金属植入生物材料

材料科学与工程研究院

金属生物材料综述

学院名称：材料科学与工程研究院

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2015年1月

金属生物材料综述

摘要

人体组织主要由自组装聚合物（蛋白质），硅酸盐（骨矿物质）和以具有分子尺度功能的微量元素形式存在的金属组成。然而，金属和它们的合金都作为结构生物材料在重建手术（特别是矫形外科），以及最近用在非骨性组织（如血管）中起到主导作用。随着种类繁多的金属植入物应用于临床的日渐成功，保持长期植入物完整性的相关问题也随之而来。本文重点是金属生物材料，讨论它的发展历史，及生物材料、生物相容性材料和生物医学材料的区别。最后和医疗仪器的分类，并例举不锈钢作为金属生物材料的简单应用。

关键词：生物材料，生物相容性材料，生物医学材料

目录

1. 简介...........................................................................................................................

1.1金属生物材料的发展历史................................................................................

1.2生物医学材料、生物相容性材料和生物材料的定义....................................

1.3生物相容性定义................................................................................................

1.4医疗仪器的分类................................................................................................

2.不锈钢金属植入生物材料简介...............................................................................

2.1 不锈钢金属植入生物材料的一般机械性能...................................................

2.2不锈钢金属植入生物材料的疲劳性能............................................................

2.3不锈钢金属植入生物材料的医疗应用............................................................

2.4总结.................................................................................................................... 参考文献：......................................................................................................................

1.简介

1.1金属生物材料的发展历史

使用金属材料作为医用植入物可以追溯到19世纪，当时正值工业革命时期金属工业开始扩展[1]。金属植入物的发展主要受骨修复需求的推动，尤其是长骨的骨折内固定。然而，之前几乎没有任何植入金属装置的尝试，诸如从铁、金或银制成脊线和骨针，直到19世纪60年代Lister的无菌手术技术的成功实现[1]。自那时起，金属材料主导了整形外科手术，在大多数矫形装置，包括临时设备（如骨板、销和螺钉）和永久性植入物（例如全关节置换）起到了重要作用[2]。同时，金属也应用与牙科和正畸应用，包括补牙和牙根[3]。最近，越来越多的关于金属生物材料的研究已投入硬组织/器官的非常规重建手术的应用，如镍钛形状记忆合金作为血管支架[4]和新的镁基合金作为骨骼组织工程和再生的发展[5]。

尽管有大量的金属和合金能够在工业中生产，但只有少数是生物相容的，并且能够长期作为植入材料。表中是市售的绝大多数骨科医疗器械。这些材料可按下列四种作为基体的合金元素（表1）进行分类：不锈钢，钴基合金，钛基合金和其它合金（例如镍钛、镁、钽合金）[6]。由前三种金属材料制成的医学植入物已被美国食品和药物管理局（FDA）批准使用[7]和用于常规的正畸应用[2]。图1和图2描绘了一些典型的临床应用。最后一种材料最近也有了新进展，因为其独特的材料特性使其可能具有潜在地满足更专门的组织要求的性质（诸如镍和镁的合金的可降解的形状记忆）（图2所示）[8]。但是，在这些新开发的合金制成的一些医疗植入物尚不被FDA批准，这主要是由于具有生物相容性相关的显着问题[8]，是任何生物医学植入物的临床应用的原则要求。临床应用和四类金属生物

材料的当前状态汇总于表1中。

图1 （a）Harrington棒，不锈钢外科装置。（b）一种全髋关节置换棒，通常用

不锈钢，钴或钛基合金制成。

图2 （a）一种血管支架（b）动脉瘤夹，都是用镍合金制成。

表1 四类金属生物材料和它们作为植入物的应用现状

类型主要应用应用现状参考文献不锈钢 1.临时设备（断裂版、螺钉、臀钉等）（Ⅱ级）

2.全髋关节替换（Ⅱ级）

常规应用[9]

钴基合金 3.全关节替换（锻造合金）（Ⅱ级）

4.牙科铸件（Ⅱ级）

常规应用[9]

钛基合金 5.钴铬钼或陶瓷股骨头全髋关节替换与（Ⅱ级）

6.其它永久性设备（钢钉，心脏起搏器）（Ⅱ级）

常规应用[9]

其它合金

镍钛合金 1.正牙弓丝（Ⅰ级）

2.血管支架（Ⅲ级）

3.静脉过滤器（Ⅱ级）

4.颅内动脉瘤夹（Ⅱ级）

5.人工心脏收缩肌（Ⅲ级）

6.导管导丝（Ⅱ级）

7.骨钉（Ⅰ级）FDA批准

FDA批准

FDA批准

FDA批准

研究中

FDA批准

FDA批准

[10]

镁可生物降解骨科植入物（Ⅲ级）动物实验[11],[12]

钽8.整形外科和神经外科缝合丝

9.放射性标记物FDA批准

FDA批准

[13]

aⅠ-Ⅲ在表2中定义

1.2生物医学材料、生物相容性材料和生物材料的定义

生物材料的共同特点是它们都是与生物体紧密接触使用。在材料科学领域，