正文
医用金属材料也被称为外科植入金属材料，主要用于诊断、治疗，以及替换人体中的组织或增进其功能。近20年来，虽然金属医用材料相对于高分子材料、复合材料以及杂化和衍生材料等生物医用材料的发展缓慢，但其具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其它几类医用材料不可替代的优良性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。尤其随着金属3D打印技术的发展，金属医用材料得到了更广泛的应用，最重要的应用有：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
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。
1、不锈钢
医用不锈钢（Stainless Steel as Biomedical Material）为铁基耐蚀合金，是最早开发的生物医用合金之一，其特点是易加工、价格低廉，耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工提高，避免疲劳断裂。不锈钢按显微组织可分为：奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等，除常规医疗器械外，还可用于制作人工关节、骨折内固定器、牙齿矫形、人工心脏瓣膜等器件。
图5 医用不锈钢钳
医用不锈钢的缺点是其长期植入的稳定性差，加之其密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，导致力学相容性差。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，并且不锈钢中镍离子析出诱发的严重病变。
2、钴合金
医用钴合金（Co-based Alloy as Biomedical Material）也是医疗中常用的金属医用材料。医用钴合金的耐腐蚀性比不锈钢高40倍，主要被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针，目前应用最多的是铸造钴铬铝合金。
图6 钴基合金人工关节
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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。从耐磨性看，它也是所有医用金属材料中最好的，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，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。近年来，通过表面改性技术来改善钴合金的表面特性，有效提高了其临床效果。
3、钛合金
医用钛合金（Ti-based- Alloy as Biomedical Material）是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，是最有发展前景的医用材料之一。目前，钛和钛合金主要应用于整形外科，尤其是四肢骨和颅骨整复，被用以制作各种骨折内固定器械、人工关节、头盖骨和硬膜、人工心脏瓣膜、齿、牙床、托环和牙冠。其中，医用应用最多的钛合金是TC4（Ti-6A1-4V）。
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。为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可对钛及钛合金制品表面进行高温离子氨化或离子注入技术处理，强化其表面耐磨性。
图7 医用钛及钛合金
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4、形状记忆合金
医用形状记忆合金（Shape Memory Alloy as Biomedical Material）的研究始于20世纪70年代，并很快得到了广泛应用。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。医用形状记忆合金主要用于整形外科和口腔科，镍钛记忆合金应用最好的例子是自膨胀支架，特别是心血管支架。
图8 医用钛及钛合金
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5、贵金属和纯金属钽、铌、锆
医用贵金属是指用作生物医用材料的金、银、铂及其合金的总称。贵金属的生物相容性较好，抗氧化、抗腐蚀性强，具备独特的物理与化学稳定性，优异的加工特性，对人体组织无毒副作用。被用作整牙修复、颅骨修复、植入电极电子装置、神经修复装置、耳涡神经刺激装置、横隔膜神经刺激装置、视觉神经装置和心脏起搏器电极等。
钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，钽的氧化物基本上不被吸收和不呈现毒性反应，钽可与其它金属结合使用而不破坏其表面的氧化膜。在临床上，钽也表现出良好的生物相容性。钽、铌、锆与钛都具有极相似的组织结构和化学性能，在生物医学上也得到一定应用，被用作接骨板、种植牙根、义齿、心血管支架及人工心脏等。但总的来说，医用贵金属和钽、铌、锆等金属因其价格较贵，广泛应用受到限制。
图9 贵金属烤瓷牙
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近年，生物医用高分子材料可谓异军突起，成为发展最快的生物医学材料。目前生物医用高分子材料研究又进入了一个新的阶段，寻找具有主动诱导、刺激人体损伤组织再生修复的一类生物活性材料成为热点。３Ｄ打印高分子耗材需要经过特殊处理，还需要加入粘合剂或者光固化剂，且对材料的固化速度、固化收缩率等有很高的要求。不同的打印技术对材料的要求都不相同，但是都需要材料的成型过程快速精确，材料能否快速精确的成型直接关系到打印的成败。由于生物医用材料直接与生物系统作用，除了各种理化性质要求外，生物医学材料必须具有良好的生物相容性，生物医学材料的开发比其他功能材料的开发具有更严格的审核程序，所以对用于生物医学领域的３Ｄ打印高分子材料的研究才刚刚起步。
