植入体材料(BiomedicalMaterials)是用来对生物体进行诊断、治疗、修复或替换其病损组织、器官或增进其功能的材料。它是研究人工器官和医疗器械的基础,已成为当代材料学科的重要分支,尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破,植入体材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。
植入体材料发展史
植入体材料也经历了漫长的发展历史:
古代主要利用天然物质和材料来治病;
近代最先应用于临床实践的金属材料是金、银、铂等贵重金属,因为它们具有良好的化学稳定性和易加工性;
现代植入体材料取得实质性进展开始于20世纪20年代,出现了不锈钢应用于临床治疗,除不锈钢外,钴镍合金和钛也逐渐开始使用;
经历了漫长的发展历史,植入体材料按材料属性可分为植入体金属材料、植入体无机材料和植入体高分子材料。
植入体金属材料
植入体金属材料是临床应用最广泛的承力植入材料,并且具有以下性能:
较高的机械强度和抗疲劳性能;
良好的生物力学性能;
优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术;
经过长期研究和临床筛选而得到广泛应用的金属材料主要有不锈钢,钴基合金,钛及其合金等。
(1)不锈钢
不锈钢是最早的人体植入材料。奥氏体不锈钢,特别是3i6和3i6i不锈钢,具有比其他不锈钢更好的抗蚀性能,被广泛用作金属植入材料。
优点:成本低
缺点:在生理环境中,不锈钢有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂等问题
不锈钢常用来制作各种人工关节和骨折内固定器、截骨连接器等,也用于牙科等各种器件制造、截骨连接器等,也用于牙科等各种器件制造。
(2)钴基合金
钴基合金通常指Co-cr合金,有2种基本牌号:Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。
优点:与不锈钢相比耐蚀性、耐磨性更好
缺点:价格较高,加工困难
钴基合金主要应用于人工关节、人工骨及骨科内处固定器件、齿科修复、心血管外科及整形科等。
(3)钛及其合金
钛及其合金的发展经历了3个时代:第1个时代以纯钛和Ti-6Ai-4V合金为代表;第2个时代是以Ti-6Ai-7Nb和Ti-5Ai-2.5Fe为代表的新型钛合金;第3个时代则是开发与研制生物相容性更好和弹性模量更低的钛合金的时代。
优点:耐腐蚀性、耐疲劳性好,生物相容性和表面活性好,密度小,弹性模量低,接近于天然骨
缺点:钛合金的磨损与应力腐蚀比较明显
钛和钛合金广泛用于修补颅骨,制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工心脏瓣膜支架,制作各种人工关节、接骨板、骨螺钉与骨折固定针等。
植入体无机材料
植入体无机材料主要有生物陶瓷、生物玻璃等。
(1)生物陶瓷材料
在生物体内极为稳定,具有良好的生物相容性,容易成形,比如羟基磷灰石。
主要用作人体硬组织如骨和齿的替换修补材料。
(2)生物玻璃材料
强度低,断裂韧性差,它能与骨组织直接结合,起到修复骨组织、恢复其功能的作用,比如45S5玻璃。
主要用于非承力的人工牙齿、人工骨等也可作为钛合金牙种植体的表面涂层。
植入体高分子材料
高分子材料是植入体材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料,也是-个正在迅速发展的领域。
(1)硅橡胶
无毒无味、生物相容性好、耐生物老化、较好的抗凝血性、长期植入体内物理性能下降甚微、耐高温严寒、良好的电绝缘性、耐氧老化性、耐光电老化性、化学稳定性等。
临床上作为腕骨缺损的填充物手部屈肌腿吻合或移植处的健鞘、神经吻合口的外膜、掌指关节头的包膜。
(2)聚氨酯
良好的延伸性和抗挠曲性,强度高、耐磨损,血液相容性、抗血栓性能好,且不损伤血液成分。
主要用于人工心脏搏动膜、心血管医学元件、人工心脏、绷带、辅助循环、人工软骨等。
(3)聚氯乙烯
抗凝血性能良好,耐热性不高,通过增塑可赋予可屈挠性。
是用量最大的医用高分子材料,目前普遮用于制作塑料输血输液袋,医用导管、人工输尿管、胆管和心脏瓣膜等。
(4)聚四氟乙烯
耐高温,几乎完全是化学惰性的,具有自润滑性或非粘性。
主要用于人工输尿管、胆管、髋关节、皮肤等用。
(5)聚甲基丙烯酸甲酯
良好的生物相容性、耐老化性,机械强度高。
用于人工角膜、假牙、人工喉、食管和腕骨等。
看完了植入体材料的详细介绍,我们来系统的看看三种植入体材料的性能对比。
植入体材料对比
下表对比了三种植入材料的主要特性。
我们可以看到现有的植入体材料各有利弊,各自在不同的领域起着重要的作用。随着3D打印技术的兴起,植入材料将会获得-个新的发展机遇。推陈出新,会有越来越多的材料能够被用来更好的替代和修复人体机能。也希望未来材料的发展的更好的为医学植入服务。
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