01生物醫用金屬材料應用進展

目前臨床應用的醫用金屬材料主要有不銹鋼、鈦及鈦合金、鈷基合金等，生物可降解鎂合金是近年來快速發展的新型醫用金屬材料，有誘人的臨床應用潛力。醫用金屬材料主要應用于骨科、齒科及矯形外科的內植入物及人工假體等植入醫療器械的制造，以心血管支架為典型代表的各類管腔支架，以及各式各樣的外科手術器械和工具，為延長患者壽命、改善患肢功能、提高患者的整體生活質量發揮了重要作用。

02抗菌醫用金屬材料的應用進展

由植入器械引發的細菌感染是臨床上亟待解決的重要問題。抗菌醫用金屬材料具有強烈的廣譜殺菌功能，可以抑制細菌生物膜的形成，具有廣闊的應用前景。不銹鋼、鈦合金、鈷基合金等醫用金屬材料應用于制造各類植入醫療器械，通過在這些醫用金屬材料中加入適量具有強烈抗菌功能的銅元素，使其在生理環境中持續和微量釋放銅離子，從而起到顯著的抗菌作用，是降低臨床上發生細菌感染的一個新思路和有效途徑。

表面改性是進一步提高現有醫用金屬材料表面性能的重要途徑，已經廣泛應用于各類金屬植入器件。因此，在醫用金屬材料表面改性層中添加適量具有強烈抗菌作用的銅、銀等金屬元素或抗菌肽等其他類型抗菌物質是應對金屬植入器件相關感染的直接措施，受到了人們的廣泛關注，并為之開展了大量的相關研究。抗菌金屬骨針、抗菌不銹鋼外科手術器械、抗菌鈦合金牙種植體、抗菌鈷基合金牙冠等產品均進入臨床實驗階段[13]。

03鎂合金材料臨床應用進展

(1) 心血管領域的應用。鎂合金在生理條件下的力學性能及腐蝕動力學均具有良好的可控性，在達到擴張血管目的的同時，克服了植入體長期存留所造成的并發癥，同時其生物降解性為在同一病變進行多次介入干預提供了可能。鎂合金表面帶有負電荷，具有低血栓源性，降低了支架內急性血栓的形成。鎂合金的降解產物鎂是三磷酸腺苷酶的輔因子，也是生理性鈣拮抗劑，可以有效預防各種缺血再灌注造成的鈣超載損傷。

(2) 骨科領域的應用。鎂合金材料與人骨力學性能匹配，將鎂合金作為骨固定材料會具有一定的優勢。一是鎂及鎂合金密度與人醫療器械創新網相接近，能有效降低應力遮擋效應，符合理想接骨板的力學性能要求；二是鎂降解生成的鎂離子易被人體組織吸收或通過體液排出體外，其可生物降解性避免了患者二次手術的痛苦，兼具良好的生物相容性，使之成為了一種新型骨科醫用材料。鎂合金材料作為骨固定材料，在骨折愈合初期能夠提供穩定的力學環境，逐漸而不是突然降低其應力遮擋作用，使骨折部位承受逐步增大直至生理水平的應力刺激，從而加速骨折愈合與塑形，防止局部骨質疏松和再骨折的發生。骨修復研究的最終目標是人工骨不僅可以替代受損的骨骼，還應在體內逐漸降解，并同時引導骨細胞生長，最終實現骨再生。因此，多孔鎂基合金材料作為骨修復材料具有很大的可操作性。

(3) 普外科領域的應用。鎂合金良好的力學性能能夠對膽道管腔提供暫時的支撐作用，其可靠的生物相容性及可降解性避免了植入支架對人體的危害和長期放置引起的并發癥，在肝膽外科尤其是膽道良性疾病的治療方面有著廣闊的發展前景。

(4) 口腔科領域的應用。鎂合金相對于其他金屬材料而言更接近人體骨密質，作為牙種植體材料具有更好的生物力學相容性，同時，鎂合金能促進鈣磷的沉積，密質骨的生長，表明鎂及其合金在口腔種植領域有良好的應用前景[14]。

04醫用鈦合金的應用

隨著鈦合金的開發研制、鈦材品種的增多及價格的降低，鈦在民用工業中的應用成倍增加。細分市場占比超過5%的子行業包括體外診斷、心臟、影像診斷、骨科、眼科、整形六大細分領域。新型β鈦合金可兼顧骨科，齒科和血管介入等多種用途的先進材料。鈦合金的生產技術應向著低模量、高強度、良好生物相容性和力學相容性的方向發展。從發展趨勢來看，β型鈦合金將成為未來發展的方向和醫用鈦合金市場的主流。

與傳統的生物醫用不銹鋼和鈷鉻合金相比，鈦及鈦合金材料由于其低彈性模量、高比強度、優異的生物相容性和耐腐蝕性等特點，具有更適宜的生物醫用特性，被廣泛應用于人工關節(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關節等)、骨創傷產品(髓內釘、固定板、螺釘等)、脊柱矯形內固定系統、牙種植體、牙托、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫用材料。

(1) 牙科。鈦與人體結締的組織、骨骼上皮組織都具有良好的親和性，優良的力學性能也體現其在醫用合金中的優勢，且密度小、質量輕、耐腐蝕性好、戴用舒適，因此，鈦作為義齒(種植牙)材料受到廣泛青睞。此外，鈦義齒通過表面處理之后，美觀性能增加，能夠滿足大眾對美的需求，給人以視覺的享受。

(2) 肢體矯正。據有關文獻報道[15]，每年世界上約有1億病人患有膝關節和臂關節等有關炎癥，進行替換手術治療勢在必行，因此具有優良替換功能的鈦合金為患者帶來福音。與陶瓷、不銹鋼等材料相比，鈦合金的彈性模量更接近于人體骨骼，在模量大小上更具有優勢。因此鈦合金在踝關節、肘關節等矯正中得以廣泛應用。此外，多孔鈦合金材料能夠使假體具有生物活性，有助于股骨頭的愈合；鈦合金表面的生物相容性較好，能誘導骨細胞生長，因此被臨床醫生、骨科領域專家等所推崇。

(3) 植入修復與替代。鈦及鈦合金作為植入修復物的優點主要有：①強度高，化學穩定性及生物相容性好；②無毒，對人體不會造成傷害；③彈性模量低，與人體骨骼更匹配；④記憶合金具有的彈性能力和形狀恢復功能。鈦在顱骨修復方面的應用主要體現在：利用鈦網可以修復缺損的顱骨。在人體心血管方面的應用體現在：制備人造心臟瓣膜、血液過濾器、心臟起搏器和人工心臟泵等[15]。

05醫用不銹鋼的應用

醫用不銹鋼作為醫用金屬材料的一大類，以金屬植入材料或醫療器械形式在臨床上用量很大，雖然存在著一些問題，但也促使和推動了材料工作者對其進行優化和改善，主要包括兩方面的工作：?一是對傳統醫用不銹鋼的改進；另一方面是研究開發新型醫用不銹鋼。由于醫用不銹鋼在體液環境下的失效很大程度是由點蝕、縫隙腐蝕、腐蝕疲勞及應力腐蝕斷裂等局部腐蝕而引起的，因此，優異的耐體液環境腐蝕性能是其應用的重要條件和要求，研究工作也主要依據這一方面來開展。新型醫用不銹鋼的開發包括：(1)鐵素體及雙相醫用不銹鋼的開發；(2)低鎳及無鎳醫用不銹鋼的開發。研究表明[16]，與傳統316L不銹鋼相比，醫用無鎳不銹鋼具有優異的力學性能和耐蝕性能。另外，在避免了Ni離子有害作用的同時，體內和體外結果均顯示其生物相容性明顯提高，而且還發現其具有優異的骨誘導和骨整合能力。這為解決傳統不銹鋼作為骨植入材料存在的力學性能、耐蝕性和生物相容性不足等問題提供了新的材料途徑。在應用方面，醫用無鎳不銹鋼作為空心螺釘材料已經被大量使用，在解決人工髖關節斷裂和無菌性松動等問題方面具有良好前景，同時醫用無鎳不銹鋼輕量化在降低接骨板的應力遮擋效應方面也具有明顯優勢。人們還在不斷探索其更多的臨床應用潛力[16]。

綜上所述，與傳統醫用不銹鋼相比，醫用無鎳不銹鋼作為骨植入材料具有更加優異的綜合性能，在骨科植入器械領域中臨床應用潛力巨大。目前我國在醫用無鎳不銹鋼的應用基礎研究方面已經處于國際先進水平，然而在產品開發方面仍顯落后。因此，在進一步開展創新性應用基礎研究的同時，需要加大對醫用無鎳不銹鋼在骨科相關應用的成果轉化投入[16]。

063D打印生物醫用金屬材料

醫用金屬材料具有良好的物理強度、延展性和導電性，這使得它們在硬組織修復領域有著絕對優勢。由于金屬熔化溫度高，3D打印難度大，通常采用光固化立體打印和選擇性激光燒結的方法進行金屬3D打印[17，18]。目前，醫用金屬材料主要被用于打印?骨組織工程支架，用于3D打印的醫用金屬材料主要包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁等。已有研究人員制備出具有高度互連的多孔結構的骨組織工程支架材料并具備適當的物理性能和生物性能[19]。

06結束語

當生物醫用金屬材料廣泛被用于植入材料時，長期的實用性與安全性便成為了對醫用金屬材料的第一要求。目前，醫用金屬材料在臨床上已經取得了廣泛的應用，同時也具備重要的深入研究價值。雖然生物醫用金屬材料在過去的幾十年中已得到較快的發展，但在臨床上廣泛使用的仍然是有限的幾種。因此，加大新型醫用金屬材料的研究并推動其發展顯得尤為必要。