01生物醫(yī)用金屬材料應(yīng)用進(jìn)展

目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷基合金等，生物可降解鎂合金是近年來快速發(fā)展的新型醫(yī)用金屬材料，有誘人的臨床應(yīng)用潛力。醫(yī)用金屬材料主要應(yīng)用于骨科、齒科及矯形外科的內(nèi)植入物及人工假體等植入醫(yī)療器械的制造，以心血管支架為典型代表的各類管腔支架，以及各式各樣的外科手術(shù)器械和工具，為延長患者壽命、改善患肢功能、提高患者的整體生活質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。

02抗菌醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用進(jìn)展

由植入器械引發(fā)的細(xì)菌感染是臨床上亟待解決的重要問題。抗菌醫(yī)用金屬材料具有強(qiáng)烈的廣譜殺菌功能，可以抑制細(xì)菌生物膜的形成，具有廣闊的應(yīng)用前景。不銹鋼、鈦合金、鈷基合金等醫(yī)用金屬材料應(yīng)用于制造各類植入醫(yī)療器械，通過在這些醫(yī)用金屬材料中加入適量具有強(qiáng)烈抗菌功能的銅元素，使其在生理環(huán)境中持續(xù)和微量釋放銅離子，從而起到顯著的抗菌作用，是降低臨床上發(fā)生細(xì)菌感染的一個(gè)新思路和有效途徑。

表面改性是進(jìn)一步提高現(xiàn)有醫(yī)用金屬材料表面性能的重要途徑，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類金屬植入器件。因此，在醫(yī)用金屬材料表面改性層中添加適量具有強(qiáng)烈抗菌作用的銅、銀等金屬元素或抗菌肽等其他類型抗菌物質(zhì)是應(yīng)對(duì)金屬植入器件相關(guān)感染的直接措施，受到了人們的廣泛關(guān)注，并為之開展了大量的相關(guān)研究。抗菌金屬骨針、抗菌不銹鋼外科手術(shù)器械、抗菌鈦合金牙種植體、抗菌鈷基合金牙冠等產(chǎn)品均進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段[13]。

03鎂合金材料臨床應(yīng)用進(jìn)展

(1) 心血管領(lǐng)域的應(yīng)用。鎂合金在生理?xiàng)l件下的力學(xué)性能及腐蝕動(dòng)力學(xué)均具有良好的可控性，在達(dá)到擴(kuò)張血管目的的同時(shí)，克服了植入體長期存留所造成的并發(fā)癥，同時(shí)其生物降解性為在同一病變進(jìn)行多次介入干預(yù)提供了可能。鎂合金表面帶有負(fù)電荷，具有低血栓源性，降低了支架內(nèi)急性血栓的形成。鎂合金的降解產(chǎn)物鎂是三磷酸腺苷酶的輔因子，也是生理性鈣拮抗劑，可以有效預(yù)防各種缺血再灌注造成的鈣超載損傷。

(2) 骨科領(lǐng)域的應(yīng)用。鎂合金材料與人骨力學(xué)性能匹配，將鎂合金作為骨固定材料會(huì)具有一定的優(yōu)勢。一是鎂及鎂合金密度與人醫(yī)療器械創(chuàng)新網(wǎng)相接近，能有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)，符合理想接骨板的力學(xué)性能要求；二是鎂降解生成的鎂離子易被人體組織吸收或通過體液排出體外，其可生物降解性避免了患者二次手術(shù)的痛苦，兼具良好的生物相容性，使之成為了一種新型骨科醫(yī)用材料。鎂合金材料作為骨固定材料，在骨折愈合初期能夠提供穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境，逐漸而不是突然降低其應(yīng)力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的應(yīng)力刺激，從而加速骨折愈合與塑形，防止局部骨質(zhì)疏松和再骨折的發(fā)生。骨修復(fù)研究的最終目標(biāo)是人工骨不僅可以替代受損的骨骼，還應(yīng)在體內(nèi)逐漸降解，并同時(shí)引導(dǎo)骨細(xì)胞生長，最終實(shí)現(xiàn)骨再生。因此，多孔鎂基合金材料作為骨修復(fù)材料具有很大的可操作性。

(3) 普外科領(lǐng)域的應(yīng)用。鎂合金良好的力學(xué)性能能夠?qū)δ懙拦芮惶峁簳r(shí)的支撐作用，其可靠的生物相容性及可降解性避免了植入支架對(duì)人體的危害和長期放置引起的并發(fā)癥，在肝膽外科尤其是膽道良性疾病的治療方面有著廣闊的發(fā)展前景。

(4) 口腔科領(lǐng)域的應(yīng)用。鎂合金相對(duì)于其他金屬材料而言更接近人體骨密質(zhì)，作為牙種植體材料具有更好的生物力學(xué)相容性，同時(shí)，鎂合金能促進(jìn)鈣磷的沉積，密質(zhì)骨的生長，表明鎂及其合金在口腔種植領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景[14]。

04醫(yī)用鈦合金的應(yīng)用

隨著鈦合金的開發(fā)研制、鈦材品種的增多及價(jià)格的降低，鈦在民用工業(yè)中的應(yīng)用成倍增加。細(xì)分市場占比超過5%的子行業(yè)包括體外診斷、心臟、影像診斷、骨科、眼科、整形六大細(xì)分領(lǐng)域。新型β鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進(jìn)材料。鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)向著低模量、高強(qiáng)度、良好生物相容性和力學(xué)相容性的方向發(fā)展。從發(fā)展趨勢來看，β型鈦合金將成為未來發(fā)展的方向和醫(yī)用鈦合金市場的主流。

與傳統(tǒng)的生物醫(yī)用不銹鋼和鈷鉻合金相比，鈦及鈦合金材料由于其低彈性模量、高比強(qiáng)度、優(yōu)異的生物相容性和耐腐蝕性等特點(diǎn)，具有更適宜的生物醫(yī)用特性，被廣泛應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品(髓內(nèi)釘、固定板、螺釘?shù)?、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體、牙托、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫(yī)用材料。

(1) 牙科。鈦與人體結(jié)締的組織、骨骼上皮組織都具有良好的親和性，優(yōu)良的力學(xué)性能也體現(xiàn)其在醫(yī)用合金中的優(yōu)勢，且密度小、質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、戴用舒適，因此，鈦?zhàn)鳛榱x齒(種植牙)材料受到廣泛青睞。此外，鈦義齒通過表面處理之后，美觀性能增加，能夠滿足大眾對(duì)美的需求，給人以視覺的享受。

(2) 肢體矯正。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[15]，每年世界上約有1億病人患有膝關(guān)節(jié)和臂關(guān)節(jié)等有關(guān)炎癥，進(jìn)行替換手術(shù)治療勢在必行，因此具有優(yōu)良替換功能的鈦合金為患者帶來福音。與陶瓷、不銹鋼等材料相比，鈦合金的彈性模量更接近于人體骨骼，在模量大小上更具有優(yōu)勢。因此鈦合金在踝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)等矯正中得以廣泛應(yīng)用。此外，多孔鈦合金材料能夠使假體具有生物活性，有助于股骨頭的愈合；鈦合金表面的生物相容性較好，能誘導(dǎo)骨細(xì)胞生長，因此被臨床醫(yī)生、骨科領(lǐng)域?qū)＜业人瞥纭?br>
(3) 植入修復(fù)與替代。鈦及鈦合金作為植入修復(fù)物的優(yōu)點(diǎn)主要有：①強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性好；②無毒，對(duì)人體不會(huì)造成傷害；③彈性模量低，與人體骨骼更匹配；④記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復(fù)功能。鈦在顱骨修復(fù)方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在：利用鈦網(wǎng)可以修復(fù)缺損的顱骨。在人體心血管方面的應(yīng)用體現(xiàn)在：制備人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等[15]。

05醫(yī)用不銹鋼的應(yīng)用

醫(yī)用不銹鋼作為醫(yī)用金屬材料的一大類，以金屬植入材料或醫(yī)療器械形式在臨床上用量很大，雖然存在著一些問題，但也促使和推動(dòng)了材料工作者對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改善，主要包括兩方面的工作：?一是對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼的改進(jìn)；另一方面是研究開發(fā)新型醫(yī)用不銹鋼。由于醫(yī)用不銹鋼在體液環(huán)境下的失效很大程度是由點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞及應(yīng)力腐蝕斷裂等局部腐蝕而引起的，因此，優(yōu)異的耐體液環(huán)境腐蝕性能是其應(yīng)用的重要條件和要求，研究工作也主要依據(jù)這一方面來開展。新型醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)包括：(1)鐵素體及雙相醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)；(2)低鎳及無鎳醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)。研究表明[16]，與傳統(tǒng)316L不銹鋼相比，醫(yī)用無鎳不銹鋼具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性能。另外，在避免了Ni離子有害作用的同時(shí)，體內(nèi)和體外結(jié)果均顯示其生物相容性明顯提高，而且還發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的骨誘導(dǎo)和骨整合能力。這為解決傳統(tǒng)不銹鋼作為骨植入材料存在的力學(xué)性能、耐蝕性和生物相容性不足等問題提供了新的材料途徑。在應(yīng)用方面，醫(yī)用無鎳不銹鋼作為空心螺釘材料已經(jīng)被大量使用，在解決人工髖關(guān)節(jié)斷裂和無菌性松動(dòng)等問題方面具有良好前景，同時(shí)醫(yī)用無鎳不銹鋼輕量化在降低接骨板的應(yīng)力遮擋效應(yīng)方面也具有明顯優(yōu)勢。人們還在不斷探索其更多的臨床應(yīng)用潛力[16]。

綜上所述，與傳統(tǒng)醫(yī)用不銹鋼相比，醫(yī)用無鎳不銹鋼作為骨植入材料具有更加優(yōu)異的綜合性能，在骨科植入器械領(lǐng)域中臨床應(yīng)用潛力巨大。目前我國在醫(yī)用無鎳不銹鋼的應(yīng)用基礎(chǔ)研究方面已經(jīng)處于國際先進(jìn)水平，然而在產(chǎn)品開發(fā)方面仍顯落后。因此，在進(jìn)一步開展創(chuàng)新性應(yīng)用基礎(chǔ)研究的同時(shí)，需要加大對(duì)醫(yī)用無鎳不銹鋼在骨科相關(guān)應(yīng)用的成果轉(zhuǎn)化投入[16]。

063D打印生物醫(yī)用金屬材料

醫(yī)用金屬材料具有良好的物理強(qiáng)度、延展性和導(dǎo)電性，這使得它們?cè)谟步M織修復(fù)領(lǐng)域有著絕對(duì)優(yōu)勢。由于金屬熔化溫度高，3D打印難度大，通常采用光固化立體打印和選擇性激光燒結(jié)的方法進(jìn)行金屬3D打印[17，18]。目前，醫(yī)用金屬材料主要被用于打印?骨組織工程支架，用于3D打印的醫(yī)用金屬材料主要包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁等。已有研究人員制備出具有高度互連的多孔結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架材料并具備適當(dāng)?shù)奈锢硇阅芎蜕镄阅躘19]。

06結(jié)束語

當(dāng)生物醫(yī)用金屬材料廣泛被用于植入材料時(shí)，長期的實(shí)用性與安全性便成為了對(duì)醫(yī)用金屬材料的第一要求。目前，醫(yī)用金屬材料在臨床上已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也具備重要的深入研究價(jià)值。雖然生物醫(yī)用金屬材料在過去的幾十年中已得到較快的發(fā)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(yī)用金屬材料的研究并推動(dòng)其發(fā)展顯得尤為必要。