生物金屬材料(biomedical metal material):植入人體(或動(dòng)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(jiǎn)史
人類(lèi)利用生物材料由來(lái)已久,早在公元前5000年,中國(guó)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(kāi)始略具雛形。近百年來(lái),植入人體材料的開(kāi)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(jiàn)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(zhǎng)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(shí)材料很脆。
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(duì)生物相容性的理解,已不僅僅是要求材料植入后不會(huì)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(jià)格便宜。
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(shí)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(guó)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(lèi)材料的化學(xué)成分國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)列于表2。 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(jiàn)表2)。它的耐蝕性和強(qiáng)度不如鉆鉻鉬合金,但價(jià)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(jiàn)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(diǎn)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(jiàn)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(huì)造成人體組織變異。這類(lèi)材料經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(shí)還具有高的強(qiáng)度和疲勞性能。其抗拉強(qiáng)度大于980MPa,伸長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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。
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