供稿|余冬梅，湯臻，董暉，王寧，李小康，郭征

材料是人們用于制造物品、器件、構(gòu)件、機(jī)器或其他產(chǎn)品的物質(zhì)。材料根據(jù)其化學(xué)成分一般分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類[1]。

金屬材料是一種重要的工程材料，包括金屬和以金屬為基的合金。工業(yè)上把金屬及其合金分為兩大部分：黑色金屬材料和有色金屬材料。其中黑色金屬材料是指鐵和以鐵為基的合金(鋼、鑄鐵和鐵合金)，而有色金屬材料則是指黑色金屬以外的所有金屬及其合金。有色金屬按照性能和特點(diǎn)可分為：輕金屬、易熔金屬、難熔金屬、貴重金屬、稀土金屬和堿土金屬[1]。金屬材料的分類見圖1。

圖1 金屬材料分類示意圖

無機(jī)非金屬材料可分為傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料和新型無機(jī)非金屬材料。傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料包括水泥、玻璃、陶瓷等，新型無機(jī)非金屬材料包括半導(dǎo)體材料、超硬耐高溫材料、發(fā)光材料等。高分子材料也稱有機(jī)材料，根據(jù)特性可分為橡膠、纖維、塑料、高分子膠粘劑、高分子涂料、高分子基復(fù)合材料和功能高分子材料。復(fù)合材料則是用兩種或兩種以上不同材料組合的材料。

臨床醫(yī)用材料指能夠植入到生物體中與生物組織結(jié)合并修復(fù)的材料，或用于制造臨床醫(yī)用器械的材料。與材料的分類類似，臨床醫(yī)用材料按化學(xué)成分可分為臨床醫(yī)用金屬材料、臨床醫(yī)用無機(jī)非金屬材料、臨床醫(yī)用高分子材料和臨床醫(yī)用復(fù)合材料。臨床醫(yī)用金屬材料又稱醫(yī)用金屬材料或外科用金屬材料，可用于診斷、治療、替換人體中的組織或增進(jìn)其功能。

金屬因其優(yōu)異的力學(xué)性能在臨床中被首選用作承重植入體材料。公元前400年至公元前300年，腓尼基人用金屬絲修復(fù)牙齒缺失。公元紀(jì)年初始，古羅馬人用熟鐵制作假牙，中國人用黃金修補(bǔ)牙齒。公元618—907年中國的唐朝時(shí)期有用銀膏補(bǔ)齒的記載。16世紀(jì)后葉，有文獻(xiàn)記載了純金薄片和鐵絲用于顱骨缺損和斷骨修復(fù)。19世紀(jì)后期，人們已經(jīng)可以用貴金屬銀絲線縫合膝蓋骨(1880年)，用鍍鎳鋼螺釘治療骨折(1896年)。20世紀(jì)30年代，不銹鋼、鈷鉻合金、鈦及鈦合金已廣泛應(yīng)用于臨床齒科和骨科。20世紀(jì)70年代，鎳鈦形狀記憶合金的臨床應(yīng)用推動(dòng)了生物醫(yī)用金屬的進(jìn)一步發(fā)展。

常見的臨床醫(yī)用金屬包括不銹鋼、鈦合金、鈷合金、鋯合金、鋁合金、可降解的鎂合金和鋅合金、形狀記憶合金以及其他生物醫(yī)用金屬等。臨床醫(yī)用金屬在人體中的承重應(yīng)用如圖2所示。

圖2 臨床醫(yī)用金屬在人體中的承重應(yīng)用

臨床醫(yī)用不銹鋼

臨床醫(yī)用不銹鋼是耐蝕鐵基合金，按顯微組織可分為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼。根據(jù)顯微組織和性能差異，各種不銹鋼被加工成不同的臨床醫(yī)用器械。3Cr13和4Cr13型馬氏體不銹鋼可用在醫(yī)療器械，如刀、剪、止血鉗、針頭等(圖3)；00Cr18Ni10型奧氏體不銹鋼可制作成人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定器、牙齒矯形和修復(fù)(如齒冠、鑲牙和牙根種植)以及人工心臟瓣膜等器件。

圖3 醫(yī)用不銹鋼止血鉗

臨床醫(yī)用鈦合金

鈦是誕生于20世紀(jì)50年代的一種金屬，被譽(yù)為“現(xiàn)代金屬”、“第三金屬”、“戰(zhàn)略金屬”和“太空金屬”等。鈦是銀白色過渡金屬，具有低密度、重量輕、比強(qiáng)度高、彈性模量低、耐高溫、耐低溫、耐腐蝕(抗強(qiáng)酸和強(qiáng)堿)、生物相容性適宜等生物醫(yī)用特性，被廣泛應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)(髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等)、骨創(chuàng)傷產(chǎn)品(髓內(nèi)釘、固定板、螺釘?shù)?、脊柱矯形內(nèi)固定器、牙種植體(牙托和牙矯形絲)、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等(圖4)。鈦及鈦合金無磁性，對(duì)X射線具有半透射性，故而不會(huì)影響植入體檢查時(shí)的核磁共振、CT等醫(yī)學(xué)成像。穩(wěn)定狀態(tài)的鈦合金可以分為三類：α、β和α+β，對(duì)應(yīng)的鈦合金牌號(hào)分別為TA、TB和TC。第一代鈦合金是以純鈦(TA2)和Ti-6Al-4V(TC4)合金為代表，在20世紀(jì)70年代取代了不銹鋼和Co-Cr合金的臨床應(yīng)用；第二代鈦合金以Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb(TC20)等新型α+β合金為代表，以避免V元素引起惡性組織反應(yīng)和毒副作用，以及Al元素引起骨質(zhì)疏松和精神紊亂等病癥；第三代鈦合金以低彈性模量的β型鈦合金(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)為代表，這是一種經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)與骨彈性模量更匹配且剔除無益元素的鈦合金。含鉬(Mo)、鈮(Nb)、鉭(Ta)和鋯(Zr)等無毒元素的β鈦合金中β穩(wěn)定元素含量較高，與α+β鈦合金相比，β鈦合金的低彈性模量以及高剪切性和韌性使其更適于作為人體植入物。

圖4 臨床醫(yī)用鈦合金螺釘(a)及固定板(b)

臨床醫(yī)用鈷合金

鈷合金是以鈷為主要成分，含有一定量鉻、鎳、鉬、鎢等合金元素的耐磨損、耐腐蝕及耐高溫氧化的硬質(zhì)合金。鉻在合金表面形成的致密氧化膜可提高合金的耐蝕性，鉻形成的高硬度碳化物可提高合金強(qiáng)度和耐磨性；固溶在合金中的鉬作為位錯(cuò)流動(dòng)的壁障可提高合金強(qiáng)度。含較高鉻和鉬時(shí)，又稱鈷鉻鉬合金，其耐蝕性(比不銹鋼高40倍)和耐磨性優(yōu)異，力學(xué)性能和生物相容性良好，可精密鑄造成形狀復(fù)雜的修復(fù)植入體，被廣泛應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)(髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié))、義齒、支架、接骨板、骨釘、關(guān)節(jié)扣釘和骨針，及人工心臟瓣膜等，如圖5所示。

圖5 鈷合金冠脈支架(a)和髖關(guān)節(jié)(b)

臨床醫(yī)用鋯合金

鋯(Zr)是一種耐腐蝕、良好組織相容性且無毒的金屬，常作為合金化元素被添加進(jìn)鈦合金中以提高其力學(xué)性能。Ti-Zr合金相圖(圖6)顯示兩者能相互溶解[2]，表明其物理化學(xué)性質(zhì)相似。鋯合金因彈性模量低、強(qiáng)度高、韌性高、耐蝕性和生物相容性好等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于人體硬組織替代材料。Ti-Zr合金因其高強(qiáng)度的力學(xué)性能和優(yōu)異的骨結(jié)合能力，通過微創(chuàng)簡化了常規(guī)臨床治療流程，提高了效率，同時(shí)也減少了費(fèi)用和創(chuàng)傷，鋯鈦合金牙種植體如圖7所示。

圖6 Ti-Zr二元合金相圖

圖7 鋯鈦合金牙種植體

臨床醫(yī)用鋁合金

鋁按其純度分為高純鋁、工業(yè)高純鋁和工業(yè)純鋁三類。工業(yè)純鋁的純度為98.8%～99.7%，對(duì)應(yīng)的牌號(hào)有L1、L2、L3、L4、L5、L6等。鋁合金則是在純鋁中加入合金化元素，按照加工工藝特性可將其分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩種。高塑性的形變鋁合金按其性能特點(diǎn)和用途分為防銹鋁(LF)、硬鋁(LY)、超硬鋁(LC)和鍛鋁(LD)。鑄造鋁合金按加入主要合金元素的不同，分為鋁銅系(Al-Cu)、鋁錳系(Al-Mn)、鋁硅系(Al-Si)、鋁鎂系(Al-Mg)和鋁鋅系(Al-Zn)等二元合金，以及鋁鎂硅系(Al-Mg-Si)和鋁鋅鎂系(Al-Zn-Mg)等三元合金。鋁合金的高耐蝕性、良好可塑性和生物相容性使其廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的種植牙手術(shù)非常依賴醫(yī)生的技術(shù)，而數(shù)字化種植牙口外導(dǎo)板種植規(guī)能夠在手術(shù)中實(shí)現(xiàn)種植牙微創(chuàng)、精準(zhǔn)備孔與種植體安裝的主動(dòng)控制，輔助醫(yī)生提高牙種植的效率、精度和長期穩(wěn)定性，規(guī)避自由手操作引起的不穩(wěn)定因素，降低醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)。鋁合金材質(zhì)的種植規(guī)磨損較小，每套種植規(guī)可重復(fù)使用上百次，該種植規(guī)實(shí)現(xiàn)了口外操作，提高了手術(shù)操作便捷性和患者舒適度，如圖8所示。

圖8 鋁合金種植規(guī)(a)及其術(shù)中應(yīng)用(b)

臨床醫(yī)用可降解鎂合金

鎂合金按照成型工藝分為鑄造鎂合金和變形鎂合金，按合金組元數(shù)目可分為二元、三元和多元合金體系。常見鎂合金中含有多種合金元素，為分析方便，實(shí)際中簡化和突出主要合金元素。鎂合金有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。常用的鎂合金牌號(hào)有AZ31、AZ91和ZK61等，例如AZ31表示主要的合金元素為Al和Zn，其含量分別為3%和1%[3]。

鎂是人體所必需的元素之一，且鎂的密度和力學(xué)性能與人體骨很接近，能有效緩解因彈性模量差異而引起的應(yīng)力屏蔽效應(yīng)?？山到獾呐R床醫(yī)用鎂合金被譽(yù)為“革命性的金屬生物材料”，它具有密度小和可控的腐蝕速率，能促進(jìn)骨整合，且在骨愈合后自行完全降解消失，無需二次手術(shù)。臨床鎂合金器械有骨固定器(圖9)和血管支架(圖10)等。

圖9 鎂合金骨固定器

臨床醫(yī)用可降解鋅合金

鋅合金按加工方法分為鑄造鋅合金、變形鋅合金和熱鍍鋅合金。根據(jù)合金化元素可分為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]。純鋅具有良好的生物相容性，而鋅屬于滑移系較少的密排六方結(jié)構(gòu)，這一缺點(diǎn)使其力學(xué)性能在應(yīng)用中有所不足，但合金化在克服缺陷的同時(shí)能提高其生物性能。Zn-Mg合金具有良好細(xì)胞相容性；Zn-Sr合金具有顯著的新骨形成能力；Zn-Cu和Zn-Ag合金增強(qiáng)了抗菌性，Cu2+促進(jìn)了血管內(nèi)皮化，且Zn-4Cu合金的延伸率和屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均可滿足醫(yī)用要求；Zn-Zr合金提高了力學(xué)性能和耐蝕性等；可降解Zn-Cu-Sr合金可以達(dá)到骨植入與內(nèi)固定等醫(yī)療器械產(chǎn)品的生物相容性和降解性、力學(xué)相容性、易加工性等使用要求?？山到鈀n-Cu-Sr合金心臟支架如圖11所示。

圖11 可降解Zn-Cu-Sr合金心臟支架

形狀記憶合金

形狀記憶合金是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)。目前已發(fā)現(xiàn)的記憶合金有20多種，其中鎳-鈦合金臨床應(yīng)用廣泛。形狀記憶效應(yīng)是指材料能夠“記住”原來的形狀，并在一定條件(如溫度)下恢復(fù)到初始形狀的特性。形狀記憶效應(yīng)有三種：單程記憶效應(yīng)、雙程記憶效應(yīng)和全程記憶效應(yīng)。在不同的溫度下形狀記憶合金顯現(xiàn)出不同的金屬結(jié)構(gòu)相，如低溫時(shí)的單斜結(jié)構(gòu)相柔軟可隨意變形(如拉直式屈曲)，高溫時(shí)的立方體結(jié)構(gòu)相剛硬可恢復(fù)原來的形狀，并在形狀恢復(fù)過程中產(chǎn)生較大的恢復(fù)力。鎳鈦形狀記憶合金具有較高的疲勞極限，良好的耐蝕性和生物相容性，且其獨(dú)特的形狀記憶恢復(fù)溫度(36±2 ℃)與人體溫度相當(dāng)，臨床中被廣泛應(yīng)用在口腔科(種植牙)、骨科(人工關(guān)節(jié)、斷骨連接、彎曲脊柱矯正)和血管外科(主動(dòng)脈瘤、冠狀動(dòng)脈、椎動(dòng)脈狹窄)，如心臟冠狀動(dòng)脈自膨脹血管支架(圖12)。但鎳鈦記憶合金含有大量鎳元素，若其表面無防護(hù)處理，鎳離子會(huì)擴(kuò)散滲透進(jìn)周圍組織，引起細(xì)胞和組織壞死。

圖12 鎳鈦心臟冠狀動(dòng)脈自膨脹支架

結(jié)束語

了解材料屬性和臨床醫(yī)用材料分類是交叉學(xué)科認(rèn)知所必備的，明確臨床醫(yī)用金屬的屬性特征，才能深度解讀，“量身”取材定制臨床醫(yī)用制品和器械，為交叉學(xué)科從業(yè)者進(jìn)一步優(yōu)化材料和性能設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。