金屬植入生物材料

1、材料科學(xué)與工程研究院 金屬生物材料綜述學(xué)院名稱： 材料科學(xué)與工程研究院 專業(yè)班級： * 學(xué)生姓名： * 學(xué) 號： * 授課教師： * 2015年1月金屬生物材料綜述摘 要人體組織主要由自組裝聚合物（蛋白質(zhì)），硅酸鹽（骨礦物質(zhì)）和以具有分子尺度功能的微量元素形式存在的金屬組成。然而，金屬和它們的合金都作為結(jié)構(gòu)生物材料在重建手術(shù)（特別是矯形外科），以及最近用在非骨性組織（如血管）中起到主導(dǎo)作用。隨著種類繁多的金屬植入物應(yīng)用于臨床的日漸成功，保持長期植入物完整性的相關(guān)問題也隨之而來。本文重點是金屬生物材料，討論它的發(fā)展歷史，及生物材料、生物相容性材料和生物醫(yī)學(xué)材料的區(qū)別。最后和醫(yī)療儀器的分類，并例舉

2、不銹鋼作為金屬生物材料的簡單應(yīng)用。關(guān)鍵詞：生物材料，生物相容性材料，生物醫(yī)學(xué)材料目 錄1.簡介11.1金屬生物材料的發(fā)展歷史11.2生物醫(yī)學(xué)材料、生物相容性材料和生物材料的定義31.3生物相容性定義41.4醫(yī)療儀器的分類52.不銹鋼金屬植入生物材料簡介62.1 不銹鋼金屬植入生物材料的一般機(jī)械性能72.2不銹鋼金屬植入生物材料的疲勞性能72.3不銹鋼金屬植入生物材料的醫(yī)療應(yīng)用72.4總結(jié)9參考文獻(xiàn)：101. 簡介1.1金屬生物材料的發(fā)展歷史使用金屬材料作為醫(yī)用植入物可以追溯到19世紀(jì)，當(dāng)時正值工業(yè)革命時期金屬工業(yè)開始擴(kuò)展 1。金屬植入物的發(fā)展主要受骨修復(fù)需求的推動，尤其是長骨的骨折內(nèi)固定。然而

3、，之前幾乎沒有任何植入金屬裝置的嘗試，諸如從鐵、金或銀制成脊線和骨針，直到19世紀(jì)60年代Lister的無菌手術(shù)技術(shù)的成功實現(xiàn)1。自那時起，金屬材料主導(dǎo)了整形外科手術(shù)，在大多數(shù)矯形裝置，包括臨時設(shè)備（如骨板、銷和螺釘）和永久性植入物（例如全關(guān)節(jié)置換）起到了重要作用2。同時，金屬也應(yīng)用與牙科和正畸應(yīng)用，包括補牙和牙根3。最近，越來越多的關(guān)于金屬生物材料的研究已投入硬組織/器官的非常規(guī)重建手術(shù)的應(yīng)用，如鎳鈦形狀記憶合金作為血管支架4和新的鎂基合金作為骨骼組織工程和再生的發(fā)展5。盡管有大量的金屬和合金能夠在工業(yè)中生產(chǎn)，但只有少數(shù)是生物相容的，并且能夠長期作為植入材料。表中是市售的絕大多數(shù)骨科醫(yī)療器械

4、。這些材料可按下列四種作為基體的合金元素（表1）進(jìn)行分類：不銹鋼，鈷基合金，鈦基合金和其它合金（例如鎳鈦、鎂、鉭合金）6。由前三種金屬材料制成的醫(yī)學(xué)植入物已被美國食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)使用7和用于常規(guī)的正畸應(yīng)用2。圖1和圖2描繪了一些典型的臨床應(yīng)用。最后一種材料最近也有了新進(jìn)展，因為其獨特的材料特性使其可能具有潛在地滿足更專門的組織要求的性質(zhì)（諸如鎳和鎂的合金的可降解的形狀記憶）（圖2所示）8。但是，在這些新開發(fā)的合金制成的一些醫(yī)療植入物尚不被FDA批準(zhǔn)，這主要是由于具有生物相容性相關(guān)的顯著問題8，是任何生物醫(yī)學(xué)植入物的臨床應(yīng)用的原則要求。臨床應(yīng)用和四類金屬生物材料的當(dāng)前狀態(tài)匯總于表1

5、中。圖1 （a）Harrington棒，不銹鋼外科裝置。（b）一種全髖關(guān)節(jié)置換棒，通常用不銹鋼，鈷或鈦基合金制成。圖2 （a）一種血管支架（b）動脈瘤夾，都是用鎳合金制成。表1 四類金屬生物材料和它們作為植入物的應(yīng)用現(xiàn)狀類型主要應(yīng)用應(yīng)用現(xiàn)狀參考文獻(xiàn)不銹鋼1. 臨時設(shè)備（斷裂版、螺釘、臀釘?shù)龋墸?. 全髖關(guān)節(jié)替換（級）常規(guī)應(yīng)用9鈷基合金3. 全關(guān)節(jié)替換（鍛造合金）（級）4. 牙科鑄件（級）常規(guī)應(yīng)用9鈦基合金5. 鈷鉻鉬或陶瓷股骨頭全髖關(guān)節(jié)替換與（級）6. 其它永久性設(shè)備（鋼釘，心臟起搏器）（級）常規(guī)應(yīng)用9其它合金鎳鈦合金1. 正牙弓絲（級）2. 血管支架（級）3. 靜脈過濾器（級）4. 顱內(nèi)

6、動脈瘤夾（級）5. 人工心臟收縮肌（級）6. 導(dǎo)管導(dǎo)絲（級）7. 骨釘（級）FDA批準(zhǔn)FDA批準(zhǔn)FDA批準(zhǔn)FDA批準(zhǔn)研究中FDA批準(zhǔn)FDA批準(zhǔn)10鎂可生物降解骨科植入物（級）動物實驗11,12鉭8. 整形外科和神經(jīng)外科縫合絲9. 放射性標(biāo)記物FDA批準(zhǔn)FDA批準(zhǔn)13a-在表2中定義1.2生物醫(yī)學(xué)材料、生物相容性材料和生物材料的定義生物材料的共同特點是它們都是與生物體緊密接觸使用。在材料科學(xué)領(lǐng)域，生物材料被定義為“加工過的物質(zhì)，以單獨形式或作為一個復(fù)雜系統(tǒng)的組成部分，通過生命系統(tǒng)組件的相互作用的控制，來引導(dǎo)任何治療或診斷過程”。換句話說，生物材料是任何生物相容性材料，它可以是天然或人造的，被用來

7、代替器官或作為組織的一部分進(jìn)行協(xié)助，并且與它們緊密接觸。應(yīng)該提到的是，生物相容性材料中的前綴'生物'是指'生物相容性''，而不是經(jīng)常被誤解的'生物''或''生物醫(yī)學(xué)''。然而，生物材料在科學(xué)和法律界使用具有不同的定義范圍。在法律領(lǐng)域，醫(yī)療設(shè)備被定義為“任何儀器、設(shè)備、工具、機(jī)器、器件、植入物、體外試劑或校準(zhǔn)器、軟件、材料或其它類似或相關(guān)的物品，意在通過制造中單獨或組合使用，對人類進(jìn)行的一種或多種診斷、預(yù)防、監(jiān)控、治療、調(diào)查、支持或維持生命的醫(yī)療設(shè)備、意念的控制、以及醫(yī)療裝置消毒”，生物相容性材料被定

8、義為醫(yī)療裝置的組成部分14。根據(jù)這個定義，用于隱形眼鏡和全髖關(guān)節(jié)替換的材料是生物材料，而那些用于矯正眼磨損和人工假腿是生物醫(yī)學(xué)裝置，通常不屬于生物相容性材料的范疇。圖3 生物醫(yī)學(xué)材料，生物相容性材料和生物材料的定義邊界。本文中，“生物醫(yī)學(xué)材料”用于表示應(yīng)用于或沒有與生物體組織緊密接觸的任何生物醫(yī)學(xué)裝置，而“生物相容性材料”的定義在科學(xué)界普遍用于描述僅在與活組織緊密接觸使用的生物材料。因此，生物相容性材料包含于生物醫(yī)學(xué)材料。生物材料可以是合成的，如骨頭或天然存在的，如棉花。在本文中，我們提到的“生物材料”指的是天然存在的材料。圖3演示了在這篇評論中使用的“生物醫(yī)學(xué)材料”、“生物相容性材料”和“生

9、物材料”定義的界定。1.3生物相容性定義由于生物材料是設(shè)計用來與活組織緊密接觸使用的，植入材料不引起任何有害影響是至關(guān)重要的。Williams表明生物相容性涵蓋生物設(shè)備功能的所有方面，包括細(xì)胞和組織與植入生物材料的相互作用15。生物相容性的要求是復(fù)雜和嚴(yán)格的，參照具體的醫(yī)療應(yīng)用不同而不同。例如，由于金屬離子的毒性釋放導(dǎo)致整形外科植入物的排異，最終導(dǎo)致失敗。因此，預(yù)期將金屬植入物制成無毒性元素釋放，進(jìn)而在人體內(nèi)不致引起可測的炎癥或過敏性反應(yīng)。然而，在整形外科手術(shù)應(yīng)用良好的材料可能不適合心血管應(yīng)用，因為其可能導(dǎo)致血栓形成。在一些研究中，生物材料的生物相容性，根據(jù)它們誘導(dǎo)細(xì)胞或組織死亡（細(xì)胞毒性），

10、形成癌細(xì)胞（致癌性），對遺傳的損傷（誘變性），免疫反應(yīng)（熱原性和變應(yīng)原性）或凝血（血栓）的能力可進(jìn)一步分類?？紤]到所有這些類型的生物相容性問題，F(xiàn)DA提供了生物相容性的一個普遍流行的定義7,14，來定義植入材料對機(jī)體產(chǎn)生的不可測量的傷害。因此，執(zhí)行有用功能的任何醫(yī)療裝置都必須是基于生物的安全性一個進(jìn)一步的需求，即生物相容性。因此，醫(yī)療設(shè)備的生物相容性涵蓋所使用的材料的相容性和設(shè)備的設(shè)計（例如幾何形狀，力學(xué)和電控）。的確關(guān)節(jié)替換有許多臨床失敗，例如，是由于裝置的較差的力學(xué)性能，而不是材料性能的問題。非材料問題超出了這篇綜述的范圍，以及本雜志的范圍。至于植入材料的生物相容性，它不僅包括植入材料與宿

11、主的生理系統(tǒng)的化學(xué)作用（如合金的腐蝕及金屬離子的毒性），還包括植入材料對周圍組織的物理方面的影響（材料的機(jī)械性能），即便前者是更常見和備受關(guān)注的問題。在本文中，我們只限于討論植入材料與生物系統(tǒng)的化學(xué)作用上的生物相容性問題，生物材料在物理上的影響歸類為材料的機(jī)械性能。對于這個有諸多局限的概念，金屬植入物生物材料的生物相容性通過其耐腐蝕性和釋放金屬離子的生物響應(yīng)來確定。因此，在本文中，首先回顧每種合金的耐腐蝕性和合金元素的生物學(xué)作用，接下來討論合金的生物相容性。1.4醫(yī)療儀器的分類醫(yī)療器械由政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)分類，包括美國食品藥品管理局（FDA），加拿大衛(wèi)生部醫(yī)療器械管理局，歐盟健康與消費者委員會（EC

12、HC）和治療用品管理局（TGA）（表2）。醫(yī)療器械基于設(shè)備的復(fù)雜性進(jìn)行分類，控制的級別對于保證它的安全性和有效性是必要的，在澳大利亞設(shè)備隨侵襲的程度增加進(jìn)行更高的分類，這取決于裝置施加到哪種組織（例如，III級對應(yīng)于慢性植入裝置）。非植入物（I級和II級）醫(yī)療器械（例如外科和牙科器械）都是用商業(yè)級材料制造。這些材料充分滿足與人體組織短暫接觸的臨床要求。科學(xué)界感興趣的生物材料作為醫(yī)療器械一般處在表2較高級別中，其必須適合用于與人體組織密切和長時間接觸，因此需要上市前批準(zhǔn)。本文是針對在FDA中 II級和III級的醫(yī)療設(shè)備使用的那些金屬生物材料。表2 一些公認(rèn)的醫(yī)療器械的分類權(quán)威機(jī)構(gòu)級別TGAaa，

13、bFDAaECHCaab加拿大衛(wèi)生局總體描述非侵入性和/或短暫使用（如皮膚）微創(chuàng)，短期內(nèi)使用（如眼睛，耳道）血液，口腔/鼻粘膜中短期接觸中長期接觸，長期性移植物，控制系統(tǒng)限制通用通用和專用通用控制和上市前審批健康風(fēng)險低低/中中/高高示例手術(shù)器械，機(jī)械棒隱形眼鏡，超聲波探頭骨科植入物，血液透析機(jī)心臟起搏器，灌注泵，血管支架aFDA，食品和藥物管理局（美國）; ECHC，歐盟委員會健康與消費者（歐盟）; TGA，治療用品管理局（澳大利亞）。2. 不銹鋼金屬植入生物材料簡介自從公元前1200年左右的鐵器時代，當(dāng)鐵冶煉技術(shù)首次被人類掌握，鐵制容器就被用于準(zhǔn)備、保存食物。而鐵元素對人體的良性性質(zhì)已經(jīng)被整

14、個歷史見證，金屬離子毒性較近期的研究，按照毒性遞減順序排列如下：鈷 > 釩 > 鎳 > 鉻 > 鈦 > 鐵。不銹鋼是一系列鐵基合金的通用名稱，它們含有大量鉻（11-30重量）和不同量的鎳。不銹鋼根據(jù)化學(xué)成分可以分為兩組：鉻和鉻-鎳型，。另外，它們也可以基于所述合金的特征微結(jié)構(gòu)分為四組：馬氏體，鐵素體，奧氏體，或者珠光體（奧氏體加鐵素體）。除了珠光體，其他三組中的不銹鋼在醫(yī)療設(shè)備中都有應(yīng)用。馬氏體不銹鋼的硬度（高達(dá)97 HRB）使得它們非常適合于牙科和外科器械。鐵素體不銹鋼也在醫(yī)療設(shè)備中有所應(yīng)用。奧氏體不銹鋼得益于其良好的耐腐蝕性和中等強(qiáng)度，應(yīng)用于各種非植入式醫(yī)療設(shè)

15、備。這些應(yīng)用通常需要材料易于形成復(fù)雜的形狀。但是，只有奧氏體不銹鋼可用作植入物。2.1 不銹鋼金屬植入生物材料的一般機(jī)械性能大多數(shù)機(jī)械性能（如屈服強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度，UTS和伸長率）隨兩合金類型（即合金化學(xué)）和加工過程（如微結(jié)構(gòu)）的變化而變化。彈性（楊氏或剪切）模量是一個例外，其判定多決定于其微觀結(jié)構(gòu)而不是合金類型。用于植入物的不銹鋼多為鍛造合金（即他們被鍛造和機(jī)加工制造）。常見的有316L不銹鋼。雖然316L不銹鋼比骨骼結(jié)實得多，但在彈性模量，抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性方面，它們的臨床應(yīng)用歷史表明它他們不夠安全，不能用于在承重部位的永久裝置。這是因為，在身體內(nèi)的機(jī)械的工作條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)比簡單的伸縮負(fù)荷更復(fù)雜。

16、如植入人體的金屬生物材料通常受到疲勞損傷，或腐蝕疲勞或摩擦腐蝕疲勞。2.2不銹鋼金屬植入生物材料的疲勞性能關(guān)于不銹鋼植入物的疲勞行為報告的數(shù)目是相當(dāng)少的，尤其是與那些鈷基合金和鈦基合金相比較。這是因為如在體液內(nèi)作為更長期植入物，由于其耐蝕性差，其中的有害離子會釋放到鄰近的組織中，使奧氏體不銹鋼局限于臨時設(shè)備。316L不銹鋼在鹽水中的溶液比在環(huán)境空氣中具有更低疲勞強(qiáng)度和較短的疲勞壽命，而316L不銹鋼在生物水溶液中的疲勞強(qiáng)度通常在200-300MP之間。值得一提的是，根據(jù)有限元分析，在體內(nèi)的股骨柄的最大拉伸應(yīng)力計算大約為200MP。因此，鑄造和鍛造316L不銹鋼在疲勞性能方面比較可靠。此外，疲勞

17、裂紋萌生與凹坑相關(guān)，它充當(dāng)應(yīng)力集中因而導(dǎo)致疲勞裂紋萌生。因此，像鉬和氮提高奧氏體不銹鋼的耐點蝕性一樣，添加這些元素也是改善不銹鋼植入腐蝕疲勞性的一種有效的方法。2.3不銹鋼金屬植入生物材料的醫(yī)療應(yīng)用316L不銹鋼應(yīng)用于長期植入設(shè)備歸功于John Charnley，他推動了全髖關(guān)節(jié)替換（THA）現(xiàn)代整形過程的進(jìn)化工作。Charnley的設(shè)計由三部分組成：一個不銹鋼一體式股骨柄和頭，聚乙烯髖臼構(gòu)件，以及一個聚甲基丙烯酸甲酯骨粘固劑。這種設(shè)計使得20世紀(jì)70年代大量THA進(jìn)行。然而，使用316L不銹鋼的股骨柄骨折的發(fā)生率高于使用Co合金的。故障分析顯示，所有股骨柄骨折都屬于疲勞型，這是由股骨柄中的缺

18、陷引起的。不銹鋼髖關(guān)節(jié)植入物的初步臨床成功也使得這些裝置植入到較年輕群體具有更長的預(yù)期壽命。然而，20世紀(jì)90年代又出現(xiàn)了無菌性松動導(dǎo)致這些設(shè)備故障的報告。通過服役9-21年的假肢的故障分析報告發(fā)現(xiàn)，植入的股骨柄和股骨頭的表層都發(fā)生了腐蝕（圖9所示），與假肢周圍金屬碎屑沉積和快速老化有關(guān)。1970年至1990年進(jìn)一步THA的臨床應(yīng)用始終表明316L不銹鋼不能作為耐腐蝕的髖關(guān)節(jié)長期植入物的材料使用。圖4 從機(jī)體拿出后的植入物（a）Charnley不銹鋼股骨柄上的腐蝕范圍（b）Muller不銹鋼柄上的點蝕和腐蝕除了疲勞和耐腐蝕性能差，316L不銹鋼還具有許多其它的長期性問題，包括應(yīng)力腐蝕（SCC）

19、，耐磨性差，以及毒性和釋放鎳和鉻的致癌性。因此，316L不銹鋼已經(jīng)被更耐腐蝕和抗疲勞的合金制成的永久性植入物代替，包括高氮相變不銹鋼（如Orthinox），Co合金和Ti合金。如今，316L不銹鋼很少用于任何永久性植入裝置。然而，不銹鋼的低成本使其在大量臨時設(shè)備中得到應(yīng)用，例如骨折內(nèi)固定和脊柱的牽引，骨螺釘，骨板，髓內(nèi)釘和棒。正是因為316L不銹鋼的成本低使得不銹鋼高氮變種得以開發(fā)出來。據(jù)國家聯(lián)合注冊機(jī)構(gòu)（英國）2011年的第8次年度報告，前兩名股骨柄品牌，Exeter V40 and Charnley，都是用Orthinox材料，其在英國占有10市場。2.4總結(jié)奧氏體不銹鋼能夠作為植入物依舊

20、受到歡迎，得益于它們的可用性，成本較低，優(yōu)良的加工性能，可接受的生物相容性和韌性。它們的機(jī)械性能可被控制在很寬的范圍內(nèi)，以獲得最佳的強(qiáng)度和延展性。然而，316L不銹鋼植入物通常由于點蝕，裂縫，腐蝕疲勞，摩擦腐蝕，應(yīng)力腐蝕開裂和電化學(xué)腐蝕導(dǎo)致在體內(nèi)降解。而且316L奧氏體不銹鋼的耐磨損性也比較差，而磨損碎屑導(dǎo)致周圍組織的過敏反應(yīng)是限制其在永久性植入物中應(yīng)用的另一個原因?，F(xiàn)在，由于其成本較低316L不銹鋼被廣泛地用于各種手術(shù)器械，和短期植入裝置。這種狀況很可能繼續(xù)下去。然而，不銹鋼作為永久髖關(guān)節(jié)假肢材料的主導(dǎo)地位已被高氮，無鎳不銹鋼的發(fā)展占據(jù)。目前，Orthinox不銹鋼材料占據(jù)著英國全髖關(guān)節(jié)置換

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