新型生物医用金属材料1 前言1.1生物医用金属材料基本概念1.2生物医学对材料的要求2 我国生物医用材料产业现状3 生物医用金属材料3.1 医用不锈钢3.2 医用钴基合金3.3医用钛合金和镍钛形状记忆合金3.4 医用贵金属和钽、铌 、锆等金属3.5 新材料开发4 表面改性和生物镀膜在医用金属材料上的应用5 医用金属材料目前存在的主要问题及研究发展方向 5.1医用金属材料目前存在的主要问题5.2 医用金属材料的研究和发展1前言1.1生物医用金属材料基本概念生物医用材料是指用于医疗上能够植入生物体或与生物组织相接合的材料 ,可用于诊断、治疗 ,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。

目前用于临床的生物医用材料主要包括生物医用金属材料、生物医用有机材料（主要指有机高分子材料）、生物医用无机非金属材料（主要指生物陶瓷）、生物玻璃和碳素材料以及生物医用复合材料等。

与生物陶瓷及生物高分子材料相比,生物医用金属材料,如不锈钢、钴基合金、钛和钛合金以及贵金属等具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它医用材料不可替代的优良性能。

1.2生物医学对材料的要求生物医用金属材料在应用中面临的主要问题 ,是由于生理环境的腐蚀而造成的金属离子向周围组织扩散以及植入材料自身性质的退变 ,前者可能导致毒副作用 ,后者可能导致植入失效 。

因此研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型生物医用金属材料依然是材料工作者和医务工作者共同关心的课题。

医用金属材料作为生物材料的一类 ,其研究和发展要严格满足如下的生物学要求：良好的组织相容性 ,包括无毒性、无热源反应、不致畸、不致癌、不引起过敏反应或干扰机体的免疫机理、不破坏临近组织，也不发生材料表面的钙化沉着等；良好的物理、化学稳定性，包括强度、弹性、尺寸稳定性、耐腐蚀性、耐磨性以及界面稳定性等；易于加工成型 ,材料易于制造；价格适当。

对于植入心血管系统或与血液接触的材料 ,除能满足以上条件外,还须具有良好的血液相容性,即不凝血（抗凝血性好）、不破坏红细胞（不溶血）、不破坏血小板、不改变血中蛋白特别是脂蛋白、不扰乱电解质平衡等。

2 我国生物医用材料产业现状作为近30年来发展出的一类技术附加值最高的高技术新材料，生物医用材料正在成长为21世纪世界经济的一个支柱性产业。

近年我国生物医用材料产业发展很快，尤其是介入支架和骨科器材，发展速度非常快。

2008年中国生物医用材料全行业总产值2200亿元, 同比增长15% ；产值超过亿元的企业超过120家，较大规模的企业已经开始形成（虽与国际相比规模不是很大），部分产品开始出口，来自民间的产业资本投资力度加大；中国生物医学工程科学研究领域取得了很大成果，在国际生物医学工程学术界占有重要地位，中国首次承办世界生物材料大会，标志着我国生物材料已快速登上国际舞台。

国产介入支架从2006年以来开始异军突起，改变了中国介入材料市场被国外产品主导的格局。

2008年介入支架的市场持续扩大，应用量达到了30万个，18万例（2007年为15万例），产值达到了40亿元左右，国产支架的市场占有率也持续增加到了60%。

目前国内已有4家企业的药物支架获准上市，包括微创医疗器械（上海）有限公司、乐普（北京）医疗器械股份有限公司、山东吉威医疗制品公司、大连垠艺生物材料研制开发有限公司，还有近10家正在临床研究。

骨科修复材料研究与产业快速发展，国内科研水平已与国际相差不大。

去年，清华大学崔福斋教授等人完成的、具有自主知识产权的纳米晶磷酸钙胶原基骨修复材料获得了“2008年国家技术发明二等奖”，在脊柱修复材料和人工关节2个方面取得重要突破，产品可广泛应用于骨科、口腔科、整形外科等各种骨缺损的修复，目前人工关节的国产化率达到50%左右。

但是我国生物医用材料产业还存在许多问题，一是自创技术的产业化能力差，还占不到世界产值的3%，产品档次还需要大的改进；二是缺乏统一的行业管理与标准。

在日趋深化的国际化竞争下，中国生物医用材料行业面临前所未有的压力。

3 生物医用金属材料生物医用金属材料又称为外科植入金属材料,具有高的机械强度和抗疲劳性能,是临床应用中最广泛的承力植入材料 。

临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钻基合金、钛合金和记忆合金等几大类。

此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。

3.1 医用不锈钢不锈钢是最早的人体植入材料，用作生物医用材料的不锈钢 ,具有良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工工艺简便,比较廉价，是目前生物医用金属材料中应用最多、最广的一类材料。

医用不锈钢主要应用丁骨骼系统的置换和修复方面,此外在齿科、心脏外科、心血管植入支架等方面也得到应用。

奥氏体不锈钢 ,特别是316和316L 不锈钢 ,具有比其他不锈钢更好的抗蚀性能,被广泛用作金属植入材料，316L 不锈钢是制作医用人工关节常用金属材料 ,主要用作关节柄和关节头。

医用不锈钢用于生物体内，存在生物相容性及相关问题 ,主要涉及到不锈钢植入生物体后 由于腐蚀或磨损造成金属离子溶出所引起的组织反应等 ,特别是不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变（通常奥氏体医用不锈钢均含有 10% 左右的镍）。

临床表明316L 不锈钢植入人体后,在生理环境中,有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题,并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2 +,Cr3 +和 Cr5 +,从而引起假体松动 ,最终导致植入体失效。

对 316L 不锈钢而言 ,提高耐蚀性是关键。

钼的加入提高了不锈钢在盐水中的抗蚀性能。

瑞典的 Sandvik钢公司制造了两类主要的人体植入物用不锈钢: Sandvik Bioline 316LVM 和 Sand2vik Bioline High - N不锈钢。

Sandvik Bioline 316LVM不锈钢是由真空熔炼的加钼合金化的奥氏体系不锈钢 ,它相当于ASTM F138 - 97 Grade 2 和 F139 -96 Grade 2 ;Sandvik Bioline High - N 不锈钢是一种高纯度的高氮含钼奥氏体系不锈钢 ,相当于 F1586- 95不锈钢。

目前,在工业制品等方面广为应用的不锈钢大都含有一定数量的镍 ,如果作为医疗器具而埋入人体内部,接触人体组织时就有可能发生金属过敏问题。

因此 ,日本的物质材料研究所(筑波市)开发了一种不含镍的硬质不锈钢的简易生产方法，该方法首先将软质的无镍不锈钢加工成所要求的形状后 ,加热到高温进行渗氮处理 ,可使其强度和硬度提高 1. 4 倍左右，这样生产的无镍不锈钢解决了原来难以加工而制造成本太高的问题。

利用此法生产的无镍不锈钢 ,生产成本低廉 ,有望广泛用于医疗领域。

近些年低镍和无镍的医用不锈钢正逐渐得到发展和应用。

由于对高氮不锈钢的深入研究 ,低镍和无镍Cr-Mn-N型奥氏体不锈钢的研究又引起人们的兴趣 。

一些研究者提出把高氮含量的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢应用于生物医学,他们指出这种不锈钢具有良好的抗腐蚀能力,特别是抗点蚀和晶间腐蚀 ,而且具有较高的耐磨性 ,重要的是钢中没有镍元素 ,从而可避免镍元素在人体内析出造成的致敏性及其它组织反应 。

最近国内外研究者已经研究和正在研究的医用无镍或低镍奥氏体不锈钢。

这类不锈钢由于加人大量的氮元素来稳定和强化奥氏体,降低了钢的成本。

无镍或低镍高氮奥氏体不锈钢具有优良的综合力学性能和抗蚀性能,在许多性能方面相当于或超过现有的医用不锈钢,当然其进一步研究和临床应用还有许多工作要做 。

3.2 医用钴基合金医用钴基合金也是医疗中常用的医用金属材料,相对不锈钢而言,医用钴基合金更适合于制造体内承载条件苛刻的长期植入件。

但是由于钴基合金价格较贵 ,并且合金中的Co、Ni元素存在着严重致敏性等生物学问题, 应用受到一 定的限制 ,近些年通过表面改性技术来改善钴基合金的表面特性,有效提高了其临床效果 。

钴基合金通常指Co-Cr 合金,有 Co-Cr-Mo和 Co-Ni-Cr-Mo 合金2 种基本牌号。

锻造加工的 Co-Ni-Cr-Mo 合金是一种新材料 ,用于制造关节替换假体连接件的主干 ,如膝关节和髋关节替换假体等。

美国材料实验协会推荐了 4种可在外科植入中使用的钴基合金 ,它们是:锻造Co-Cr-Mo 合金(F76) ,锻造 Co-Cr-W-Ni 合金(F90),锻造Co-Ni-Cr-Mo 合金(F562) ,锻造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe 合金(F563)。

其中锻造Co-Cr-Mo 合金和锻造 Co-Ni-Cr-Mo 合金已广泛用于植入体制造。

在人工关节方面 , ISO允许使用制作人工关节部件的钴基合金已达到 6 种,这充分说明钴基合金在人工关节方面有着广泛的应用。

另据报导,一种可热处理的、非磁性的钴基合金(Havar 合金)具有很高的强度和优异的抗腐蚀性 ,现已证明其具有医学植入的兼容性。

试验表明,Havar 合金对于细胞毒性、系统毒性、皮肤内疼痛、肌肉内的植入、皮肤过敏、溶血作用和热解性都是无害的。

另外通过对钴基合金的热处理，也可改善它的使用性能，如四川大学华西口腔医院的研究人员发现 ,深冷处理可以有效提高钴铬钼高熔铸造合金的抗拉强度,也能有效增强口腔铸造合金的弯曲弹性模量、抗弯强度、 耐磨性和耐腐蚀性。

3.3 医用钛合金和镍钛形状记忆合金3.3.1医用钛合金与其他医用金属材料相比,钛合金最显著性能特点是密度较小、弹性模量值较低，约为其他医用金属材料的一半,密度接近人体硬组织,因此在骨科领域应用较广。

20 世纪50 年代美国和英国首先将纯钛用于生物体。

1973 年,北京有色金属研究总院与天津市骨科医疗器械厂合作,生产了300 个钛人工股骨和髋关节,并用于临床。

后来,人们发现Ti-6Al-4V 合金的性能优于纯钛, Ti-6Al-4V 合金的生物相容性比不锈钢和CoCrMo 合金都要强,耐蚀性好,其弹性模量与骨骼接近,且密度轻(4. 51 g/ cm3) ,可用于人工关节及骨科内固定器的制造，因此作为人体植入材料得到了广泛应用。

从第一代（α+β）双相型钛合金Ti-6Al-4V到第二代（α+β）双相型钛合金Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb, 医用钛合金的综合力学性能与工艺性能有了显著的改进和提高 ,并去掉了对人体有毒性的V元素。

新型（α+β）钛合金Ti-15Zr 系和Ti-15Sn系合金则同时去掉了V 和Al。

近年来开发出的一些新型钛合金，主要是β型合金 ,则都注重减少了对人体有一定危害的元素，有效地改善了钛合金的生物相容性。

最新开发的生物医用钛合金主要包括：（1）（α+β）型钛合金：Ti-5Al-3Mo-4Zr；Ti-6Al-2Nb-Ta；Ti-6Al-7Nb；Ti-15Sn-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-4Ta 。