刘思睿

【摘 要】 生物医用金属材料已经在临床上取得了广泛的应用。本文介绍了生物医用金属材料的主要分类和性能特点，包括医用不锈钢、医用钛合金、医用可降解金属等，提出了目前生物医用金属材料存在的主要问题和进一步的研究方向，并对生物医用金属材料未来的研究及应用进行展望。

【关键词】 生物医用金属材料；医用不锈钢；镍钛形状记忆合金；医用可降解金属

【中图分类号】

R249 【文献标志码】

A 【文章编号】1005-0019（2018）21-295-01

1 引言

生物医用材料，即能够植入到生物体中，并且与生物组织结合并修复的材料，可分为生物医用高分子材料、生物医用无机非金属材料、生物医用金属材料等类型。其中，生物医用金属材料最早得到应用。生物医用金属材料是指生物医用材料中的合金材料，和生物医用高分子材料、生物医用无机非金属材料等相比更易加工，强度较高，抗疲劳性也较好，主要应用于骨科、齿科、心血管科等领域。

理想的生物医用金属材料应具备以下条件：（1）生物相容性好，如对组织无破坏作用、无毒副作用和致畸致癌性、对免疫系统无影响、无凝血作用等。（2）弹性模量值与人体较相符、抗腐蚀性好、强度高等。（3）加工较容易，价格适合普通群众。目前广泛应用于临床的生物医用金属材料包括医用贵金属材料、医用不锈钢、医用钴基合金、医用钛合金、医用镍钛形状记忆合金等，而以医用镁合金为代表的医用可降解金属材料也在积极研究实践中。但目前生物医用金属材料仍存在较多缺陷，需要在未来的进一步研究中加以解决。

2 医用金属材料分类概述

2.1 医用贵金属材料 医用贵金属材料，包括金、银、铂及其合金，是人们最早使用的医用金属材料。早在公元前7世纪，意大利的伊特拉斯坎人便开始用金丝固定牙齿[1]。自15世纪起，医用贵金属材料大规模应用于临床，如颅骨修复、制作假牙等等。医用贵金属材料具有许多优良特点，如延展性好，易于加工制造；性质稳定，耐腐蚀，適应条件苛刻的生物环境；导电性强；毒性低。

基于其特有性能，医用贵金属在许多领域发挥作用。比如，由于其化学性质不活泼，抗腐蚀性极强，能适应口腔中复杂的环境，因此医用贵金属材料长期被用作假牙等材料；因其导电性好，医用贵金属可用于制造心脏起搏器、生物传感器等[1]。同时，医用贵金属在中医的针灸中也有举足轻重的地位。但医用贵金属价格昂贵，且密度大，弹性模量大，一定程度上限制了医用贵金属的普遍应用。

2.2 医用不锈钢 医用不锈钢由铁、碳、镍、铬、钼等元素组成，强度大、抗腐蚀性较好，且价格较低，易于加工成型，在临床医学上广泛应用，如在齿科用于矫正或镶嵌牙齿，在心血管内科领域用作心血管支架，在骨科领域被制作成人工关节和各种骨折固定器械。

医用不锈钢经历了不锈钢18-8、不锈钢316、不锈钢316L等发展阶段[2]，抗腐蚀性能不断加强，但仍存在一定问题。首先，医用不锈钢具有高密度、高强度、高弹性模量等特性，骨组织易出现应力遮挡现象，力学刺激不够导致骨质疏松，增加再次骨折的风险；其次，医用不锈钢不可避免地存在缝隙腐蚀、摩擦腐蚀、疲劳腐蚀等问题，对环境要求较高；再者不锈钢中含有较多的镍，而镍析出可能会引起过敏、生理病变等毒性反应，还会使植入体因松动而失效[2]。近年来，低镍和无镍不锈钢正在研发中，其中中科院金属研究所开发出一种新型的医用高氮无镍奥氏体不锈钢，并获得了国家发明专利，这种不锈钢不仅有效解决了镍元素的毒性问题，还改善了力学性能，有望得到临床应用[3]。除此之外，中科院还通过在医用不锈钢中添加铜元素，研制出多种抗菌不锈钢，并验证了其抗菌效果[4]。这些研发成果将有效降低材料成本和潜在的副作用，使医用不锈钢有更广阔的发展前景。

2.3 医用钴基合金 医用钴基合金目前有Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金两种。前者是铸造而成的合金，一般用于制造人工关节连接件；后者则是锻造而成的合金，主要用于制造关节替换假体连接件的主干[3]。因为其表面存在钝化膜，抗腐蚀性更好，适用范围更广，更适合制造长期植入体，如冠脉支架等。

铸造Co-Cr-Mo合金由于晶粒较大，钝化膜易被点蚀和间隙腐蚀而产生气泡、孔隙等问题；同时医用钴基合金价格较贵，且弹性模量较大，应用受到一定限制。史胜凤等人[5]通过实验研究医用钴基合金的耐腐蚀性能，得出提高铬含量能有效提高医用钴基合金的耐腐蚀性，同时柠檬酸盐溶液会使耐腐蚀性降低。该实验有助于医用钴基合金的发展提高。近年来通过表面改性技术，改善了医用钴基合金的性能。人们也正在研究往钴基合金中加入氮、钨等元素以提高强度[3]，使其在临床应用中发挥更大的作用。

2.4 医用钛合金 经过科学家的研发，医用钛合金目前已经发展到新型β钛合金，生物相容性、耐腐蚀性得到了提升，应用于关节头修复、牙齿修复、颅骨修复等[6]。相比于不锈钢和钴基合金，钛合金具有弹性模量值较小、抗点状腐蚀等优势，有利于新骨形成，在骨科领域应用较广。

但钛合金中含有的铝元素对人体有潜在危害，同时医用钛合金的弹性模量与人骨相比依然较高。美国、日本、中国等国家研究的新型β钛合金不含Al和V元素，弹性模量较低，减少了副作用。李元元等人[7]在研究粉末冶金法合成超细低模医用钛合金时发现Fe的含量对钛合金的力学性能影响较大，其合成的其中一种医用钛合金弹性模量低，耐磨性比目前广泛使用的钛合金强，在骨科固定修复领域有很大的应用潜力。

2.5 医用镍钛形状记忆合金 医用镍钛形状记忆合金具有在人体体温时恢复原有形状的性质，且弹性模量小、耐腐蚀、机械性能好，便于操作，对人体副作用小，有很大的发展前景。

基于其特殊性质，医用镍钛形状记忆合金应用于许多领域。在骨科可治疗多种骨折、制造高强度人工关节，能产生持续应力，减少应力屏蔽的发生；在人体内管道支架上，医用镍钛形状记忆合金广泛应用于胸外科、心血管外科的治疗，临床效果较好；医用镍钛形状记忆合金还应用于齿科中的种植牙、正畸丝等 [8]。可以预见，镍钛形状记忆合金将继续作为未来生物医用金属材料的研究热点。

2.6 医用可降解金属 医用可降解金属的代表是医用镁合金，被称为第三代生物医用金属材料。镁的标准电极电势低，化学性质非常活泼，在体内发生电化学腐蚀速度快，材料植入后，随着组织的修复，可逐渐降解，最终被人体吸收，免除二次手术的痛苦。同时，镁合金弹性模量小，不易出现应力遮挡现象，有利于骨组织的恢复。

但医用镁合金降解速率过快，易产生大量气泡使植入失败。因此控制医用镁合金材料在人体内的降解速率成为其进入临床医学领域的关键。为使得降解速率与人体骨组织恢复速率一致，人们往镁中掺入Ca、Zn、Sr、稀土元素等等[9]，并运用表面改性技术提高了生物相容性。龚才华[10]进行医用镁合金的有机涂层表面改性的研究，得出成膜速度过快和过慢都不利于涂层的致密度，进而影响使用效果，因此控制表面改性剂的浓度十分重要。该研究成果为提高表面改性的效果提供了思路。医用镁合金距离真正广泛临床应用仍有一定距离，但它将成为未来生物医用金属材料的重要发展方向。

3 结论及展望

生物医用金属材料具有其他生物医用材料所不具备的高强度特性，在骨科、齿科、心血管外科等领域发挥作用。但医用贵金属、医用不锈钢、医用钴基合金、医用钛合金等不可降解医用金属材料普遍存在以下问题：（1）弹性模量值较高，易出现应力遮挡现象，增加再次骨折的风险；（2）腐蚀性和毒性问题；（3）需二次手术取出，增加患者的痛苦和经济负担。而对于医用镁合金等可降解材料则面临降解速率和人体受损组织恢复速度不匹配的问题，作为支架易造成血管再狭窄。

针对以上问题，未来生物医用金属材料应朝着降低弹性模量、保证强度、材料可降解、降解速率可精确调控、改善生物相容性等方向发展，并能根据不同需要制作不同性质材料，实现不同的生物功能，为医学领域做出更大的贡献，为人类更好地服务。

参考文献

[1] 李关芳. 医用贵金属材料的研究与发展[J]. 贵金属， 2004， 25（3）：54-61.

[2] 刘兰云. 生物医用金属材料的研究进展[J]. 浙江工贸职业技术学院学报，2008，8（1）：47-50.

[3] 张永涛， 刘汉源， 王昌，等. 生物医用金属材料的研究应用现状及发展趋势[J]. 热加工工艺， 2017（4）：21-26.

[4] 杨柯， 任玲， 任伊宾. 医用不锈钢研究新进展[J]. 中國医疗器械信息， 2012， 18（7）：14-17.

[5] 史胜凤， 林军， 周炳，等. 医用钴基合金的组织结构及耐腐蚀性能[J]. 稀有金属材料与工程， 2007， 36（1）：37-41.

[6] 王运锋， 何蕾， 郭薇. 医用钛合金的研究及应用现状[J]. 钛工业进展， 2015（1）：1-6.

[7] 李元元， 邹黎明， 杨超. 粉末冶金法合成高强低模超细晶医用钛合金[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2012， 40（10）：43-50.

[8] 李艳艳. 镍钛形状记忆合金及其在小动物临床上的应用前景[J]. 中国兽医杂志， 2016， 52（9）：63-65.

[9] 郑玉峰， 吴远浩. 处在变革中的医用金属材料[J]. 金属学报， 2017， 53（3）：257-297.

[10] 龚才华. 表面有机改性镁基生物材料的制备及生物相容性研究[D]. 重庆大学， 2016.