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生物医用金属中的佼佼者——钽金属
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生物医用金属材料优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱，在整个生物医用材料应用中各占45%左右。 金属医用材料经临床应用，主要问题还是生物相容性，源于金属腐蚀和磨损。因为金属材料中均含有较多的合金化元素，由于腐蚀、磨损将导致金属离子溶出，进而引发细胞及组织液的一些生物反应，如组织反应、血液反应和全身反应，表现为水肿、血栓栓塞、感染及肿瘤等现象。 01人体环境的特殊性 人体体液约合1%氯化钠及少量其他盐类和有机化合物，局部酸碱性经常略有变化，温度保持在37℃左右。 这种环境对金属材料会产生腐蚀，其腐蚀产物可能是离子、氧化物、氯化物等，它们与邻近的组织接触，甚至渗入正常组织或整个生物系统中，对正常组织产生影响和刺激、以引起包括组织非正常生长、畸变、过敏或炎症、感染等不良生物反应，甚至诱发癌变。腐蚀作用同事会使材料的力学性能产生衰减，这两种过程通常单独或协同造成材料的失效。因此，作为生物医用金属材料，首先必须满足两个基本条件：第一是无毒性；第二是耐生理腐蚀性。 02金属材料植入人体后的表现 生物医用金属材料植入人体后，一般希望能在体内永久或半永久地发挥生理功能，所谓半永久对金属人工关节来说至少在15年以上，在这样一个相当长的时间内，金属表面或多或少会有离子或原子因腐蚀或磨损进入周围生物组织，因此，材料是否对生物组织有毒就成为选择材料的必要条件。 目前常用临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴合金、钛合金、形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。这些材料在应用过程中的特性如下。 不锈钢材料 医用不锈钢的生物相容性及相关问题，主要涉及到不锈钢植入人体后由于腐蚀或磨损造成金属离子溶出所引起的组织反应等。 由于腐蚀会造成金属离子或其它化合物进人周围的组织或整个机体，因而可在机体内引起某些不良组织学反应，如出现水肿、感染、组织坏死等，从而导致疼痛和过敏反应等。特别是不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变（通常用的奥氏体医用不锈钢均含有10%左右的镍）。 钴合金材料 钴合金在人体内多保持钝化状态，很少见腐蚀现象，与不锈钢相比，其钝化膜更稳定，耐蚀性更好。一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。 但是由于钴合金价格较贵，并且钴合金制作的人工髋关节由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出，在体内的松动率较高，析出的Co、Ni元素又存在着严重致敏性等生物学问题，在体内容易引起细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉，应用受到一定的限制。 钛合金材料 钛及钛合金的密度在4.5g/cm3左右，几乎仅为不锈钢和钴合金的一半，密度接近人体硬组织，且其生物相容性、耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴合金，是目前最佳的金属医用材料。钛及钛合金与人体的亲和性，源于植入后其表面致密的氧化钛（TiO2）钝化膜具有诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，尤其适合于骨内埋植。 钛及钛合金缺点是硬度较低，耐磨性差。若磨损发生，首先导致氧化膜破坏，随后磨损的颗粒腐蚀产物进人体组织，尤其是Ti-6A1-4V合金中含有毒性的钒（V）可导致植入物的失效。 形状记忆合金 临床上应用最广泛的形状记忆合金主要有镍钛形状记忆合金。医用镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36±2℃，符合人体温度在临床上表现出与钛合金相当的生物相容性。 但由于镍钛记忆合金中含有大量的镍元素，如果表面处理不当，则其中的镍离子可能向周围组织扩散渗透，引起细胞和组织坏死。 钽金属材料 钽材在空气中或在加工过程中会自发氧化形成一层致密的Ta2O5氧化层。该氧化层不导电，使钽材在所有pH值和电位下溶解度都非常低，在酸环境下不易被腐蚀，从而在体内表现出非常强的生物惰性、化学稳定性和抗生理腐蚀性。 因此，与不锈钢、Co-Cr合金、钛合金等易在体液环境中腐蚀产生金属离子或粒子的其他金属材料相比，钽优异的耐腐蚀性使其能够作为一种具有良好生物相容性的骨植入材料，被用作接骨板、种植牙根、义齿、心血管支架及人工心脏等。 03钽表面合金技术 钽金属的在医疗植入金属中的优势是无需赘言的，但作为稀有金属，钽在地球中的储量并不多，直接导致了价格的昂贵。因价格所限，钽的应用受到了极大的制约。 艾因斯（北京）钽应用科技有限公司多年来致力于研制钽表面合金技术，通过将普通的材料表面制作出钽合金，赋予设备与纯钽铌制品相媲美的高性能。该技术的出现，完美解决了钽金属成本问题，使得钽的应用平民化、广泛化不再是梦。 1、钽金属优异的耐腐蚀性，将其涂覆在某些医用金属材料表面，以阻止有毒元素的释放，提高金属材料的生物相容性，同事钽涂层也提高了材料在人体中的可视性。 2、钽涂层可提高钛金属的骨整合性能，增进细胞的黏附能力，促进细胞的生长。 3、钽涂层更高的表面能和更好的润湿性改善了细胞与植入材料之间的相互作用。 4、除了金属材料外，钽还可以涂覆在一些非金属材料表面，如碳笼表面涂覆钽用于脊柱融合术，钽涂层提高了碳笼的强度、韧性以适合脊柱承力及更好地满足手术过程的要求。    |
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