第一部分基础篇
第1章绪论
1.1生物可降解金属的定义和分类
医用金属材料以其高强韧性、耐疲劳、易加工成形和应用可靠性高等一系列优良特性，一直是医学临床上用量大而广泛的一类医用材料，共占到植入性医疗器械用材的40%以上。医用金属材料是需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织治疗以及介入治疗支架的*选植入材料，其大量应用于骨科、齿科、心血管介入治疗等医疗领域中的各类植入医疗器械和手术工具。骨折内固定系统、人工关节、人工脊柱、颅骨修复支架、牙种植体、冠脉心血管支架等是其中典型的高端植入器械产品代表。在医用金属材料中，目前用量*大和应用范围*广的是不锈钢、钛及钛合金、钴基合金三大类材料，在医用金属材料的临床应用中占有举足轻重的地位。
然而这些金属医疗器械在临床使用中普遍存在一个重要问题，即在体内环境中不可降解，其植入体内后作为异物长期留存在体内，会不同程度地刺激周边肌体组织，从而产生不同程度的组织反应。例如，金属植入物与骨之间形成纤维组织包囊，难以达到牢固的骨性结合；金属材料的弹性模量明显高于人体骨组织，不能与人骨组织相匹配，如不锈钢的弹性模量约为 200GPa，钛合金约为 110GPa，而人骨的弹性模量只有10～30GPa，长期植入易导致“应力屏蔽”效应，从而引起骨吸收、骨萎缩而使植入治疗失败［1，2］。另外，金属材料在体内由腐蚀、磨损等造成的有害金属离子溶出和颗粒物的形成［3-5］，还易引发人体过敏及体内的炎症反应，严重时甚至会导致畸变、癌变等重大疾病的发生。因此，进行骨折内固定等的患者在患处愈合后往往需经二次手术将金属植入物取出，这又会给患者带来新的临床风险及额外的经济负担。植入心血管支架的患者一般需长期服用抗凝血药物来减少金属支架植入后的心血管再狭窄发生率。
随着医学和材料科学的发展，人们往往会希望一些植入体内的材料在完成医疗功能后，能随着组织或器官的再生而逐渐降解吸收，以*大限度地减少外来材料对机体的长期影响。由于生物可降解材料可在生物体内逐渐分解，其分解产物可以在体内代谢，并*终排出体外，因此可降解植入器械是生物医用材料研究发展的重要趋势之一。“生物降解”是指在特定的生物活动中所引起的材料逐渐被破坏的过程。实际上材料在体内的降解过程往往是多种因素共同或交叉作用的结果。通常把可降解与可吸收材料广义地定义为可在生物体内能逐渐被破坏，*后完全消失的材料。植入体内的材料长期处于物理、化学、生物、电、力学等因素的复杂影响之下，材料不仅受到各种器官组织不停运动的动态作用，也处于代谢、吸收、酶催化反应之中，同时植入物与体内不同部位之间常处在相对运动之中。在这样多的影响因素及其长期、综合的作用之下，一些材料很难保持原有的化学、物理及力学特性，从而发生降解。
生物可降解材料在医学领域中发挥了重要的作用，目前已经应用到临床的可降解医用材料主要包括生物可降解高分子材料、生物可降解陶瓷，用于医用缝合线、癌症治疗、计划生育、药物释放体系、器官修补、组织工程和外科用正骨材料等领域，其应用前景十分诱人［6］。
采用可降解高分子材料制成的骨钉、夹板等骨内植入器件植入人体后，其固有的初始强度可以起到骨固定的作用。随着时间的推移，骨损伤部分逐渐愈合直至彻底康复，同时可降解高分子骨内植入器件逐渐降解并被人体组织吸收。图 1.1示出了部分聚乳酸可降解植入器件产品的照片。但是，生物可降解高分子材料由于存在强度、硬度等力学性能较低的弱点，作为骨科内固定物时，只能用于非承力部位［7］。另外，生物可降解高分子材料的降解可控性差，导致降解过程中强度下降过快而使器件提前失效［8］。并且一些生物可降解高分子材料的降解产物呈酸性，如聚乳酸（PLA），这些酸性降解产物的聚积会导致炎症反应［9］。
图1.1采用聚乳酸（PLA）可降解高分子材料制作的骨内固定植入物产品
生物可降解陶瓷在生理环境中产生结构或物质衰变，其产物被机体吸收或通过循环系统排出体外。生物可降解陶瓷目前主要用于骨填充领域，如图1.2所示。陶瓷的降解与其化学成分和显微结构相关。例如，磷酸三钙相对来讲降解速率较快，而羟基磷灰石相对较稳定；α-磷酸三钙虽然与β-磷酸三钙（β-TCP）有相同的化学成分，但结构上存在差异，显示出α-磷酸三钙远较β-磷酸三钙降解得快。孔隙率对陶瓷的降解影响显著，通常完全致密的陶瓷降解很慢，而有微孔的陶瓷易发生迅速降解。生物可降解陶瓷的降解速率随着植入部位的不同而发生变化，这是由于人体不同部位的体液组成不尽相同。当生物可降解陶瓷（或微晶玻璃）具有较大的表面积、适当的孔隙尺寸和孔隙率时，会使纤维细胞、成骨细胞易于伸入材料内部，导致其分散、细化。生物陶瓷材料虽然具有优良的生物相容性、较高的强度，但是其塑韧性极差，弹性模量过高，而且在体内生理环境中的抗疲劳性能很差，难以满足受力要求［10，11］。
图1.2骨填充用多孔β-TCP可降解陶瓷及其多孔结构
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