6.5.1.1  腐蝕防護技術(shù)的進展和發(fā)展歷程概述

    生物醫(yī)用材料的腐蝕防護技術(shù)實際上就是防腐材料的選擇和材料表面的處理技術(shù)。從生物醫(yī)用材料技術(shù)內(nèi)涵的發(fā)展來看，已經(jīng)有了3代。

    第一代是生物惰性材料。它是從已經(jīng)成熟的工程材料中篩選出有生物相容性和替代修復(fù)組織功能的材料，如廣泛采用的金屬心血管支架、鈦關(guān)節(jié)、陶瓷關(guān)節(jié)、碳材心臟瓣膜（如圖6-104）、隱形眼鏡（如圖6-105）等。其特征是植入體內(nèi)有盡量小的免疫反應(yīng)并長期維持其功能。

    第二代是1990年代發(fā)展起來的生物活性材料和可吸收材料。生物活性材料植入體內(nèi)可以和周圍環(huán)境發(fā)生良性生理作用，如生物無機材料，生物活性玻璃、生物降解陶瓷、生物玻璃陶瓷、納米生物材料等。生物可吸收高分子材料如PLA、PGA 等，用于手術(shù)縫合線（如圖6-106）、骨折固定用骨釘和骨板、可控藥物釋放體系、神經(jīng)導(dǎo)管、醫(yī)用藥膜等。

    第三代生物醫(yī)用材料涉及組織工程和基因控制及活化治療。組織工程技術(shù)修復(fù)組織器官缺陷的過程是將組織細胞吸附于生物相容性好并可被人體逐步降解吸收的框架材料上，同時細胞逐漸繁殖（在生長因子的控制下）出人體的組織。該框架材料為細胞提供一個生存的三維空間，有利于細胞獲得足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，進行營養(yǎng)物交換，使細胞能在按照預(yù)先設(shè)計的三維形狀支架上生長。這一技術(shù)的內(nèi)涵是制造一個具有生命的器官，其技術(shù)參數(shù)是該器官具有全部生物功能，是一個新的人工器官。基因控制和活化治療材料能活化細胞的基因，使其表達特定的蛋白以影響細胞的功能。在材料上接枝特定的蛋白、多肽等生物分子以模擬細胞外的基質(zhì)環(huán)境，以提供一個多功能的細胞結(jié)合的表面，特定的細胞識別因子可能激發(fā)基因顯性以激勵活組織的再生。

    隨著生物材料這些年的應(yīng)用，第二類材料在植入后10~25年內(nèi)有1/3~1/2的患者因為植入失效需要重新手術(shù)，這就促進了第三代生物醫(yī)用材料的發(fā)展，第三代生物醫(yī)用材料采用材料自組裝技術(shù)和材料改性技術(shù)，這就大大的加大了材料的防腐性能并延長其使用壽命。

    6.5.1.2  腐蝕問題發(fā)生的部位，主要材料

    1.  腐蝕部位

    生物醫(yī)用材料體積小，并且它自己就是一個完整的整體，一般一個生物醫(yī)用產(chǎn)品只有一種材料構(gòu)成，這種材料處于人體內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境中，因此生物醫(yī)用材料的腐蝕部位就是它本身。與生物系統(tǒng)直接結(jié)合是生物醫(yī)學(xué)材料最基本的特征，如直接進入人體內(nèi)的人工骨、牙及心、肺、腎等裝置中與血液直接接觸的材料等，除了應(yīng)滿足各種生物功能等理化性質(zhì)要求。生物醫(yī)學(xué)材料毫無例外地必須具有與生物體的組織相容性，這是生物醫(yī)學(xué)材料區(qū)別于其它功能材料的最重要的特征。組織相容性要求生物醫(yī)用材料不對生物產(chǎn)生明顯有害效應(yīng)，并且會降低與生物系統(tǒng)直接結(jié)合而產(chǎn)生的腐蝕失效延長其使用壽命。

    2.  主要材料：

    1、醫(yī)用不銹鋼材料

    按照不銹鋼材料金相組織的不同，將其分為奧氏體型、奧氏體-鐵素體型、馬氏體型以及沉淀硬化型。奧氏體型不銹鋼具有無磁性、耐腐蝕性能好和易加工成形的特點，并且價格低廉，添加鉬、鉻等元素可增強其合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強度等，是目前應(yīng)用較多的一類不銹鋼，其中，316L 不銹鋼被廣泛作為支架植入材料（如圖6-108），美國材料實驗協(xié)會（ASTM）也推薦 316L 作為金屬植入材料。

    2、鈦合金

    鈦是具有高度化學(xué)活性的金屬，表面極易氧化成二氧化鈦形成惰性鈍化膜，很好地保護了基體，從而使鈦合金成為除了金、鉑以外最耐腐蝕的金屬。另外，鈦合金具有良好的生物相容性，能與有機體有效匹配，被認為是一種很有前途的種植體材料。鈦與鋁、釩、鐵、鋯、鉬、鎳等元素形成合金，在不同程度上提高了材料的物理機械性能。有些鈦合金材料還具有形狀記憶功能，如Ti-Ni、Ti-Ni-Nb、Ti11.5V1.7Fe3.3Al等。第一代醫(yī)用鈦金屬材料以純鈦和Ti-6Al-4V為代表，占目前醫(yī)用鈦合金市場的60%。第二代以Ti-5Al-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Sn為代表。第三代以最新研制開發(fā)的生物相容性與力學(xué)相容性更優(yōu)良的鈦合金材料為主。

    3、鈷合金

    生物醫(yī)用鈷合金材料通常指的是鈷鉻合金，一般分為CoCrMo合金（鑄造產(chǎn)品）和CoNiCrMo合金（經(jīng)鍛造精密加工所得）兩類。ASTM建議使用四類鈷合金作為植入材料：鑄造CoCrMo合金（F75）；鍛造CoCrWNi合金（F90）；鍛造CoNiCrMo合金（F562）；鍛造CoNiCrMoWFe合金（F563）。這四種鈷合金中的鑄造CoCrMo合金（F75）和CoNiCrMo合金（F562）已廣泛作為醫(yī)用植入材料。

    4、鉭金屬

    最近幾年，由于鉭與鉭合金具有生物相容性優(yōu)良、耐腐蝕、抗疲勞強度高、加工性能和力學(xué)性能好等特點，值得一提的是，即使在腐蝕介質(zhì)中，該類材料仍然具有這些性能，已經(jīng)被許多研究者所關(guān)注。Chen 等指出，由于鉭具有良好的血液相容性以及 X 射線和MRI 可視性，且其氧化物基本上不會被吸收，并未顯示有毒性，可以作為血管支架的候選材料。1998 年，北京醫(yī)科大學(xué)第三醫(yī)院進行了自制的鉭絲支架植入實驗，將 17 枚支架植入 12 頭小型豬的冠狀動脈內(nèi)，其實驗結(jié)果表明這種自制的鉭絲支架具有良好的 X 光下可視性，能夠快速、準確進行植入實驗，且生物相容性良好。但是鉭的價格高，資源少，加工成型困難，所以鉭合金的推廣應(yīng)用受到很大限制。

    5、生物醫(yī)用高分子材料（Biomedical Polymer）

    醫(yī)用高分子材料是生物醫(yī)學(xué)材料中發(fā)展最早、應(yīng)用最廣泛、用量最大的材料， 也是一個正在迅速發(fā)展的領(lǐng)域。它有天然產(chǎn)物和人工合成兩個來源。該材料除應(yīng)滿足一般的物理、化學(xué)性能要求外， 還必須具有足夠好的生物相容性。按不同性質(zhì)，醫(yī)用高分子材料可分為非降解型和可生物降解型兩類。對于前者， 要求其在生物環(huán)境中能長期保持穩(wěn)定， 不發(fā)生降解、交聯(lián)或物理磨損等， 并具有良好的物理機械性能。雖然不要求它絕對穩(wěn)定， 但是要求其本身和少量的降解產(chǎn)物不對機體產(chǎn)生明顯的毒副作用， 同時材料不致發(fā)生災(zāi)難性破壞。該類材料主要用于人體軟、硬組織修復(fù)體、人工器官、人造血管、接觸鏡、膜材、粘接劑和管腔制品等方面。這類材料主要包括聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸酯、芳香聚酯、聚硅氧烷、聚甲醛等。而可降解型高分子主要包括膠原、線性脂肪族聚酯、甲殼素、纖維素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它們可在生物環(huán)境作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞和性能蛻變， 其降解產(chǎn)物能通過正常的新陳代謝被機體吸收利用或被排出體外， 主要用于藥物釋放和送達載體及非永久性植入裝置。按使用的目的或用途， 醫(yī)用高分子材料還可分為心血管系統(tǒng)、軟組織及硬組織等修復(fù)材料。用于心血管系統(tǒng)的醫(yī)用高分子材料應(yīng)當著重要求其抗凝血性好， 不破壞紅細胞、血小板， 不改變血液中的蛋白并不干擾電解質(zhì)等。

    6、鐵

    純鐵材料制備的血管支架是指鐵含量在 99.5%以上的鐵支架，具有很高的彈性模量，可用在細小血管中，且純鐵支架在人體內(nèi)被氧化成亞鐵離子后，溶解到血液中，減少了平滑肌細胞的增殖，可以有效抑制血管內(nèi)膜增生。Peuster 等在 2001年，用純鐵（Fe>99.8%）制備了可腐蝕性鐵支架 NOR-1，并評價了其生物安全性。將支架植入 16 只新西蘭大白兔正常降主動脈，術(shù)后 6-18 個月未見副作用，且血管一直處于擴張狀態(tài)，未見血栓。另外，組織病理學(xué)檢測也未見新生內(nèi)膜增生和毒性效應(yīng)。2006 年，該研究小組又在 29 頭小型豬降主動脈植入了純鐵血管支架，術(shù)后的 360 天，均未發(fā)現(xiàn)鐵降解產(chǎn)物導(dǎo)致的毒性。組織病理學(xué)檢測也未發(fā)現(xiàn)鐵超載現(xiàn)象以及器官毒性。Muller 等指出，鐵血管支架上的鐵離子通過影響與生長相關(guān)的基因表達水平來抑制血管平滑肌細胞的增生，從而降低了再狹窄率。不過，鐵的降解速率較慢，還需要更多的研究工作來改善其降解性能。

    7、生物可降解鎂支架

    鎂及鎂合金支架由于其優(yōu)異的機械性能和可降解性能被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ目山到馕罩Ъ堋ｆV基材料與其他可降解材料相比具有其獨特的優(yōu)點：1、鎂離子在各種生理新陳代謝中起重要作用，是人體內(nèi)必須元素，在體內(nèi)含量極大，對于成年男性每天的攝入量為 420 mg/day，成年女性為 320 mg/day ；鎂離子具有拮抗血管內(nèi)血栓形成的作用，且有抗心率失常和治療重度抑郁癥等作用；2、具有密度小（1.7g/cm3）、與骨類似的彈性模量（41~45GPa）和良好的屈服強度（65–100MPa），鎂支架植入后有足夠的力學(xué)性能支持血管的修復(fù)，且防止血管的早期彈性回縮；3、良好的組織相容性，鎂支架降解產(chǎn)物為鎂離子，對細胞和組織不存在毒性，植入后能夠抑制平滑肌的增殖和促進內(nèi)皮細胞的生長，加速內(nèi)皮化進程，從而血栓的發(fā)生率低。4、鎂及鎂合金的腐蝕動力學(xué)使得其腐蝕能夠通過各種表面改性的方法得到可控。鎂及鎂合金的優(yōu)異的力學(xué)性能、可降解性及良好的生物相容性，為解決心血管支架材料研究提供了一個新的突破點。

    8、 陶瓷材料：陶瓷材料硬度高、磨損率低、磨損顆粒小。能夠解決金屬和高分子假體材料的磨損顆粒引起的骨溶解問題；另外陶瓷還可以克服假體在體內(nèi)潮濕環(huán)境下容易釋放金屬離子的問題。①氧化鋁陶瓷化學(xué)性能穩(wěn)定，耐磨損、生物相容性能優(yōu)良。②氧化鋯陶瓷的斷裂強度是氧化鋁的2～4 倍，斷裂韌性約為其2 倍。③羥基磷灰石是骨骼無機物的主要成分，生物相容性優(yōu)良，但其力學(xué)性能差，作為涂層材料可以發(fā)揮其優(yōu)勢。陶瓷材料不僅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨性和耐蝕性，其硬度僅次于金剛石。目前最常用的是Al2O3 和ZrO2 陶瓷。