大块非晶合金在生物医学领域应用有前景

编者按
      与传统的晶态金属材料相比,块体非晶合金具有独特的非晶态结构,因此非晶合金具有高的强度,低杨氏模量,高耐磨性能,良好的耐疲劳性能和优异耐腐蚀性能。为此,块体非晶合金在生物医用领域的应用吸引人们极大的兴趣。本文将介绍郑玉峰等教授四月初发表在Acta biomaterialia综述文章,因篇幅较长,从科普需要角度,对文章对前言和结论部分摘编,部分章节有删减。该文的“非晶合金作为新型生物医用材料的最近发展和进展分别作总结和概括性的回顾”我们将另专题介绍。

临床外科医生一直在寻找合适的生物医用材料

      随着人们生活水平的不断提高和科学技术的不断进步,生物医用材料也得到了快速的发展,并在提高人类生活品质和长寿方面提供了极大帮助。在生物医用材料领域中生物医用金属材料已经有很长一段历史了。在已被报道的文献中,人类使用金属材料植牙的历史可以追溯到公元200年。不锈钢、钴铬钼合金、纯钛、钛合金、纯锆、锆合金广泛的应用在人造髋关节、心血管支架、人造膝关节、骨板和牙科植入等方面。此外,纯镁和镁合金、纯锌和锌合金也被研究和开发成生物降解材料有效的在需要临时支撑或固定(如骨折钢板和螺钉固定,对心血管支架修复)的临床治疗中,而且无需通过第二次手术取出。然而,这些传统的晶体合金具有很多缺点,例如:低强度,高弹性模量,低的耐磨性,容易发生缝隙腐蚀,点蚀以及应力腐蚀开裂(SCC)和高循环疲劳失效, X射线或磁共振成像不相容性,这导致在临床应用中出现各种问题。例如,耐腐蚀性差会引起浓度相对较高的毒性离子向人身体中释放,如Ni+,Cr3+的Co2+,众所周知的,当它们的浓度上升超过一定的阈值时,这些离子通常会导致人身体的不良反应。大多数传统的金属生物材料的弹性模量比人骨的弹性模量高得多。人体骨骼和植入物的模量失配会引起骨的应力屏蔽,在被植入后一段时间后影响骨质的吸收和植入物的松动。进一步的开发在机械性能和生物相容性两方面都更加安全和更高品质的新型生物应用材料极大的吸引了科学研究人员和临床外科医生的兴趣。


      通过人们努力探索能替代传统生物金属,促成生物玻璃在20世纪70年代初被发现,自此各种生物玻璃被陆续开发出来。主要的生物玻璃体系包括S45P7 (SiO2-CaO-Na2O-P2O5-B2O3),45S5(SiO2-CaO-Na2O-P2O5) and S52P3 (SiO2- CaO- Na2O-P2O5-B2O3-Al2O3)体系,所有这些都被广泛用于生物医学应用,从耳科的治疗到癌症的治疗。不幸的是,大部分已被开发出来的生物玻璃并不能真正替代生物金属,因为它们具有不令人满意的机械性能,从而将它们放置在需要承重的部位的临床应用中仍然不适合。

| 块体非晶合金奇妙特性得到生物医疗领域关注

      金属玻璃,也被称为非晶合金和液态金属。金属玻璃作为金属材料俱乐部的一个新成员出现了。非晶合金具有优良的物理和化学性能,如:高韧性,耐腐蚀,但最初可以实现的样品尺寸有限(通常在微米范围内),严重制约非晶合金的研究和应用。通过开发出临界冷却速度(<100 K/ s)低得多的大块金属玻璃来克服这些限制。


      由于块体非晶合金无定型结构、没有位错和滑移面所导致其高强度和高弹性的特性,块体非晶合金在过去20年内极大的吸引着人们的注意力。从90年代初期开始,一系列通过不同的凝固方法制备的新型多主元且非晶形成能力较好的块体非晶在Zr-、Mg-、La-、Pd-、Ti-和Fe-系非晶合金中被发现。这些块体非晶合金在过冷液相区间展现出很强的抗晶化能力,同时表现出优异的力学和物理性能。


 
图一生物应用玻璃、生物医用金属和生物医用块体非晶体之间的关系

      如图一所示,块体非晶合金同时具有传统非晶生物玻璃的微观结构和传统的生物金属材料的元素组成。因此,块体非晶合金是具有能结合传统的生物玻璃和传统的物理和化学性质的一类材料。基于非晶合金的性质,快速对比回顾这三类材料的特点和性能。根据其化学成分,组织结构,制备方法及机械性能比较了传统的生物玻璃、生物金属和生物医学用非晶合金。此外,图2列举了这三个类材料的压缩强度和杨氏模量。


 
图二传统生物玻璃,生物医用金属和生物医用非晶体合金的机械性能比对

      从图2可知,生物玻璃具有低强度,低杨氏模量,而传统的金属生物材料具有高强度和高杨氏模量。与此相反,生物医学用非晶合金,具有生物玻璃和生物金属的组合特性,显示出高强度和低弹性模量使得它们在理论上非常适合用于生物医学应用。特别是,生物医药用非晶合金的弹性极限为2%与相媲美的骨骼的弹性极限(1%)相比具有极高的弹性极限,这表明生物医学用非晶合金特有的弹性弯曲与骨骼的自然弯曲将导致非晶合金比现有的材料应力分布更加均匀,减少应力集中和减少应力遮挡效应,从而实现患者更快的康复愈合。由于生物医学用非晶合金的独特性能,非晶合金接骨螺钉能用更薄的螺钉杆和更深的螺纹,从而在坏骨之间提供更大的结合力。与传统的316L不锈钢相支架相比,非晶合金支架只需要其1/3的横截面支柱并拥有其5倍多的挠度。在过去的几十年中,一些以用于生物医学目的特殊非晶合金被开发出来,并作为生物材料做了在体外和体内试验以及可行性评估。在过去十年许多以非晶合金为原材料的生物医学植入物和器件被设计和研制出来。如图3所示,这些器件包括更锋利的手术刀(如图3(a)所示),ILaser的外壳(图3b),它是用于牙医手术的手持式激光笔,由于非晶合金特有的强度,能将外壳做得更薄和更有观赏性,图3c是医用缝合砧座,考虑到非晶合金的使用带来几个最大的优点:1)更加优秀的铸件表面质量;2)容器之间的位置尺寸更加精准;3)产品批次之间的差异只受限于模具型腔前后的改变等。微创医疗设备(图3d)非晶合金的使用提高了设备的精度,耐久性,重复性,成型加工性。除上面提到生物医用设备之外,块体非晶合金在作为生物医用植入物方面具有很大的潜力。据报道,非晶合金能增加用作心血管支架和整形外科植入物的的强度,耐腐蚀性,生物相容性和使用寿命(如骨板,骨螺钉,关节连接器,人工假体,可吸收缝线,牙科植入物和填料物)。在生物医用材料的开发和发展中,它们的主要元素的设计是以传统的晶态医用金属材料的化学成分作为参考(如钛合金、锆合金、不锈钢、镁合金、锌合金等)。基于这些考虑,与传统的生物医用材料主要组成元素相一致的非晶合金被作为有潜力的生物医用材料来开发,包括Ti基、Zr基、Fe基(众所周知的非晶钢)、Mg基和Zn基非晶合金。另外,考虑到Ca基和Sr基非晶合金中主要元素Ca和Sr是人体营养元素,所以将Ca基和Sr基非晶合金也被作为潜在的生物降解材料来开发。


图片说明:生物医用非晶体合金植物和设备 

| 块体非晶合金在生物医疗领域有很大潜力

       块体非晶合金在生物医用领域的应用广泛,从整形外科、心血管到牙齿植入物和填充物。具体的来说,例如不可生物降解的Ti基、Zr基和Fe基非晶合金既有优异的机械性能又有很好的耐腐蚀性能,而可以被作为生物医用设备(例如:手术刀、起搏器、医用缝合器和微创外科手术设备)和生物医用植入物(例如:形成关节曲面、人造假肢、牙齿植入物,这些都要在严峻的人体内工作很长时间)来使用。另一方面,可生物降解的块体非晶合金(包括Mg基、Ca基、Zn基和Sr基非晶合金)有很大的潜力成为骨折修复材料(例如:髓内针、接骨板和接骨螺钉),也可以成为心血管支架、吸收性缝线、牙齿周围填充物和在关节处的肿瘤和囊肿去除后的骨骼填充物;随着它们的临时的使命完成后在人体内逐渐被降解,在此之间血管和骨骼发生重构和愈合。(非晶中国)


(本文由江苏海金非晶科技肖慎工程师翻译,特此鸣谢。小标题编者根据内容添加。)


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