人工工骨作为用于修复或替换人体硬组织的生物材料

人工工骨作为用于修复或替换人体硬组织的生物材料，必须具备独特的性能。人工骨材材料与一般工业材料的最大区别在于它们的使用环境不同：人工骨材料是在生物环境内工作，就是说，它要工作在温度为37℃左右、气压为latm*、pH值为7左右的苛刻条件下。所以，人工骨材料不但要具备适度的力学性能，即强度、延伸率、刚度和韧性，而且还要具备生物亲和性、可灭菌性、非毒性、机能性以及耐久性。同时，人工骨材料还必须具备独特微妙的结构，因为天然的骨头是一个多孔而又倾斜的结构体系。

本章将介绍目前人工骨材料的研究现状，特别是近年国际上在人工骨材料研究方面所取得的成果；同时，还将报告作者本人在人工骨材料研究领域所取得的成果。作者研制的多孔钛泡沫具有良好的生物亲和性，无毒，其机械性能与天然骨的机械性能相近。钛泡沫的结构与天然骨的结构一致，其孔空间允许新生骨芽细胞的生长侵人以及体液的传输，所以它不但能与自然骨形成生物性骨键合，与人体骨骼合而为一，而且能诱导新生骨生成，是一种具有良好临床应用前景的骨移植材料。

2.1人工骨材料的种类和特点

生物材料指任何用于治疗的、包括天然的和合成的、与人的细胞直接相接触的材料。人工骨就是用于修复或替换人体硬组织的生物材料。随着人口的急速高龄化，中青年创伤的增加以及天生缺陷和疾病的存在，社会对人工骨材料和医学制品的需求急速增长。老年人最常见的骨质疏松、疾病（如恶性肿瘤切除)、交通事故和火器创伤等都可能造成大型骨缺损。用来修复骨缺损的骨替代材料可以用自体骨移植、人工骨、诱导成骨材料和异体骨移植等，其中以自体骨移植效果最好。但自体骨来源有限，而且可能在供区造成继发性损失或并发症。而现有的人工骨、诱导成骨材料和异体骨移植等均达不到自体骨的效果，为此，进一步寻找尽可能达到或接近自体骨移植效果的理想人工骨材料是对基础研究和临床医学的挑战。

2.1.1 陶瓷材料

人体骨骼主要由胶原质（collagen)和羟基磷灰石(HA)组成，羟基磷灰石的分子式为Ca10（PO4)6(OH)2，其中钙的存在赋予骨骼以强度。骨的结构是一个精致复杂的多孔结构。骨的表层是皮质骨，其孔隙率比较低，约为5％～10％；表层以下是海绵骨，其孔隙率比较高，达50％一90%.骨结构如图2-1所示。骨的力学性能是依个人、年龄和骨的部位而改变的，表2-1所示总结了各种骨的机械性能及强度。

作为人工骨材料，其首要性能当然是在生物体内的耐腐蚀性和强度，但生物亲和性也是不可缺少的重要性能。近年的研究更是注重于人工骨材料的表面处理。

根据其与生物组织的反应，生物陶瓷可以作如表2-2所示的分类：①生物体内惰性型（和自家骨直接接触，也有可能在两者之间介入线纤维皮膜）；圆生物体内活性型（自家骨与人工骨发生化学反应而结合）；圆生物体内分解型（移植后，人工骨在生物体内分解并被新生骨所替代）：作为人工骨材料，力学强度固然重要，然而，骨诱导能力、骨传导能力的具备，进而实现骨骼的修复和新生骨的形成更具魅力p 目前，很多研究都朝着这个方向即开发理想的人工骨材料而努力着。

2.1.2 高分子材料

近年来高分子材料作为人工骨材料也越来越受到重视。高分子材料包括天然的和人工合成的两大类,它们最突出的特点是柔软性、易加工性以及质量轻等。正是因为这些特点，高分子材料被广泛应用于生物领域，如血液的包装、输液系统、导（尿）管、血液回路、血液透析器等一次性使用器具，以及人工肾脏、人工肺、血浆交换膜等人工脏器[ 高分子材料如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)即骨水泥和用于人工关节的高分子聚乙烯(polyethylene)，这类材料的生物相容性较差，与骨组织之间有纤维组织间隔。

还有一类可生物降解的高分子材料以聚丙交酯（polylactide)和聚乙醇酸(polyglycolide)为代表。目前主要用于可降解内固定材料方面，作为植骨替代材料，多以复合材料的形式出现。

2.1.3 金属材料

金属材料作为人工骨材料的研究是-个古老的课题，可以追溯至公元前数千年当时，金、银、白金等贵金属被用来治疗牙齿和骨折。实际的考古调查也证实了在古代人的牙齿中镶嵌有金属。就保存着的确切记录举例来说，1886年Hansmann曾用镀镍后的铁板作为骨折的内固定材料。1920年，美国钢铁公司（U.S.Steel)的主任外科医生Sharman使用钒钢(Fe-0.5％C-O.8％Mn-1％Cr-0.2％V)制作骨折固定板，取代了在这之前所使用的强度较低的碳素钢，并根据骨头的形状设计出了固定板和固定螺丝。这以后，不锈钢作为骨固定材料取代了钒钢骨固定而被长期使用，直到20世纪30年代前半期。进入20世纪30年代后半期，由于上述钒钢的耐腐蚀性和疲劳强度的欠缺被逐步认识，Venablec等很多的研究人员于是推荐使用Co-Cr合金、302型不锈钢和含有钼的316型不锈钢。第二次世界大战爆发以后，美国政府为了治疗那些受伤的伤兵，加速了整形外科材料的规格化。Murray 和Fink向陆军和海军推荐了302型不锈钢.后来，Fink和Amatko又对302型不锈钢、316型不锈钢以及铸造Vitallium合金(Co-Cr 合金）进行了模拟人工体液中的耐腐蚀实验，发现302型不锈钢和316型不锈钢比Vitallium 合金的机械性能要优越得多，而耐腐蚀性却相距甚微。1945年Blunt等报道了作为外科材料，含有钼的316型不锈钢比302型不锈钢具有更好的化学性能和机械性能。后来Large又指出，钼的添加能改善不锈钢的生物亲和性。所以，在20世纪40年代后半期，以302型不锈钢为基础添加钼而得到的316型以及317型不锈钢被导人人工骨材料。这种具有优秀耐腐蚀性和生物亲和性的不锈钢的出现，使得金属长期而又安全的生物体内的移植成为可能。相继的研究是把316型不锈钢中所含有的微量碳进一步降低，因而得到具有优越耐腐蚀性的316L型不锈钢。1956 年Charnley用316L型不锈钢制造了人工关节。1965年316L型不锈钢被制定为ASTM一65T试行标准，与Co-Cr合金一起作为人工骨材料被广泛使用。但是近年来，金属人工骨材料的宝座又被同时兼备优越的生物亲和性、耐腐蚀性以及机械性能的钛合金所夺得。从1951年开始被使用至今，钛合金作为生物材料的使用已有50年的历史了。

钛及钛合金作为生物材料而被讨论的研究报告比不锈钢和Co-Cr合金晚得多，最初的报告是在60多年之前。1940年Bothe等将包括纯钛在内的各种各样的金属作了动物体内的移植实验，发现多种金属和合金都对生物组织有有害作用，而其中钛却与不锈钢和Co-Cr合金一样，表现出良好的生物亲和性，生物组织能与其紧密结合并成长。1951年Leventhal发表了将钛埋人兔子的软组织后发现钛具有优越的生物亲和性的研究结果。

金属材料作为人工骨材料使用时，常常可能遇到金属材料的杨氏弹性模量太高而导致应力屏蔽的问题。由于植入的人工骨材料的杨氏弹性模量太高，可能导致转移至人工骨周围的自家骨上的载荷不足，因而引起骨吸收，最后导致人工骨的松弛。根据"Wolff”法则，当植人材料与一个承受载荷的自然组织结构结合时可能导致这个结构的组织的逐渐丧失，即当自家骨所承受的拉伸、压缩或弯曲载荷减少时，骨头的厚度会减小，骨头的质量会丧失，还可能发生骨质疏松，这种现象就叫做“应力屏蔽”。人类社会的进步要求高质量的生活和健康愉快的社会环境。为了促进人类的健康和延长人类的平均寿命，生物材料的研究因此成为一个非常重要的研究方向。病人、医务人员、家庭以及整个社会要求理想的人工骨材料，各种各样的生物材料评价方法和评价标准也不断被制定。已有人工骨材料的各种性能因此被更深入地研究，而新的更完美的材料也不断被开发。随着研究的深入，人们发现，上述钛合金中含有的合金元素Al和V对人体有害。铝具有强烈的神经毒性，可能导致老年性痴呆；而钒则具有强烈的细胞毒性，可能导致癌症；因此Ti-6AI-4V合金的使用在欧美国家被质疑。最近，科学家们又以生物亲和性为前提陆续设计出了新的成分的钛合金。第一代整形外科钛合金包括Ti-6Al-7Nb和Ti-5Al-2.5Fe.这两种合金具有与Ti-6AI-4V合金相媲美的机械性能，却排除了钒的细胞毒性及对生物体的有害作用，但其中铝依然存在。第二代整形外科钛合金则为β钛