第1章 緒論

1.1 醫(yī)用金屬材料

1.1.1 醫(yī)用金屬材料簡(jiǎn)介

生物醫(yī)用材料是指能與生物系統(tǒng)接觸對(duì)內(nèi)部組織無不良影響，并且可對(duì)生物體細(xì)胞、組織以及器官進(jìn)行診斷、治療、替換、外科修復(fù)以及誘導(dǎo)組織再生，以提高生物體功能的材料[1]。生物醫(yī)用材料根據(jù)其組分可分為醫(yī)用金屬材料、醫(yī)用陶瓷材料和醫(yī)用高分子材料三類。

與醫(yī)用陶瓷材料和醫(yī)用高分子材料相比，醫(yī)用金屬材料強(qiáng)度較高，抗彎強(qiáng)度、硬度、韌性及加工性能良好，基本滿足了人體使用所必需的物理、化學(xué)及生物學(xué)等方面的要求，已成外科手術(shù)器械、骨骼、牙齒等硬組織修復(fù)與替換及心血管等軟組織支撐的首選材料[2-3]。目前，我國正逐漸進(jìn)入老齡化社會(huì)。據(jù)聯(lián)合國預(yù)測(cè)，1990—2020年我國老齡人口的遞增速度為3.3%，到2020年我國65歲以上老齡人口將達(dá)1.67億人，約占全世界老齡人口的24%，即全世界平均每四個(gè)老年人中就有一個(gè)是中國老年人[4]。因此，老齡化帶來的問題也會(huì)隨之更加顯著。衰老將會(huì)導(dǎo)致人體下肢承重部位的勞損及功能退化，進(jìn)而引起關(guān)節(jié)部位的病患甚至功能的喪失，如骨質(zhì)疏松、關(guān)節(jié)炎癥和損傷等。當(dāng)人體過度受力或者患者本身缺乏正常生理自愈功能的情況下，骨組織力學(xué)性能將會(huì)出現(xiàn)退化和損傷現(xiàn)象。據(jù)估計(jì)，在40歲以上的人群中，90%的人都承受著由于身體老化而引起的疾病[3]。在這些問題中，骨骼問題就是人類健康最大的隱患，醫(yī)用金屬材料是解決該問題的有效方法之一。另外，隨著科技的日新月異，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活水平的日益提高，人們?cè)絹碓街匾曌陨淼慕】禒顩r，臨床上對(duì)醫(yī)用金屬材料的需求也會(huì)越來越多。隨著社會(huì)人口增加、老齡化日趨嚴(yán)重以及疾病、交通事故、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷等頻繁發(fā)生，硬組織修復(fù)問題也隨之增加，這就促進(jìn)了醫(yī)用金屬材料的快速發(fā)展。

1.1.2 醫(yī)用金屬材料發(fā)展史

自古以來，人類的健康需求和生命活動(dòng)就與金屬材料息息相關(guān)，金屬材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用已有很長(zhǎng)的歷史。迄今為止，金屬材料最早應(yīng)用于人體組織可以追溯到公元前2500年前，考古學(xué)家在埃及古墓的假牙模子中發(fā)現(xiàn)了用于捆綁牙齒的金線。到公元前2000年，青銅器時(shí)代使得金屬針逐漸取代了針灸療法工具中的骨針及石針。隋末唐初，銀汞合金（主要成分為銀、汞、錫等）被用來修補(bǔ)牙齒。1546年，純金薄片被發(fā)現(xiàn)用于修復(fù)顱骨缺損[5]。直到19世紀(jì)60年代，Lister[6]無菌手術(shù)的成功才標(biāo)志著金屬材料被廣泛用于生物材料。此后，醫(yī)用金屬材料在整形外科手術(shù)中開始占據(jù)重要地位。1926年，不銹鋼材料首次應(yīng)用于骨組織治療。到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期，西方國家開始逐漸使用鈷基合金作為硬組織替換材料，硬組織植入金屬材料已得到廣泛應(yīng)用[7-9]。隨著臨床醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，醫(yī)用金屬材料在臨床中的應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。醫(yī)用金屬材料常被用于人造關(guān)節(jié)、螺釘、骨板、髓內(nèi)釘、起搏器外殼、脊柱固定器、人造心臟瓣膜、血管支架和牙種植等[7，9]。

1.1.3 醫(yī)用金屬材料的要求

作為植入體材料，醫(yī)用金屬材料需要在人體組織液中長(zhǎng)期服役，并且對(duì)人體無不良副作用。因此，醫(yī)用金屬材料應(yīng)具備優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性及耐蝕性、抗菌性、生物相容性及骨整合能力。

1．力學(xué)性能

醫(yī)用金屬材料首先應(yīng)具備良好的力學(xué)性能，包括高強(qiáng)度、低彈性模量、高疲勞強(qiáng)度及高延展性。人體的環(huán)境復(fù)雜多變，植入體材料的強(qiáng)度需要與人體骨組織相匹配，否則，人體骨組織將會(huì)因承受力不平衡而造成肌肉萎縮或者骨松動(dòng)。人體骨組織的彈性模量為10～30GPa，常用的醫(yī)用金屬材料的彈性模量都遠(yuǎn)大于人體骨組織的彈性模量。這種彈性模量的不匹配性會(huì)導(dǎo)致高彈性模量的植入材料承受幾乎所有的負(fù)載，阻止了所需應(yīng)力傳遞到相鄰的骨組織，引起較大的應(yīng)力集中，產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象[10-12]。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致植入體周圍的骨再吸收，隨后會(huì)出現(xiàn)植入體松動(dòng)、脫落，最終導(dǎo)致植入失敗。醫(yī)用金屬材料的疲勞強(qiáng)度決定了其植入人體是否能夠長(zhǎng)期承受循環(huán)載荷和應(yīng)力的綜合作用。因此，醫(yī)用金屬材料需要具備與骨組織相近的高強(qiáng)度、低彈性模量及高疲勞強(qiáng)度，這樣可以增加植入體的服役時(shí)間，避免對(duì)患者的二次傷害。

2．耐磨性及耐蝕性

人體組織環(huán)境與周圍外界環(huán)境完全不同，醫(yī)用金屬材料在人體組織液中應(yīng)具備優(yōu)異的耐磨性及耐蝕性。人體關(guān)節(jié)之間不可避免地會(huì)發(fā)生磨損，耐磨性差的醫(yī)用金屬材料在長(zhǎng)期使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量磨屑，磨屑的堆積會(huì)使周圍組織發(fā)生異常的生化反應(yīng)，還可能引發(fā)骨吸收，進(jìn)而導(dǎo)致植入體松動(dòng)。并且磨屑中的有害離子會(huì)引發(fā)機(jī)體的炎癥、過敏及毒性反應(yīng)。例如，316L（美國牌號(hào)，相當(dāng)于我國的022Cr17Ni12Mo2）不銹鋼中的鎳（Ni）離子對(duì)組織細(xì)胞造成毒性，引起皮炎等皮膚病。Ti-6Al-4V中的鋁（Al）離子會(huì)刺激神經(jīng)中樞細(xì)胞，造成神經(jīng)毒性。釩（V）離子對(duì)人體具有致癌性[13-14]。此外，磨屑進(jìn)入關(guān)節(jié)之間也會(huì)加速植入體材料的磨損，減少植入體的使用壽命，增加患者的痛苦。植入體材料的耐蝕性在一定程度上決定了其在人體內(nèi)的服役時(shí)間，人體不同組織處的pH值及氧濃度不同，這一復(fù)雜特性使得植入體在人體內(nèi)的耐蝕性表現(xiàn)不同。植入體材料要適應(yīng)人體的復(fù)雜環(huán)境，就必須具備優(yōu)異的耐蝕性。耐蝕性較差的植入體在人體組織液中發(fā)生腐蝕，釋放出有害的離子，會(huì)給人體造成潛在的危害。另外，腐蝕會(huì)降低植入體的力學(xué)性能，使其出現(xiàn)過早斷裂等失效行為。因此，研究具有優(yōu)良耐磨性和耐蝕性的醫(yī)用金屬材料，對(duì)提高種植體材料安全性和使用周期性具有重要的意義。

3．抗菌性

316L不銹鋼、鈦及鈦合金、鎂合金等常用醫(yī)用金屬材料都不具有抗菌性。當(dāng)作為植入體材料植入人體后，材料表面黏附的細(xì)菌就會(huì)快速增殖，并分泌出多糖基質(zhì)、纖維蛋白、脂質(zhì)蛋白等，并將其包繞其中而形成大量細(xì)菌聚集，最終形成生物被膜[15-17]。細(xì)菌的大量增殖，對(duì)免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抵抗作用，生物被膜還能阻止抗生素以及其他抗菌藥物向細(xì)菌內(nèi)部滲透，使其無法發(fā)揮抗菌性能。術(shù)后的局部感染問題很難通過藥物作用直接殺死細(xì)菌，這將會(huì)導(dǎo)致植入的失效，給患者帶來二次傷害。

4．生物相容性

植入體與人體組織直接接觸，植入體材料對(duì)人體不產(chǎn)生任何毒副作用是至關(guān)重要的。人體環(huán)境的主要組成是水，細(xì)胞內(nèi)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～90%。人體內(nèi)主要元素含量見表1-1。人體內(nèi)約有96%的元素為C、H、O、N，其組成了水和蛋白質(zhì)。剩下的元素（4%）主要存在于骨骼、血液及細(xì)胞外液中，如礦物質(zhì)（Ca、Mg和P）和電解質(zhì)（Na、K和Cl）。此外，人體內(nèi)的一些微量元素發(fā)揮著特殊的生理作用，但這些微量元素過量也會(huì)影響人體健康，這就要求植入材料所含元素?zé)o毒且適量，在體內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生宿主反應(yīng)和材料反應(yīng)。良好的生物相容性是植入體材料植入成功的關(guān)鍵因素。

5．骨整合能力

植入體需要具有良好的骨整合能力，才能與骨組織之間形成牢固的骨鍵合，骨組織通過化學(xué)鍵嵌入植入體內(nèi)部以達(dá)到緊密的結(jié)合，并且植入體與骨之間的應(yīng)力能夠連續(xù)傳遞，這樣就可以使得植入體長(zhǎng)期穩(wěn)定存在于體內(nèi)[18-20]。常用的醫(yī)用金屬材料都通過機(jī)械鎖合的方式與周圍骨組織連接，這種連接方式不牢固，植入體的微動(dòng)會(huì)影響植入體的服役周期。