金属植入生物材料

材料科学与工程研究院金属生物材料综述学院名称：材料科学与工程研究院专业班级：******学生姓名：******学号：***********授课教师：****2015年1月金属生物材料综述摘要人体组织主要由自组装聚合物（蛋白质），硅酸盐（骨矿物质）和以具有分子尺度功能的微量元素形式存在的金属组成。然而，金属和它们的合金都作为结构生物材料在重建手术（特别是矫形外科），以及最近用在非骨性组织（如血管）中起到主导作用。随着种类繁多的金属植入物应用于临床的日渐成功，保持长期植入物完整性的相关问题也随之而来。本文重点是金属生物材料，讨论它的发展历史，及生物材料、生物相容性材料和生物医学材料的区别。最后和医疗仪器的分类，并例举不锈钢作为金属生物材料的简单应用。关键词：生物材料，生物相容性材料，生物医学材料1目录1.简介.........................................................................................................................11.1金属生物材料的发展历史...............................................................................11.2生物医学材料、生物相容性材料和生物材料的定义...................................31.3生物相容性定义...............................................................................................41.4医疗仪器的分类...............................................................................................52.不锈钢金属植入生物材料简介.............................................................................62.1不锈钢金属植入生物材料的一般机械性能..................................................72.2不锈钢金属植入生物材料的疲劳性能...........................................................72.3不锈钢金属植入生物材料的医疗应用...........................................................72.4总结...................................................................................................................9参考文献：..................................................................................................................1011.简介1.1金属生物材料的发展历史使用金属材料作为医用植入物可以追溯到19世纪，当时正值工业革命时期金属工业开始扩展[1]。金属植入物的发展主要受骨修复需求的推动，尤其是长骨的骨折内固定。然而，之前几乎没有任何植入金属装置的尝试，诸如从铁、金或银制成脊线和骨针，直到19世纪60年代Lister的无菌手术技术的成功实现[1]。自那时起，金属材料主导了整形外科手术，在大多数矫形装置，包括临时设备（如骨板、销和螺钉）和永久性植入物（例如全关节置换）起到了重要作用[2]。同时，金属也应用与牙科和正畸应用，包括补牙和牙根[3]。最近，越来越多的关于金属生物材料的研究已投入硬组织/器官的非常规重建手术的应用，如镍钛形状记忆合金作为血管支架[4]和新的镁基合金作为骨骼组织工程和再生的发展[5]。尽管有大量的金属和合金能够在工业中生产，但只有少数是生物相容的，并且能够长期作为植入材料。表中是市售的绝大多数骨科医疗器械。这些材料可按下列四种作为基体的合金元素（表1）进行分类：不锈钢，钴基合金，钛基合金和其它合金（例如镍钛、镁、钽合金）[6]。由前三种金属材料制成的医学植入物已被美国食品和药物管理局（FDA）批准使用[7]和用于常规的正畸应用[2]。图1和图2描绘了一些典型的临床应用。最后一种材料最近也有了新进展，因为其独特的材料特性使其可能具有潜在地满足更专门的组织要求的性质（诸如镍和镁的合金的可降解的形状记忆）（图2所示）[8]。但是，在这些新开发的合金制成的一些医疗植入物尚不被FDA批准，这主要是由于具有生物相容性相关的显著问题[8]，是任何生物医学植入物的临床应用的原则要求。临床应用和四类金属生物材料的当前状态汇总于表1中。图1（a）Harrington棒，不锈钢外科装置。（b）一种全髋关节置换棒，通常用不锈钢，钴或钛基合金制成。图2（a）一种血管支架（b）动脉瘤夹，都是用镍合金制成。表1四类金属生物材料和它们作为植入物的应用现状类型主要应用应用现状参考文献不锈钢1.临时设备（断裂版、螺钉、臀钉等）（Ⅱ级）2.全髋关节替换（Ⅱ级）常规应用[9]钴基合金3.全关节替换（锻造合金）（Ⅱ级）4.牙科铸件（Ⅱ级）常规应用[9]钛基合金5.钴铬钼或陶瓷股骨头全髋关节替换与（Ⅱ级）6.其它永久性设备（钢钉，心脏起搏器）（Ⅱ级）常规应用[9]其它合金镍钛合金1.正牙弓丝（Ⅰ级）2.血管支架（Ⅲ级）3.静脉过滤器（Ⅱ级）4.颅内动脉瘤夹（Ⅱ级）5.人工心脏收缩肌（Ⅲ级）6.导管导丝（Ⅱ级）7.骨钉（Ⅰ级）FDA批准FDA批准FDA批准FDA批准研究中FDA批准FDA批准[10]镁可生物降解骨科植入物（Ⅲ级）动物实验[11],[12]钽8.整形外科和神经外科缝合丝9.放射性标记物FDA批准FDA批准[13]aⅠ-Ⅲ在表2中定义1.2生物医学材料、生物相容性材料和生物材料的定义生物材料的共同特点是它们都是与生物体紧密接触使用。在材料科学领域，生物材料被定义为“加工过的物质，以单独形式或作为一个复杂系统的组成部分，通过生命系统组件的相互作用的控制，来引导任何治疗或诊断过程”。换句话说，生物材料是任何生物相容性材料，它可以是天然或人造的，被用来代替器官或作为组织的一部分进行协助，并且与它们紧密接触。应该提到的是，生物相容性材料中的前缀'生物'是指'生物相容性''，而不是经常被误解的'生物''或''生物医学''。然而，生物材料在科学和法律界使用具有不同的定义范围。在法律领域，医疗设备被定义为“任何仪器、设备、工具、机器、器件、植入物、体外试剂或校准器、软件、材料或其它类似或相关的物品，意在通过制造中单独或组合使用，对人类进行的一种或多种诊断、预防、监控、治疗、调查、支持或维持生命的医疗设备、意念的控制、以及医疗装置消毒”，生物相容性材料被定义为医疗装置的组成部分[14]。根据这个定义，用于隐形眼镜和全髋关节替换的材料是生物材料，而那些用于矫正眼磨损和人工假腿是生物医学装置，通常不属于生物相容性材料的范畴。图3生物医学材料，生物相容性材料和生物材料的定义边界。本文中，“生物医学材料”用于表示应用于或没有与生物体组织紧密接触的任何生物医学装置，而“生物相容性材料”的定义在科学界普遍用于描述仅在与活组织紧密接触使用的生物材料。因此，生物相容性材料包含于生物医学材料。生物材料可以是合成的，如骨头或天然存在的，如棉花。在本文中，我们提到的“生物材料”指的是天然存在的材料。图3演示了在这篇评论中使用的“生物医学材料”、“生物相容性材料”和“生物材料”定义的界定。1.3生物相容性定义由于生物材料是设计用来与活组织紧密接触使用的，植入材料不引起任何有害影响是至关重要的。Williams表明生物相容性涵盖生物设备功能的所有方面，包括细胞和组织与植入生物材料的相互作用[15]。生物相容性的要求是复杂和严格的，参照具体的医疗应用不同而不同。例如，由于金属离子的毒性释放导致整形外科植入物的排异，最终导致失败。因此，预期将金属植入物制成无毒性元素释放，进而在人体内不致引起可测的炎症或过敏性反应。然而，在整形外科手术应用良好的材料可能不适合心血管应用，因为其可能导致血栓形成。在一些研究中，生物材料的生物相容性，根据它们诱导细胞或组织死亡（细胞毒性），形成癌细胞（致癌性），对遗传的损伤（诱变性），免疫反应（热原性和变应原性）或凝血（血栓）的能力可进一步分类。考虑到所有这些类型的生物相容性问题，FDA提供了生物相容性的一个普遍流行的定义[7,14]，来定义植入材料对机体产生的不可测量的伤害。因此，执行有用功能的任何医疗装置都必须是基于生物的安全性一个进一步的需求，即生物相容性。因此，医疗设备的生物相容性涵盖所使用的材料的相容性和设备的设计（例如几何形状，力学和电控）。的确关节替换有许多临床失败，例如，是由于装置的较差的力学性能，而不是材料性能的问题。非材料问题超出了这篇综述的范围，以及本杂志的范围。至于植入材料的生物相容性，它不仅包括植入材料与宿主的生理系统的化学作用（如合金的腐蚀及金属离子的毒性），还包括植入材料对周围组织的物理方面的影响（材料的机械性能），即便前者是更常见和备受关注的问题。在本文中，我们只限于讨论植入材料与生物系统的化学作用上的生物相容性问题，生物材料在物理上的影响归类为材料的机械性能。对于这个有诸多局限的概念，金属植入物生物材料的生物相容性通过其耐腐蚀性和释放金属离子的生物响应来确定。因此，在本文中，首先回顾每种合金的耐腐蚀性和合金元素的生物学作用，接下来讨论合金的生物相容性。1.4医疗仪器的分类医疗器械由政府监管机构分类，包括美国食品药品管理局（FDA），加拿大卫生部医疗器械管理局，欧盟健康与消费者委员会（ECHC）和治疗用品管理局（TGA）（表2）。医疗器械基于设备的复杂性进行分类，控制的级别对于保证它的安全性和有效性是必要的，在澳大利亚设备随侵袭的程度增加进行更高的分类，这取决于装置施加到哪种组织（例如，III级对应于慢性植入装置）。非植入物（I级和II级）医疗器械（例如外科和牙科器械）都是用商业级材料制造。这些材料充分满足与人体组织短暂接触的临床要求。科学界感兴趣的生物材料作为医疗器械一般处在表2较高级别中，其必须适合用于与人体组织密切和长时间接触，因此需要上市前批准。本文是针对在FDA中II级和III级的医疗设备使用的那些金属生物材料。表2一些公认的医疗器械的分类权威机构级别TGAaⅠⅡa，ⅡbⅢFDAaⅠⅡⅢECHCaⅠⅡaⅡbⅢ加拿大卫生局ⅠⅡⅢⅣ总体描述非侵入性和/或短暂使用（如皮肤）微创，短期内使用（如眼睛，耳道）血液，口腔/鼻粘膜中短期接触中长期接触，长期性移植物，控制系统限制通用通用和专用通用控制和上市前审批健康风险低低/中中/高高示例手术器械，机械棒隐形眼镜，超声波探头骨科植入物，血液透析机心脏起搏器，灌注泵，血管支架aFDA，食品和药物管理局（美国）;ECHC，欧盟委员会健康与消费者（欧盟）;TGA，治疗用品管理局（澳大利亚）。2.不锈钢金属植入生物材料简介自从公元前1200年左右的铁器时代，当铁冶炼技术首次被人类掌握，铁制容器就被用于准备、保存食物。而铁元素对人体的良性性质已经被整个历史见证，金属离子毒性较近期的研究，按照毒性递减顺序排列如下：钴钒镍铬钛铁。不锈钢是一系列铁基合金的通用名称，它们含有大量铬（11-30％重量）和不同量的镍。不锈钢根据化学成分可以分为两组：铬和铬-镍型，。另外，它们也可以基于所述合金的特征微结构分为四组：马氏体，铁素体，奥氏体，或者珠光体（奥氏体加铁素体）。除了珠光体，其他三组中的不锈钢在医疗设备中都有应用。马氏体不锈