生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料又(yòu)稱醫(yī)用(yòng)金屬材料或外科(kē)用(yòng)金屬材料，當生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料廣泛被用(yòng)于植入材料時，長(cháng)期的實用(yòng)性與安(ān)全性便成為(wèi)了對醫(yī)用(yòng)金屬材料的第一要求。生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料在臨床上已經取得了廣泛的應用(yòng)，同時也具(jù)備重要的深入研究價值。文(wén)章綜述了生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料的最新(xīn)研究進展，詳細介紹了钛基、钴基、鎂基、锆基、鋅基、鋁合金以及不鏽鋼、鎢、貴金屬等生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料的研究與應用(yòng)進展，展望了未來研究的發展方向及臨床的應用(yòng)前景。文(wén)章指出雖然生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料在過去的幾十年中(zhōng)已得到較快的發展，但在臨床上廣泛使用(yòng)的仍然是有(yǒu)限的幾種，因此加大新(xīn)型醫(yī)用(yòng)金屬材料的研究并推動其發展顯得尤為(wèi)必要。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料又(yòu)稱醫(yī)用(yòng)金屬材料或外科(kē)用(yòng)金屬材料，是在生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料中(zhōng)使用(yòng)的合金或金屬，屬于一類惰性材料，具(jù)有(yǒu)較高的抗疲勞性能(néng)和機械強度，在臨床中(zhōng)作(zuò)為(wèi)承力植入材料而得到廣泛應用(yòng)。在臨床已經使用(yòng)的醫(yī)用(yòng)金屬材料主要有(yǒu)钴基合金、钛基合金、不鏽鋼、形狀記憶合金、貴金屬、純金屬铌、锆、钛、钽等[1]。不鏽鋼、钴基合金和钛基合金具(jù)有(yǒu)強度高、韌性好以及穩定性高的特點，是臨床常用(yòng)的3類醫(yī)用(yòng)金屬材料。随着制備工(gōng)藝和技(jì )術的進步，新(xīn)型生物(wù)金屬材料也在不斷湧現，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量钛合金等。

性能(néng)要求

生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料一般用(yòng)于外科(kē)輔助器材、人工(gōng)器官、硬組織、軟組織等各個方面，應用(yòng)極為(wèi)廣泛。但是，無論是普通材料植入還是生物(wù)金屬材料植入都會給患者帶來巨大的影響，因而生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料應用(yòng)中(zhōng)的主要問題是由于生理(lǐ)環境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可(kě)能(néng)導緻毒副作(zuò)用(yòng)，後者常常導緻植入的失敗。因此，生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料除了要求具(jù)有(yǒu)良好的力學(xué)性能(néng)及相關的物(wù)理(lǐ)性質(zhì)外，優良的抗生理(lǐ)腐蝕性和生物(wù)相容性也是其必須具(jù)備的條件。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料的性能(néng)要求：(1)機械性能(néng)。生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料一般應具(jù)有(yǒu)足夠的強度和韌性，适當的彈性和硬度，良好的抗疲勞、抗蠕變性能(néng)以及必需的耐磨性和自潤滑性。(2)抗腐蝕性能(néng)。生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料發生的腐蝕主要有(yǒu)：植入材料表面暴露在人體(tǐ)生理(lǐ)環境下發生電(diàn)解作(zuò)用(yòng)，屬于一般性均勻腐蝕；植入材料混入雜質(zhì)而引發的點腐蝕；各種成分(fēn)以及物(wù)理(lǐ)化學(xué)性質(zhì)不同引發的晶間腐蝕；電(diàn)離能(néng)不同的材料混合使用(yòng)引發的電(diàn)偶腐蝕；植入體(tǐ)和人體(tǐ)組織的間隙之間發生的磨損腐蝕；有(yǒu)載荷時，植入材料在某個部位發生應力集中(zhōng)而引起的應力腐蝕；長(cháng)時間的反複加載引發植入材料損傷斷裂的疲勞腐蝕，等等。(3)生物(wù)相容性。生物(wù)相容性是指人體(tǐ)組織與植入材料相互包容和相互适應的程度，也就是說植入材料是否會對人體(tǐ)組織造成破壞、毒害和其他(tā)有(yǒu)害的作(zuò)用(yòng)。生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料必須具(jù)備優異的生物(wù)相容性，具(jù)體(tǐ)體(tǐ)現在：對人體(tǐ)無毒、無刺激、無緻癌、無突變等作(zuò)用(yòng)；人體(tǐ)無排異反應；與周圍的骨骼及其他(tā)組織能(néng)夠牢固結合，最好能(néng)夠形成化學(xué)鍵合以及具(jù)有(yǒu)生物(wù)活性；無溶血、凝血反應，即具(jù)有(yǒu)抗血栓性。生物(wù)相容性是衡量生物(wù)材料優劣的重要指标[2]。

研究現狀

生物(wù)醫(yī)用(yòng)钛合金材料

生物(wù)醫(yī)用(yòng)钛合金材料是用(yòng)于生物(wù)醫(yī)學(xué)工(gōng)程的一類功能(néng)結構材料，常用(yòng)于外科(kē)植入物(wù)和矯形器械産(chǎn)品的生産(chǎn)和制造。钛合金醫(yī)療器械産(chǎn)品如人工(gōng)關節、牙種植體(tǐ)和血管支架等用(yòng)于臨床診斷、治療、修複、替換人體(tǐ)組織或器官，或增進人體(tǐ)組織或器官功能(néng)，其作(zuò)用(yòng)是藥物(wù)不能(néng)替代的。醫(yī)用(yòng)钛合金材料研究涉及材料、物(wù)理(lǐ)、化學(xué)、生物(wù)、醫(yī)學(xué)、電(diàn)子顯微及生化分(fēn)析等多(duō)個學(xué)科(kē)，研究方向包括：醫(yī)用(yòng)金屬材料的合金設計與評價體(tǐ)系、材料的加工(gōng)-組織-性能(néng)關系與人體(tǐ)軟、硬組織的相容性匹配、材料的表面改性(生物(wù)相容性、生物(wù)功能(néng)性、生物(wù)活性、耐磨性和耐蝕性等)及材料基體(tǐ)與表面(界面)的相互作(zuò)用(yòng)規律等。純钛具(jù)有(yǒu)無毒、質(zhì)輕、強度高、生物(wù)相容性好等優點。20世紀50年代美國(guó)和英國(guó)開始把純钛用(yòng)于生物(wù)體(tǐ)。20世紀60年代後，钛合金開始作(zuò)為(wèi)人體(tǐ)植入材料而廣泛應用(yòng)于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到随後的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發展起來的新(xīn)型β钛合金，如表1所示，钛合金在人體(tǐ)植入材料方面的研究獲得了較快的發展。钛的密度與人骨近似，質(zhì)輕。純钛生物(wù)相容性好，強度為(wèi)390~490 MPa。實驗證明，钛相比于钴基合金和不鏽鋼的抗疲勞性和耐蝕性能(néng)更優越，钛的表面活性好，組織反應輕微，容易與氧發生反應建立緻密氧化膜，钛的氧化層比較穩定。因此，钛與钛合金具(jù)備生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料的條件，是一種較為(wèi)理(lǐ)想的、适于植入體(tǐ)的、具(jù)有(yǒu)發展前途的植入材料。臨床上廣泛采用(yòng)钛與钛合金制造人工(gōng)關節部件、接骨闆和螺釘等，還用(yòng)于制成人造椎體(tǐ)(脊柱矯正器)、人工(gōng)心髒(心髒瓣膜)、人工(gōng)種植牙、心髒起搏器外殼等[3]。

鎳钛形狀記憶合金是一種在一定溫度下經過處理(lǐ)能(néng)夠塑性變形為(wèi)另一種形狀，而在一定條件下又(yòu)能(néng)自動恢複成原有(yǒu)形狀的形狀記憶合金。鎳钛形狀記憶合金的疲勞極限較高，耐腐蝕性良好，其具(jù)有(yǒu)的獨特的形狀記憶恢複溫度與人體(tǐ)溫度相适宜，具(jù)有(yǒu)良好的生物(wù)相容性，因此在醫(yī)學(xué)領域得到廣泛應用(yòng)。近年來，鎳钛形狀記憶合金開始應用(yòng)于心血管治療領域，鎳钛形狀記憶合金支架可(kě)應用(yòng)于冠心病的治療，具(jù)有(yǒu)較大發展前景。钛合金在生物(wù)醫(yī)用(yòng)領域的應用(yòng)呈快速發展的趨勢，結合國(guó)内外的研究現狀，其未來的發展方向為(wèi)：(1)單晶生物(wù)醫(yī)用(yòng)钛合金，沿某一方向生長(cháng)獲得的單晶材料可(kě)獲得接近人體(tǐ)骨骼的彈性模量，制作(zuò)的植入體(tǐ)也會具(jù)有(yǒu)更好的彈性模量匹配；

(2)超細晶低彈性模量、高強度钛合金的生物(wù)相容性及産(chǎn)業化；

(3)超彈性和形狀記憶功能(néng)醫(yī)用(yòng)低彈性模量钛合金的組織性能(néng)調控；

(4)調節孔隙率的大小(xiǎo)來降低生物(wù)醫(yī)用(yòng)多(duō)孔钛合金材料彈性模量的同時提升其力學(xué)性能(néng)[5]。

钴基合金醫(yī)用(yòng)金屬材料

钴基合金通常指Co-Cr合金，有(yǒu)2種基本牌号：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微觀組織為(wèi)钴基奧氏體(tǐ)結構，能(néng)夠鍛造或鑄造，但制作(zuò)加工(gōng)非常困難，其機械性能(néng)和耐蝕性優于不鏽鋼，是現階段比較優良的生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料。鍛造钴基合金是一種新(xīn)型材料，用(yòng)于制造關節替換假體(tǐ)連接件的主幹，如膝關節和髋關節替換假體(tǐ)等。美國(guó)材料實驗協會推薦了4種可(kě)在外科(kē)植入中(zhōng)使用(yòng)的钴基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金(F76)、鍛造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)，其中(zhōng)F76和F562已廣泛用(yòng)于植入體(tǐ)制造[6]。

不鏽鋼醫(yī)用(yòng)金屬材料

醫(yī)用(yòng)不鏽鋼具(jù)有(yǒu)低成本和良好的加工(gōng)性能(néng)、力學(xué)性能(néng)等，目前在口腔醫(yī)學(xué)和骨折内固定器械、人工(gōng)關節等領域應用(yòng)廣泛。302不鏽鋼是最早使用(yòng)的醫(yī)用(yòng)金屬材料，抗腐蝕性能(néng)較好，強度較高。有(yǒu)研究人員将钼元素加入不鏽鋼中(zhōng)制作(zuò)316不鏽鋼，有(yǒu)效地改善了醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的抗腐蝕性。20世紀50年代，研究人員研制出新(xīn)的316L不鏽鋼，将不鏽鋼中(zhōng)的最高碳含量降至0.03%，使得材料的抗腐蝕性能(néng)得到進一步提高。從此，醫(yī)用(yòng)不鏽鋼便成為(wèi)國(guó)際上公(gōng)認的外科(kē)植入體(tǐ)的首選材料。

雖然钴基合金的抗蝕性強于不鏽鋼，但是醫(yī)用(yòng)不鏽鋼具(jù)有(yǒu)價格低廉、易加工(gōng)的優勢，可(kě)制成各種人工(gōng)假體(tǐ)及多(duō)種形體(tǐ)，如齒冠、三棱釘、螺釘、髓内針、闆、釘等器件，另外制作(zuò)手術器械和醫(yī)療儀器時也廣泛應用(yòng)，現階段醫(yī)用(yòng)不鏽鋼依然是應用(yòng)最為(wèi)廣泛的醫(yī)用(yòng)金屬材料。目前常用(yòng)的醫(yī)用(yòng)不鏽鋼為(wèi)316L、317L，不鏽鋼中(zhōng)的C質(zhì)量分(fēn)數≤0.03%可(kě)以避免其在生物(wù)體(tǐ)内被腐蝕，主要成分(fēn)為(wèi)Fe60%~65%，添加重要合金Cr17%~20%和Ni12%~14%，還有(yǒu)其他(tā)少量元素成分(fēn)，如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S。

為(wèi)了避免鎳的毒性作(zuò)用(yòng)，研究人員研制出了高氮無鎳不鏽鋼[7]。近些年來，低鎳和無鎳的醫(yī)用(yòng)不鏽鋼逐漸得到發展和應用(yòng)。日本的物(wù)質(zhì)材料研究所(築波市)開發了一種不含鎳的硬質(zhì)不鏽鋼的簡易生産(chǎn)方法，解決了無鎳不鏽鋼難以加工(gōng)而制造成本太高的問題，生産(chǎn)成本低廉，有(yǒu)望廣泛用(yòng)于醫(yī)療領域。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)鋁合金材料

鋁及其合金材料具(jù)有(yǒu)良好的性能(néng)，可(kě)塑性和生物(wù)相容好，作(zuò)為(wèi)植入材料早在20世紀40年代就已廣為(wèi)使用(yòng)，目前可(kě)承受高負荷的部件也多(duō)用(yòng)鋁及其合金制成。鋁具(jù)有(yǒu)較高的耐蝕性，除在氫氟酸、苛性堿、熱的濃硫酸、鹽酸和硝酸的混合液溶解外，其他(tā)試劑對鋁都發揮不了腐蝕作(zuò)用(yòng)，體(tǐ)液不影響鋁的交變疲勞強度，良好的生物(wù)相容性使得鋁植入材料不刺激人體(tǐ)。另外，相比于不鏽鋼，鋁的抗缺口裂紋擴展能(néng)力很(hěn)高。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)可(kě)降解鎂合金材料

多(duō)孔鎂合金材料作(zuò)為(wèi)一種可(kě)降解的生物(wù)材料可(kě)為(wèi)細胞提供三維生長(cháng)的空間，有(yǒu)利于養料和代謝(xiè)物(wù)的交換運輸。鎂本身具(jù)有(yǒu)生物(wù)活性，可(kě)誘導細胞分(fēn)化生長(cháng)和血管長(cháng)入。在材料降解吸收的過程中(zhōng)，種植的細胞會繼續增殖生長(cháng)，有(yǒu)望形成新(xīn)的具(jù)有(yǒu)原來特定功能(néng)和形态的相應組織和器官，以達到修複創傷和重建功能(néng)的目的。生物(wù)醫(yī)用(yòng)可(kě)降解鎂合金材料的完全可(kě)降解性和傑出的生物(wù)相容性使其有(yǒu)望廣泛應用(yòng)于臨床硬組織修複或替代。可(kě)降解鎂合金血管支架是鎂合金作(zuò)為(wèi)可(kě)降解生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料研究領域最大的研究進展。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)鎂合金具(jù)有(yǒu)良好的生物(wù)相容性、力學(xué)相容性和可(kě)降解性而受到了廣泛關注，但是腐蝕速率過快又(yòu)限制了其實際應用(yòng)。針對這個問題，研究者提出了鎂合金的合金化、表面處理(lǐ)、非晶化和複合材料等4類解決方案，實驗表明雖然抗腐蝕性能(néng)得到了明顯改善但是4類方案仍然沒有(yǒu)完全解決鎂合金在實用(yòng)化道路上的所有(yǒu)問題，因此需要更好的實驗設計和方案來解決這些問題：(1)選擇對生物(wù)體(tǐ)無毒無害的恰當的合金元素摻入鎂合金體(tǐ)系，使其綜合性能(néng)得到提高；(2)結合上述兩種甚至多(duō)種策略同時對鎂合金進行處理(lǐ)，從而同時優化其各項性能(néng)指标；(3)進一步完善和規範生物(wù)醫(yī)用(yòng)鎂合金材料的體(tǐ)外和體(tǐ)内測試标準，加速其大規模實用(yòng)化的應用(yòng)研究[8]。鎂合金的安(ān)全性和降解速率是其能(néng)否成為(wèi)标準商(shāng)用(yòng)的可(kě)降解生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料主要影響因素。可(kě)降解鎂合金在生理(lǐ)環境下的腐蝕降解過程和機制、過程控制方法、生物(wù)相容性等問題還亟待進一步研究闡明。可(kě)降解鎂合金材料的未來研究方向：(1)通過合金化、冷加工(gōng)、熱處理(lǐ)和表面處理(lǐ)等方法改善鎂合金的耐腐蝕性能(néng)；(2)添加合金元素對于材料生物(wù)相容性的影響；(3)對腐蝕過程中(zhōng)材料力學(xué)性能(néng)變化的分(fēn)析；(4)可(kě)降解鎂合金材料腐蝕産(chǎn)物(wù)的成分(fēn)分(fēn)析以及生物(wù)安(ān)全性評價。相信在不久的将來，鎂合金必定會在醫(yī)用(yòng)金屬植入材料領域得到廣泛的應用(yòng)[9]。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)锆基合金材料

锆基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料因其強度高、韌性好、抗腐蝕性好且具(jù)有(yǒu)良好的生物(wù)相容性等優點而被廣泛應用(yòng)于醫(yī)療領域。

Zr是一種擁有(yǒu)優良耐腐蝕性能(néng)、組織相容性好、無毒性的金屬，常被用(yòng)作(zuò)合金化元素添加進Ti合金中(zhōng)，以提高Ti合金的機械性能(néng)。從Zr-Ti二元相圖可(kě)以看出，Zr和Ti能(néng)相互溶解，說明它們具(jù)有(yǒu)相似的物(wù)理(lǐ)和化學(xué)性質(zhì)。近年來，通過添加無毒副作(zuò)用(yòng)的合金元素對Zr合金進行強化及性能(néng)優化開發出了新(xīn)型生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料。Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料因其彈性模量低、強度高、在生理(lǐ)環境中(zhōng)耐腐蝕性能(néng)好、生物(wù)相容性好等優點逐漸引起人們的關注，被用(yòng)作(zuò)人體(tǐ)硬組織替代材料。

從近些年Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料的體(tǐ)系開發及相關性能(néng)研究來看：一方面，研究逐漸從單一的關注材料機械性能(néng)轉到關注材料的機械性能(néng)和生物(wù)相容性能(néng)和諧發展，未來Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料的研究将以不斷提高其使用(yòng)安(ān)全性為(wèi)主；另一方面，科(kē)研工(gōng)作(zuò)者也應緻力于建立Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料體(tǐ)系的基礎數據庫，比如體(tǐ)系的相圖、熱力學(xué)數據、對人體(tǐ)毒性的系統化研究、人體(tǐ)環境中(zhōng)的腐蝕機理(lǐ)等。随着現代科(kē)學(xué)技(jì )術的發展，從分(fēn)子水平上展開Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料的研究，深入了解其對人體(tǐ)的影響，使基礎數據庫日益完善。

此外，為(wèi)推動Zr基合金在生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料領域的應用(yòng)，還應從材料設計與制備方面加強研究，例如，從第一原理(lǐ)出發進行Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料新(xīn)體(tǐ)系的設計，為(wèi)新(xīn)型合金的開發提供指導；從有(yǒu)限元分(fēn)析的角度出發設計Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金材料的加工(gōng)工(gōng)藝，對複雜的挑戰性需求形狀進行混合加工(gōng)；采用(yòng)3D打印技(jì )術完成Zr基生物(wù)醫(yī)用(yòng)合金植入體(tǐ)的定制化打印，以滿足不同患者的需求。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)可(kě)降解鋅基合金材料

大量研究表明，Zn作(zuò)為(wèi)新(xīn)一代可(kě)降解金屬具(jù)有(yǒu)廣闊的應用(yòng)前景。合金化可(kě)以克服純鋅力學(xué)性能(néng)差的缺陷，另外合金化元素的加入在有(yǒu)效改善鋅基合金力學(xué)性能(néng)的同時也能(néng)夠給合金帶來一定的生物(wù)性能(néng)改變：Mg的添加提高了Zn的細胞相容性，Cu和Ag能(néng)夠增強合金抗菌性能(néng)，Cu2+還能(néng)對血管内皮化産(chǎn)生積極作(zuò)用(yòng)。目前對鋅及其合金的研究多(duō)集中(zhōng)在體(tǐ)外實驗和小(xiǎo)動物(wù)研究，而對于植入材料研究而言，接近于人體(tǐ)應用(yòng)環境的大動物(wù)實驗(原位)研究是必需的，并且在以後的研究中(zhōng)也應着重提高Zn基合金的生物(wù)相容性。馮相蓺等綜述了鋅鎂合金、鋅銅合金、鋅銀合金、鋅锂合金等鋅基合金的主要研究進展[10]。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料——鎢

鎢是除了碳之外熔點最高的元素，由于其較好的輻射不透過性和緻血栓性，純鎢機械可(kě)脫性微彈簧圈被用(yòng)于介入手術治療腦動脈瘤，并表現出良好的生物(wù)相容性，但是鎢的可(kě)降解性往往導緻被堵塞的血管再通以及血清中(zhōng)鎢離子濃度增大。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)貴金屬材料

用(yòng)作(zuò)生物(wù)醫(yī)用(yòng)材料的金、銀、鉑及其合金總稱為(wèi)醫(yī)用(yòng)貴金屬。貴金屬的價格比較昂貴，但具(jù)有(yǒu)較好的生物(wù)相容性，因此，類貴金屬得以發展，例如仿金材料等。

醫(yī)用(yòng)貴金屬(金、銀、鉑等)具(jù)有(yǒu)獨特的生物(wù)相容性，良好的延展性，且對人體(tǐ)無毒，是人類最早應用(yòng)的醫(yī)用(yòng)金屬材料之一。其中(zhōng)，鉑族金屬是醫(yī)學(xué)上重要的鑲牙材料；另外，鉑族催化劑對氧化作(zuò)用(yòng)來說具(jù)有(yǒu)極好的催化活性，還有(yǒu)着良好的導電(diàn)率和抗蝕性，可(kě)用(yòng)作(zuò)人工(gōng)心髒的能(néng)源。

納米銀因其獨特的光學(xué)、電(diàn)學(xué)、生物(wù)學(xué)特性而引起了科(kē)技(jì )界和産(chǎn)業界的廣泛關注，成為(wèi)近年來的研究熱點之一。納米銀的波長(cháng)低于光的臨界波長(cháng)，賦予了其透明的特性，所以被廣泛應用(yòng)在化妝品、塗層及包裝(zhuāng)上。銀納米粒子具(jù)有(yǒu)表面效應、小(xiǎo)尺寸效應、宏觀隧道效應、量子尺寸效應，開創了在催化劑材料、防靜電(diàn)材料、低溫超導材料、導電(diàn)塗層、導電(diàn)油墨等領域的應用(yòng)。銀納米粒子能(néng)橫穿血管，到達目标器官，而且能(néng)附在DNA單鏈中(zhōng)，促使其出現了生物(wù)傳感、生物(wù)标記、生物(wù)成像、醫(yī)療診斷及治療等生物(wù)醫(yī)學(xué)領域上的應用(yòng)。納米銀具(jù)有(yǒu)良好的廣譜抗菌能(néng)力，被應用(yòng)在藥膏和面霜中(zhōng)，防止燒傷及開放性傷口表面被細菌感染。銀納米材料也應用(yòng)于醫(yī)療器械及設備、水淨化裝(zhuāng)置、運動設備、抗菌類醫(yī)藥、植入體(tǐ)、抗菌塗料等領域[11]。

其他(tā)生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料

大塊非晶合金具(jù)有(yǒu)不同于晶态合金的獨特性質(zhì)，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、高疲勞抗力、低彈性模量等，有(yǒu)可(kě)能(néng)用(yòng)于接骨闆、螺釘、起搏器等方面。因此開展了大量的有(yǒu)關研究，其中(zhōng)尤以钛基、锆基、鐵基、鎂基、鈣基為(wèi)主。

高熵合金是另一類具(jù)有(yǒu)研究前途的新(xīn)型金屬材料，這是基于大塊非晶合金具(jù)有(yǒu)超高玻璃化形成能(néng)力的合金。高熵合金一般由5種以上的元素按照原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵。五元合金相圖中(zhōng)，在中(zhōng)間位置存在固溶體(tǐ)相區(qū)。高熵合金具(jù)有(yǒu)一些傳統合金所無法比拟的優異性能(néng)，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、低彈性模量、良好的生物(wù)相容性等。另外，通過添加不同的元素，如銀、銅等還可(kě)以具(jù)有(yǒu)抗菌性能(néng)。

從未來發展趨勢上看，可(kě)生物(wù)降解醫(yī)用(yòng)金屬材料的研究将集中(zhōng)在：(1)通過合金化、冷加工(gōng)、熱處理(lǐ)和表面處理(lǐ)等方法改善鎂合金和鐵合金的腐蝕速度；(2)合金化後添加元素對于材料生物(wù)相容性的影響；(3)為(wèi)了避免植入物(wù)在早期失效，對于腐蝕過程中(zhōng)材料力學(xué)性能(néng)變化的分(fēn)析；(4)可(kě)生物(wù)降解醫(yī)用(yòng)金屬材料腐蝕産(chǎn)物(wù)的成分(fēn)分(fēn)析以及生物(wù)安(ān)全性評價；(5)尋找新(xīn)的可(kě)生物(wù)降解合金體(tǐ)系，挖掘潛在的應用(yòng)可(kě)能(néng)；(6)建立更為(wèi)完善的體(tǐ)外評價标準，使得體(tǐ)外實驗對于體(tǐ)内實驗結果的預測更加精(jīng)确。随着可(kě)生物(wù)降解性醫(yī)用(yòng)金屬材料研究的不斷深入，可(kě)以預見材料的性能(néng)将逐漸完善以滿足臨床應用(yòng)的需求，這類新(xīn)材料有(yǒu)望部分(fēn)取代部分(fēn)傳統的生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料在臨床上獲得實際應用(yòng)[12]。

生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料應用(yòng)進展

目前臨床應用(yòng)的醫(yī)用(yòng)金屬材料主要有(yǒu)不鏽鋼、钛及钛合金、钴基合金等，生物(wù)可(kě)降解鎂合金是近年來快速發展的新(xīn)型醫(yī)用(yòng)金屬材料，有(yǒu)誘人的臨床應用(yòng)潛力。醫(yī)用(yòng)金屬材料主要應用(yòng)于骨科(kē)、齒科(kē)及矯形外科(kē)的内植入物(wù)及人工(gōng)假體(tǐ)等植入醫(yī)療器械的制造，以心血管支架為(wèi)典型代表的各類管腔支架，以及各式各樣的外科(kē)手術器械和工(gōng)具(jù)，為(wèi)延長(cháng)患者壽命、改善患肢功能(néng)、提高患者的整體(tǐ)生活質(zhì)量發揮了重要作(zuò)用(yòng)。

抗菌醫(yī)用(yòng)金屬材料的應用(yòng)進展

由植入器械引發的細菌感染是臨床上亟待解決的重要問題。抗菌醫(yī)用(yòng)金屬材料具(jù)有(yǒu)強烈的廣譜殺菌功能(néng)，可(kě)以抑制細菌生物(wù)膜的形成，具(jù)有(yǒu)廣闊的應用(yòng)前景。不鏽鋼、钛合金、钴基合金等醫(yī)用(yòng)金屬材料應用(yòng)于制造各類植入醫(yī)療器械，通過在這些醫(yī)用(yòng)金屬材料中(zhōng)加入适量具(jù)有(yǒu)強烈抗菌功能(néng)的銅元素，使其在生理(lǐ)環境中(zhōng)持續和微量釋放銅離子，從而起到顯著的抗菌作(zuò)用(yòng)，是降低臨床上發生細菌感染的一個新(xīn)思路和有(yǒu)效途徑。

表面改性是進一步提高現有(yǒu)醫(yī)用(yòng)金屬材料表面性能(néng)的重要途徑，已經廣泛應用(yòng)于各類金屬植入器件。因此，在醫(yī)用(yòng)金屬材料表面改性層中(zhōng)添加适量具(jù)有(yǒu)強烈抗菌作(zuò)用(yòng)的銅、銀等金屬元素或抗菌肽等其他(tā)類型抗菌物(wù)質(zhì)是應對金屬植入器件相關感染的直接措施，受到了人們的廣泛關注，并為(wèi)之開展了大量的相關研究。抗菌金屬骨針、抗菌不鏽鋼外科(kē)手術器械、抗菌钛合金牙種植體(tǐ)、抗菌钴基合金牙冠等産(chǎn)品均以進入臨床實驗階段[13]。

鎂合金材料臨床應用(yòng)進展

(1)心血管領域的應用(yòng)。鎂合金在生理(lǐ)條件下的力學(xué)性能(néng)及腐蝕動力學(xué)均具(jù)有(yǒu)良好的可(kě)控性，在達到擴張血管目的的同時，克服了植入體(tǐ)長(cháng)期存留所造成的并發症，同時其生物(wù)降解性為(wèi)在同一病變進行多(duō)次介入幹預提供了可(kě)能(néng)。鎂合金表面帶有(yǒu)負電(diàn)荷，具(jù)有(yǒu)低血栓源性，降低了支架内急性血栓的形成。鎂合金的降解産(chǎn)物(wù)鎂是三磷酸腺苷酶的輔因子，也是生理(lǐ)性鈣拮抗劑，可(kě)以有(yǒu)效預防各種缺血再灌注造成的鈣超載損傷。

(2)骨科(kē)領域的應用(yòng)。鎂合金材料與人骨力學(xué)性能(néng)匹配，将鎂合金作(zuò)為(wèi)骨固定材料會具(jù)有(yǒu)一定的優勢。一是鎂及鎂合金密度與人骨密度相接近，能(néng)有(yǒu)效降低應力遮擋效應，符合理(lǐ)想接骨闆的力學(xué)性能(néng)要求；二是鎂降解生成的鎂離子易被人體(tǐ)組織吸收或通過體(tǐ)液排出體(tǐ)外，其可(kě)生物(wù)降解性避免了患者二次手術的痛苦，兼具(jù)良好的生物(wù)相容性，使之成為(wèi)了一種新(xīn)型骨科(kē)醫(yī)用(yòng)材料。鎂合金材料作(zuò)為(wèi)骨固定材料，在骨折愈合初期能(néng)夠提供穩定的力學(xué)環境，逐漸而不是突然降低其應力遮擋作(zuò)用(yòng)，使骨折部位承受逐步增大直至生理(lǐ)水平的應力刺激，從而加速骨折愈合與塑形，防止局部骨質(zhì)疏松和再骨折的發生。骨修複研究的最終目标是人工(gōng)骨不僅可(kě)以替代受損的骨骼，還應在體(tǐ)内逐漸降解，并同時引導骨細胞生長(cháng)，最終實現骨再生。因此，多(duō)孔鎂基合金材料作(zuò)為(wèi)骨修複材料具(jù)有(yǒu)很(hěn)大的可(kě)操作(zuò)性。

(3)普外科(kē)領域的應用(yòng)。鎂合金良好的力學(xué)性能(néng)能(néng)夠對膽道管腔提供暫時的支撐作(zuò)用(yòng)，其可(kě)靠的生物(wù)相容性及可(kě)降解性避免了植入支架對人體(tǐ)的危害和長(cháng)期放置引起的并發症，在肝膽外科(kē)尤其是膽道良性疾病的治療方面有(yǒu)着廣闊的發展前景。

(4)口腔科(kē)領域的應用(yòng)。鎂合金相對于其他(tā)金屬材料而言更接近人體(tǐ)骨密質(zhì)，作(zuò)為(wèi)牙種植體(tǐ)材料具(jù)有(yǒu)更好的生物(wù)力學(xué)相容性，同時，鎂合金能(néng)促進鈣磷的沉積，密質(zhì)骨的生長(cháng)，表明鎂及其合金在口腔種植領域有(yǒu)良好的應用(yòng)前景[14]。

醫(yī)用(yòng)钛合金的應用(yòng)

随着钛合金的開發研制、钛材品種的增多(duō)及價格的降低，钛在民(mín)用(yòng)工(gōng)業中(zhōng)的應用(yòng)成倍增加。細分(fēn)市場占比超過5%的子行業包括體(tǐ)外診斷、心髒、影像診斷、骨科(kē)、眼科(kē)、整形六大細分(fēn)領域。新(xīn)型β钛合金可(kě)兼顧骨科(kē)，齒科(kē)和血管介入等多(duō)種用(yòng)途的先進材料。钛合金的生産(chǎn)技(jì )術應向着低模量、高強度、良好生物(wù)相容性和力學(xué)相容性的方向發展。從發展趨勢來看，β型钛合金将成為(wèi)未來發展的方向和醫(yī)用(yòng)钛合金市場的主流。

與傳統的生物(wù)醫(yī)用(yòng)不鏽鋼和钴鉻合金相比，钛及钛合金材料由于其低彈性模量、高比強度、優異的生物(wù)相容性和耐腐蝕性等特點，具(jù)有(yǒu)更适宜的生物(wù)醫(yī)用(yòng)特性，被廣泛應用(yòng)于人工(gōng)關節(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指關節等)、骨創傷産(chǎn)品(髓内釘、固定闆、螺釘等)、脊柱矯形内固定系統、牙種植體(tǐ)、牙托、牙矯形絲、人工(gōng)心髒瓣膜、介入性心血管支架等醫(yī)用(yòng)材料。

(1)牙科(kē)。钛與人體(tǐ)結締的組織、骨骼上皮組織都具(jù)有(yǒu)良好的親和性，優良的力學(xué)性能(néng)也體(tǐ)現其在醫(yī)用(yòng)合金中(zhōng)的優勢，且密度小(xiǎo)、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、戴用(yòng)舒适，因此，钛作(zuò)為(wèi)義齒(種植牙)材料受到廣泛青睐。此外，钛義齒通過表面處理(lǐ)之後，美觀性能(néng)增加，能(néng)夠滿足大衆對美的需求，給人以視覺的享受。

(2)肢體(tǐ)矯正。據有(yǒu)關文(wén)獻報道[15]，每年世界上約有(yǒu)1億病人患有(yǒu)膝關節和臂關節等有(yǒu)關炎症，進行替換手術治療勢在必行，因此具(jù)有(yǒu)優良替換功能(néng)的钛合金為(wèi)患者帶來福音。與陶瓷、不鏽鋼等材料相比，钛合金的彈性模量更接近于人體(tǐ)骨骼，在模量大小(xiǎo)上更具(jù)有(yǒu)優勢。因此钛合金在踝關節、肘關節等矯正中(zhōng)得以廣泛應用(yòng)。此外，多(duō)孔钛合金材料能(néng)夠使假體(tǐ)具(jù)有(yǒu)生物(wù)活性，有(yǒu)助于股骨頭的愈合；钛合金表面的生物(wù)相容性較好，能(néng)誘導骨細胞生長(cháng)，因此被臨床醫(yī)生、骨科(kē)領域專家等所推崇。

(3)植入修複與替代。钛及钛合金作(zuò)為(wèi)植入修複物(wù)的優點主要有(yǒu)：①強度高，化學(xué)穩定性及生物(wù)相容性好；②無毒，對人體(tǐ)不會造成傷害；③彈性模量低，與人體(tǐ)骨骼更匹配；④記憶合金具(jù)有(yǒu)的彈性能(néng)力和形狀恢複功能(néng)。钛在顱骨修複方面的應用(yòng)主要體(tǐ)現在：利用(yòng)钛網可(kě)以修複缺損的顱骨。在人體(tǐ)心血管方面的應用(yòng)體(tǐ)現在：制備人造心髒瓣膜、血液過濾器、心髒起搏器和人工(gōng)心髒泵等[15]。

醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的應用(yòng)

醫(yī)用(yòng)不鏽鋼作(zuò)為(wèi)醫(yī)用(yòng)金屬材料的一大類，以金屬植入材料或醫(yī)療器械形式在臨床上用(yòng)量很(hěn)大，雖然存在着一些問題，但也促使和推動了材料工(gōng)作(zuò)者對其進行優化和改善，主要包括兩方面的工(gōng)作(zuò)：一是對傳統醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的改進；另一方面是研究開發新(xīn)型醫(yī)用(yòng)不鏽鋼。由于醫(yī)用(yòng)不鏽鋼在體(tǐ)液環境下的失效很(hěn)大程度是由點蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞及應力腐蝕斷裂等局部腐蝕而引起的，因此，優異的耐體(tǐ)液環境腐蝕性能(néng)是其應用(yòng)的重要條件和要求，研究工(gōng)作(zuò)也主要依據這一方面來開展。新(xīn)型醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的開發包括：(l)鐵素體(tǐ)及雙相醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的開發；(2)低鎳及無鎳醫(yī)用(yòng)不鏽鋼的開發。研究表明[16]，與傳統316L不鏽鋼相比，醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼具(jù)有(yǒu)優異的力學(xué)性能(néng)和耐蝕性能(néng)。另外，在避免了Ni離子有(yǒu)害作(zuò)用(yòng)的同時，體(tǐ)内和體(tǐ)外結果均顯示其生物(wù)相容性明顯提高，而且還發現其具(jù)有(yǒu)優異的骨誘導和骨整合能(néng)力。這為(wèi)解決傳統不鏽鋼作(zuò)為(wèi)骨植入材料存在的力學(xué)性能(néng)、耐蝕性和生物(wù)相容性不足等問題提供了新(xīn)的材料途徑。在應用(yòng)方面，醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼作(zuò)為(wèi)空心螺釘材料已經被大量使用(yòng)，在解決人工(gōng)髋關節斷裂和無菌性松動等問題方面具(jù)有(yǒu)良好前景，同時醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼輕量化在降低接骨闆的應力遮擋效應方面也具(jù)有(yǒu)明顯優勢。人們還在不斷探索其更多(duō)的臨床應用(yòng)潛力[16]。

綜上所述，與傳統醫(yī)用(yòng)不鏽鋼相比，醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼作(zuò)為(wèi)骨植入材料具(jù)有(yǒu)更加優異的綜合性能(néng)，在骨科(kē)植入器械領域中(zhōng)臨床應用(yòng)潛力巨大。目前我國(guó)在醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼的應用(yòng)基礎研究方面已經處于國(guó)際先進水平，然而在産(chǎn)品開發方面仍顯落後。因此，在進一步開展創新(xīn)性應用(yòng)基礎研究的同時，需要加大對醫(yī)用(yòng)無鎳不鏽鋼在骨科(kē)相關應用(yòng)的成果轉化投入[16]。

3D打印生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料

醫(yī)用(yòng)金屬材料具(jù)有(yǒu)良好的物(wù)理(lǐ)強度、延展性和導電(diàn)性，這使得它們在硬組織修複領域有(yǒu)着絕對優勢。由于金屬熔化溫度高，3D打印難度大，通常采用(yòng)光固化立體(tǐ)打印和選擇性激光燒結的方法進行金屬3D打印[17，18]。目前，醫(yī)用(yòng)金屬材料主要被用(yòng)于打印骨組織工(gōng)程支架，用(yòng)于3D打印的醫(yī)用(yòng)金屬材料主要包括钛合金、钴鉻合金、不鏽鋼和鋁等。已有(yǒu)研究人員制備出具(jù)有(yǒu)高度互連的多(duō)孔結構的骨組織工(gōng)程支架材料并具(jù)備适當的物(wù)理(lǐ)性能(néng)和生物(wù)性能(néng)[19]。

結束語

當生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料廣泛被用(yòng)于植入材料時，長(cháng)期的實用(yòng)性與安(ān)全性便成為(wèi)了對醫(yī)用(yòng)金屬材料的第一要求。目前，醫(yī)用(yòng)金屬材料在臨床上已經取得了廣泛的應用(yòng)，同時也具(jù)備重要的深入研究價值。雖然生物(wù)醫(yī)用(yòng)金屬材料在過去的幾十年中(zhōng)已得到較快的發展，但在臨床上廣泛使用(yòng)的仍然是有(yǒu)限的幾種。因此，加大新(xīn)型醫(yī)用(yòng)金屬材料的研究并推動其發展顯得尤為(wèi)必要。

文(wén)章來源——金屬世界