临床医用金属植入体及器械

2022-07-29供稿余冬梅汤臻董晖王宁李小康郭征

金属世界 2022年4期

供稿|余冬梅，汤臻，董晖，王宁，李小康，郭征

材料是人们用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的物质。材料根据其化学成分一般分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类[1]。

金属材料是一种重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。工业上把金属及其合金分为两大部分：黑色金属材料和有色金属材料。其中黑色金属材料是指铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金)，而有色金属材料则是指黑色金属以外的所有金属及其合金。有色金属按照性能和特点可分为：轻金属、易熔金属、难熔金属、贵重金属、稀土金属和碱土金属[1]。金属材料的分类见图1。

图1 金属材料分类示意图

无机非金属材料可分为传统无机非金属材料和新型无机非金属材料。传统无机非金属材料包括水泥、玻璃、陶瓷等，新型无机非金属材料包括半导体材料、超硬耐高温材料、发光材料等。高分子材料也称有机材料，根据特性可分为橡胶、纤维、塑料、高分子胶粘剂、高分子涂料、高分子基复合材料和功能高分子材料。复合材料则是用两种或两种以上不同材料组合的材料。

临床医用材料指能够植入到生物体中与生物组织结合并修复的材料，或用于制造临床医用器械的材料。与材料的分类类似，临床医用材料按化学成分可分为临床医用金属材料、临床医用无机非金属材料、临床医用高分子材料和临床医用复合材料。临床医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料，可用于诊断、治疗、替换人体中的组织或增进其功能。

金属因其优异的力学性能在临床中被首选用作承重植入体材料。公元前400年至公元前300年，腓尼基人用金属丝修复牙齿缺失。公元纪年初始，古罗马人用熟铁制作假牙，中国人用黄金修补牙齿。公元618—907年中国的唐朝时期有用银膏补齿的记载。16世纪后叶，有文献记载了纯金薄片和铁丝用于颅骨缺损和断骨修复。19世纪后期，人们已经可以用贵金属银丝线缝合膝盖骨(1880年)，用镀镍钢螺钉治疗骨折(1896年)。20世纪30年代，不锈钢、钴铬合金、钛及钛合金已广泛应用于临床齿科和骨科。20世纪70年代，镍钛形状记忆合金的临床应用推动了生物医用金属的进一步发展。

常见的临床医用金属包括不锈钢、钛合金、钴合金、锆合金、铝合金、可降解的镁合金和锌合金、形状记忆合金以及其他生物医用金属等。临床医用金属在人体中的承重应用如图2所示。

图2 临床医用金属在人体中的承重应用

临床医用不锈钢

临床医用不锈钢是耐蚀铁基合金，按显微组织可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。根据显微组织和性能差异，各种不锈钢被加工成不同的临床医用器械。3Cr13和4Cr13型马氏体不锈钢可用在医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头等(图3)；00Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作成人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形和修复(如齿冠、镶牙和牙根种植)以及人工心脏瓣膜等器件。

图3 医用不锈钢止血钳

临床医用钛合金

钛是诞生于20世纪50年代的一种金属，被誉为“现代金属”、“第三金属”、“战略金属”和“太空金属”等。钛是银白色过渡金属，具有低密度、重量轻、比强度高、弹性模量低、耐高温、耐低温、耐腐蚀(抗强酸和强碱)、生物相容性适宜等生物医用特性，被广泛应用于人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤产品(髓内钉、固定板、螺钉等)、脊柱矫形内固定器、牙种植体(牙托和牙矫形丝)、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等(图4)。钛及钛合金无磁性，对X射线具有半透射性，故而不会影响植入体检查时的核磁共振、CT等医学成像。稳定状态的钛合金可以分为三类：α、β和α+β，对应的钛合金牌号分别为TA、TB和TC。第一代钛合金是以纯钛(TA2)和Ti-6Al-4V(TC4)合金为代表，在20世纪70年代取代了不锈钢和Co-Cr合金的临床应用；第二代钛合金以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb(TC20)等新型α+β合金为代表，以避免V元素引起恶性组织反应和毒副作用，以及Al元素引起骨质疏松和精神紊乱等病症；第三代钛合金以低弹性模量的β型钛合金(如Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti2448)、Ti-13Nb-13Zr、Ti-35Nb-5Ta-7Zr、Ti-15Mo-3Nb、Ti-15Zr-4Mo-2Ta-0.2Pd、Ti-29Nb-13Ta-5Zr和Ti-30Ta)为代表，这是一种经过优化设计与骨弹性模量更匹配且剔除无益元素的钛合金。含钼(Mo)、铌(Nb)、钽(Ta)和锆(Zr)等无毒元素的β钛合金中β稳定元素含量较高，与α+β钛合金相比，β钛合金的低弹性模量以及高剪切性和韧性使其更适于作为人体植入物。

图4 临床医用钛合金螺钉(a)及固定板(b)

临床医用钴合金

钴合金是以钴为主要成分，含有一定量铬、镍、钼、钨等合金元素的耐磨损、耐腐蚀及耐高温氧化的硬质合金。铬在合金表面形成的致密氧化膜可提高合金的耐蚀性，铬形成的高硬度碳化物可提高合金强度和耐磨性；固溶在合金中的钼作为位错流动的壁障可提高合金强度。含较高铬和钼时，又称钴铬钼合金，其耐蚀性(比不锈钢高40倍)和耐磨性优异，力学性能和生物相容性良好，可精密铸造成形状复杂的修复植入体，被广泛应用于人工关节(髋关节和膝关节)、义齿、支架、接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针，及人工心脏瓣膜等，如图5所示。

图5 钴合金冠脉支架(a)和髋关节(b)

临床医用锆合金

锆(Zr)是一种耐腐蚀、良好组织相容性且无毒的金属，常作为合金化元素被添加进钛合金中以提高其力学性能。Ti-Zr合金相图(图6)显示两者能相互溶解[2]，表明其物理化学性质相似。锆合金因弹性模量低、强度高、韧性高、耐蚀性和生物相容性好等优势，被广泛应用于人体硬组织替代材料。Ti-Zr合金因其高强度的力学性能和优异的骨结合能力，通过微创简化了常规临床治疗流程，提高了效率，同时也减少了费用和创伤，锆钛合金牙种植体如图7所示。

图6 Ti-Zr二元合金相图

图7 锆钛合金牙种植体

临床医用铝合金

铝按其纯度分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝三类。工业纯铝的纯度为98.8%～99.7%，对应的牌号有L1、L2、L3、L4、L5、L6等。铝合金则是在纯铝中加入合金化元素，按照加工工艺特性可将其分为形变铝合金和铸造铝合金两种。高塑性的形变铝合金按其性能特点和用途分为防锈铝(LF)、硬铝(LY)、超硬铝(LC)和锻铝(LD)。铸造铝合金按加入主要合金元素的不同，分为铝铜系(Al-Cu)、铝锰系(Al-Mn)、铝硅系(Al-Si)、铝镁系(Al-Mg)和铝锌系(Al-Zn)等二元合金，以及铝镁硅系(Al-Mg-Si)和铝锌镁系(Al-Zn-Mg)等三元合金。铝合金的高耐蚀性、良好可塑性和生物相容性使其广泛应用于医疗领域。

传统的种植牙手术非常依赖医生的技术，而数字化种植牙口外导板种植规能够在手术中实现种植牙微创、精准备孔与种植体安装的主动控制，辅助医生提高牙种植的效率、精度和长期稳定性，规避自由手操作引起的不稳定因素，降低医疗风险。铝合金材质的种植规磨损较小，每套种植规可重复使用上百次，该种植规实现了口外操作，提高了手术操作便捷性和患者舒适度，如图8所示。

图8 铝合金种植规(a)及其术中应用(b)

临床医用可降解镁合金

镁合金按照成型工艺分为铸造镁合金和变形镁合金，按合金组元数目可分为二元、三元和多元合金体系。常见镁合金中含有多种合金元素，为分析方便，实际中简化和突出主要合金元素。镁合金有Mg-Al、Mg-Mn、Mg-Zn、Mg-Li和Mg-Ag等二元合金以及Mg-Al-Zn、Mg-Al-Mn、Mg-Zn-Zr和Mg-Ag-Zr等三元合金。常用的镁合金牌号有AZ31、AZ91和ZK61等，例如AZ31表示主要的合金元素为Al和Zn，其含量分别为3%和1%[3]。

镁是人体所必需的元素之一，且镁的密度和力学性能与人体骨很接近，能有效缓解因弹性模量差异而引起的应力屏蔽效应。可降解的临床医用镁合金被誉为“革命性的金属生物材料”，它具有密度小和可控的腐蚀速率，能促进骨整合，且在骨愈合后自行完全降解消失，无需二次手术。临床镁合金器械有骨固定器(图9)和血管支架(图10)等。

图9 镁合金骨固定器

临床医用可降解锌合金

锌合金按加工方法分为铸造锌合金、变形锌合金和热镀锌合金。根据合金化元素可分为Zn-Mg、Zn-Ca、Zn-Sr、Zn-Cu、Zn-Ag和Zn-Zr等二元合金，以及Zn-Mg-Ca、Zn-Mg-Sr、Zn-Ca-Sr和Zn-Cu-Sr等三元合金[4]。纯锌具有良好的生物相容性，而锌属于滑移系较少的密排六方结构，这一缺点使其力学性能在应用中有所不足，但合金化在克服缺陷的同时能提高其生物性能。Zn-Mg合金具有良好细胞相容性；Zn-Sr合金具有显著的新骨形成能力；Zn-Cu和Zn-Ag合金增强了抗菌性，Cu2+促进了血管内皮化，且Zn-4Cu合金的延伸率和屈服强度、抗拉强度均可满足医用要求；Zn-Zr合金提高了力学性能和耐蚀性等；可降解Zn-Cu-Sr合金可以达到骨植入与内固定等医疗器械产品的生物相容性和降解性、力学相容性、易加工性等使用要求。可降解Zn-Cu-Sr合金心脏支架如图11所示。

图11 可降解Zn-Cu-Sr合金心脏支架

形状记忆合金

形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应。目前已发现的记忆合金有20多种，其中镍-钛合金临床应用广泛。形状记忆效应是指材料能够“记住”原来的形状，并在一定条件(如温度)下恢复到初始形状的特性。形状记忆效应有三种：单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。在不同的温度下形状记忆合金显现出不同的金属结构相，如低温时的单斜结构相柔软可随意变形(如拉直式屈曲)，高温时的立方体结构相刚硬可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。镍钛形状记忆合金具有较高的疲劳极限，良好的耐蚀性和生物相容性，且其独特的形状记忆恢复温度(36±2 ℃)与人体温度相当，临床中被广泛应用在口腔科(种植牙)、骨科(人工关节、断骨连接、弯曲脊柱矫正)和血管外科(主动脉瘤、冠状动脉、椎动脉狭窄)，如心脏冠状动脉自膨胀血管支架(图12)。但镍钛记忆合金含有大量镍元素，若其表面无防护处理，镍离子会扩散渗透进周围组织，引起细胞和组织坏死。