌的有毒化学元素,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。 五、新型医用金属材料的研究和发展 长期使用的安全性及可靠性是对医用金属植入材料的第一要求,医师及病人都希望采用最好的金属植入材料,并且花最少的钱。在过去的几十年中,生物医用金属材料已经得到很快的发展,然而在临床上使用的仍然是有限的几种。因此研究并推动新型生物医用材料的应用,依然非常重要。 新型金属材料的发展应从现存的问题出发,采用新技术和新工艺,改善现有生物金属材料的性能,以减少和避免士述问题。对传统的医用金属材料仍有许多要研究的工作,例如有关金属元素对人体毒性方面的基础数据的收集和系统化,金属元素在人体内外的生物体毒性的相关性以及植入金属材料和生物体的分子水平研究等。另外我们知道医用金属材料植入人体以后,材料的浸出物或腐蚀产物会直接作用于细胞合成的组蛋白、细胞构架的肌动蛋白和波形蛋白等,因此有必要用分子生物学技术从分子水平上研究金属材料对生物体组织的影响,这样 才能进一步了解金属植入材料对人体的影响。 医用不锈钢仍是生物植入材料的主体,研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高 韧性生体合金依然重要。由于对高氮不锈钢的深入研究,低镍和无镍Cr一Mn一N型奥氏体 不锈钢的研究又引起人们的兴趣[9-10]。一些研究者提出把高氮含量的Cr一Mn一N奥氏 体不锈钢应用于生物医学卿[11-13]。他们指出这种不锈钢具有良好的抗腐蚀能力,特别是抗 点蚀和晶间腐蚀,而且具有较高的耐磨性,重要的是钢中没有镍元素,从而可避免镍元素在人 体内析出造成的致敏性及其它组织反应。无镍(或低镍)高氮奥氏体不锈钢具有优良的综合力 在许多性能方面相当于或超过现有的医用不锈钢,当然其进一步研究和临学性能和抗蚀性能, 床应用还有许多工作要做。 参考文献: [1]Wiekstrom,SymPosium:Surgical Mechanics of the internai Fixation of Fraeture,J Bon eJoint Surg.1964;46一A:397一399 [2]Ruff.A.W.亡taI,MetallicSurgicalIInPlantsStateoftheArt.J.Meta城1977;29(5):22一28 [3]Pan J,Karlen C,Ulfvin C.Electrochemical study of resistance tolocalized corrosion of steel for biomaterial aplication[J]. J Elec-trochemical Society,2000,147(3);1021. [4]LeshehlnskayaEM,etal.MaterMar一Apr,1999,2:44 [5]Arladoearmoperezra,etal.Biometals,1999,12:275 [6]BalketterDA,etal.ContaetDermatitis,1993,28(l):15 [7]GawkrodgerDJ.ContaetDermatitis,1996,35(5):267 [9]郝和平.医步犷器械生物学评价标准实施指南.北京:中国标准出版社,2000.7 [10]JoaehimMenzel,WalterKirsehner,GeraldSte;n.ISIJ Internatlonal,1996,36(7):893 [11]PeterJUggow;tzer,RuthMagdowskl,Markus0SPei-del.ISIJInternational,1996,36(7):901 [12]Urs1Thomann,etal.Wear,2000,239:48 [13]DsegiJA,EsehbaehL.In]uryIntJCareInjured,2000,31(SuPPI):52 [14]OrnhagenC,etal.JBlomedMaterRes,1996,31(1):97