生物医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料，当生物医用金属材料广泛被用于植入材料时，长期的实用性与安全性便成为了对医用金属材料的第一要求。生物医用金属材料在临床上已经取得了广泛的应用，同时也具备重要的深入研究价值。本文讲述了生物医用金属材料的最新研究进展，详细介绍了钛基、钴基、镁基、锆基、锌基、铝合金以及不锈钢、钨、贵金属等生物医用金属材料的研究与应用进展。

性能要求

生物医用金属材料的性能要求：

(1)机械性能

生物医用金属材料一般应具有足够的强度和韧性，适当的弹性和硬度，良好的抗疲劳、抗蠕变性能以及必需的耐磨性和自润滑性。

(2)抗腐蚀性能

生物医用金属材料发生的腐蚀主要有：植入材料表面暴露在人体生理环境下发生电解作用，属于一般性均匀腐蚀；植入材料混入杂质而引发的点腐蚀；各种成分以及物理化学性质不同引发的晶间腐蚀；电离能不同的材料混合使用引发的电偶腐蚀；植入体和人体组织的间隙之间发生的磨损腐蚀；有载荷时，植入材料在某个部位发生应力集中而引起的应力腐蚀；长时间的反复加载引发植入材料损伤断裂的疲劳腐蚀等。

(3)生物相容性

生物相容性是指人体组织与植入材料相互包容和相互适应的程度，也就是说植入材料是否会对人体组织造成破坏、毒害和其他有害的作用。生物医用材料必须具备优异的生物相容性，具体体现在：对人体无毒、无刺激、无致癌、无突变等作用；人体无排异反应；与周围的骨骼及其他组织能够牢固结合，最好能够形成化学键合以及具有生物活性；无溶血、凝血反应，即具有抗血栓性。生物相容性是衡量生物材料优劣的重要指标。

研究现状

01 生物医用钛合金材料

生物医用钛合金材料是用于生物医学工程的一类功能结构材料，常用于外科植入物和矫形器械产品的生产和制造。钛合金医疗器械产品如人工关节、牙种植体和血管支架等用于临床诊断、治疗、修复、替换人体组织或器官，或增进人体组织或器官功能，其作用是药物不能替代的。医用钛合金材料研究涉及材料、物理、化学、生物、医学、电子显微及生化分析等多个学科，研究方向包括：医用金属材料的合金设计与评价体系、材料的加工-组织-性能关系与人体软、硬组织的相容性匹配、材料的表面改性(生物相容性、生物功能性、生物活性、耐磨性和耐蚀性等)及材料基体与表面（界面）的相互作用规律等。

纯钛具有无毒、质轻、强度高、生物相容性好等优点。20世纪50年代美国和英国开始把纯钛用于生物体。20世纪60年代后，钛合金开始作为人体植入材料而广泛应用于临床。从最初的Ti-6Al-4V到随后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金以及近些年发展起来的新型β钛合金，如下表所示，钛合金在人体植入材料方面的研究获得了较快的发展。

钛的密度与人骨近似，质轻。纯钛生物相容性好，强度为390~490 MPa。实验证明，钛相比于钴基合金和不锈钢的抗疲劳性和耐蚀性能更优越，钛的表面活性好，组织反应轻微，容易与氧发生反应建立致密氧化膜，钛的氧化层比较稳定。因此，钛与钛合金具备生物医用材料的条件，是一种较为理想的、适于植入体的、具有发展前途的植入材料。临床上广泛采用钛与钛合金制造人工关节部件、接骨板和螺钉等，还用于制成人造椎体（脊柱矫正器）、人工心脏（心脏瓣膜）、人工种植牙、心脏起搏器外壳等。

镍钛形状记忆合金是一种在一定温度下经过处理能够塑性变形为另一种形状，而在一定条件下又能自动恢复成原有形状的形状记忆合金。镍钛形状记忆合金的疲劳极限较高，耐腐蚀性良好，其具有的独特的形状记忆恢复温度与人体温度相适宜，具有良好的生物相容性，因此在医学领域得到广泛应用。近年来，镍钛形状记忆合金开始应用于心血管治疗领域，镍钛形状记忆合金支架可应用于冠心病的治疗，具有较大发展前景。

钛合金在生物医用领域的应用呈快速发展的趋势，结合国内外的研究现状，其未来的发展方向为：

(1) 单晶生物医用钛合金，沿某一方向生长获得的单晶材料可获得接近人体骨骼的弹性模量，制作的植入体也会具有更好的弹性模量匹配；

(2) 超细晶低弹性模量、高强度钛合金的生物相容性及产业化；

(3) 超弹性和形状记忆功能医用低弹性模量钛合金的组织性能调控；

(4) 调节孔隙率的大小来降低生物医用多孔钛合金材料弹性模量的同时提升其力学性能。

02 钴基合金医用金属材料

钴基合金通常指Co-Cr合金，有2种基本牌号：Co-Cr-Mo合金和Co-Ni-Cr-Mo合金。Co-Cr-Mo合金微观组织为钴基奥氏体结构，能够锻造或铸造，但制作加工非常困难，其机械性能和耐蚀性优于不锈钢，是现阶段比较优良的生物医用金属材料。锻造钴基合金是一种新型材料，用于制造关节替换假体连接件的主干，如膝关节和髋关节替换假体等。美国材料实验协会推荐了4种可在外科植入中使用的钴基合金：锻造Co-Cr-Mo合金(F76)、锻造Co-Cr-W-Ni合金(F90)、锻造Co-Ni-Cr-Mo合金(F562)、锻造Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe合金(F563)，其中F76和F562已广泛用于植入体制造。

03 不锈钢医用金属材料

医用不锈钢具有低成本和良好的加工性能、力学性能等，目前在口腔医学和骨折内固定器械、人工关节等领域应用广泛。302不锈钢是最早使用的医用金属材料，抗腐蚀性能较好，强度较高。有研究人员将钼元素加入不锈钢中制作316不锈钢，有效地改善了医用不锈钢的抗腐蚀性。20世纪50年代，研究人员研制出新的316L不锈钢，将不锈钢中的最高碳含量降至0.03%，使得材料的抗腐蚀性能得到进一步提高。从此，医用不锈钢便成为国际上公认的外科植入体的首选材料。

虽然钴基合金的抗蚀性强于不锈钢，但是医用不锈钢具有价格低廉、易加工的优势，可制成各种人工假体及多种形体，如齿冠、三棱钉、螺钉、髓内针、板、钉等器件，另外制作手术器械和医疗仪器时也广泛应用，现阶段医用不锈钢依然是应用最为广泛的医用金属材料。目前常用的医用不锈钢为316L、317L，不锈钢中的C质量分数≤0.03%可以避免其在生物体内被腐蚀，主要成分为Fe60%~65%，添加重要合金Cr17%~20%和Ni12%~14%，还有其他少量元素成分，如N、Mn、Mo、P、Cl、Si和S。为了避免镍的毒性作用，研究人员研制出了高氮无镍不锈钢。近些年来，低镍和无镍的医用不锈钢逐渐得到发展和应用。日本的物质材料研究所(筑波市)开发了一种不含镍的硬质不锈钢的简易生产方法，解决了无镍不锈钢难以加工而制造成本太高的问题，生产成本低廉，有望广泛用于医疗领域。

04 生物医用铝合金材料

铝及其合金材料具有良好的性能，可塑性和生物相容好，作为植入材料早在20世纪40年代就已广为使用，目前可承受高负荷的部件也多用铝及其合金制成。铝具有较高的耐蚀性，除在氢氟酸、苛性碱、热的浓硫酸、盐酸和硝酸的混合液溶解外，其他试剂对铝都发挥不了腐蚀作用，体液不影响铝的交变疲劳强度，良好的生物相容性使得铝植入材料不刺激人体。另外，相比于不锈钢，铝的抗缺口裂纹扩展能力很高。