可植入人体的生物合金

金属合金不仅是用来制造各种机器设备和式样繁多的生活用具的重要材料，而且已迈入医院的大门，成为修复人体的重要材料之一。

　　一位正值青春年华的工人，因患髋关节粘连而弯腰勾背，不能正常工作，精神上异常痛苦。后来，经手术更换钴合金人工关节后，便能站立起来，恢复了工作。由于车祸，一位老司机膝盖受伤，换上了钛合金人工关节，很快便能行走自如，甚至能登楼梯、骑车……这些真实事例都说明生物合金的本领确实不凡。

　　用金属和其他材料修复人体的尝试，可以追溯到数百年前。16世纪时，人们曾用金片来修补兔唇。19世纪时，采用木片插入法治疗腭关节强直。1890年，国外一位外科医生使用象牙制造的人工关节，并用螺钉、轻石粉和树脂制成的骨粘接剂来固定。我国古代医书上也曾有“柳木接骨”的记载。可以看出，这些修复用的材料基本上都是天然材料。

　　在人体内，充满着各种酸碱度的体液，它们都有一定的腐蚀性，而且各种器官还经常处于相对运动之中。因此，要求植入人体内的金属材料具有高强度、低密度，以及好的生物相容性(即不被人体组织排斥)。另外，还要求考虑生产成本和加工性。从这些条件来看，目前适合作为植入人体的合金材料有钛合金、镍合金、钴合金和铁基合金不锈钢等，它们都有各自的拿手本领，将为人类的健康作出贡献。

各显其能的生物合金

　　作为生物合金的钛合金，包括纯钛和钛铝钒合金。这种钛铝钒合金的机械性能较好，除了钴合金外，它是耐腐蚀性和生物相容性最好的合金材料。

　　钛合金的最大优点是它的密度较低，主要是因为它里面含有密度小的铝和钒。这样，钛合金就与人体骨骼相接近，植入人体后的舒适性比其他合金高。此外，它的弹性模量为不锈钢和钴合金的一半，比较接近自然骨，因而可减少接合面上的附加应力，延长了使用寿命。

　　镍合金中含有钴、钼等多种合金元素，具有优异的耐腐蚀性和耐磨性，但目前尚未广泛用它制作人工关节等。

　　钴合金中含有较多的铬、钼，所以又称为钻铬钼合金。它的耐腐蚀性比不锈钢强40倍，而且耐磨性也非常优越，可在人体内使用二三十年也不产生磨损。这类合金主要用来制作人体受力最大的髋关节。

　　不锈钢中含有铬、镍、钼等元素，因而重量较轻，成本较低，耐腐蚀性强，与人体组织有很好的相容性。通常多用它来制作连接螺钉、骨钉和外固定器等。

　　近年来，人们将镍钛形状记忆合金归入了生物合金家族。这类合金具有能自动恢复变形以前原状的本领，人们利用它的这一特点制成压缩板植入体内，在体温作用下能自动对颈  部骨折和脊柱损伤进行固定。

　　通常，对生物合金的基本要求是，具有生物相容性、强度和一定的重量。其中生物相容性最重要，它要求合金能被人体接受而且不产生腐蚀和其他副作用。许多合金材料虽然能满足生物相容性和强度的要求，但重量问题仍未解决。因此，人们常将生物合金与高分子医用材料和生物陶瓷搭配并用。

人体之内逞英豪

　　生物合金在人体修复中大显身手，已经取得了可喜的成果，其中以牙齿使用合金的历史最久，采用的种类也较多。通常在牙齿修复中使用的生物合金包括金合金、银合金、不锈钢、镍铬合金、钴铬合金和银锡汞合金等，用它们可制作义齿、齿冠和齿桥等。近年来，钛合金也常作为牙科用合金。

　　在人体内广泛使用合金材料植入件开始于20世纪60年代。1962年，一个叫查尔莱的人使用了世界上第一个现代人工髋关节获得成功。这种人工关节的股骨用不锈钢制成，髋臼采用的是高密度聚乙烯，并用丙烯酸骨水泥粘合。此后，人体修复医学便在世界范围迅速发展起来，也为生物合金提供了施展才能的用武之地。

　　到目前为止，人们已设计和制造出近1000种人工关节，包括肩、肘、腕、指、脊柱、髋、膝、踝和脚趾关节等。在英、美等一些科学发达国家，每年人工关节植入达2万例以上。在我国，植入人工关节每年也达1000例以上，而且还在断增加。

　　植入人体的人工关节，作为人体部件将永久保留在人体内，所以对它的要求很高。另外，生物合金还用来制作以固定骨折为目的的螺钉、销钉、夹板、外固定器等，在使用后有的还要用手术重新拔出，因而是短期性部件。

　　钛合金适合于制造大型人工关节，如全肩、全肘、全髋、全膝关节等。其中最大的人工关节全长达300毫米以上，重量为0.5千克。有的还将髋关节和膝关节连在一起设计制作，几乎整条腿部的骨骼和关节都使用钛合金作材料。通常，钛合金人工关节的端部大都制成尖柄形，以便插入人体残骨腔中用骨水泥与自然骨粘合。现在，又进一步研制成带钛丝网和钛纤维垫的人工关节，可以使残骨组织直接长入网孔中，从而增加了接合的牢固性。

　　用钛合金制作人工关节植入人体后，也曾出现过一些副作用。有些研究人员用动物作实验时发现，人工关节植入后经过一段时间，在植入试片的周围组织中有钛离子析出。在人体进行第二次手术时，也发现钛骨会使周围组织出现变黑现象。为防止这种情况出现，目前采用的措施是，提高钛及钛合金的冶炼纯度，严格限制进入合金中的氮、氢和氧的含量。在钛合金人工关节铸成后，用强酸浸蚀掉表面一层吸氧层。对于重要的钛合金铸件，还要在高纯度的氩气保护下，以900℃的高温和102兆帕的压力进行热等静压处理，使内部松孔致密。这样，钍合金的强度和韧性都得到提高，再也不会出现磨掉碎屑使周围组织发黑的现象。

　　人体关节的运动，是由韧带、腱和肌肉来完成的。国外一些科研人员利用植入人体内的传感器、无线电发射机和接收机，并采用电子计算机辅助设计等方法，测出人体膝关节承受的动力为体重的3—5倍，而髋关节承受的动力为体重的5—7倍，最高可达8倍。因此，强度高、韧性好的钴合金和钛合金，多分别用来制作人工髋关节、人工膝关节和其他人工关节。

　　随着科学技术的发展，生物合金在人体修复中的应用将会越来越多，而且本领越来越强，成为医生和患者都喜欢使用的优质人工骨材料。