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木虫 (著名写手)

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专业: 金属结构材料

[交流] [材料]生物材料在医学上的应用

【摘要】过去几十年已有几种金属被用做人体器官的取代品，而今天，更因聚合材料的密度和人体接近，甚至易被生物分解的磷酸性陶瓷，已可永久移植在人体。
生物材料这个名词在国内还很新鲜，了解的人不多，所以有必要先加以说明，狭义的说，生物材料指的是用在人体内的材料，也就是说能够取代人体组织的材料，广义的说，生物材料包括所有与体液间断或持续接触的材料。把人体的一部分或整个器官用生物材料来取代是一件令人雀跃的事情，许多科学家、医生及工程人员相信他们可以作到，虽然他们还没能够把人体内一些复杂器官如脑、肝脏等加以替换，但其它部位及器官已能成功的用生物材料加以取代，因而救活很多生命，甚至于给意外受伤或是患病的人带来无穷的希望。生物材料设计成人体某部分或器官，在观念上没有问题，并且经过短期间实验也证明可以使用，但是经过长期地移植在人体内以后，所用的材料开始出现问题，这种现象在很多设计上出现，包括人工心律调整器的包覆材料、人工心脏瓣膜、骨夹板及骨钉等。
由于生物材料必须与体液和血液接触，它必须合乎医学上的要求，因此在选择移植材料时，有六个基本问题必须加以克服：
一﹑材料必须具备足够的强度。
二﹑材料特性必须能够维持一段很长的时间而不会有显著的老化。
三﹑材料必须适合于生物组织。
四﹑材料必须为非致癌物。
五﹑材料必须不伤害血液。
六﹑材料必须便宜，并且容易制作及大量生产。
生物材料用途分类
由上所述只要与生物体液接触的材料，不管在体内或体外都称为生物材料，因此可以依其用途分为以下四类：
一﹑材料用于体内或体外以便提供暂时的功能，属于这一类的有吸收式缝线及导管等。
二﹑材料用于体外辅助器，此时材料必须与血液接触，如血液透析薄膜和氧器薄膜等。
三﹑材料与体内及体外组织同时作长时间的接触，如血液透析短络（注）、隐形眼镜及牙科整形装置等属之。
四﹑材料长期的移植在体内，如心律调整器、人造血管及人造心瓣膜等。
生物材料种类
生物材料大致上可以分为金属及合金、聚合物及陶瓷三种，现分述如下：
金属及合金
在过去几十年，有少数金属已被利用为人体构造的取代物，我们必须知道金属与人体组织的性质完全迥异，其之所以被用在人体，乃是因为金属具有很高的强度、硬度或导电性，而这些特性是当人体某部分或器官被取代时所必需的。目前移植用的金属大约有一半是由不锈钢制成，另外一半是由钴-铬合金制成，不锈钢如果处理得当，具有很好的抗腐蚀性，可以利用到很多方面的移植，不锈钢基本上是铬、镍、铁及碳的合金，为了加强其结构及物理性质使适合于医学上使用，另外加入少量的其它元素如锰、硅、钼等。移植上最常用的三种不锈钢材料的组成及物理性质见表一，含量占18％的铬，主要是用来防止合金被侵蚀，如果钢要达到不锈的要求，其铬的含量至少要达到12％，铬之所以能抵抗侵蚀是因为它会在不锈钢表面产生一层稳定而致密的氧化铬薄膜，只要这层薄膜与钢表面紧密结合在一起即可达到抗侵蚀的作用。8％的镍含量主要是为了使铁的结构稳定在沃斯田铁（austenite）即是面心立方结构（face-centeredcubic structure），这种结构的不锈钢比较适合于医学上的应用，因为它具有所需要的延性及抗蚀性。加入少量的钼可以增强不锈钢在有氯的环境里的抗侵蚀性，因此由不锈钢所制成的移植物必须具有钼的含量，所以目前均选用316或316L型的不锈钢作为移植设计用材料，这里的L是代表低碳含量。
钴-铬合金之所以被大量采用乃是因为它在高温的情况下特有的强度及抗蚀性，由于它在生物体内具有很高的抗蚀性，而被使用于移植材料上。钴-铬合金可以依其组成及制造方法分成两种形式即是铸造及锻造。目前移植用的钴-铬合金均含有少量的其它元素如碳、钼、镍、钨及铁，其中铬可以增加抗蚀性，镍可以增加强度及延性，钼可以增加高温的稳定性，表二说明三种医用钴-铬合金的主要成分及其机械性质。由表一及表二可以知道钴-铬合金的机械性质稍优于不锈钢，钴-铬合金主要用在矫形术上如骨夹板、骨钉、人造关节、牙科移植及电刺激用线等。
钛及其合金具有高度的抗蚀性及较低的密度，已被广泛用于移植器材的制作上，其机械性质见表三，大部分用在骨科及牙科的移植上。
聚合材料
目前已有很多种聚合材料被用于临床医疗上，大部分是作为软组织的取代物。这是因为聚合材料可以制成各种形式以符合所要取代之软组织的物理及化学性质。几种在临床上比较重要的聚合材料及其用途见表四。聚合材料在医学上的用途比起其它材料来得广泛，乃是因为它具有下列优点：
一﹑很容易制成各种用途的形式，如油性、固体、胶状体或者是薄膜。
二﹑与金属及合金相比较，其在体内较不易受到侵蚀，但并不意谓它不会产生退化变质。
三﹑由于聚合材料和体内组织中的胶原很类似，使得它在植入体内后能和组织直接结合。
四﹑用于接着方面的聚合材料，可以取代过去传统式的缝合方法，将体内受损的柔软组织及器官予以接合。
五﹑聚合材料的密度和人体组织很接近（1g/cm3）。
聚合材料虽有上述的各项优点，但仍有一些缺点需要改进，简述如下：
一﹑其弹性模数（modulus of elasticity）较低，使得聚合材料很难用于需要承受较大负载的用途。
二﹑由于聚合程度很难达到百分之百，使得它们在体内长久使用下，仍不免会产生退化的现象。
三﹑想得到不含其它添加剂如抗氧化剂、抗变色剂或可塑剂之高纯度医用级的聚合材料是很困难的，因为大部分的聚合材料均经由大量的生产途径来制造。
陶瓷
在历史上陶瓷是最古老的人造非动物性物质，但在医学上，一直到1960年代才开始详细且有系统的使用，到了最近我们对陶瓷材料做进一步的研究发现它有许多惊人的性质可以作为移植材料。陶瓷在牙冠的使用上已经有很长一段时间，另外如玻璃陶瓷会与骨骼组织形成特殊接合，生物能分解的磷酸钙陶瓷可用于永久移植，这些应用是因为陶瓷对体液不发生作用，并且具有较高的压缩强度及美观好看等特性。
没有活性并具有相当大小孔径的陶瓷材料会诱使骨骼组织向孔内生长，因此可以用来作为关节的弥补物，而不必用骨黏合剂。生物能分解的磷酸钙陶瓷其成分与骨骼组织近似，植入骨内不会引起任何反应。玻璃陶瓷其表面会释出离子与骨骼组织直接接合，以增进弥补物的固定性。
陶瓷材料在医学上的应用如下：脸部骨头因癌症而切除，失去原来形状时，可利用陶瓷材料整容、牙齿拔除后，将有孔隙的陶瓷材料填入，当软组织长入孔隙中，便可安装假牙、耳后海绵状的乳突骨因病切除后，可用陶瓷材料填补整形，另外陶瓷也可以镀在金属表面用于关节，可以使用较长的时间。
结语
金属及合金材料在人体的应用方面主要是利用其优异的机械强度特性，以承受较大的应力变化，其次才是利用其导电的特性。聚合材料在医学领域里已被广泛地应用，但仍有很多其它方面的应用，聚合材料比不上其它材料，尤其在硬组织的替代方面显出聚合材料不适合用于需要承受重力或磨损的用途，即使是软组织的替代，也尚需加强材料和人体组织的适应性。陶瓷材料最大的优点是在人体中很稳定，且有适当孔隙的陶瓷可以让软组织及硬组织生长到里面，形成内部互相连接的结构，适合于长期的移植，但陶瓷无法适用于所有移植，对于承受重力部分必须与金属或合金配合，有时必须与聚合材料一起使用才能发挥它的功效。
总言之，当人体的组织或内部器官因疾病或意外伤害所造成的缺损或残废而影响到外形或功能的完整性时，其最大的希望是同种器官的移植，但是同种器官移植除了不容易找到外，还会遭遇到生物体的自然抗体、免疫反应及对外来物的排斥性等，所以其最后希望便是换一个由生物材料所制成的人造器官。外形的缺损也可以利用生物材料加以整形，如日常生活上常见的换肤、整容、隆乳等，使失去的功能恢复，让人恢复正常的生活及生命活力，这是医学史上的一大进展，目前已被公认为健康医疗上的伟大成就，如何继续研究、改进及造福人群，将是今后医学界及工程界携手合作，共同努力的方向。
注：透析短络（dialysis shunt）一词，在人工肾脏方面乃是指动脉血不经过毛细血管而直接流入静脉之意，要作血液透析必须先作短络才行。血液透析短络（hemodialysis shunt）是指血液透析时所用短络的材料与体内及体外组织同时作长时间的接触。

[ Last edited by bird007 on 2005-12-6 at 14:02 ]

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