采用如3D打印等新技術(shù)和新工藝

金屬醫(yī)用材料是人類最早利用的醫(yī)用材料之一，其應(yīng)用可以追溯到公元前400~300年，腓尼基人將金屬絲用于修復(fù)牙缺失。隨后，經(jīng)歷了漫長歲月的發(fā)展，直至19世紀(jì)后期，人類成功利用貴金屬銀對患者的膝蓋骨進(jìn)行縫合（1880年）。人類利用鍍鎳鋼螺釘進(jìn)行骨折治療（1896年）后，才開始了對金屬醫(yī)用材料的系統(tǒng)研究。20世紀(jì)30年代，隨著鈷鉻合金、不銹鋼和鈦及合金的相繼開發(fā)成功并在齒科和骨科中得到廣泛的應(yīng)用，逐步奠定了金屬醫(yī)用材料在生物醫(yī)用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形狀記憶合金在臨床醫(yī)學(xué)中的成功應(yīng)用以及金屬表面生物醫(yī)用涂層材料的發(fā)展，使生物醫(yī)用金屬材料得到了極大的發(fā)展。

定義及應(yīng)用領(lǐng)域

常用金屬醫(yī)用材料

臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷合金、鈦合金、形狀記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮、鋯等。

不銹鋼

醫(yī)用不銹鋼（Stainless Steel as Biomedical Material）為鐵基耐蝕合金，是最早開發(fā)的生物醫(yī)用合金之一，其特點(diǎn)是易加工、價格低廉，耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過冷加工提高，避免疲勞斷裂。不銹鋼按顯微組織可分為：奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、沉淀硬化型不銹鋼等，被用以制作醫(yī)療器械：刀、剪、止血鉗（圖1）、針頭，同時被用以制作人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定器、牙齒矯形、人工心臟瓣膜等器件。其中，醫(yī)用應(yīng)用最多的是奧氏體超低碳不銹鋼316L和317L。1987年，316L和317L兩種合金已于納入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 5832和ISO 7153中。1990年，我國制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 12417，并于1991年開始實施。

鈷合金

醫(yī)用鈷合金（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是醫(yī)療中常用的金屬醫(yī)用材料，相對不銹鋼而言，醫(yī)用鈷合金更適合于制造體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件，其耐腐蝕性比不銹鋼高40倍。最早開發(fā)的醫(yī)用鈷合金為鈷鉻鉬（Co-Cr-Mo）合金，其結(jié)構(gòu)為奧氏體。70年代又開發(fā)出具有良好疲勞性能的鍛造鈷鎳鉻鋁鎢鐵(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合金和具有多相組織的MP35N鈷鎳鉻鋁合金。鈷合金主要被用以制作人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)扣釘、接骨板、骨釘和骨針。目前，應(yīng)用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金，該合金已被納人ISO5582/4標(biāo)準(zhǔn)。1990年，我國將其列入國標(biāo) GB12417。

鈦合金

鈦及鈦合金的密度在4.5g/cm3左右，幾乎僅為不銹鋼和鈷合金的一半，密度接近人體硬組織，且其生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優(yōu)于不銹鋼和鈷合金，是目前最佳的金屬醫(yī)用材料。鈦及鈦合金與人體的親和性，源于植入后其表面致密的氧化鈦（TiO2）鈍化膜具有誘導(dǎo)體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。若磨損發(fā)生，首先導(dǎo)致氧化膜破壞，隨后磨損的顆粒腐蝕產(chǎn)物進(jìn)人體組織，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的釩（V）可導(dǎo)致植入物的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可對鈦及鈦合金制品表面進(jìn)行高溫離子氨化或離子注入技術(shù)處理，強(qiáng)化其表面耐磨性。近年來，開發(fā)出的一些新型鈦合金（主要是β型合金），都注重減少了對人體有一定危害的元素，例如V和Al, 有效地改善了鈦合金的生物相容性。

形狀記憶合金

貴金屬和純金屬鉭、鈮、鋯

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，抗氧化、抗腐蝕性強(qiáng)，具備獨(dú)特的物理與化學(xué)穩(wěn)定性，優(yōu)異的加工特性，對人體組織無毒副作用。被用作整牙修復(fù)、顱骨修復(fù)、植入電極電子裝置、神經(jīng)修復(fù)裝置、耳渦神經(jīng)刺激裝置、橫隔膜神經(jīng)刺激裝置、視覺神經(jīng)裝置和心臟起搏器電極等。

金屬醫(yī)用材料的主要問題

金屬醫(yī)用材料經(jīng)臨床應(yīng)用，主要問題還是生物相容性，源于金屬腐蝕和磨損。因為金屬材料中均含有較多的合金化元素，由于腐蝕、磨損將導(dǎo)致金屬離子溶出，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞及組織液的一些生物反應(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。鉻、鎳等離子對人體都有致敏反應(yīng)。鋼中的鉻元素當(dāng)呈現(xiàn)六價態(tài)時，對人體也有較大的毒性和過敏傾向。鎳離子除了對人體有很大毒性和過敏反應(yīng)外，可能誘導(dǎo)有機(jī)體突變，甚至發(fā)生癌變?？茖W(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(yán)格。因此，在發(fā)展新型醫(yī)用金屬材料時必須嚴(yán)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。

金屬醫(yī)用材料未來發(fā)展方向

1、醫(yī)師及病人都希望采用最好的金屬醫(yī)用材料，長期使用的安全性及可靠性是對醫(yī)用金屬材料的基本要求。因此，未來金屬醫(yī)用材料的開發(fā)仍以不斷提高使用的安全性、可靠性及生物相容性為主。

3、未來金屬醫(yī)用材料的種類有待進(jìn)一步擴(kuò)展，使用成本有待進(jìn)一步降低。雖然在過去的幾十年中，金屬醫(yī)用材料已經(jīng)得到了很快的發(fā)展，然而在臨床上使用的仍然是有限的幾種。因此，研究開發(fā)高耐蝕性、高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和高韌性生體合金依然重要。

4、對目前正在使用的金屬醫(yī)用材料，采用如3D打印等新技術(shù)和新工藝，完成醫(yī)療器械的定制化打印?，F(xiàn)實中患者的病情不同，醫(yī)生所要進(jìn)行的手術(shù)也不同，每一個手術(shù)都有其獨(dú)特性，針對這種不同情況的定制化打印，將為醫(yī)生和患者提供便利，更有利于手術(shù)的成功。