传统生物医用金属材料的应用现状

传统生物医用金属材料的应用现状，存在问题及解决对策生物医用金属材料是用于生物医学材料的金属或合金，又称外科用金属材料，是一类惰性材料。此类材料具有高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。此类材料的应用非常广泛，涉及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。已经用于临床的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金等。此外，还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。医用金属材料应用中的主要问题是：由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，而后者常常导致材料植入失败。尽管许多研究讨论了影响生物医用金属材料腐蚀的生理环境指标,但是合理的模拟生理环境迄今仍然未能确定。我们使用一种常用的生物医用金属材料腐蚀研究的模拟生理溶液成分。这些模拟生理溶液均未涉及蛋白质和氨基酸,而蛋白质和氨基酸在金属表面吸附,可以改变它们的钝化特性。由于复合的腐蚀产物各向异性的吸附作用构成了新的活化—钝化电池,从而进一步加剧腐蚀反应。但是,蛋白质和氨基酸对生物医用金属材料腐蚀行为的作用规律尚不清楚。细菌不仅影响金属材料的腐蚀,而且释放的腐蚀产物反过来也影响细菌自身的生灭。微生物腐蚀是金属腐蚀科学领域的一个热点问题,探明无处不在的细菌对金属腐蚀的作用机理,无疑是生物医用金属材料领域又一个亟待解决的问题。此外，在升温或者有较高应力作用的极化条件下,生物医用金属材料应力腐蚀开裂的孕育时间缩短,裂纹扩展速率增加。当载荷超过断裂韧性值,电位同时处在应力腐蚀开裂区间的条件下,AISI316L不锈钢的裂纹扩展速率达到2.4×10-10ms-1。在模拟生理溶液中的裂纹扩展速率明显高于在空气中的数据。值得注意的是,由于矫形植入体设计时,考虑了50%峰值应力的承受极限,从而使腐蚀疲劳的发生几率显著降低,但不能排除各种疲劳过程的交互作用,例如缝隙腐蚀/微动腐蚀,孔蚀/应力腐蚀开裂,孔蚀/腐蚀疲劳,应力腐蚀开裂/腐蚀疲劳等共同作用,均可能造成植入金属材料更为严重的破坏。再者，材料学和表面形态学各项参数是影响金属腐蚀的主要因素。鉴于生物医用金属材料成分、结构等对其腐蚀行为影响研究的日益成熟,近年来这一领域的研究已主要集中在材料的工艺特性,以及表面改性等领域。金属材料表面形成机械损伤,塑性变形产生的残余应力,材料表面利用高压灭菌器消毒处理等均会降低其腐蚀性能。各种生物医用金属器件长期以来存在的加工制造缺陷,例如螺栓孔不整,表面针孔、内部夹杂、晶粒尺寸不匀等问题始终对它们的腐蚀性能产生着有害作用。在生物相容性的问题上。生物医用金属材料的毒性表现为新陈代谢过程的改变,宿主—植入体间相互作用的变化,金属半抗原部分的免疫致敏作用(特殊的免疫活化作用),化学趋向性造成的非特异免疫抑制作用,以及化学致癌作用等方面。金属腐蚀产生的金属固体颗粒,或者溶解于模拟生理溶液的金属离子对成纤维细胞、癌细胞、淋巴细胞、嗜中性粒细胞和巨噬细胞等产生明显的影响。固体颗粒的尺寸和形状表现出对成纤维细胞吸附、迁徙和定向排布的明显影响。不同金属离子的生物毒性相差2-3个数量级,而且金属离子浓度对细胞的毒性作用存在一临界值,低于临界浓度,则没有发现金属离子的毒性作用。那么，伴随着新型金属材料的研制和表面改性技术的采用,生物医用金属材料腐蚀研究又开辟了新的研究和发展空间。特别是通过各种新的表面改性技术处理的金属材料不仅保证优良的耐腐蚀性能和生物相容性,同时,磨损和微动磨损腐蚀性能也可以相应地获得改善。作为一类有前途的表面改性技术,等离子体基低能离子注入技术为奥氏体不锈钢、钛合金等提供了有效的低温、低压改性工艺,表现出诸多优于常规离子注入、等离子体热化学扩散处理的工艺特点。对于这些表面改性的生物医用金属材料,在弄清生理环境中磨损腐蚀产物的金属学、形态学特性基础上,利用细胞培养法和遗传毒性体外测试法invitro研究其细胞毒性和致突变性,建立优化的表面我们相信，改性工艺条件,改性层的金属学、力学、化学性能,以及形态学特性与生物学效应之间关系。在invitro研究的基础上,继续综合的invivo研究,最终可研制出用于临床应用的表面改性生物医用金属材料F0605103杨光磊5060519065