生物金属材料

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生物金属材料(biomedical metal material)：植入人体(或动物体)以修复器官和恢复功能用的金属材料。该材料通常用作人体硬组织如牙齿、骨、关节等和软组织如心脏瓣膜、脑膜、腹膜、人工器官等。

简史

人类利用生物材料由来已久，早在公元前5000年，中国就已将人工牙植入颌骨内修复失牙。公元前6000年埃及就已将黄金作为人工牙。但是，生物材料于上世纪末才开始略具雏形。近百年来，植入人体材料的开发和应用，已由纯金属、天然材料发展成为多功能合金、高分子材料、陶瓷材料及复合材料等新型材料。生物金属材料在生物材料中占有重要位置。目前常用的生物金属材料与其他材料，人骨的力学性能比较见表1。                                                              

  表1生物金属材料与其他材料、入骨的力学性能比较

材    料	抗拉强度 ／MPa	弹性模量   ／GPa	伸长率   ／％
不锈钢(Fe—Cr Ni Mo) 钴基合金(c。一cr Mo) 钴基合金(Co Ni—cr—w) 工业纯钛 钛基合金(Ti—Al—V) 钛基合金(Ti—A1 Fe) 聚乙烯 尼隆66 聚甲基丙烯酸酯(PMMA) 聚四氟乙烯(PTFE) 氧化铝 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变化很大，在拉伸时材料很脆。

特征

生物金属材料的最主要特征是在生理环境约束下行使功能，因而必须具备生物功能性和生物相容性。所谓生物功能性，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学性质。生物相容性则是一种生物材料和宿主反应起作用的能力。目前对生物相容性的理解，已不仅仅是要求材料植入后不会引起毒性反应，更要求植入材料和机体间的相互作用能够永久协调。另外，还要求生物金属材料容易加工成形，使用方便和价格便宜。

种类

生物金属材料主要包括较成熟和广泛用于牙科和骨科的金属材料。牙科用的金属材料有金、银、铂及其合金、不锈钢、钴基合金、钛基合金等。骨科使用的金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金，有时也使用昂贵的钽、铌、金、银、钯、铂等。在生物金属材料中，目前使用量最多的是不锈钢，以美国为例占全部使用量的75％，其次是钴基合金占20％，而钛及其合金只占5％。这3类材料的化学成分国际标准列于表2。                                                               

表2常用生物金属材料化学成分(％)

元  素	不锈钢   Fe—Cr—Ni—M0	钛基合金     Ti Al—V	钛基合金     Ti—Al Fe	钴基合金     Co—CpMo	钴基合金     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

不锈钢 骨科使用的不锈钢典型合金成分是Fe一18cr一14Ni一3Mo(见表2)。它的耐蚀性和强度不如钻铬钼合金，但价格便宜，加工性能好，在医疗中使用量最大。不锈钢主要用于制作固定骨折部位的接骨板、骨钩和骨螺钉等零件，也可用作人工骨和人工关节。

钴基合金 其典型成分是co一30(：r一6Mo(见表2)，它还含O．35％c，是以碳化物为主要强化相的高温合金。它的耐蚀性比不锈钢好，并具有优异的耐疲劳性和耐磨性，是目前较好的骨科金属材料。缺点是硬度高，加工困难。

钛基合金 与不锈钢、钴基合金相比耐蚀性最好，密度也最小，仅是它们的一半。纯钛的强度与不锈钢相当，约为500MPa，TC4(Ti一6Al一4V)钛合金的强度较高为1000MPa(见表1)。钛及钛合金的耐磨性差，用它制成的人工关节的磨损碎屑在人体内积存，会造成人体组织变异。这类材料经过氮化处理可改善耐磨性能，已取得良好的临床效果。钛及钛合金已用作髋关节、长骨头、接骨板、头盖骨盖板、假牙等。钛一镍形状记忆合金(钛中含50％Ni(原子分数))具有形状记忆效应、超弹性、优良的耐磨耐蚀性，同时还具有高的强度和疲劳性能。其抗拉强度大于980MPa，伸长率大于20％。钛一镍形状记忆合金是一种新型功能材料，也是一种较理想719shl石的生物材料，已应用的有血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫唇弓丝、人工关节、血管扩张支架、前列腺增生尿道扩张固定支架等。

其他 生物金属材料除采用锻件和铸件外，也可采用粉末冶金法制成的多孔材料。由于这种多孔材料能使人体组织移入微细孔内再生，从而使人体组织与材料内部呈现化学结合、力学结合的组织性能，较好地控制了界面反应。

展望

生物材料领域目前的任务是为发展长寿命的矫形假体和人工器官提供较为理想的新型材料。最终目标是要研制出接近人体自然组织、结构和性质理想的生物活性材料。