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文檔簡介

1、帶大家認(rèn)識一下醫(yī)用金屬材料!金屬醫(yī)用材料是人類最早利用的醫(yī)用材料之一,其應(yīng)用 可以追溯到公元前 400300 年,腓尼基人將金屬絲用于修復(fù) 牙缺失。隨后,經(jīng)歷了漫長歲月的發(fā)展,直至19 世紀(jì)后期,人類成功利用貴金屬銀對患者的膝蓋骨進(jìn)行縫合 ( 1880 年) 人類利用鍍鎳鋼螺釘進(jìn)行骨折治療( 1896 年)后,才開始了 對金屬醫(yī)用材料的系統(tǒng)研究。 20 世紀(jì) 30 年代,隨著鈷鉻合 金、不銹鋼和鈦及合金的相繼開發(fā)成功并在齒科和骨科中得 到廣泛的應(yīng)用,逐步奠定了金屬醫(yī)用材料在生物醫(yī)用材料中 的重要地位。 70 年代, Ni-Ti 形狀記憶合金在臨床醫(yī)學(xué)中的 成功應(yīng)用以及金屬表面生物醫(yī)用涂層材料的

2、發(fā)展,使生物醫(yī) 用金屬材料得到了極大的發(fā)展。醫(yī)用金屬材料也被稱為外科 植入金屬材料,主要用于診斷、治療,以及替換人體中的組 織或增進(jìn)其功能。近 20 年來,雖然金屬醫(yī)用材料相對于高 分子材料、復(fù)合材料以及雜化和衍生材料等生物醫(yī)用材料的 發(fā)展緩慢,但其具有高的強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng) 度、優(yōu)異的加工性能等許多其它幾類醫(yī)用材料不可替代的優(yōu) 良性能,是臨床應(yīng)用中最廣泛的承力植入材料。尤其隨著金 屬 3D 打印技術(shù)的發(fā)展, 金屬醫(yī)用材料得到了更廣泛的應(yīng)用, 最重要的應(yīng)用有:骨折內(nèi)固定板、螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種 植體等。常用金屬醫(yī)用材料 臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金、鈦合金、 形狀記

3、憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。不銹鋼醫(yī)用不銹鋼 ( Stainless Steel as Biomedical Material )為鐵基耐 蝕合金, 是最早開發(fā)的生物醫(yī)用合金之一, 其特點是易加工、 價格低廉,耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工提高,避免疲 勞斷裂。不銹鋼按顯微組織可分為:奧氏體不銹鋼、鐵素體 不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼等,被用以制作 醫(yī)療器械:刀、剪、止血鉗、針頭,同時被用以制作人工關(guān) 節(jié)、 骨折內(nèi)固定器、 牙齒矯形、 人工心臟瓣膜等器件。 其中, 醫(yī)用應(yīng)用最多的是奧氏體超低碳不銹鋼 316L 和 317L。 1987 年,316L和317L兩種合金已于納入

4、國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5832和ISO7153 中。 1 990 年,我國制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12417,并于 1991 年開始實施。醫(yī)用不銹鋼鉗 醫(yī)用不銹鋼的生物相容性及相關(guān)問題,主要涉及到不銹鋼植 入人體后由于腐蝕或磨損造成金屬離子溶出所引起的組織 反應(yīng)等。大量的臨床資料顯示,醫(yī)用不銹鋼的腐蝕造成其長 期植入的穩(wěn)定性差,加之其密度和彈性模量與人體硬組織相 距較大,導(dǎo)致力學(xué)相容性差。由于腐蝕會造成金屬離子或其 它化合物進(jìn)人周圍的組織或整個機(jī)體,因而可在機(jī)體內(nèi)引起 某些不良組織學(xué)反應(yīng),如出現(xiàn)水腫、感染、組織壞死等,從 而導(dǎo)致疼痛和過敏反應(yīng)等。特別是不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā) 的嚴(yán)重病變 (通常用的

5、奧氏體醫(yī)用不銹鋼均含有 10%左右的 鎳)。近些年低鎳和無鎳的醫(yī)用不銹鋼正逐漸得到發(fā)展和應(yīng) 用。鈷合金醫(yī)用鈷合金( Co-based Alloy as Biomedical Material )也是醫(yī) 療中常用的金屬醫(yī)用材料,相對不銹鋼而言,醫(yī)用鈷合金更 適合于制造體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件,其耐腐蝕性比 不銹鋼高 40 倍。最早開發(fā)的醫(yī)用鈷合金為鈷鉻鉬 ( Co-Cr-Mo ) 合金,其結(jié)構(gòu)為奧氏體。 70 年代又開發(fā)出具有良好疲勞性能 的鍛造鈷鎳鉻鋁鎢鐵 (Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe) 合金和具有多相組 織的 MP35N 鈷鎳鉻鋁合金。鈷合金主要被用以制作人工髖 關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)

6、扣釘、接骨板、骨釘和骨針。目前,應(yīng) 用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金,該合金已被納人 ISO5582/4 標(biāo) 準(zhǔn)。 1990 年,我國將其列入國標(biāo) GB12417。 醫(yī)用鈷合金骨 科植入物 鈷合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài),很少見腐蝕現(xiàn)象,與不銹 鋼相比,其鈍化膜更穩(wěn)定,耐蝕性更好。從耐磨性看,它也 是所有醫(yī)用金屬材料中最好的,一般認(rèn)為植入人體后沒有明 顯的組織學(xué)反應(yīng)。但是由于鈷合金價格較貴,并且鈷合金制 作的人工髖關(guān)節(jié)由于金屬磨損腐蝕造成 Co、Ni 等離子溶出, 在體內(nèi)的松動率較高,析出的 Co 、Ni 元素又存在著嚴(yán)重致 敏性等生物學(xué)問題,在體內(nèi)容易引起細(xì)胞和組織壞死,從而 導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松

7、動、 下沉,應(yīng)用受到一定的限制。 近年來,通過表面改性技術(shù)來改善鈷合金的表面特性,有效 提高了其臨床效果。鈦合金 醫(yī)用鈦合金( Ti-based- Alloy as Biomedical Material )是目前 已知的生物親和性最好的金屬之一,上世紀(jì) 40 年代以來, 鈦和鈦合金逐漸在臨床醫(yī)學(xué)中獲得應(yīng)用。 1951 年,人類開始 用純鈦制作接骨板和骨螺釘。 20 世紀(jì) 70 年代中期,鈦及鈦 合金開始獲得廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,成為最有發(fā)展前景的醫(yī)用材 料之一。目前,鈦和鈦合金主要應(yīng)用于整形外科,尤其是四 肢骨和顱骨整復(fù),被用以制作各種骨折內(nèi)固定器械、人工關(guān) 節(jié)、頭蓋骨和硬膜、人工心臟瓣膜、齒、牙

8、床、托環(huán)和牙冠。 其中,醫(yī)用應(yīng)用最多的鈦合金是 TC4( Ti-6A1-4V ),該合金 在室溫下具有a十B兩相混合組織,通過固溶處理和時效處 理,可使其強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著提高。醫(yī)用鈦合金頭蓋骨 鈦及鈦合金的密度在 cm3 左右, 幾乎僅為不銹鋼和鈷合金的 一半,密度接近人體硬組織,且其生物相容性、耐腐蝕性和 抗疲勞性能都優(yōu)于不銹鋼和鈷合金,是目前最佳的金屬醫(yī)用 材料。鈦及鈦合金與人體的親和性,源于植入后其表面致密 的氧化鈦( TiO2 )鈍化膜具有誘導(dǎo)體液中鈣、磷離子沉積生 成磷灰石的能力,表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力,尤其適合于骨內(nèi)埋植。 鈦及鈦合金缺點是硬度較低, 耐磨性差。 若磨損

9、發(fā)生,首先導(dǎo)致氧化膜破壞,隨后磨損的顆粒腐蝕產(chǎn) 物進(jìn)人體組織,尤其是 Ti-6A1-4V 合金中含有毒性的釩( V ) 可導(dǎo)致植入物的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能,可 對鈦及鈦合金制品表面進(jìn)行高溫離子氨化或離子注入技術(shù) 處理,強(qiáng)化其表面耐磨性。近年來,開發(fā)出的一些新型鈦合 金(主要是B型合金),都注重減少了對人體有一定危害的 元素,例如 V 和 Al, 有效地改善了鈦合金的生物相容性。 形狀記憶合金 醫(yī)用形狀記憶合金( Shape Memory Alloy as Biomedical Material)的研究始于20世紀(jì)70年代,并很快得到了廣泛應(yīng) 用。臨床上應(yīng)用最廣泛的形狀記憶合金主要

10、有鎳鈦形狀記憶 合金。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金的形狀記憶恢復(fù)溫度為362C,符合人體溫度在臨床上表現(xiàn)出與鈦合金相當(dāng)?shù)纳锵?容性。但由于鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素,如果表面 處理不當(dāng),則其中的鎳離子可能向周圍組織擴(kuò)散滲透,引起 細(xì)胞和組織壞死。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口 腔科,鎳鈦記憶合金應(yīng)用最好的例子是自膨脹支架,特別是 心血管支架。醫(yī)用形狀記憶合金心血管支架 貴金屬和純金屬鉭、鈮、鋯 醫(yī)用貴金屬是指用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑及其合金的 總稱。貴金屬的生物相容性較好,抗氧化、抗腐蝕性強(qiáng),具 備獨(dú)特的物理與化學(xué)穩(wěn)定性,優(yōu)異的加工特性,對人體組織 無毒副作用。被用作整牙修復(fù)、顱骨修復(fù)

11、、植入電極電子裝 置、神經(jīng)修復(fù)裝置、耳渦神經(jīng)刺激裝置、橫隔膜神經(jīng)刺激裝 置、視覺神經(jīng)裝置和心臟起搏器電極等。醫(yī)用貴金屬牙修復(fù)鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性,鉭的氧化物基本 上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng),鉭可與其它金屬結(jié)合使用而 不破壞其表面的氧化膜。在臨床上,鉭也表現(xiàn)出良好的生物 相容性。鉭、鈮、鋯與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性 能,在生物醫(yī)學(xué)上也得到一定應(yīng)用,被用作接骨板、種植牙 根、義齒、心血管支架及人工心臟等。但總的來說,醫(yī)用貴 金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價格較貴, 廣泛應(yīng)用受到限制C 金屬醫(yī)用材料的主要問題金屬醫(yī)用材料經(jīng)臨床應(yīng)用,主要問題還是生物相容性,源于 金屬腐蝕和磨損。因

12、為金屬材料中均含有較多的合金化元 素,由于腐蝕、磨損將導(dǎo)致金屬離子溶出,進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞及 組織液的一些生物反應(yīng), 如組織反應(yīng)、血液反應(yīng)和全身反應(yīng), 表現(xiàn)為水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現(xiàn)象。鉻、鎳等離子 對人體都有致敏反應(yīng)。鋼中的鉻元素當(dāng)呈現(xiàn)六價態(tài)時,對人 體也有較大的毒性和過敏傾向。鎳離子除了對人體有很大毒 性和過敏反應(yīng)外,可能誘導(dǎo)有機(jī)體突變,甚至發(fā)生癌變???學(xué)上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題” ,直到最近幾十年 才受到各國重視,對日用和醫(yī)用金屬材料中的鎳含量限制越 來越嚴(yán)格。因此,在發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料時必須嚴(yán)格控制 其中的金屬元素,最好是少用或不用對人體產(chǎn)生毒性和過敏 性較大的合金化元素。金屬醫(yī)用材料未來的發(fā)展方向1、醫(yī)師及病人都希望采用最好的金屬醫(yī)用材料,長期使用 的安全性及可靠性是對醫(yī)用金屬材料的基本要求。因此,未 來金屬醫(yī)用材料的開發(fā)仍以不斷提高使用的安全性、可靠性 及生物相容性為主。2、建立有關(guān)金屬元素對人體毒性方面系統(tǒng)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫, 利用大數(shù)據(jù)研究分析金屬元素在人體內(nèi)外毒性的相關(guān)性,以 及植入金屬材料和人體的分子水平研究等。用分子生物學(xué)技 術(shù)從分子水平上研究金屬元素對人體組織的影響,這樣才能 進(jìn)一步了解金屬醫(yī)用材料對人體的影響。3、未來金屬醫(yī)用材料的種類有待進(jìn)一步擴(kuò)展,使用成本有 待進(jìn)一步降低。雖然在過去的幾

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