生物醫用金屬材料又稱醫用金屬材料或外科用金屬材料，當生物醫用金屬材料廣泛被用于植入材料時，長期的實用性與安全性便成為了對醫用金屬材料的第一要求。生物醫用金屬材料在臨床上已經取得了廣泛的應用，同時也具備重要的深入研究價值。文章綜述了生物醫用金屬材料的最新研究進展，詳細介紹了鈦基、鈷基、鎂基、鋯基、鋅基、鋁合金以及不銹鋼、鎢、貴金屬等生物醫用金屬材料的研究與應用進展，展望了未來研究的發展方向及臨床的應用前景。文章指出雖然生物醫用金屬材料在過去的幾十年中已得到較快的發展，但在臨床上廣泛使用的仍然是有限的幾種，因此加大新型醫用金屬材料的研究并推動其發展顯得尤為必要。

生物醫用金屬材料又稱醫用金屬材料或外科用金屬材料，是在生物醫用材料中使用的合金或金屬，屬于一類惰性材料，具有較高的抗疲勞性能和機械強度，在臨床中作為承力植入材料而得到廣泛應用。在臨床已經使用的醫用金屬材料主要有鈷基合金、鈦基合金、不銹鋼、形狀記憶合金、貴金屬、純金屬鈮、鋯、鈦、鉭等[1]。不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金具有強度高、韌性好以及穩定性高的特點，是臨床常用的3類醫用金屬材料。隨著制備工藝和技術的進步，新型生物金屬材料也在不斷涌現，例如粉末冶金合金、高熵合金、非晶合金、低模量鈦合金等。

1

性能要求

生物醫用金屬材料一般用于外科輔助器材、人工器官、硬組織、軟組織等各個方面，應用極為廣泛。但是，無論是普通材料植入還是生物金屬材料植入都會給患者帶來巨大的影響，因而生物醫用金屬材料應用中的主要問題是由于生理環境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質的退變，前者可能導致毒副作用，后者常常導致植入的失敗。因此，生物醫用金屬材料除了要求具有良好的力學性能及相關的物理性質外，優良的抗生理腐蝕性和生物相容性也是其必須具備的條件。

生物醫用金屬材料的性能要求：(1)機械性能。生物醫用金屬材料一般應具有足夠的強度和韌性，適當的彈性和硬度，良好的抗疲勞、抗蠕變性能以及必需的耐磨性和自潤滑性。(2)抗腐蝕性能。生物醫用金屬材料發生的腐蝕主要有：植入材料表面暴露在人體生理環境下發生電解作用，屬于一般性均勻腐蝕；植入材料混入雜質而引發的點腐蝕；各種成分以及物理化學性質不同引發的晶間腐蝕；電離能不同的材料混合使用引發的電偶腐蝕；植入體和人體組織的間隙之間發生的磨損腐蝕；有載荷時，植入材料在某個部位發生應力集中而引起的應力腐蝕；長時間的反復加載引發植入材料損傷斷裂的疲勞腐蝕，等等。(3)生物相容性。生物相容性是指人體組織與植入材料相互包容和相互適應的程度，也就是說植入材料是否會對人體組織造成破壞、毒害和其他有害的作用。生物醫用材料必須具備優異的生物相容性，具體體現在：對人體無毒、無刺激、無致癌、無突變等作用；人體無排異反應；與周圍的骨骼及其他組織能夠牢固結合，最好能夠形成化學鍵合以及具有生物活性；無溶血、凝血反應，即具有抗血栓性。生物相容性是衡量生物材料優劣的重要指標[2]。

2

研究現狀

生物醫用鈦合金材料是用于生物醫學工程的一類功能結構材料，常用于外科植入物和矯形器械產品的生產和制造。鈦合金醫療器械產品如人工關節、牙種植體和血管支架等用于臨床診斷、治療、修復、替換人體組織或器官，或增進人體組織或器官功能，其作用是藥物不能替代的。醫用鈦合金材料研究涉及材料、物理、化學、生物、醫學、電子顯微及生化分析等多個學科，研究方向包括：醫用金屬材料的合金設計與評價體系、材料的加工-組織-性能關系與人體軟、硬組織的相容性匹配、材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性和耐蝕性等)及材料基體與表面(界面)的相互作用規律等。

純鈦具有無毒、質輕、強度高、生物相容性好等優點。20世紀50年代美國和英國開始把純鈦用于生物體。20世紀60年代后，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年發展起來的新型β鈦合金，如表1所示，鈦合金在人體植入材料方面的研究獲得了較快的發展。

鈦的密度與人骨近似，質輕。純鈦生物相容性好，強度為390~490 MPa。實驗證明，鈦相比于鈷基合金和不銹鋼的抗疲勞性和耐蝕性能更優越，鈦的表面活性好，組織反應輕微，容易與氧發生反應建立致密氧化膜，鈦的氧化層比較穩定。因此，鈦與鈦合金具備生物醫用材料的條件，是一種較為理想的、適于植入體的、具有發展前途的植入材料。臨床上廣泛采用鈦與鈦合金制造人工關節部件、接骨板和螺釘等，還用于制成人造椎體(脊柱矯正器)、人工心臟(心臟瓣膜)、人工種植牙、心臟起搏器外殼等[3]。

圖片來源：春立在線公眾號

鎳鈦形狀記憶合金是一種在一定溫度下經過處理能夠塑性變形為另一種形狀，而在一定條件下又能自動恢復成原有形狀的形狀記憶合金。鎳鈦形狀記憶合金的疲勞極限較高，耐腐蝕性良好，其具有的獨特的形狀記憶恢復溫度與人體溫度相適宜，具有良好的生物相容性，因此在醫學領域得到廣泛應用。近年來，鎳鈦形狀記憶合金開始應用于心血管治療領域，鎳鈦形狀記憶合金支架可應用于冠心病的治療，具有較大發展前景。

鈦合金在生物醫用領域的應用呈快速發展的趨勢，結合國內外的研究現狀，其未來的發展方向為：(1) 單晶生物醫用鈦合金，沿某一方向生長獲得的單晶材料可獲得接近人體骨骼的彈性模量，制作的植入體也會具有更好的彈性模量匹配；(2) 超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物相容性及產業化；(3) 超彈性和形狀記憶功能醫用低彈性模量鈦合金的組織性能調控；(4) 調節孔隙率的大小來降低生物醫用多孔鈦合金材料彈性模量的同時提升其力學性能[5]。

鈷基合金醫用金屬材料

鈷基合金通常指Co-Cr合金，有2種基本牌號：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微觀組織為鈷基奧氏體結構，能夠鍛造或鑄造，但制作加工非常困難，其機械性能和耐蝕性優于不銹鋼，是現階段比較優良的生物醫用金屬材料。鍛造鈷基合金是一種新型材料，用于制造關節替換假體連接件的主干，如膝關節和髖關節替換假體等。美國材料實驗協會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金(F76)、鍛造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)，其中F76和F562已廣泛用于植入體制造[6]。

不銹鋼醫用金屬材料

醫用不銹鋼具有低成本和良好的加工性能、力學性能等，目前在口腔醫學和骨折內固定器械、人工關節等領域應用廣泛。302不銹鋼是最早使用的醫用金屬材料，抗腐蝕性能較好，強度較高。有研究人員將鉬元素加入不銹鋼中制作316不銹鋼，有效地改善了醫用不銹鋼的抗腐蝕性。20世紀50年代，研究人員研制出新的316L不銹鋼，將不銹鋼中的最高碳含量降至0.03%，使得材料的抗腐蝕性能得到進一步提高。從此，醫用不銹鋼便成為國際上公認的外科植入體的首選材料。

雖然鈷基合金的抗蝕性強于不銹鋼，但是醫用不銹鋼具有價格低廉、易加工的優勢，可制成各種人工假體及多種形體，如齒冠、三棱釘、螺釘、髓內針、板、釘等器件，另外制作手術器械和醫療儀器時也廣泛應用，現階段醫用不銹鋼依然是應用最為廣泛的醫用金屬材料。目前常用的醫用不銹鋼為316L、317L，不銹鋼中的C質量分數≤0.03%可以避免其在生物體內被腐蝕，主要成分為Fe60%~65%，添加重要合金Cr17%~20%和Ni12%~14%，還有其他少量元素成分，如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S。

為了避免鎳的毒性作用，研究人員研制出了高氮無鎳不銹鋼[7]。近些年來，低鎳和無鎳的醫用不銹鋼逐漸得到發展和應用。日本的物質材料研究所(筑波市)開發了一種不含鎳的硬質不銹鋼的簡易生產方法，解決了無鎳不銹鋼難以加工而制造成本太高的問題，生產成本低廉，有望廣泛用于醫療領域。

生物醫用鋁合金材料

鋁及其合金材料具有良好的性能，可塑性和生物相容好，作為植入材料早在20世紀40年代就已廣為使用，目前可承受高負荷的部件也多用鋁及其合金制成。鋁具有較高的耐蝕性，除在氫氟酸、苛性堿、熱的濃硫酸、鹽酸和硝酸的混合液溶解外，其他試劑對鋁都發揮不了腐蝕作用，體液不影響鋁的交變疲勞強度，良好的生物相容性使得鋁植入材料不刺激人體。另外，相比于不銹鋼，鋁的抗缺口裂紋擴展能力很高。

生物醫用可降解鎂合金材料

多孔鎂合金材料作為一種可降解的生物材料可為細胞提供三維生長的空間，有利于養料和代謝物的交換運輸。鎂本身具有生物活性，可誘導細胞分化生長。在材料降解吸收的過程中，種植的細胞會繼續增殖生長，有望形成新的具有原來特定功能和形態的相應組織和器官，以達到修復創傷和重建功能的目的。生物醫用可降解鎂合金材料的完全可降解性和杰出的生物相容性使其有望廣泛應用于臨床硬組織修復或替代。可降解鎂合金血管支架是鎂合金作為可降解生物醫用金屬材料研究領域最大的研究進展。

生物醫用鎂合金具有良好的生物相容性、力學相容性和可降解性而受到了廣泛關注，但是腐蝕速率過快又限制了其實際應用。針對這個問題，研究者提出了鎂合金的合金化、表面處理、非晶化和復合材料等4類解決方案，實驗表明雖然抗腐蝕性能得到了明顯改善但是4類方案仍然沒有完全解決鎂合金在實用化道路上的所有問題，因此需要更好的實驗設計和方案來解決這些問題：(1)選擇對生物體無毒無害的恰當的合金元素摻入鎂合金體系，使其綜合性能得到提高；(2)結合上述兩種甚至多種策略同時對鎂合金進行處理，從而同時優化其各項性能指標；(3)進一步完善和規范生物醫用鎂合金材料的體外和體內測試標準，加速其大規模實用化的應用研究[8]。鎂合金的安全性和降解速率是其能否成為標準商用的可降解生物醫用材料主要影響因素。可降解鎂合金在生理環境下的腐蝕降解過程和機制、過程控制方法、生物相容性等問題還亟待進一步研究闡明。可降解鎂合金材料的未來研究方向：(1)通過合金化、冷加工、熱處理和表面處理等方法改善鎂合金的耐腐蝕性能；(2)添加合金元素對于材料生物相容性的影響；(3)對腐蝕過程中材料力學性能變化的分析；(4)可降解鎂合金材料腐蝕產物的成分分析以及生物安全性評價。相信在不久的將來，鎂合金必定會在醫用金屬植入材料領域得到廣泛的應用[9]。

生物醫用鋯基合金材料

鋯基生物醫用合金材料因其強度高、韌性好、抗腐蝕性好且具有良好的生物相容性等優點而被廣泛應用于醫療領域。

Zr是一種擁有優良耐腐蝕性能、組織相容性好、無毒性的金屬，常被用作合金化元素添加進Ti合金中，以提高Ti合金的機械性能。從Zr-Ti 二元相圖可以看出，Zr和Ti能相互溶解，說明它們具有相似的物理和化學性質。近年來，通過添加無毒副作用的合金元素對Zr合金進行強化及性能優化開發出了新型生物醫用合金材料。

從近些年Zr基生物醫用合金材料的體系開發及相關性能研究來看：一方面，研究逐漸從單一的關注材料機械性能轉到關注材料的機械性能和生物相容性能和諧發展，未來Zr基生物醫用合金材料的研究將以不斷提高其使用安全性為主；另一方面，科研工作者也應致力于建立Zr基生物醫用合金材料體系的基礎數據庫，比如體系的相圖、熱力學數據、對人體毒性的系統化研究、人體環境中的腐蝕機理等。隨著現代科學技術的發展，從分子水平上展開Zr基生物醫用合金材料的研究，深入了解其對人體的影響，使基礎數據庫日益完善。

此外，為推動Zr基合金在生物醫用材料領域的應用，還應從材料設計與制備方面加強研究，例如，從第一原理出發進行Zr基生物醫用合金材料新體系的設計，為新型合金的開發提供指導；從有限元分析的角度出發設計Zr基生物醫用合金材料的醫療器械創新網，對復雜的挑戰性需求形狀進行混合加工；采用3D打印技術完成Zr基生物醫用合金植入體的定制化打印，以滿足不同患者的需求。

生物醫用可降解鋅基合金材料

大量研究表明，Zn作為新一代可降解金屬具有廣闊的應用前景。合金化可以克服純鋅力學性能差的缺陷，另外合金化元素的加入在有效改善鋅基合金力學性能的同時也能夠給合金帶來一定的生物性能改變：Mg的添加提高了Zn的細胞相容性，Cu和Ag能夠增強合金抗菌性能，Cu2+還能對血管內皮化產生積極作用。目前對鋅及其合金的研究多集中在體外實驗和小動物研究，而對于植入材料研究而言，接近于人體應用環境的大動物實驗(原位)研究是必需的，并且在以后的研究中也應著重提高Zn基合金的生物相容性。馮相蓺等綜述了鋅鎂合金、鋅銅合金、鋅銀合金、鋅鋰合金等鋅基合金的主要研究進展[10]。

生物醫用金屬材料——鎢

鎢是除了碳之外熔點最高的元素，由于其較好的輻射不透過性和致血栓性，純鎢機械可脫性微彈簧圈被用于介入手術治療腦動脈瘤，并表現出良好的生物相容性，但是鎢的可降解性往往導致被堵塞的血管再通以及血清中鎢離子濃度增大。

生物醫用貴金屬材料

用作生物醫用材料的金、銀、鉑及其合金總稱為醫用貴金屬。貴金屬的價格比較昂貴，但具有較好的生物相容性，因此，類貴金屬得以發展，例如仿金材料等。

醫用貴金屬(金、銀、鉑等)具有獨特的生物相容性，良好的延展性，且對人體無毒，是人類最早應用的醫用金屬材料之一。其中，鉑族金屬是醫學上重要的鑲牙材料；另外，鉑族催化劑對氧化作用來說具有極好的催化活性，還有著良好的導電率和抗蝕性，可用作人工心臟的能源。

納米銀因其獨特的光學、電學、生物學特性而引起了科技界和產業界的廣泛關注，成為近年來的研究熱點之一。納米銀的波長低于光的臨界波長，賦予了其透明的特性，所以被廣泛應用在化妝品、涂層及包裝上。銀納米粒子具有表面效應、小尺寸效應、宏觀隧道效應、量子尺寸效應，開創了在催化劑材料、防靜電材料、低溫超導材料、導電涂層、導電油墨等領域的應用。銀納米粒子能橫穿血管，到達目標器官，而且能附在DNA單鏈中，促使其出現了生物傳感、生物標記、生物成像、醫療診斷及治療等生物醫學領域上的應用。納米銀具有良好的廣譜抗菌能力，被應用在藥膏和面霜中，防止燒傷及開放性傷口表面被細菌感染。銀納米材料也應用于醫療器械及設備、水凈化裝置、運動設備、抗菌類醫藥、植入體、抗菌涂料等領域[11]。

其他生物醫用金屬材料

大塊非晶合金具有不同于晶態合金的獨特性質，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、高疲勞抗力、低彈性模量等，有可能用于接骨板、螺釘、起搏器等方面。因此開展了大量的有關研究，其中尤以鈦基、鋯基、鐵基、鎂基、鈣基為主。

高熵合金是另一類具有研究前途的新型金屬材料，這是基于大塊非晶合金具有超高玻璃化形成能力的合金。高熵合金一般由5種以上的元素按照原子比或接近于等原子比合金化，其混合熵高于合金的熔化熵。五元合金相圖中，在中間位置存在固溶體相區。高熵合金具有一些傳統合金所無法比擬的優異性能，如高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性、低彈性模量、良好的生物相容性等。另外，通過添加不同的元素，如銀、銅等還可以具有抗菌性能。

從未來發展趨勢上看，可生物降解醫用金屬材料的研究將集中在：(1)通過合金化、冷加工、熱處理和表面處理等方法改善鎂合金和鐵合金的腐蝕速度；(2)合金化后添加元素對于材料生物相容性的影響；(3)為了避免植入物在早期失效，對于腐蝕過程中材料力學性能變化的分析；(4)可生物降解醫用金屬材料腐蝕產物的成分分析以及生物安全性評價；(5)尋找新的可生物降解合金體系，挖掘潛在的應用可能；(6)建立更為完善的體外評價標準，使得體外實驗對于體內實驗結果的預測更加精確。隨著可生物降解性醫用金屬材料研究的不斷深入，可以預見材料的性能將逐漸完善以滿足臨床應用的需求，這類新材料有望部分取代部分傳統的生物醫用金屬材料在臨床上獲得實際應用[12]。