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解析医用金属材料的分类与应用

2017-04-22 09:22
木中君
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 金属医用材料是人类最早利用的医用材料之一,其应用可以追溯到公元前400~300年,腓尼基人将金属丝用于修复牙缺失。随后,经历了漫长岁月的发展,直至19世纪后期,人类成功利用贵金属银对患者的膝盖骨进行缝合(1880年)。人类利用镀镍钢螺钉进行骨折治疗(1896年)后,才开始了对金属医用材料的系统研究。20世纪30年代,随着钴铬合金、不锈钢和钛及合金的相继开发成功并在齿科和骨科中得到广泛的应用,逐步奠定了金属医用材料在生物医用材料中的重要地位。70年代,Ni-Ti形状记忆合金在临床医学中的成功应用以及金属表面生物医用涂层材料的发展,使生物医用金属材料得到了极大的发展。

定义及应用领域

医用金属材料也被称为外科植入金属材料,主要用于诊断、治疗,以及替换人体中的组织或增进其功能。近20年来,虽然金属医用材料相对于高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料等生物医用材料的发展缓慢,但其具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它几类医用材料不可替代的优良性能,是临床应用中最广泛的承力植入材料。尤其随着金属3D打印技术的发展,金属医用材料得到了更广泛的应用,最重要的应用有:骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。

常用金属医用材料

临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。

1、不锈钢

医用不锈钢(Stainless Steel as Biomedical Material)为铁基耐蚀合金,是最早开发的生物医用合金之一,其特点是易加工、价格低廉,耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工提高,避免疲劳断裂。不锈钢按显微组织可分为:奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等,被用以制作医疗器械:刀、剪、止血钳(图1)、针头,同时被用以制作人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形、人工心脏瓣膜等器件。其中,医用应用最多的是奥氏体超低碳不锈钢316L和317L。1987年,316L和317L两种合金已于纳入国际标准ISO 5832和ISO 7153中。1990年,我国制定了相应的国家标准GB 12417,并于1991年开始实施。

图1 医用不锈钢钳

医用不锈钢的生物相容性及相关问题,主要涉及到不锈钢植入人体后由于腐蚀或磨损造成金属离子溶出所引起的组织反应等。大量的临床资料显示,医用不锈钢的腐蚀造成其长期植入的稳定性差,加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大,导致力学相容性差。由于腐蚀会造成金属离子或其它化合物进人周围的组织或整个机体,因而可在机体内引起某些不良组织学反应,如出现水肿、感染、组织坏死等,从而导致疼痛和过敏反应等。特别是不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变(通常用的奥氏体医用不锈钢均含有10%左右的镍)。近些年低镍和无镍的医用不锈钢正逐渐得到发展和应用。

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