生物医用材料黄小叶

生物金属材料

黄小叶

摘要：本文综述了生物医用金属材料在制备工艺、生物相容性等方面的研究进

展，以及生物医用金属材料表面改性的几种方法，并对表面改性在生物金属材料方面做出了展望。

关键词：生物医用金属材；钛合金；表面改性；生物相容性

前言

金属材料具有高强度、高硬度以及较好的韧性和抗冲击性，在承载部位的应用尤为重要，是临床医学领域广泛使用的材料之一。最常见的用途是作为人工假体、矫形物等承力材料应用于口腔、矫形外科等硬组织系统。它包括医用不锈钢、医用钴合金、钛合金、形状记忆合金、钽铌锆合金以及医用磁性合金等，具有良好的力学性能、较好的生物相容性和耐蚀性。现在使用的各种生物体用材料中，没有一种能满足临床使用的各项要求, 如高耐磨性、优良的生物相容性、高耐蚀性等。可采用表面处理的方法对生物体用金属材料进行表面改性，使基体的金属特性与基体的表层生物活性更好地结合起来，为金属生物材料的应用打下良好的基础。

钛及其合金

低模量型钛合金由无毒、不致敏的元素组成，如(成分均以wt％表示)已经开发用于医学及牙科方面。由于这种合金模量低，可有效促进骨损坏的愈合及再生。这一作用已由向兔胫骨损伤植入髓内金属棒获得证实。以Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr 金属植入兔的骨组织得到良好复原。

这类合金还有望用于牙科修复，如牙冠的镶嵌等。采用重复氧化钙涂层技术将高熔点钛合金(如Ti-29Nb-13Ta-4．6Zr)用于补牙正在研究中。此外，还研究了采用普通的氧化镁基材料将低熔点钛合金用于固定的牙科修复。钛及其合金不但可用于植入，而且可用于牙科固定手术。目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。不久前，采用计算机辅助设计肼算机辅助制造技术用于牙科修复受到关注。

不锈钢和钻合金

无镍不锈钢和钴合金在生物医学中的应用受到重视。由于镍是致敏元素，因而氮不锈钢(即无镍奥氏体不锈钢)获得发展。用普通方法制成的无镍不锈钢，由于含锰量高，不易通过锻造而使其变形。为解决这一难题，开发出一种新的无镍不锈钢制造工艺。第一步制出铁素体不锈钢产品在高温下在氮气中加热。氮气扩散进铁素体不锈钢产品，最终可制成无镍奥氏体不锈钢产品。由于氮的扩散深度仅达表面下几个毫米，因而此工艺只适于制造钢丝之类的小直径制品。拉伸强度超过316L钢，但延伸率却不及316L钢，对1473K下吸氧129．6ks的Fe．24Cr和Fe．24Cr-2Mo不锈钢，仅在表面以下2mm深度内可获得完全的相。在实体模拟环境中，无镍不锈钢的耐蚀特性良好，与普通奥氏体不锈钢相比，无镍不锈钢拥有良好的细胞兼容性。

其他金属生物材料

除了钛材、Co-Cr合金和不锈钢，还研究了Ag-Pd-Cu-Au-Zn合金和锆基非晶合金之类的金属材料，Ag-Pd-Cu-Au-Zn类合金在日本已广泛用作补牙材料。这类合金的力学特性如疲劳强度和断裂韧性与其微结构和铸造缺陷的关系已进行了相关讨论。非晶合金与同一成分的晶态合金相比通常表现出较高的抗拉强度和较低的杨氏模量。非晶合金比晶态合金还表现出较高的耐蚀能力。在一个锆基非晶合金中，杨氏模量曾低达75GPa，这比一般的钛合金低许多(100GPa)。这些特性有利于缩小植入件的尺寸。因此，锆基和钯基非晶合金正在研究用于生物材料。Zr-Al(Ni-Cu)系锆基合金显示出很高的机械强度(51500MPa)和很低的杨氏模量(<100GPa)，预期可作医用材料。在模拟体液环境中，锆基非晶合金的阳极极化行为及表面反应也进行了研究。

生物适配性改进

为改善金属生物材料的耐磨特性、抗蚀性及生物适配性，对材料进行了表面改性处理。为提高钛的骨诱导作用，对如何涂布磷酸钙基材料的方法进行了充分研究。这类工作之所以必需是因为等离子喷射磷酸钙涂覆技术不理想，为了确保植入体表面的完全覆盖，这个方法要求涂覆层必须达到一定厚度。提高骨诱导作用的另一方法是促使在植入人体内的钛表面上生成羟磷灰石。还研究了钛离子注入和给钛材涂覆CaTiO ，经证实这可提高骨骼的生物亲和力。对Co．Cr植入合金还使用过生物活性玻璃涂层。拥有六方结构的磷酸钙陶瓷是各向异性的，由于其物理和化学特性与其晶体取向有关，因而受到研究人员关注。经证实，因在体内的外形和应力条件不同，生物活性磷灰石的优先排列方向会发生变化，通过热处理或高磁场作用，可对磷灰石陶瓷的优先晶向进行控制。

疲劳、磨损疲劳及磨损特性

对力学性能，诸如普通疲劳、磨损疲劳及磨损特性进行了评估和改进。对钛、Co．Cr 合金和不锈钢进行了表面处理以提高其在空气中或模拟体液中的耐磨特性进行了研究，热处理和热力学处理可提高力学特性和疲劳强度，这对植入体的长时间安全使用很关键。钛合金的抗磨损能力比不锈钢或Co．Cr合金之类的金属生物材料都差，因而对钛必须进行表面改性处理，如氧化、氮化、类金刚石碳涂层以及激光束处理等。

生物体用金属材料的表面改性

在生物医学工程中, 表面改性一般都是用于提高植人物的耐磨损性, 抗腐蚀性和生物相容性, 改性后的表面一般呈现“生物惰性”或“生物活性”。

医用金属生物材料主要用于对人体某些组织和器官的加固、修复和替代它包括医用不锈钢、医用钻合金、钦合金、形状记忆合金、担妮错合金以及医用磁性合金等, 具有良好的力学性能, 较好的生物相容性和耐蚀性, 目前在诸如畸齿整形、脊柱矫形、断骨接合、颅骨修补、心血管支撑等方面有着广泛的应用然而, 将其植人到人体中, 仍存在着许多问题如何进一步改善植人材料的生物相容性、抗腐蚀能力, 增强其与活体组织的结合力, 提高安全使用性仍是金属生物材料推广应用的主要问题由于植人材料和人体的相互作用仅在表面的几个原子层处, 故表面改性技术应运而生表面改性技术是通过对金属材料的表面改性, 从而达到改善材料性能的目的国内外学者认为, 金属生物材料的表面改性技术主要可以分为物理化学方法, 形态学方法, 生物化学方法类。

物理化学方法——改善金属生物材料表面性能的主要方法

（1）热喷涂