《醫用金屬與無機材料》課程教學內容體系構建

李明利

（浙江醫藥高等專科學校 浙江寧波 315500）

醫用金屬與無機材料是為醫療器械學院醫用材料專業學生講授的一門專業必修課程，系統闡述金屬與無機兩大類醫用材料的內涵、制備技術、性能及應用，是醫療器械學院醫用材料專業主干課程，具有知識面寬、應用性強的特點[1，2]。隨著當今社會科技的發展和文明的進步，未來的就業環境充滿變數，給社會培養深基礎、寬口徑人才，是高等教育的主要目標，而交叉學科的開設是人才培養的重要途徑之一[3，4]。而醫用金屬與無機材料課程融合了材料學的基本理論和醫學領域的材料實際應用，其重要性和創新性不言而喻[5]。目前，無論是本科院校還是專科院校，都沒有該課程的成熟的經驗總結可借鑒，我們不能照搬工科中材料專業的教學內容，也不能沿用純醫科教學的模式，需要做全新的探索[6，7]。通過本課程的系統學習，使學生掌握醫用金屬和無機材料的基本概念、原理、特性及其與生物體的作用規律，并能了解其典型應用和最新的科研進展。

一、生物醫用材料概述

（一）定義

生物醫用材料的定義是隨著生命科學和材料科學的不斷發展而演變的，在不同的歷史階段，人們對其認知也是不同的。在現階段，生物醫用材料（Biomedical Materials）是指用來對生物體進行診斷、治療、修復或替換其病損組織、器官或增進其功能的天然或者人工材料，其可以單獨作用或與藥物一起制成器械作用于人體。隨著生物技術和材料科學的交叉結合，生物醫用材料已成為當代材料科學的重要分支，也促進了生命科學的蓬勃發展。

（二）分類

生物醫用材料可按材料在生理環境中的生物化學反應水平分為惰性生物醫用材料、活性生物醫用材料、可降解和吸收的生物醫用材料三大類。但是最常見的是沿用材料科學的分類方法，按材料的組成和性質將生物醫用材料分成醫用金屬材料、醫用無機非金屬材料、醫用高分子材料三大類。

二、醫用金屬材料

（一）概述

醫用金屬材料是用作生物醫用材料的金屬或合金，一般具有高的機械強度和抗疲勞性能，是臨床應用最廣泛的承力植入材料，已經在硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等領域實現了應用。醫用金屬材料應用中的主要問題是容易受到生理環境的腐蝕，一方面導致材料性質的變化而使得植入后失去功能性，另一方面產生的金屬離子向組織擴散而帶來毒副作用，因此如何提高其抗生理腐蝕性和生物相容性是研究的熱點。目前已經用于臨床的醫用金屬材料主要有純金屬鈦、鉭、鈮、鋯、不銹鋼、鈦合金、鎂合金、鈷基合金、形狀記憶合金等。

（二）醫用不銹鋼

不銹鋼是應用最早的一類醫用金屬材料。不銹鋼主要由鐵、鉻、鎳、鉬和錳合金元素構成，其抗腐蝕的主要原因是鉻作為一種活性元素，在不銹鋼的表面生成氧化鉻以保護基體金屬，它有鐵素體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼4種類型，常用的醫用不銹鋼主要是316 L和317 L奧氏體不銹鋼，廣泛應用于矯形外科、骨科和齒科的修復，如接骨板、骨螺釘、髓內釘、人工關節、齒科矯形、義齒和頜骨缺損修復等，還可制作心血管支架、手術醫療器械等。

（三）醫用鈷基合金

醫用鈷基合金主要是由兩種基本元素65%Co和35%Cr形成的固溶體。Co-Cr合金中加入碳、鎳、鉬、鎢、鐵等元素可以改善其性能。Co-Cr-Mo合金耐磨損，可以用于骨關節、接骨板、義齒等。但是鈷基合金價格較高，且會有Co、Ni等離子的溶出，引起過敏和毒性反應，嚴重時會造成組織壞死，因此其臨床應用受到了一定的限制。

（四）醫用純金屬鈦和鈦合金

鈦金屬生物相容性好、密度小、耐腐蝕性好，但是強度和硬度都很低，耐磨性也比較差，僅能用于承受載荷較小部位的骨替代及口腔修復材料。鈦合金可以借助合金的實效強化和固溶強化提高機械性能，滿足臨床醫學的需要。如Ti-6Al-4V合金具有良好的生物相容性和加工性能，可以作為外科修復材料應用于整形外科、口腔與頜面外科等，目前研發低成本和低彈性模量、人體安全性高的鈦合金是大勢所趨。

（五）形狀記憶合金

形狀記憶合金，是指經過一定塑性變形后，能在一定條件下自動恢復其原始狀態的一種功能材料，即擁有"記憶"效應的合金。醫學領域的TiNi形狀記憶合金可與生物體形成穩定的鈍化膜，具有較好的生物相容性，可以用于牙齒矯形、脊柱側彎矯形等。

三、醫用無機非金屬材料

（一）惰性生物陶瓷

惰性生物陶瓷材料的分子結合鍵較強，結構和化學穩定性好，具有較高的機械強度、耐磨性、不易降解，植入體內不發生或者僅發生微弱的化學反應，是一類重要的人體硬組織修復材料，如氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦和氮化硅等，可以制成人工關節和人工骨等。

（二）活性生物陶瓷

活性生物陶瓷是指可與人體組織結合的陶瓷材料，包括活性玻璃、活性玻璃陶瓷、羥基磷石灰石陶瓷等。在體內有一定的溶解度，能釋放對肌體無害的某些離子，能參與體內代謝，對骨質增生有刺激和誘導作用，能促進缺損組織的修復，顯示出生物活性。特別是它們的成分與動物的骨頭和牙齒等硬組織相似，在人工骨、人工口腔材料中有很好的應用。

（三）可吸收生物陶瓷

可吸收生物陶瓷指陶瓷材料可被人體組織吸收，包括硫酸鈣、磷酸三鈣和鈣磷酸鹽陶瓷等，可作為骨移植材料，它們的主要功用是作為臨時的“腳手架”或空間填充物，然后活組織可以滲入而取代它們。

四、醫用磁性材料

（一）磁性材料概述

磁性是材料的一種基本屬性，根據內部結構及其在外磁場中的性狀可分為抗磁性、順磁性、鐵磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性材料。磁性材料按性質分為金屬和非金屬兩類，前者主要有電工鋼、鎳基合金和稀土合金等，后者主要是鐵氧體材料。按使用又分為軟磁材料、永磁材料和功能磁性材料。

（二）磁性納米粒子的醫學應用

磁性納米粒子利用其獨特的磁響應特性，可應用于藥物載體、磁性分離和細胞的分選，可以作為靶向藥物載體用于癌癥熱療，可以作為核磁造影劑用于核磁共振診療等[8]。

（三）磁流體的醫學應用

將納米級磁性顆粒分散在某種液態載體中形成穩定的膠體體系稱作磁流體或磁性液體，它既有固體磁性材料的磁性 ，又具有液體的流動性，可以應用于制備靶向載藥磁性微球、磁控血管內磁性微球、磁流體熱療等領域。

五、硬組織修復材料

（一）概述

硬組織修復材料是生物醫用材料中的一個重要分支，它主要是指用于骨、齒組織缺損的填充、患病骨、齒組織的置換以及引導或誘導新生骨生長所用的材料。

（二）骨修復材料

骨修復材料是一類能自固化成型、生物相容性好、機械強度高、無毒副作用、可以吸收和降解、能誘導骨細胞和血管生長的合成材料。主要包括羥基磷灰石、氧化鋁、聚乳酸、羥基磷灰石聚酰胺、納米骨漿等。

（三）義齒材料

義齒材料是指在缺損牙體和缺損、缺失牙列的治療中制作人造牙、基托、固位體、連接桿、冠、橋及嵌體等修復體的材料。義齒材料需滿足高強度、高比強度、高耐磨耗性、彈性模量接近骨、良好的耐蝕性、良好的韌性等力學條件，也要滿足無異物反應、無變態反應、無致癌性、無抗原性、無毒等生物學條件，還要滿足非磁性、加工性能好、舒適度高等條件，以保證患者的咀嚼能力和發音能力不受影響[9]。金屬義齒材料有普通鋼冠、鈷鉻合金、鈦合金等，全瓷牙有氧化鋁、氧化鋯等，烤瓷粉有長石、石英、白陶土、硼砂等。

六、結束語

醫用金屬與無機材料是一門交叉學科，要教授好這門課程，對教學者的知識面有非常高的要求。另外，由于沒有可以借鑒的成熟教材和課程體系，如何將醫用金屬和醫用陶瓷兩大類材料在基礎理論和實際應用上的相通點和區別講解清楚，使得這門課的講授更具有挑戰性。該文依據自己的實踐經驗對這門課程進行了課程內容體系構建，希望能引起相關研究者的注意，促使其在教學實踐中不斷完善。