第1章 绪论

1.1 医用金属材料

1.1.1 医用金属材料简介

生物医用材料是指能与生物系统接触对内部组织无不良影响，并且可对生物体细胞、组织以及器官进行诊断、治疗、替换、外科修复以及诱导组织再生，以提高生物体功能的材料[1]。生物医用材料根据其组分可分为医用金属材料、医用陶瓷材料和医用高分子材料三类。

与医用陶瓷材料和医用高分子材料相比，医用金属材料强度较高，抗弯强度、硬度、韧性及加工性能良好，基本满足了人体使用所必需的物理、化学及生物学等方面的要求，已成外科手术器械、骨骼、牙齿等硬组织修复与替换及心血管等软组织支撑的首选材料[2-3]。目前，我国正逐渐进入老龄化社会。据联合国预测，1990—2020年我国老龄人口的递增速度为3.3%，到2020年我国65岁以上老龄人口将达1.67亿人，约占全世界老龄人口的24%，即全世界平均每四个老年人中就有一个是中国老年人[4]。因此，老龄化带来的问题也会随之更加显著。衰老将会导致人体下肢承重部位的劳损及功能退化，进而引起关节部位的病患甚至功能的丧失，如骨质疏松、关节炎症和损伤等。当人体过度受力或者患者本身缺乏正常生理自愈功能的情况下，骨组织力学性能将会出现退化和损伤现象。据估计，在40岁以上的人群中，90%的人都承受着由于身体老化而引起的疾病[3]。在这些问题中，骨骼问题就是人类健康最大的隐患，医用金属材料是解决该问题的有效方法之一。另外，随着科技的日新月异，社会经济的快速发展，生活水平的日益提高，人们越来越重视自身的健康状况，临床上对医用金属材料的需求也会越来越多。随着社会人口增加、老龄化日趋严重以及疾病、交通事故、运动创伤等频繁发生，硬组织修复问题也随之增加，这就促进了医用金属材料的快速发展。

1.1.2 医用金属材料发展史

自古以来，人类的健康需求和生命活动就与金属材料息息相关，金属材料在医学上的应用已有很长的历史。迄今为止，金属材料最早应用于人体组织可以追溯到公元前2500年前，考古学家在埃及古墓的假牙模子中发现了用于捆绑牙齿的金线。到公元前2000年，青铜器时代使得金属针逐渐取代了针灸疗法工具中的骨针及石针。隋末唐初，银汞合金（主要成分为银、汞、锡等）被用来修补牙齿。1546年，纯金薄片被发现用于修复颅骨缺损[5]。直到19世纪60年代，Lister[6]无菌手术的成功才标志着金属材料被广泛用于生物材料。此后，医用金属材料在整形外科手术中开始占据重要地位。1926年，不锈钢材料首次应用于骨组织治疗。到第二次世界大战时期，西方国家开始逐渐使用钴基合金作为硬组织替换材料，硬组织植入金属材料已得到广泛应用[7-9]。随着临床医学的不断发展，医用金属材料在临床中的应用范围逐步扩大。医用金属材料常被用于人造关节、螺钉、骨板、髓内钉、起搏器外壳、脊柱固定器、人造心脏瓣膜、血管支架和牙种植等[7，9]。

1.1.3 医用金属材料的要求

作为植入体材料，医用金属材料需要在人体组织液中长期服役，并且对人体无不良副作用。因此，医用金属材料应具备优异的力学性能、耐磨性及耐蚀性、抗菌性、生物相容性及骨整合能力。

1．力学性能

医用金属材料首先应具备良好的力学性能，包括高强度、低弹性模量、高疲劳强度及高延展性。人体的环境复杂多变，植入体材料的强度需要与人体骨组织相匹配，否则，人体骨组织将会因承受力不平衡而造成肌肉萎缩或者骨松动。人体骨组织的弹性模量为10～30GPa，常用的医用金属材料的弹性模量都远大于人体骨组织的弹性模量。这种弹性模量的不匹配性会导致高弹性模量的植入材料承受几乎所有的负载，阻止了所需应力传递到相邻的骨组织，引起较大的应力集中，产生“应力屏蔽”现象[10-12]。这种现象会导致植入体周围的骨再吸收，随后会出现植入体松动、脱落，最终导致植入失败。医用金属材料的疲劳强度决定了其植入人体是否能够长期承受循环载荷和应力的综合作用。因此，医用金属材料需要具备与骨组织相近的高强度、低弹性模量及高疲劳强度，这样可以增加植入体的服役时间，避免对患者的二次伤害。

2．耐磨性及耐蚀性

人体组织环境与周围外界环境完全不同，医用金属材料在人体组织液中应具备优异的耐磨性及耐蚀性。人体关节之间不可避免地会发生磨损，耐磨性差的医用金属材料在长期使用过程中会产生大量磨屑，磨屑的堆积会使周围组织发生异常的生化反应，还可能引发骨吸收，进而导致植入体松动。并且磨屑中的有害离子会引发机体的炎症、过敏及毒性反应。例如，316L（美国牌号，相当于我国的022Cr17Ni12Mo2）不锈钢中的镍（Ni）离子对组织细胞造成毒性，引起皮炎等皮肤病。Ti-6Al-4V中的铝（Al）离子会刺激神经中枢细胞，造成神经毒性。钒（V）离子对人体具有致癌性[13-14]。此外，磨屑进入关节之间也会加速植入体材料的磨损，减少植入体的使用寿命，增加患者的痛苦。植入体材料的耐蚀性在一定程度上决定了其在人体内的服役时间，人体不同组织处的pH值及氧浓度不同，这一复杂特性使得植入体在人体内的耐蚀性表现不同。植入体材料要适应人体的复杂环境，就必须具备优异的耐蚀性。耐蚀性较差的植入体在人体组织液中发生腐蚀，释放出有害的离子，会给人体造成潜在的危害。另外，腐蚀会降低植入体的力学性能，使其出现过早断裂等失效行为。因此，研究具有优良耐磨性和耐蚀性的医用金属材料，对提高种植体材料安全性和使用周期性具有重要的意义。

3．抗菌性

316L不锈钢、钛及钛合金、镁合金等常用医用金属材料都不具有抗菌性。当作为植入体材料植入人体后，材料表面黏附的细菌就会快速增殖，并分泌出多糖基质、纤维蛋白、脂质蛋白等，并将其包绕其中而形成大量细菌聚集，最终形成生物被膜[15-17]。细菌的大量增殖，对免疫系统产生抵抗作用，生物被膜还能阻止抗生素以及其他抗菌药物向细菌内部渗透，使其无法发挥抗菌性能。术后的局部感染问题很难通过药物作用直接杀死细菌，这将会导致植入的失效，给患者带来二次伤害。

4．生物相容性

植入体与人体组织直接接触，植入体材料对人体不产生任何毒副作用是至关重要的。人体环境的主要组成是水，细胞内水的质量分数为65%～90%。人体内主要元素含量见表1-1。人体内约有96%的元素为C、H、O、N，其组成了水和蛋白质。剩下的元素（4%）主要存在于骨骼、血液及细胞外液中，如矿物质（Ca、Mg和P）和电解质（Na、K和Cl）。此外，人体内的一些微量元素发挥着特殊的生理作用，但这些微量元素过量也会影响人体健康，这就要求植入材料所含元素无毒且适量，在体内不会产生宿主反应和材料反应。良好的生物相容性是植入体材料植入成功的关键因素。

5．骨整合能力

植入体需要具有良好的骨整合能力，才能与骨组织之间形成牢固的骨键合，骨组织通过化学键嵌入植入体内部以达到紧密的结合，并且植入体与骨之间的应力能够连续传递，这样就可以使得植入体长期稳定存在于体内[18-20]。常用的医用金属材料都通过机械锁合的方式与周围骨组织连接，这种连接方式不牢固，植入体的微动会影响植入体的服役周期。