HI~歡迎來到數(shù)造云打印平臺!
金屬醫(yī)用材料是人類最早利用的醫(yī)用材料之一,其應用可以追溯到公元前400~300年,腓尼基人將金屬絲用于修復牙缺失。隨后,經(jīng)歷了漫長歲月的發(fā)展,直至19世紀后期,人類成功利用貴金屬銀對患者的膝蓋骨進行縫合(1880年)。人類利用鍍鎳鋼螺釘進行骨折治療(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)學中的成功應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。
定義及應用領域
醫(yī)用金屬材料也被稱為外科植入金屬材料,主要用于診斷、治療,以及替換人體中的組織或增進其功能。近20年來,雖然金屬醫(yī)用材料相對于高分子材料、復合材料以及雜化和衍生材料等生物醫(yī)用材料的發(fā)展緩慢,但其具有高的強度、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幾類醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能,是臨床應用中最廣泛的承力植入材料。尤其隨著金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展,金屬醫(yī)用材料得到了更廣泛的應用,最重要的應用有:骨折內(nèi)固定板、螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種植體等。
常用金屬醫(yī)用材料
臨床應用的醫(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,其特點是易加工、價格低廉,耐蝕性和屈服強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準ISO 5832和ISO 7153中。1990年,我國制定了相應的國家標準GB 12417,并于1991年開始實施。
醫(yī)用不銹鋼的生物相容性及相關(guān)問題,主要涉及到不銹鋼植入人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等。大量的臨床資料顯示,醫(yī)用不銹鋼的腐蝕造成其長期植入的穩(wěn)定性差,加之其密度和彈性模量與人體硬組織相距較大,導致力學相容性差。由于腐蝕會造成金屬離子或其它化合物進人周圍的組織或整個機體,因而可在機體內(nèi)引起某些不良組織學反應,如出現(xiàn)水腫、感染、組織壞死等,從而導致疼痛和過敏反應等。特別是不銹鋼中鎳離子析出誘發(fā)的嚴重病變(通常用的奧氏體醫(yī)用不銹鋼均含有10%左右的鎳)。近些年低鎳和無鎳的醫(yī)用不銹鋼正逐漸得到發(fā)展和應用。
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,應用最多的是鑄造鈷鉻鋁合金,該合金已被納人ISO5582/4標準。1990年,我國將其列入國標 GB12417。
鈷合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài),很少見腐蝕現(xiàn)象,與不銹鋼相比,其鈍化膜更穩(wěn)定,耐蝕性更好。從耐磨性看,它也是所有醫(yī)用金屬材料中最好的,一般認為植入人體后沒有明顯的組織學反應。但是由于鈷合金價格較貴,并且鈷合金制作的人工髖關(guān)節(jié)由于金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出,在體內(nèi)的松動率較高,析出的Co、Ni元素又存在著嚴重致敏性等生物學問題,在體內(nèi)容易引起細胞和組織壞死,從而導致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動、下沉,應用受到一定的限制。近年來,通過表面改性技術(shù)來改善鈷合金的表面特性,有效提高了其臨床效果。
鈦合金
醫(yī)用鈦合金(Ti-based- Alloy as Biomedical Material)是目前已知的生物親和性最好的金屬之一,上世紀40年代以來,鈦和鈦合金逐漸在臨床醫(yī)學中獲得應用。1951年,人類開始用純鈦制作接骨板和骨螺釘。20世紀70年代中期,鈦及鈦合金開始獲得廣泛的醫(yī)學應用,成為最有發(fā)展前景的醫(yī)用材料之一。目前,鈦和鈦合金主要應用于整形外科,尤其是四肢骨和顱骨整復,被用以制作各種骨折內(nèi)固定器械、人工關(guān)節(jié)、頭蓋骨和硬膜、人工心臟瓣膜、齒、牙床、托環(huán)和牙冠。其中,醫(yī)用應用最多的鈦合金是TC4(Ti-6A1-4V),該合金在室溫下具有а十β兩相混合組織,通過固溶處理和時效處理,可使其強度等力學性能顯著提高。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。
2、建立有關(guān)金屬元素對人體毒性方面系統(tǒng)化的基礎數(shù)據(jù)庫,利用大數(shù)據(jù)研究分析金屬元素在人體內(nèi)外毒性的相關(guān)性,以及植入金屬材料和人體的分子水平研究等。用分子生物學技術(shù)從分子水平上研究金屬元素對人體組織的影響,這樣才能進一步了解金屬醫(yī)用材料對人體的影響。
3、未來金屬醫(yī)用材料的種類有待進一步擴展,使用成本有待進一步降低。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)生所要進行的手術(shù)也不同,每一個手術(shù)都有其獨特性,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。
相關(guān)推薦
全部評論 0
暫無評論