可植入人體的生物合金

金屬合金不僅是用來制造各種機器設備和式樣繁多的生活用具的重要材料，而且已邁入醫院的大門，成為修復人體的重要材料之一。

　　一位正值青春年華的工人，因患髖關節粘連而彎腰勾背，不能正常工作，精神上異常痛苦。后來，經手術更換鈷合金人工關節后，便能站立起來，恢復了工作。由于車禍，一位老司機膝蓋受傷，換上了鈦合金人工關節，很快便能行走自如，甚至能登樓梯、騎車……這些真實事例都說明生物合金的本領確實不凡。

　　用金屬和其他材料修復人體的嘗試，可以追溯到數百年前。16世紀時，人們曾用金片來修補兔唇。19世紀時，采用木片插入法治療腭關節強直。1890年，國外一位外科醫生使用象牙制造的人工關節，并用螺釘、輕石粉和樹脂制成的骨粘接劑來固定。我國古代醫書上也曾有“柳木接骨”的記載。可以看出，這些修復用的材料基本上都是天然材料。

　　在人體內，充滿著各種酸堿度的體液，它們都有一定的腐蝕性，而且各種器官還經常處于相對運動之中。因此，要求植入人體內的金屬材料具有高強度、低密度，以及好的生物相容性(即不被人體組織排斥)。另外，還要求考慮生產成本和加工性。從這些條件來看，目前適合作為植入人體的合金材料有鈦合金、鎳合金、鈷合金和鐵基合金不銹鋼等，它們都有各自的拿手本領，將為人類的健康作出貢獻。

各顯其能的生物合金

　　作為生物合金的鈦合金，包括純鈦和鈦鋁釩合金。這種鈦鋁釩合金的機械性能較好，除了鈷合金外，它是耐腐蝕性和生物相容性最好的合金材料。

　　鈦合金的最大優點是它的密度較低，主要是因為它里面含有密度小的鋁和釩。這樣，鈦合金就與人體骨骼相接近，植入人體后的舒適性比其他合金高。此外，它的彈性模量為不銹鋼和鈷合金的一半，比較接近自然骨，因而可減少接合面上的附加應力，延長了使用壽命。

　　鎳合金中含有鈷、鉬等多種合金元素，具有優異的耐腐蝕性和耐磨性，但目前尚未廣泛用它制作人工關節等。

　　鈷合金中含有較多的鉻、鉬，所以又稱為鉆鉻鉬合金。它的耐腐蝕性比不銹鋼強40倍，而且耐磨性也非常優越，可在人體內使用二三十年也不產生磨損。這類合金主要用來制作人體受力最大的髖關節。

　　不銹鋼中含有鉻、鎳、鉬等元素，因而重量較輕，成本較低，耐腐蝕性強，與人體組織有很好的相容性。通常多用它來制作連接螺釘、骨釘和外固定器等。

　　近年來，人們將鎳鈦形狀記憶合金歸入了生物合金家族。這類合金具有能自動恢復變形以前原狀的本領，人們利用它的這一特點制成壓縮板植入體內，在體溫作用下能自動對頸  部骨折和脊柱損傷進行固定。

　　通常，對生物合金的基本要求是，具有生物相容性、強度和一定的重量。其中生物相容性最重要，它要求合金能被人體接受而且不產生腐蝕和其他副作用。許多合金材料雖然能滿足生物相容性和強度的要求，但重量問題仍未解決。因此，人們常將生物合金與高分子醫用材料和生物陶瓷搭配并用。

人體之內逞英豪

　　生物合金在人體修復中大顯身手，已經取得了可喜的成果，其中以牙齒使用合金的歷史最久，采用的種類也較多。通常在牙齒修復中使用的生物合金包括金合金、銀合金、不銹鋼、鎳鉻合金、鈷鉻合金和銀錫汞合金等，用它們可制作義齒、齒冠和齒橋等。近年來，鈦合金也常作為牙科用合金。

　　在人體內廣泛使用合金材料植入件開始于20世紀60年代。1962年，一個叫查爾萊的人使用了世界上第一個現代人工髖關節獲得成功。這種人工關節的股骨用不銹鋼制成，髖臼采用的是高密度聚乙烯，并用丙烯酸骨水泥粘合。此后，人體修復醫學便在世界范圍迅速發展起來，也為生物合金提供了施展才能的用武之地。

　　到目前為止，人們已設計和制造出近1000種人工關節，包括肩、肘、腕、指、脊柱、髖、膝、踝和腳趾關節等。在英、美等一些科學發達國家，每年人工關節植入達2萬例以上。在我國，植入人工關節每年也達1000例以上，而且還在斷增加。

　　植入人體的人工關節，作為人體部件將永久保留在人體內，所以對它的要求很高。另外，生物合金還用來制作以固定骨折為目的的螺釘、銷釘、夾板、外固定器等，在使用后有的還要用手術重新拔出，因而是短期性部件。

　　鈦合金適合于制造大型人工關節，如全肩、全肘、全髖、全膝關節等。其中最大的人工關節全長達300毫米以上，重量為0.5千克。有的還將髖關節和膝關節連在一起設計制作，幾乎整條腿部的骨骼和關節都使用鈦合金作材料。通常，鈦合金人工關節的端部大都制成尖柄形，以便插入人體殘骨腔中用骨水泥與自然骨粘合。現在，又進一步研制成帶鈦絲網和鈦纖維墊的人工關節，可以使殘骨組織直接長入網孔中，從而增加了接合的牢固性。

　　用鈦合金制作人工關節植入人體后，也曾出現過一些副作用。有些研究人員用動物作實驗時發現，人工關節植入后經過一段時間，在植入試片的周圍組織中有鈦離子析出。在人體進行第二次手術時，也發現鈦骨會使周圍組織出現變黑現象。為防止這種情況出現，目前采用的措施是，提高鈦及鈦合金的冶煉純度，嚴格限制進入合金中的氮、氫和氧的含量。在鈦合金人工關節鑄成后，用強酸浸蝕掉表面一層吸氧層。對于重要的鈦合金鑄件，還要在高純度的氬氣保護下，以900℃的高溫和102兆帕的壓力進行熱等靜壓處理，使內部松孔致密。這樣，釷合金的強度和韌性都得到提高，再也不會出現磨掉碎屑使周圍組織發黑的現象。

　　人體關節的運動，是由韌帶、腱和肌肉來完成的。國外一些科研人員利用植入人體內的傳感器、無線電發射機和接收機，并采用電子計算機輔助設計等方法，測出人體膝關節承受的動力為體重的3—5倍，而髖關節承受的動力為體重的5—7倍，最高可達8倍。因此，強度高、韌性好的鈷合金和鈦合金，多分別用來制作人工髖關節、人工膝關節和其他人工關節。

　　隨著科學技術的發展，生物合金在人體修復中的應用將會越來越多，而且本領越來越強，成為醫生和患者都喜歡使用的優質人工骨材料。