《医用金属与无机材料》课程教学内容体系构建

李明利

（浙江医药高等专科学校 浙江宁波 315500）

医用金属与无机材料是为医疗器械学院医用材料专业学生讲授的一门专业必修课程，系统阐述金属与无机两大类医用材料的内涵、制备技术、性能及应用，是医疗器械学院医用材料专业主干课程，具有知识面宽、应用性强的特点[1，2]。随着当今社会科技的发展和文明的进步，未来的就业环境充满变数，给社会培养深基础、宽口径人才，是高等教育的主要目标，而交叉学科的开设是人才培养的重要途径之一[3，4]。而医用金属与无机材料课程融合了材料学的基本理论和医学领域的材料实际应用，其重要性和创新性不言而喻[5]。目前，无论是本科院校还是专科院校，都没有该课程的成熟的经验总结可借鉴，我们不能照搬工科中材料专业的教学内容，也不能沿用纯医科教学的模式，需要做全新的探索[6，7]。通过本课程的系统学习，使学生掌握医用金属和无机材料的基本概念、原理、特性及其与生物体的作用规律，并能了解其典型应用和最新的科研进展。

一、生物医用材料概述

（一）定义

生物医用材料的定义是随着生命科学和材料科学的不断发展而演变的，在不同的历史阶段，人们对其认知也是不同的。在现阶段，生物医用材料（Biomedical Materials）是指用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的天然或者人工材料，其可以单独作用或与药物一起制成器械作用于人体。随着生物技术和材料科学的交叉结合，生物医用材料已成为当代材料科学的重要分支，也促进了生命科学的蓬勃发展。

（二）分类

生物医用材料可按材料在生理环境中的生物化学反应水平分为惰性生物医用材料、活性生物医用材料、可降解和吸收的生物医用材料三大类。但是最常见的是沿用材料科学的分类方法，按材料的组成和性质将生物医用材料分成医用金属材料、医用无机非金属材料、医用高分子材料三大类。

二、医用金属材料

（一）概述

医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，一般具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料，已经在硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等领域实现了应用。医用金属材料应用中的主要问题是容易受到生理环境的腐蚀，一方面导致材料性质的变化而使得植入后失去功能性，另一方面产生的金属离子向组织扩散而带来毒副作用，因此如何提高其抗生理腐蚀性和生物相容性是研究的热点。目前已经用于临床的医用金属材料主要有纯金属钛、钽、铌、锆、不锈钢、钛合金、镁合金、钴基合金、形状记忆合金等。

（二）医用不锈钢

不锈钢是应用最早的一类医用金属材料。不锈钢主要由铁、铬、镍、钼和锰合金元素构成，其抗腐蚀的主要原因是铬作为一种活性元素，在不锈钢的表面生成氧化铬以保护基体金属，它有铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢4种类型，常用的医用不锈钢主要是316 L和317 L奥氏体不锈钢，广泛应用于矫形外科、骨科和齿科的修复，如接骨板、骨螺钉、髓内钉、人工关节、齿科矫形、义齿和颌骨缺损修复等，还可制作心血管支架、手术医疗器械等。

（三）医用钴基合金

医用钴基合金主要是由两种基本元素65%Co和35%Cr形成的固溶体。Co-Cr合金中加入碳、镍、钼、钨、铁等元素可以改善其性能。Co-Cr-Mo合金耐磨损，可以用于骨关节、接骨板、义齿等。但是钴基合金价格较高，且会有Co、Ni等离子的溶出，引起过敏和毒性反应，严重时会造成组织坏死，因此其临床应用受到了一定的限制。

（四）医用纯金属钛和钛合金

钛金属生物相容性好、密度小、耐腐蚀性好，但是强度和硬度都很低，耐磨性也比较差，仅能用于承受载荷较小部位的骨替代及口腔修复材料。钛合金可以借助合金的实效强化和固溶强化提高机械性能，满足临床医学的需要。如Ti-6Al-4V合金具有良好的生物相容性和加工性能，可以作为外科修复材料应用于整形外科、口腔与颌面外科等，目前研发低成本和低弹性模量、人体安全性高的钛合金是大势所趋。

（五）形状记忆合金

形状记忆合金，是指经过一定塑性变形后，能在一定条件下自动恢复其原始状态的一种功能材料，即拥有"记忆"效应的合金。医学领域的TiNi形状记忆合金可与生物体形成稳定的钝化膜，具有较好的生物相容性，可以用于牙齿矫形、脊柱侧弯矫形等。

三、医用无机非金属材料

（一）惰性生物陶瓷

惰性生物陶瓷材料的分子结合键较强，结构和化学稳定性好，具有较高的机械强度、耐磨性、不易降解，植入体内不发生或者仅发生微弱的化学反应，是一类重要的人体硬组织修复材料，如氧化铝、氧化锆、氧化钛和氮化硅等，可以制成人工关节和人工骨等。

（二）活性生物陶瓷

活性生物陶瓷是指可与人体组织结合的陶瓷材料，包括活性玻璃、活性玻璃陶瓷、羟基磷石灰石陶瓷等。在体内有一定的溶解度，能释放对肌体无害的某些离子，能参与体内代谢，对骨质增生有刺激和诱导作用，能促进缺损组织的修复，显示出生物活性。特别是它们的成分与动物的骨头和牙齿等硬组织相似，在人工骨、人工口腔材料中有很好的应用。

（三）可吸收生物陶瓷

可吸收生物陶瓷指陶瓷材料可被人体组织吸收，包括硫酸钙、磷酸三钙和钙磷酸盐陶瓷等，可作为骨移植材料，它们的主要功用是作为临时的“脚手架”或空间填充物，然后活组织可以渗入而取代它们。

四、医用磁性材料

（一）磁性材料概述

磁性是材料的一种基本属性，根据内部结构及其在外磁场中的性状可分为抗磁性、顺磁性、铁磁性、反铁磁性和亚铁磁性材料。磁性材料按性质分为金属和非金属两类，前者主要有电工钢、镍基合金和稀土合金等，后者主要是铁氧体材料。按使用又分为软磁材料、永磁材料和功能磁性材料。

（二）磁性纳米粒子的医学应用

磁性纳米粒子利用其独特的磁响应特性，可应用于药物载体、磁性分离和细胞的分选，可以作为靶向药物载体用于癌症热疗，可以作为核磁造影剂用于核磁共振诊疗等[8]。

（三）磁流体的医学应用

将纳米级磁性颗粒分散在某种液态载体中形成稳定的胶体体系称作磁流体或磁性液体，它既有固体磁性材料的磁性 ，又具有液体的流动性，可以应用于制备靶向载药磁性微球、磁控血管内磁性微球、磁流体热疗等领域。

五、硬组织修复材料

（一）概述

硬组织修复材料是生物医用材料中的一个重要分支，它主要是指用于骨、齿组织缺损的填充、患病骨、齿组织的置换以及引导或诱导新生骨生长所用的材料。

（二）骨修复材料

骨修复材料是一类能自固化成型、生物相容性好、机械强度高、无毒副作用、可以吸收和降解、能诱导骨细胞和血管生长的合成材料。主要包括羟基磷灰石、氧化铝、聚乳酸、羟基磷灰石聚酰胺、纳米骨浆等。

（三）义齿材料

义齿材料是指在缺损牙体和缺损、缺失牙列的治疗中制作人造牙、基托、固位体、连接杆、冠、桥及嵌体等修复体的材料。义齿材料需满足高强度、高比强度、高耐磨耗性、弹性模量接近骨、良好的耐蚀性、良好的韧性等力学条件，也要满足无异物反应、无变态反应、无致癌性、无抗原性、无毒等生物学条件，还要满足非磁性、加工性能好、舒适度高等条件，以保证患者的咀嚼能力和发音能力不受影响[9]。金属义齿材料有普通钢冠、钴铬合金、钛合金等，全瓷牙有氧化铝、氧化锆等，烤瓷粉有长石、石英、白陶土、硼砂等。

六、结束语

医用金属与无机材料是一门交叉学科，要教授好这门课程，对教学者的知识面有非常高的要求。另外，由于没有可以借鉴的成熟教材和课程体系，如何将医用金属和医用陶瓷两大类材料在基础理论和实际应用上的相通点和区别讲解清楚，使得这门课的讲授更具有挑战性。该文依据自己的实践经验对这门课程进行了课程内容体系构建，希望能引起相关研究者的注意，促使其在教学实践中不断完善。