常用医用金属材料.doc

常用医用金属材料

概述

生物医用金属材料(biomedical metallic materials)用于整形外科、牙科等领域。由它制成的医疗器件植人人体内，具有治疗、修复、替代人体组织或器官

的功能，是生物医用材料的重要组成部分。

生物医用金属材料是人类最早利用的生物医用材料之一，其应用可以追溯到

公元前 400～300 年，那时的腓尼基人就已将金属丝用于修复牙缺失。1546 年纯金薄片被用于修复缺损的颅骨。直到 1880 年成功地利用贵金属银对病人的膝盖骨进

行缝合，1896 年利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗后，才开始了对金属医用材料的系

统研究。本世纪30 年代，随着钻铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在

齿科和骨科中得到广泛的应用，奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地

位。 70 年代， Ni-Ti 形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医

用涂层材料的发展，使生物医用金属材料得到了极大的发展，成为当今整形外科

等临床医学中不可缺少的材料。虽然近 20 年来生物医用金属材料相对于生物医用

高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料的发展比较缓慢，但它以其高强度、耐疲

劳和易加工等优良性能，仍在临床上占有重要地位。目前，在需承受较高荷

载的骨、牙部位仍将其视为首选的植人材料。最重要的应用有：骨折内固定板、

螺钉、人工关节和牙根种植体等。

生物医用金属材料要在人体内生理环境条件下长期停留并发挥其功能，其首

要条件是材料必须具有相对稳定的化学性能，从而获得适当的生物相容性。迄今为

止，除医用贵金属、医用钛、袒、锯、铅等单质金属外，其他生物医用金属材

料都是合金，其中应用较多的有：不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合

金和磁性合金等。

第一节生物医用金属材料的特性与生物相容性

生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛

的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占

45％左右。由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生

物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的

生物相容性，植人生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔

绝。组织反应一般根据植人物周围所形成的包膜厚度及细胞浸润数来评价。美国材

料试验学会的 ASTM-F4的标准规定：金属材料埋植 6 个月后，纤维包膜厚度＜ 0． 03mm 为合格。

人体体液约合 l ％氯化钠及少量其他盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在 37℃左右，这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗人正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和刺激、以引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同时会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。因此，作为生物医用金属材料，首先必须满足两个基本条件：第一是无毒性；第二是耐生理腐蚀性。

一、金属材料的毒性

生物医用金属材料植人人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理

功能，所谓半永久对于金属人工关节来说至少在15 年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或多或少会有离子或原子因腐蚀或磨损进人周围生物组织，因

此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。当然，某些有毒的金

属单质与其他金属元素形成合金后，可以减小甚至消除毒性。例如，不锈钢中含

有毒的铁、钴、镍，加人2％有毒的铍可减小毒性；加人20％铬则可消除毒性并增强抗蚀性，因此，合金的研制对开发新型生物医用材料有重要意义。

毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关。因此，若在材料中需引人

有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用合金化来减小或消除毒性，并提

高其耐蚀性能；其次采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。

元素周期表上70％的元素是金属，但由于毒性和力学性能差等原因，适

合用于生物医用、材料的纯金属很少，多为贵金属或过渡金属元素。其中基本无

毒的金属单质有：铝（AL）、镓 (Ga) 、铟 (In) 、锡 (Sn) 、钛 (Ti)、锆(Zr)、钼(Mo)、钨 (W)、金(Au) 、铂(Pt) 在常用的生物医用合金材料中，还常采用铁(Fe) 、钴 (Co) 、铬 (Cr) 、镍 (Ni) 、钒 (V) 、锰（ Mn）等元素，如不锈钢（Cr－ Ni － Mn－ Fe）、钴合

金（ Co－ Cr－ Ni － Mn－W－ Fe）等。

金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩

散和破坏溶酶体。一般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验

等来检测。

二、耐生理腐蚀性

生物医用金属材料的耐生理腐蚀性是决定材料植人后成败的关键。腐蚀的发生是一个

缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决定植人器件的使用寿命。医用金属材料植人

体内后处于长期浸泡在含有机酸、碱金属或碱土金属离子（ Na+、 K+、Ca2+）、 CI- 离子

等构成的恒温（ 37℃）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶

劣，材料腐蚀机制复杂。此外，磨损和应力的反复作用，使材料在生物体内的磨损过程

加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。因此，有必要了解材料在体内环境的腐

蚀机制，从而指导材料的设计和加工。生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要

有八种类型：

1．均匀腐蚀

化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀。腐蚀

产物及其进人人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。

2．点腐蚀

点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，而作为

阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。

3．电偶腐蚀

发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于两种以上材料制成的组

合植人器件，甚至在加工零件过程中引人的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必