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生物醫用金屬材料現狀與進展( 二 )


(2) 超細晶低彈性模量、高強度鈦合金的生物相容性及產業化；
【生物醫用金屬材料現狀與進展】 (3) 超彈性和形狀記憶功能醫用低彈性模量鈦合金的組織性能調控；
(4) 調節孔隙率的大小來降低生物醫用多孔鈦合金材料彈性模量的同時提升其力學性能 。
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鈷基合金醫用金屬材料

生物醫用金屬材料現狀與進展
本文插圖


鈷基合金通常指Co-Cr合金 ， 有2種基本牌號：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金 。 Co-Cr-Mo合金微觀組織為鈷基奧氏體結構 ， 能夠鍛造或鑄造 ， 但制作加工非常困難 ， 其機械性能和耐蝕性優于不銹鋼 ， 是現階段比較優良的生物醫用金屬材料 。 鍛造鈷基合金是一種新型材料 ， 用于制造關節替換假體連接件的主干 ， 如膝關節和髖關節替換假體等 。 美國材料實驗協會推薦了4種可在外科植入中使用的鈷基合金：鍛造Co-Cr-Mo合金(F76)、鍛造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、鍛造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563) ， 其中F76和F562已廣泛用于植入體制造 。
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不銹鋼醫用金屬材料
醫用不銹鋼具有低成本和良好的加工性能、力學性能等 ， 目前在口腔醫學和骨折內固定器械、人工關節等領域應用廣泛 。 302不銹鋼是最早使用的醫用金屬材料 ， 抗腐蝕性能較好 ， 強度較高 。 有研究人員將鉬元素加入不銹鋼中制作316不銹鋼 ， 有效地改善了醫用不銹鋼的抗腐蝕性 。 20世紀50年代 ， 研究人員研制出新的316L不銹鋼 ， 將不銹鋼中的最高碳含量降至0.03% ， 使得材料的抗腐蝕性能得到進一步提高 。 從此 ， 醫用不銹鋼便成為國際上公認的外科植入體的首選材料 。
雖然鈷基合金的抗蝕性強于不銹鋼 ， 但是醫用不銹鋼具有價格低廉、易加工的優勢 ， 可制成各種人工假體及多種形體 ， 如齒冠、三棱釘、螺釘、髓內針、板、釘等器件 ， 另外制作手術器械和醫療儀器時也廣泛應用 ， 現階段醫用不銹鋼依然是應用最為廣泛的醫用金屬材料 。 目前常用的醫用不銹鋼為316L、317L ， 不銹鋼中的C質量分數≤0.03%可以避免其在生物體內被腐蝕 ， 主要成分為Fe60%~65% ， 添加重要合金Cr17%~20%和Ni12%~14% ， 還有其他少量元素成分 ， 如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S 。 為了避免鎳的毒性作用 ， 研究人員研制出了高氮無鎳不銹鋼 。 近些年來 ， 低鎳和無鎳的醫用不銹鋼逐漸得到發展和應用 。 日本的物質材料研究所(筑波市)開發了一種不含鎳的硬質不銹鋼的簡易生產方法 ， 解決了無鎳不銹鋼難以加工而制造成本太高的問題 ， 生產成本低廉 ， 有望廣泛用于醫療領域 。
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生物醫用鋁合金材料
鋁及其合金材料具有良好的性能 ， 可塑性和生物相容好 ， 作為植入材料早在20世紀40年代就已廣為使用 ， 目前可承受高負荷的部件也多用鋁及其合金制成 。 鋁具有較高的耐蝕性 ， 除在氫氟酸、苛性堿、熱的濃硫酸、鹽酸和硝酸的混合液溶解外 ， 其他試劑對鋁都發揮不了腐蝕作用 ， 體液不影響鋁的交變疲勞強度 ， 良好的生物相容性使得鋁植入材料不刺激人體 。 另外 ， 相比于不銹鋼 ， 鋁的抗缺口裂紋擴展能力很高 。
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生物醫用可降解鎂合金材料
多孔鎂合金材料作為一種可降解的生物材料可為細胞提供三維生長的空間 ， 有利于養料和代謝物的交換運輸 。 鎂本身具有生物活性 ， 可誘導細胞分化生長和血管長入 。 在材料降解吸收的過程中 ， 種植的細胞會繼續增殖生長 ， 有望形成新的具有原來特定功能和形態的相應組織和器官 ， 以達到修復創傷和重建功能的目的 。 生物醫用可降解鎂合金材料的完全可降解性和杰出的生物相容性使其有望廣泛應用于臨床硬組織修復或替代 。 可降解鎂合金血管支架是鎂合金作為可降解生物醫用金屬材料研究領域最大的研究進展 。
生物醫用鎂合金具有良好的生物相容性、力學相容性和可降解性而受到了廣泛關注 ， 但是腐蝕速率過快又限制了其實際應用 。 針對這個問題 ， 研究者提出了鎂合金的合金化、表面處理、非晶化和復合材料等4類解決方案 ， 實驗表明雖然抗腐蝕性能得到了明顯改善但是4類方案仍然沒有完全解決鎂合金在實用化道路上的所有問題 ， 因此需要更好的實驗設計和方案來解決這些問題：
(1)選擇對生物體無毒無害的恰當的合金元素摻入鎂合金體系 ， 使其綜合性能得到提高；
(2)結合上述兩種甚至多種策略同時對鎂合金進行處理 ， 從而同時優化其各項性能指標；

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