6.5.1.1  腐蝕防護(hù)技術(shù)的進(jìn)展和發(fā)展歷程概述

    生物醫(yī)用材料的腐蝕防護(hù)技術(shù)實(shí)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(lái)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(zhǎng)期維持其功能。

    第二代是1990年代發(fā)展起來(lái)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(wú)機(jī)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(guò)程是將組織細(xì)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(shí)細(xì)胞逐漸繁殖（在生長(zhǎng)因子的控制下）出人體的組織。該框架材料為細(xì)胞提供一個(gè)生存的三維空間，有利于細(xì)胞獲得足夠的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)物交換，使細(xì)胞能在按照預(yù)先設(shè)計(jì)的三維形狀支架上生長(zhǎng)。這一技術(shù)的內(nèi)涵是制造一個(gè)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(gè)新的人工器官。基因控制和活化治療材料能活化細(xì)胞的基因，使其表達(dá)特定的蛋白以影響細(xì)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(xì)胞外的基質(zhì)環(huán)境，以提供一個(gè)多功能的細(xì)胞結(jié)合的表面，特定的細(xì)胞識(shí)別因子可能激發(fā)基因顯性以激勵(lì)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?yàn)橹踩胧枰匦率中g(shù)，這就促進(jìn)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(zhǎng)其使用壽命。

    6.5.1.2  腐蝕問(wèn)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(gè)完整的整體，一般一個(gè)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(jìn)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(wú)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(duì)生物產(chǎn)生明顯有害效應(yīng)，并且會(huì)降低與生物系統(tǒng)直接結(jié)合而產(chǎn)生的腐蝕失效延長(zhǎng)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(wú)磁性、耐腐蝕性能好和易加工成形的特點(diǎn)，并且價(jià)格低廉，添加鉬、鉻等元素可增強(qiáng)其合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和強(qiáng)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(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（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(hù)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(jī)體有效匹配，被認(rèn)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(jī)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(chǎng)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(kāi)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(qiáng)度高、加工性能和力學(xué)性能好等特點(diǎn)，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(huì)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(jìn)行了自制的鉭絲支架植入實(shí)驗(yàn)，將 17 枚支架植入 12 頭小型豬的冠狀動(dòng)脈內(nèi)，其實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確進(jìn)行植入實(shí)驗(yàn)，且生物相容性良好。但是鉭的價(jià)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(gè)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(gè)來(lái)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(duì)于前者， 要求其在生物環(huán)境中能長(zhǎng)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(jī)械性能。雖然不要求它絕對(duì)穩(wěn)定， 但是要求其本身和少量的降解產(chǎn)物不對(duì)機(jī)體產(chǎn)生明顯的毒副作用， 同時(shí)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(guò)正常的新陳代謝被機(jī)體吸收利用或被排出體外， 主要用于藥物釋放和送達(dá)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(dāng)著重要求其抗凝血性好， 不破壞紅細(xì)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(xì)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(xì)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(píng)價(jià)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(dòng)脈，術(shù)后 6-18 個(gè)月未見(jiàn)副作用，且血管一直處于擴(kuò)張狀態(tài)，未見(jiàn)血栓。另外，組織病理學(xué)檢測(cè)也未見(jiàn)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(dòng)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(cè)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(guò)影響與生長(zhǎng)相關(guān)的基因表達(dá)水平來(lái)抑制血管平滑肌細(xì)胞的增生，從而降低了再狹窄率。不過(guò)，鐵的降解速率較慢，還需要更多的研究工作來(lái)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(jī)械性能和可降解性能被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ目山到馕罩Ъ?。鎂基材料與其他可降解材料相比具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：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(duì)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?。?.7g/cm3）、與骨類似的彈性模量（41~45GPa）和良好的屈服強(qiáng)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(duì)細(xì)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(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，加速內(nèi)皮化進(jìn)程，從而血栓的發(fā)生率低。4、鎂及鎂合金的腐蝕動(dòng)力學(xué)使得其腐蝕能夠通過(guò)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(gè)新的突破點(diǎn)。

    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(wèn)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(wèn)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(qiáng)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(wú)機(jī)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(shì)。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。