1前言

1.1生物醫(yī)用金屬材料基本概念

生物醫(yī)用材料是指用于醫(yī)療上能夠植入生物體或與生物組織相接合的材料，可用于診斷、治療，以及替換生物機體中的組織、器官或增進其功能。目前用于臨床的生物醫(yī)用材料主要包括生物醫(yī)用金屬材料、生物醫(yī)用有機材料（主要指有機高分子材料）、生物醫(yī)用無機非金屬材料（主要指生物陶瓷）、生物玻璃和碳素材料以及生物醫(yī)用復(fù)合材料等。

與生物陶瓷及生物高分子材料相比，生物醫(yī)用金屬材料，如不銹鋼、鈷基合金、鈦和鈦合金以及貴金屬等具有高的強度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強度、優(yōu)異的加工性能等許多其它醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能。

1.2生物醫(yī)學(xué)對材料的要求

生物醫(yī)用金屬材料在應(yīng)用中面臨的主要問題，是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴散以及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，后者可能導(dǎo)致植入失效。因此研究和開發(fā)性能更優(yōu)、生物相容性更好的新型生物醫(yī)用金屬材料依然是材料工作者和醫(yī)務(wù)工作者共同關(guān)心的課題。

醫(yī)用金屬材料作為生物材料的一類，其研究和發(fā)展要嚴格滿足如下的生物學(xué)要求：良好的組織相容性，包括無毒性、無熱源反應(yīng)、不致畸、不致癌、不引起過敏反應(yīng)或干擾機體的免疫機理、不破壞臨近組織，也不發(fā)生材料表面的鈣化沉著等；良好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，包括強度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性以及界面穩(wěn)定性等；易于加工成型，材料易于制造；價格適當。

對于植入心血管系統(tǒng)或與血液接觸的材料，除能滿足以上條件外，還須具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血性好）、不破壞紅細胞（不溶血）、不破壞血小板、不改變血中蛋白特別是脂蛋白、不擾亂電解質(zhì)平衡等。

2 我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

作為近30年來發(fā)展出的一類技術(shù)附加值最高的高技術(shù)新材料，生物醫(yī)用材料正在成長為21世紀世界經(jīng)濟的一個支柱性產(chǎn)業(yè)。近年我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，尤其是介入支架和骨科器材，發(fā)展速度非?？?。2008年中國生物醫(yī)用材料全行業(yè)總產(chǎn)值2200億元，同比增長15%；產(chǎn)值超過億元的企業(yè)超過120家，較大規(guī)模的企業(yè)已經(jīng)開始形成（雖與國際相比規(guī)模不是很大），部分產(chǎn)品開始出口，來自民間的產(chǎn)業(yè)資本投資力度加大；中國生物醫(yī)學(xué)工程科學(xué)研究領(lǐng)域取得了很大成果，在國際生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)界占有重要地位，中國首次承辦世界生物材料大會，標志著我國生物材料已快速登上國際舞臺。

國產(chǎn)介入支架從2006年以來開始異軍突起，改變了中國介入材料市場被國外產(chǎn)品主導(dǎo)的格局。2008年介入支架的市場持續(xù)擴大，應(yīng)用量達到了30萬個，18萬例（2007年為15萬例），產(chǎn)值達到了40億元左右，國產(chǎn)支架的市場占有率也持續(xù)增加到了60%。目前國內(nèi)已有4家企業(yè)的藥物支架獲準上市，包括微創(chuàng)醫(yī)療器械（上海）有限公司、樂普（北京）醫(yī)療器械股份有限公司、山東吉威醫(yī)療制品公司、大連垠藝生物材料研制開發(fā)有限公司，還有近10家正在臨床研究。骨科修復(fù)材料研究與產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，國內(nèi)科研水平已與國際相差不大。去年，清華大學(xué)崔福齋教授等人完成的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的納米晶磷酸鈣膠原基骨修復(fù)材料獲得了“2008年國家技術(shù)發(fā)明二等獎”，在脊柱修復(fù)材料和人工關(guān)節(jié)2個方面取得重要突破，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于骨科、口腔科、整形外科等各種骨缺損的修復(fù)，目前人工關(guān)節(jié)的國產(chǎn)化率達到50%左右。

但是我國生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)還存在許多問題，一是自創(chuàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化能力差，還占不到世界產(chǎn)值的3%，產(chǎn)品檔次還需要大的改進；二是缺乏統(tǒng)一的行業(yè)管理與標準。在日趨深化的國際化競爭下，中國生物醫(yī)用材料行業(yè)面臨前所未有的壓力。

3 生物醫(yī)用金屬材料

生物醫(yī)用金屬材料又稱為外科植入金屬材料，具有高的機械強度和抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用中最廣泛的承力植入材料。臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鉆基合金、鈦合金和記憶合金等幾大類。此外還有形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

3.1醫(yī)用不銹鋼

不銹鋼是最早的人體植入材料，用作生物醫(yī)用材料的不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，且加工工藝簡便，比較廉價，是目前生物醫(yī)用金屬材料中應(yīng)用最多、最廣的一類材料。醫(yī)用不銹鋼主要應(yīng)用丁骨骼系統(tǒng)的置換和修復(fù)方面，此外在齒科、心臟外科、心血管植入支架等方面也得到應(yīng)用。奧氏體不銹鋼，特別是316和316L不銹鋼，具有比其他不銹鋼更好的抗蝕性能，被廣泛用作金屬植入材料，316L不銹鋼是制作醫(yī)用人工關(guān)節(jié)常用金屬材料，主要用作關(guān)節(jié)柄和關(guān)節(jié)頭。

醫(yī)用不銹鋼用于生物體內(nèi)，存在生物相容性及相關(guān)問題，主要涉及到不銹鋼植入生物體后由于腐蝕或磨損造成金屬離子溶出所引起的組織反應(yīng)等，特別是不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā)的嚴重病變（通常奧氏體醫(yī)用不銹鋼均含有10%左右的鎳）。臨床表明316L不銹鋼植入人體后，在生理環(huán)境中，有時會產(chǎn)生縫隙腐蝕或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題，并且會因摩擦磨損等原因釋放出Ni²⁺，Cr³⁺和Cr⁵⁺，從而引起假體松動，最終導(dǎo)致植入體失效。對316L不銹鋼而言，提高耐蝕性是關(guān)鍵。鉬的加入提高了不銹鋼在鹽水中的抗蝕性能。瑞典的Sandvik鋼公司制造了兩類主要的人體植入物用不銹鋼:SandvikBioline316LVM和

Sand2vikBiolineHigh-N不銹鋼。SandvikBioline316LVM不銹鋼是由真空熔煉的加鉬合金化的奧氏體系不銹鋼，它相當于ASTMF138-97Grade2和F139-96Grade2；SandvikBiolineHigh-N不銹鋼是一種高純度的高氮含鉬奧氏體系不銹鋼，相當于F1586-95不銹鋼。

目前，在工業(yè)制品等方面廣為應(yīng)用的不銹鋼大都含有一定數(shù)量的鎳，如果作為醫(yī)療器具而埋入人體內(nèi)部，接觸人體組織時就有可能發(fā)生金屬過敏問題。因此，日本的物質(zhì)材料研究所（筑波市）開發(fā)了一種不含鎳的硬質(zhì)不銹鋼的簡易生產(chǎn)方法，該方法首先將軟質(zhì)的無鎳不銹鋼加工成所要求的形狀后，加熱到高溫進行滲氮處理，可使其強度和硬度提高1.4倍左右，這樣生產(chǎn)的無鎳不銹鋼解決了原來難以加工而制造成本太高的問題。利用此法生產(chǎn)的無鎳不銹鋼，生產(chǎn)成本低廉，有望廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域。近些年低鎳和無鎳的醫(yī)用不銹鋼正逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。

由于對高氮不銹鋼的深入研究，低鎳和無鎳Cr-Mn-N型奧氏體不銹鋼的研究又引起人們的興趣。一些研究者提出把高氮含量的Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)，他們指出這種不銹鋼具有良好的抗腐蝕能力，特別是抗點蝕和晶間腐蝕，而且具有較高的耐磨性，重要的是鋼中沒有鎳元素，從而可避免鎳元素在人體內(nèi)析出造成的致敏性及其它組織反應(yīng)。最近國內(nèi)外研究者已經(jīng)研究和正在研究的醫(yī)用無鎳或低鎳奧氏體不銹鋼。這類不銹鋼由于加人大量的氮元素來穩(wěn)定和強化奧氏體，降低了鋼的成本。無鎳或低鎳高氮奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和抗蝕性能，在許多性能方面相當于或超過現(xiàn)有的醫(yī)用不銹鋼，當然其進一步研究和臨床應(yīng)用還有許多工作要做。

3.2醫(yī)用鈷基合金

醫(yī)用鈷基合金也是醫(yī)療中常用的醫(yī)用金屬材料，相對不銹鋼而言，醫(yī)用鈷基合金更適合于制造體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件。但是由于鈷基合金價格較貴，并且合金中的Co、Ni元素存在著嚴重致敏性等生物學(xué)問題，應(yīng)用受到一定的限制，近些年通過表面改性技術(shù)來改善鈷基合金的表面特性，有效提高了其臨床效果。

鈷基合金通常指Co-Cr合金，有Co-Cr-Mo和Co-Ni-Cr-Mo合金2種基本牌號。鍛造加工的Co-Ni-Cr-Mo合金是一種新材料，用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)替換假體等。美國材料實驗協(xié)會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金，它們是: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)。其中鍛造Co-Cr-Mo合金和鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金已廣泛用于植入體制造。在人工關(guān)節(jié)方面，ISO允許使用制作人工關(guān)節(jié)部件的鈷基合金已達到6種，這充分說明鈷基合金在人工關(guān)節(jié)方面有著廣泛的應(yīng)用。另據(jù)報導(dǎo)，一種可熱處理的、非磁性的鈷基合金(Havar合金)具有很高的強度和優(yōu)異的抗腐蝕性，現(xiàn)已證明其具有醫(yī)學(xué)植入的兼容性。試驗表明，Havar合金對于細胞毒性、系統(tǒng)毒性、皮膚內(nèi)疼痛、肌肉內(nèi)的植入、皮膚過敏、溶血作用和熱解性都是無害的。

另外通過對鈷基合金的熱處理，也可改善它的使用性能，如四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以有效提高鈷鉻鉬高熔鑄造合金的抗拉強度，也能有效增強口腔鑄造合金的彎曲彈性模量、抗彎強度、耐磨性和耐腐蝕性。

3.3醫(yī)用鈦合金和鎳鈦形狀記憶合金

3.3.1醫(yī)用鈦合金

與其他醫(yī)用金屬材料相比，鈦合金最顯著性能特點是密度較小、彈性模量值較低，約為其他醫(yī)用金屬材料的一半，密度接近人體硬組織，因此在骨科領(lǐng)域應(yīng)用較廣。20世紀50年代美國和英國首先將純鈦用于生物體。1973年，北京有色金屬研究總院與天津市骨科醫(yī)療器械廠合作，生產(chǎn)了300個鈦人工股骨和髖關(guān)節(jié)，并用于臨床。后來，人們發(fā)現(xiàn)Ti-6Al-4V合金的性能優(yōu)于純鈦，Ti-6Al-4V合金的生物相容性比不銹鋼和CoCrMo合金都要強，耐蝕性好，其彈性模量與骨骼接近，且密度輕（4.51g/cm³），可用于人工關(guān)節(jié)及骨科內(nèi)固定器的制造，因此作為人體植入材料得到了廣泛應(yīng)用。

從第一代（α+β）雙相型鈦合金Ti-6Al-4V到第二代（α+β）雙相型鈦合金Ti-5Al-2.5Fe、Ti-6Al-7Nb，醫(yī)用鈦合金的綜合力學(xué)性能與工藝性能有了顯著的改進和提高，并去掉了對人體有毒性的V元素。新型（α+β）鈦合金Ti-15Zr系和Ti-15Sn系合金則同時去掉了V和Al。近年來開發(fā)出的一些新型鈦合金，主要是β型合金，則都注重減少了對人體有一定危害的元素，有效地改善了鈦合金的生物相容性。最新開發(fā)的生物醫(yī)用鈦合金主要包括：

（1）（α+β）型鈦合金：Ti-5Al-3Mo-4Zr；Ti-6Al-2Nb-Ta；Ti-6Al-7Nb；Ti-15Sn-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-4Ta。

（2）β型鈦合金：Ti-15Mo；Ti-15Mo-5Zr-3Al；Ti-12Mo-6Zr-2Fe；Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si；Ti-13Nb-13Zr；Ti-16Nb-10Hf；Ti-35Nb-5Ta-7Nb。

上述新型鈦合金中減少或消除了Al和V元素的影響，并采用Zr、Nb、Ta、Sn等作為合金元素來改善鈦合金的機械性能、耐蝕性能生物相容性。如Ti-13Nb-13Zr是美國研制的一種新型生物植入鈦合金，該合提高了與生物體的相容性，并且有較高的強度和優(yōu)異的耐腐蝕性，這種新型合金在500℃溫度下擴散硬化，產(chǎn)生一種層狀鈦氧化物陶瓷，十分堅固和光滑，可做骨頭連接部件。最近日本的研究者在原有鈦金的基礎(chǔ)上通過添加Pd、Ta、Nb、Zr及氧和氮元素來改善性能，開發(fā)出細胞容性良好，耐蝕性優(yōu)越，室溫強度和疲勞強度較高的Ti-15Zr-4Nb-4Ta-0.2Pd-0.2O-0.05N鈦合金，有望成為下一代生體用合金，但尚須進行大的臨床實驗。

在今后醫(yī)用金屬材料的發(fā)展中，依據(jù)我國的資源優(yōu)勢，繼續(xù)提高和改善鈦合金的綜合力學(xué)性能和工藝性能，充分發(fā)揮醫(yī)用鈦合金的優(yōu)點仍是不可忽視的一個方面。從金屬植入材料的研究現(xiàn)狀來看，純鈦及其鈦合金具有其它材料無可比擬的優(yōu)越性，特別是近些年發(fā)展起來的新型β-鈦合金。因此，開發(fā)研究更適合臨床應(yīng)用的新型β鈦合金不失為人體用金屬植入材料的一個主要發(fā)展方向。生物醫(yī)用鈦合金進一步的研究動向是深入研究合元素對鈦合金的組織和性能的影響，改善其綜合力學(xué)性能和工藝性能；研究鈦合金體內(nèi)外生物學(xué)相容性試驗與臨床試驗的相關(guān)性，為新型醫(yī)用鈦合金的發(fā)展提供依據(jù)。另外還可運用新工藝和新技術(shù)開展表面改性研究，發(fā)展梯度功能材料。

3.3.2醫(yī)用鎳鈦形狀記憶合金

通過對鈦合金加入約1：1的鎳，可形成鎳鈦形狀記憶合金，由于其特有的物理性能，它在醫(yī)用上表現(xiàn)出其它材料無可替代的作用。醫(yī)用鎳鈦形狀記憶金的形狀記憶恢復(fù)溫度為36士2℃，符合人體溫度，在臨床上表現(xiàn)出不銹鋼和鈦合金相當?shù)纳锵嗳菪?。醫(yī)用形狀記憶合金主要用于整形外科和口腔科，鎳鈦記憶合金應(yīng)用最好的例子是自膨脹支架，特別是心血管支架。國內(nèi)醫(yī)用形狀記憶合金研究始于20世紀70年代，很快得到了廣泛應(yīng)用。臨床上已采用的形狀記憶合金主要有鎳鈦形狀記憶合金和銅基形狀記憶合金，前者應(yīng)用廣泛。

但鎳鈦記憶合金也有其不足之處，由于鎳鈦記憶合金中含有大量的鎳元素，如果表面處理不當，則其中的鎳離子可能向周圍組織擴散滲透，造成人體過敏反應(yīng)。

自鎳鈦形狀記憶合金應(yīng)用于醫(yī)學(xué)以來，除在整形外科和口腔科一方面的應(yīng)用較多外，近年來越來越多地應(yīng)用于心血管病的治療，特別是支架介入治療的日益盛行，各種各樣的記憶合金支架開始應(yīng)用于冠心病的治療。目前，醫(yī)用多孔鎳鈦形狀記憶合金的研究受到國際上的極大關(guān)注，我國在此方面雖然開展了一定研究，但尚處于初級階段。多孔鎳鈦記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)、偽彈性、生物相容性和高的力學(xué)性能，其多孔結(jié)構(gòu)使植入物的固定更可靠，有利于人體體液營養(yǎng)成分的傳輸，可大大縮短病人的康復(fù)期。具有特殊性能的鎳鈦記憶合金表現(xiàn)出較好的植入效果，必將具有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.4醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬

醫(yī)用貴金屬是指用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相容性較好，但價格昂貴，所以類貴金屬得到發(fā)展，如仿金材料的研究。

鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈現(xiàn)毒性反應(yīng)，鉭可與其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。在臨床上，鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。與不銹鋼相比，鉭有很高的抗缺口裂紋擴展能力。在相同的交變載荷下，鉭制髓內(nèi)針的回轉(zhuǎn)剛性比AO用鋼材高60倍。鉭可作人工骨、矯形器件、釘、縫針和縫線。尤其是用鉭絲縫合修復(fù)肌腱、神經(jīng)和血管更顯優(yōu)越。鉭片或箔可修復(fù)顱骨、腹壁。五氯化鉭與少量三氧化鐵混合物還可以加速血液的凝結(jié)。鈮、鉭及鋯與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)上也得到一定應(yīng)用。

鉑族金屬是重要的鑲牙材料，鈀是形變或鑄造鑲牙合金廣泛采用的合金元素。鉑族催化劑對氧化作用具有極好的催化活性，并有良好的抗蝕性和導(dǎo)電率，是燃料電池最理想的催化劑，可用作人工心臟的能源。

但總的來說，醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制。

3.5新材料開發(fā)

材料科學(xué)的進展，在醫(yī)學(xué)上同樣重要。在滿足醫(yī)療應(yīng)用研究上，主要包括工藝改進、新的合金材料和復(fù)合材料研制等方面。

3.5.1 Cop型不銹鋼

為提高316L型不銹鋼的抗蝕性和彌補強度的不足，利用沉淀硬化法研制出了Cop型不銹鋼。I型合金是鐵基的，含鈷、鉻、鎳各20%，鉬4%，加入磷0.2%以產(chǎn)生時效強化。其強度及耐磨性不亞于鈷基合金，臨床上已用于人工關(guān)節(jié)。

3.5.2多孔材料

人工假體的固定一般用機械法（嵌入、螺釘）或粘合劑，均非生物性固定，有可能出現(xiàn)假體松動或下沉，且可能導(dǎo)致骨質(zhì)溶解。70年代以來，已在研制多孔材料并推廣應(yīng)用，如多孔鈦、多孔鈷基合金等，使骨質(zhì)長入、獲得生理結(jié)合。西北有色金屬研究院與第四軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院對微孔鈦的研究證明，孔徑200um-250um、孔隙率35-45%時，骨質(zhì)可以長入，深度（3月內(nèi)）達3000um。界面剪切強度＞4.6±0.36Mpa。從而可以用于人工假體、骨缺損及肌腱假體，使獲得內(nèi)鎖型生物鑲嵌性固定。

3.5.3復(fù)合材料

為了減少金屬/金屬的磨損與過敏反應(yīng)，臨床上已盡量改用人工假體的金屬/高分子或陶瓷/高分子等復(fù)合材料，或金屬表面高分子涂層組成的復(fù)合材料，或混用多種材料制成植入器件，這已成為普遍采用的方式，關(guān)于這方面，這里不再贅敘。  

4 表面改性和生物鍍膜在醫(yī)用金屬材料上的應(yīng)用

對于生物醫(yī)用材料，植入物的生物相容性是最基本的要求。一些研究者提出，植入物的生物相容性包括體相容性和植入物與組織體液間的界面相容性，體相容性與材料的機械性能及植入物的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，而界面相容性主要是指發(fā)生于材料和體液間的化學(xué)反應(yīng)，以及生物體對這些反應(yīng)的生理反應(yīng)。生物醫(yī)用材料雖然兼顧了材料的力學(xué)性能和生物化學(xué)性能，但是很難同時具有良好的體相容性和界面相容性。生物醫(yī)用材料直接接觸人體組織，因此其表面性能非常重要。為了使植入體內(nèi)的材料充分發(fā)揮其功能，最好將其表面加以適當?shù)奶幚?，提高表面耐蝕性和耐磨性或改善其生物學(xué)特性從而減小其生物學(xué)毒性，這也是醫(yī)用金屬材料今后的一個重要發(fā)展方向。

生物醫(yī)用金屬材料易磨損和腐蝕，因此利用表面改性技術(shù)來提高醫(yī)用材料的生物相容性，近些年國內(nèi)外的學(xué)者對此已經(jīng)開展了較多的研究，尤其是對骨、齒等硬組織植入物，以及心血管金屬支架的表面改性。對采用鈦合金或鈷基合金以及不銹鋼加工的人工關(guān)節(jié)，通過離子束進行表面改性，可提高其耐磨性能和抗腐蝕性能，減少植入體在使用過程中產(chǎn)生的磨屑，降低由于磨蝕產(chǎn)物離子析出對植入體周圍組織產(chǎn)生的不良反應(yīng)，提高植入體的服役年限和減少患者的痛苦。例如在不銹鋼心血管植入支架的表面鍍一層聚合物膜或覆蓋一層有抗凝基因的內(nèi)皮細胞膜等來改善支架的生物學(xué)特性，能有效降低而栓形成，提高支架的血液相容性。

目前應(yīng)用于生物醫(yī)用材料的表面改性技術(shù)，主要是通過離子注入或電化學(xué)方法在基體表面制備生物惰性薄膜，以提高植入物的抗腐蝕性和血液相容性。其中研究較多的是類金剛石薄膜、氮化鈕薄膜、碳化硅薄膜、高聚物涂層、纖維涂層、仿生涂層等。對醫(yī)用材料進行表面改性，應(yīng)深入了解材料表面和生物體的相互作用機理，對癥下藥，通過合適的表面改性工藝提高金屬植入材料的生物相容性。

廣大研究者應(yīng)意識到，單憑經(jīng)驗對現(xiàn)有材料進行純化和簡單改性，遠遠不能滿足當今醫(yī)學(xué)發(fā)展對生物材料越來越高的要求?，F(xiàn)在已有許多學(xué)者開始重視生物相容性的分子設(shè)計學(xué)研究，并嘗試應(yīng)用分子設(shè)計學(xué)方法和仿生學(xué)方法，開發(fā)生物相容性更好的新型生物醫(yī)學(xué)金屬材料。目前生物醫(yī)用材料正在向多種材料復(fù)合、性能互補的方向發(fā)展，表面改性技術(shù)在生物材料上的應(yīng)用有效地提高了醫(yī)用金屬材料的表面質(zhì)量，改善了植入體的植入效果。

5 醫(yī)用金屬材料目前存在的主要問題及研究發(fā)展方向

5.1醫(yī)用金屬材料目前存在的主要問題

生物醫(yī)用金屬材料具有良好的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，加工工藝簡便，是應(yīng)用最廣泛的一類醫(yī)用材料。傳統(tǒng)使用的醫(yī)用金屬材料經(jīng)過多年的臨床應(yīng)用，仍然存在許多問題，除了醫(yī)用材料常見的人體（宿主）反應(yīng)以外，主要還是由金屬腐蝕和磨損直接或間接造成的。醫(yī)用金屬材料中均含有較多的合金化元素，它們在人體中所允許的濃度非常低，這些合金化元素多呈強的負電性，能夠變化其電子價態(tài)并與生物體內(nèi)的有機物或無機物質(zhì)化合形成復(fù)雜的化合物，有些含有強烈的毒性。當金屬材料植入人體以后，由于腐蝕、磨損等導(dǎo)致金屬離子溶出，金屬離子進入組織液里會引發(fā)一些生物反應(yīng)，如組織反應(yīng)、血液反應(yīng)和全身反應(yīng)，表現(xiàn)為水腫、血栓栓塞、感染及腫瘤等現(xiàn)象。

另外在人體血液內(nèi)，由于血小板、細胞和蛋白質(zhì)帶有負電荷，而金屬析出離子一般帶有正電荷，因此血液中大量金屬離子的析出還易于形成血栓。在鐵（Fe）、鉻（Cr）、鎳（Ni）、鉬（Mo）、鈷（Co）等必需的微量元素中，鎳、鈷、鉻離子對人體都有致敏反應(yīng)。鋼中的鉻元素當呈現(xiàn)六價態(tài)時，對人體也有較大的毒性和過敏傾向。鎳離子的富集對人體有很大毒性，有過敏反應(yīng)，可能誘導(dǎo)有機體突變以及發(fā)生癌變。有研究報道了植入物釋放出來的金屬離子誘導(dǎo)炎癥的過程，發(fā)現(xiàn)即使亞微摩爾濃度的鋅、鎳和鈷，也能誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞上E選擇素的表達。研究金屬毒性的醫(yī)生早就知道鎳是一種能夠致癌的有毒化學(xué)元素，科學(xué)上早就存在的“鎳過敏和鎳致癌問題”，直到最近幾十年才受到各國重視，對日用和醫(yī)用金屬材料中的鎳含量限制越來越嚴格，標準文件中所允許的最高鎳含量也越來越少。由1967年、1988年和1994年頒布的歐洲議會標準，就可以清楚地看出這種趨勢。因此在發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料時必須嚴格控制其中的金屬元素，最好是少用或不用對人體產(chǎn)生毒性和過敏性較大的合金化元素。

5.2醫(yī)用金屬材料的研究和發(fā)展

長期使用的安全性及可靠性是對醫(yī)用金屬植入材料的第一要求，醫(yī)師及病人都希望采用最好的金屬植入材料，并且花最少的錢。在過去的幾十年中，生物醫(yī)用金屬材料已經(jīng)得到很快的發(fā)展，然而在臨床上使用的仍然是有限的幾種。因此研究并推動新型生物醫(yī)用材料的應(yīng)用，依然非常重要。

新型金屬材料的發(fā)展應(yīng)從現(xiàn)存的問題出發(fā)，采用新技術(shù)和新工藝，改善現(xiàn)有生物金屬材料的性能，以減少和避免上述問題。對傳統(tǒng)的醫(yī)用金屬材料仍有許多要研究的工作，例如有關(guān)金屬元素對人體毒性方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和系統(tǒng)化，金屬元素在人體內(nèi)外的生物體毒性的相關(guān)性以及植入金屬材料和生物體的分子水平研究等。另外我們知道醫(yī)用金屬材料植入人體以后，材料的浸出物或腐蝕產(chǎn)物會直接作用于細胞合成的組蛋白、細胞構(gòu)架的肌動蛋白和波形蛋白等，因此有必要用分子生物學(xué)技術(shù)從分子水平上研究金屬材料對生物體組織的影響，這樣才能進一步了解金屬植入材料對人體的影響。醫(yī)用不銹鋼仍是生物植入材料的主體，如鐵素體及雙相醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)，低鎳及無鎳醫(yī)用不銹鋼的開發(fā)，研究開發(fā)高耐蝕性、高耐磨性、高疲勞強度和高韌性生體合金依然重要。

從金屬植入材料的研究使用現(xiàn)狀來看，純鈦及其鈦合金具有其它材料無可比擬的優(yōu)越性，特別是近些年發(fā)展起來的新型β-鈦合金.因此，開發(fā)研究更適合臨床應(yīng)用的新型β鈦合金不失為人體用金屬植入材料的一個主要發(fā)展方向。 許多研究表明，金屬的磨屑是導(dǎo)致植入件松動的原因，因此，減少有微動引起的金屬離子或碎片是優(yōu)化長期植入物的關(guān)鍵。 人體用金屬植入材料的研究還包括:對開發(fā)出的各種生物醫(yī)學(xué)材料進行臨床應(yīng)用實驗，以取得大量有價值的第一手資料，并及時反饋給材料研究部門，以便迅速對材料進行改進;尋求更為理想的表面處理工藝，更好地改善人體植入材料的表面性能，獲得高質(zhì)量的涂層并解決涂層與基底的結(jié)合問題，進一步提高生物醫(yī)學(xué)材料與生物體的相容性，提高植入材料的耐磨性和耐蝕性;進行材料的復(fù)合化和混雜化研究。因此，利用表面改性來提高醫(yī)用金屬材料的生物相容性將會是今后醫(yī)用金屬材料發(fā)展的趨勢。

中國作為一個世界人口大國，也要緊跟世界潮流，結(jié)合我國國情，開發(fā)適合自己國情的新型生物醫(yī)用材料，并在材料開發(fā)研究單位、人體植入物制造單位和醫(yī)療單位之間建立三位一體的質(zhì)量管理體系，加快我國人體植入材料的國產(chǎn)化進程，使人體植入材料在我國得到迅速推廣和應(yīng)用，造福于人民。

總之，生物材料的開發(fā)應(yīng)用為醫(yī)學(xué)開創(chuàng)了新局面，替換醫(yī)學(xué)得以興起。而醫(yī)學(xué)得發(fā)展和需求又推動了生物材料的研究與探索。金屬材料僅是其中的一部分，廣而涉及人工假體及復(fù)合體，形狀更為復(fù)雜。為了造福于人類，展望未來，正期待著我們對新興材料學(xué)科繼續(xù)深入鉆研、探索、創(chuàng)新與開拓。