6.5.1.1  腐蚀防护技术的进展和发展历程概述

    生物医用材料的腐蚀防护技术实际上就是防腐材料的选择和材料表面的处理技术。从生物医用材料技术内涵的发展来看，已经有了3代。

    第一代是生物惰性材料。它是从已经成熟的工程材料中筛选出有生物相容性和替代修复组织功能的材料，如广泛采用的金属心血管支架、钛关节、陶瓷关节、碳材心脏瓣膜（如图6-104）、隐形眼镜（如图6-105）等。其特征是植入体内有尽量小的免疫反应并长期维持其功能。

    第二代是1990年代发展起来的生物活性材料和可吸收材料。生物活性材料植入体内可以和周围环境发生良性生理作用，如生物无机材料，生物活性玻璃、生物降解陶瓷、生物玻璃陶瓷、纳米生物材料等。生物可吸收高分子材料如PLA、PGA 等，用于手术缝合线（如图6-106）、骨折固定用骨钉和骨板、可控药物释放体系、神经导管、医用药膜等。

    第三代生物医用材料涉及组织工程和基因控制及活化治疗。组织工程技术修复组织器官缺陷的过程是将组织细胞吸附于生物相容性好并可被人体逐步降解吸收的框架材料上，同时细胞逐渐繁殖（在生长因子的控制下）出人体的组织。该框架材料为细胞提供一个生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质，进行营养物交换，使细胞能在按照预先设计的三维形状支架上生长。这一技术的内涵是制造一个具有生命的器官，其技术参数是该器官具有全部生物功能，是一个新的人工器官。基因控制和活化治疗材料能活化细胞的基因，使其表达特定的蛋白以影响细胞的功能。在材料上接枝特定的蛋白、多肽等生物分子以模拟细胞外的基质环境，以提供一个多功能的细胞结合的表面，特定的细胞识别因子可能激发基因显性以激励活组织的再生。

    随着生物材料这些年的应用，第二类材料在植入后10~25年内有1/3~1/2的患者因为植入失效需要重新手术，这就促进了第三代生物医用材料的发展，第三代生物医用材料采用材料自组装技术和材料改性技术，这就大大的加大了材料的防腐性能并延长其使用寿命。

    6.5.1.2  腐蚀问题发生的部位，主要材料

    1.  腐蚀部位

    生物医用材料体积小，并且它自己就是一个完整的整体，一般一个生物医用产品只有一种材料构成，这种材料处于人体内复杂的环境中，因此生物医用材料的腐蚀部位就是它本身。与生物系统直接结合是生物医学材料最基本的特征，如直接进入人体内的人工骨、牙及心、肺、肾等装置中与血液直接接触的材料等，除了应满足各种生物功能等理化性质要求。生物医学材料毫无例外地必须具有与生物体的组织相容性，这是生物医学材料区别于其它功能材料的最重要的特征。组织相容性要求生物医用材料不对生物产生明显有害效应，并且会降低与生物系统直接结合而产生的腐蚀失效延长其使用寿命。

    2.  主要材料：

    1、医用不锈钢材料

    按照不锈钢材料金相组织的不同，将其分为奥氏体型、奥氏体-铁素体型、马氏体型以及沉淀硬化型。奥氏体型不锈钢具有无磁性、耐腐蚀性能好和易加工成形的特点，并且价格低廉，添加钼、铬等元素可增强其合金结构的稳定性和强度等，是目前应用较多的一类不锈钢，其中，316L 不锈钢被广泛作为支架植入材料（如图6-108），美国材料实验协会（ASTM）也推荐 316L 作为金属植入材料。

    2、钛合金

    钛是具有高度化学活性的金属，表面极易氧化成二氧化钛形成惰性钝化膜，很好地保护了基体，从而使钛合金成为除了金、铂以外最耐腐蚀的金属。另外，钛合金具有良好的生物相容性，能与有机体有效匹配，被认为是一种很有前途的种植体材料。钛与铝、钒、铁、锆、钼、镍等元素形成合金，在不同程度上提高了材料的物理机械性能。有些钛合金材料还具有形状记忆功能，如Ti-Ni、Ti-Ni-Nb、Ti11.5V1.7Fe3.3Al等。第一代医用钛金属材料以纯钛和Ti-6Al-4V为代表，占目前医用钛合金市场的60%。第二代以Ti-5Al-2.5Fe、Ti-5Al-2.5Sn为代表。第三代以最新研制开发的生物相容性与力学相容性更优良的钛合金材料为主。

    3、钴合金

    生物医用钴合金材料通常指的是钴铬合金，一般分为CoCrMo合金（铸造产品）和CoNiCrMo合金（经锻造精密加工所得）两类。ASTM建议使用四类钴合金作为植入材料：铸造CoCrMo合金（F75）；锻造CoCrWNi合金（F90）；锻造CoNiCrMo合金（F562）；锻造CoNiCrMoWFe合金（F563）。这四种钴合金中的铸造CoCrMo合金（F75）和CoNiCrMo合金（F562）已广泛作为医用植入材料。

    4、钽金属

    最近几年，由于钽与钽合金具有生物相容性优良、耐腐蚀、抗疲劳强度高、加工性能和力学性能好等特点，值得一提的是，即使在腐蚀介质中，该类材料仍然具有这些性能，已经被许多研究者所关注。Chen 等指出，由于钽具有良好的血液相容性以及 X 射线和MRI 可视性，且其氧化物基本上不会被吸收，并未显示有毒性，可以作为血管支架的候选材料。1998 年，北京医科大学第三医院进行了自制的钽丝支架植入实验，将 17 枚支架植入 12 头小型猪的冠状动脉内，其实验结果表明这种自制的钽丝支架具有良好的 X 光下可视性，能够快速、准确进行植入实验，且生物相容性良好。但是钽的价格高，资源少，加工成型困难，所以钽合金的推广应用受到很大限制。

    5、生物医用高分子材料（Biomedical Polymer）

    医用高分子材料是生物医学材料中发展最早、应用最广泛、用量最大的材料， 也是一个正在迅速发展的领域。它有天然产物和人工合成两个来源。该材料除应满足一般的物理、化学性能要求外， 还必须具有足够好的生物相容性。按不同性质，医用高分子材料可分为非降解型和可生物降解型两类。对于前者， 要求其在生物环境中能长期保持稳定， 不发生降解、交联或物理磨损等， 并具有良好的物理机械性能。虽然不要求它绝对稳定， 但是要求其本身和少量的降解产物不对机体产生明显的毒副作用， 同时材料不致发生灾难性破坏。该类材料主要用于人体软、硬组织修复体、人工器官、人造血管、接触镜、膜材、粘接剂和管腔制品等方面。这类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胶原、线性脂肪族聚酯、甲壳素、纤维素、聚氨基酸、聚乙烯醇、聚己丙酯等。它们可在生物环境作用下发生结构破坏和性能蜕变， 其降解产物能通过正常的新陈代谢被机体吸收利用或被排出体外， 主要用于药物释放和送达载体及非永久性植入装置。按使用的目的或用途， 医用高分子材料还可分为心血管系统、软组织及硬组织等修复材料。用于心血管系统的医用高分子材料应当着重要求其抗凝血性好， 不破坏红细胞、血小板， 不改变血液中的蛋白并不干扰电解质等。

    6、铁

    纯铁材料制备的血管支架是指铁含量在 99.5%以上的铁支架，具有很高的弹性模量，可用在细小血管中，且纯铁支架在人体内被氧化成亚铁离子后，溶解到血液中，减少了平滑肌细胞的增殖，可以有效抑制血管内膜增生。Peuster 等在 2001年，用纯铁（Fe>99.8%）制备了可腐蚀性铁支架 NOR-1，并评价了其生物安全性。将支架植入 16 只新西兰大白兔正常降主动脉，术后 6-18 个月未见副作用，且血管一直处于扩张状态，未见血栓。另外，组织病理学检测也未见新生内膜增生和毒性效应。2006 年，该研究小组又在 29 头小型猪降主动脉植入了纯铁血管支架，术后的 360 天，均未发现铁降解产物导致的毒性。组织病理学检测也未发现铁超载现象以及器官毒性。Muller 等指出，铁血管支架上的铁离子通过影响与生长相关的基因表达水平来抑制血管平滑肌细胞的增生，从而降低了再狭窄率。不过，铁的降解速率较慢，还需要更多的研究工作来改善其降解性能。

    7、生物可降解镁支架

    镁及镁合金支架由于其优异的机械性能和可降解性能被认为是最具发展潜力的可降解吸收支架。镁基材料与其他可降解材料相比具有其独特的优点：1、镁离子在各种生理新陈代谢中起重要作用，是人体内必须元素，在体内含量极大，对于成年男性每天的摄入量为 420 mg/day，成年女性为 320 mg/day ；镁离子具有拮抗血管内血栓形成的作用，且有抗心率失常和治疗重度抑郁症等作用；2、具有密度小（1.7g/cm3）、与骨类似的弹性模量（41~45GPa）和良好的屈服强度（65–100MPa），镁支架植入后有足够的力学性能支持血管的修复，且防止血管的早期弹性回缩；3、良好的组织相容性，镁支架降解产物为镁离子，对细胞和组织不存在毒性，植入后能够抑制平滑肌的增殖和促进内皮细胞的生长，加速内皮化进程，从而血栓的发生率低。4、镁及镁合金的腐蚀动力学使得其腐蚀能够通过各种表面改性的方法得到可控。镁及镁合金的优异的力学性能、可降解性及良好的生物相容性，为解决心血管支架材料研究提供了一个新的突破点。

    8、 陶瓷材料：陶瓷材料硬度高、磨损率低、磨损颗粒小。能够解决金属和高分子假体材料的磨损颗粒引起的骨溶解问题；另外陶瓷还可以克服假体在体内潮湿环境下容易释放金属离子的问题。①氧化铝陶瓷化学性能稳定，耐磨损、生物相容性能优良。②氧化锆陶瓷的断裂强度是氧化铝的2～4 倍，断裂韧性约为其2 倍。③羟基磷灰石是骨骼无机物的主要成分，生物相容性优良，但其力学性能差，作为涂层材料可以发挥其优势。陶瓷材料不仅具有良好的生物相容性，而且具有超高硬度、耐磨性和耐蚀性，其硬度仅次于金刚石。目前最常用的是Al2O3 和ZrO2 陶瓷。