《醫(yī)用金屬與無機(jī)材料》課程教學(xué)內(nèi)容體系構(gòu)建

李明利

（浙江醫(yī)藥高等?？茖W(xué)校 浙江寧波 315500）

醫(yī)用金屬與無機(jī)材料是為醫(yī)療器械學(xué)院醫(yī)用材料專業(yè)學(xué)生講授的一門專業(yè)必修課程，系統(tǒng)闡述金屬與無機(jī)兩大類醫(yī)用材料的內(nèi)涵、制備技術(shù)、性能及應(yīng)用，是醫(yī)療器械學(xué)院醫(yī)用材料專業(yè)主干課程，具有知識面寬、應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)[1，2]。隨著當(dāng)今社會科技的發(fā)展和文明的進(jìn)步，未來的就業(yè)環(huán)境充滿變數(shù)，給社會培養(yǎng)深基礎(chǔ)、寬口徑人才，是高等教育的主要目標(biāo)，而交叉學(xué)科的開設(shè)是人才培養(yǎng)的重要途徑之一[3，4]。而醫(yī)用金屬與無機(jī)材料課程融合了材料學(xué)的基本理論和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的材料實(shí)際應(yīng)用，其重要性和創(chuàng)新性不言而喻[5]。目前，無論是本科院校還是?？圃盒?，都沒有該課程的成熟的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可借鑒，我們不能照搬工科中材料專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容，也不能沿用純醫(yī)科教學(xué)的模式，需要做全新的探索[6，7]。通過本課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握醫(yī)用金屬和無機(jī)材料的基本概念、原理、特性及其與生物體的作用規(guī)律，并能了解其典型應(yīng)用和最新的科研進(jìn)展。

一、生物醫(yī)用材料概述

（一）定義

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

（二）分類

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

二、醫(yī)用金屬材料

（一）概述

醫(yī)用金屬材料是用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金，一般具有高的機(jī)械強(qiáng)度和抗疲勞性能，是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，已經(jīng)在硬組織、軟組織、人工器官和外科輔助器材等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中的主要問題是容易受到生理環(huán)境的腐蝕，一方面導(dǎo)致材料性質(zhì)的變化而使得植入后失去功能性，另一方面產(chǎn)生的金屬離子向組織擴(kuò)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(diǎn)。目前已經(jīng)用于臨床的醫(yī)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(yī)用不銹鋼

不銹鋼是應(yīng)用最早的一類醫(yī)用金屬材料。不銹鋼主要由鐵、鉻、鎳、鉬和錳合金元素構(gòu)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(hù)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(yī)用不銹鋼主要是316 L和317 L奧氏體不銹鋼，廣泛應(yīng)用于矯形外科、骨科和齒科的修復(fù)，如接骨板、骨螺釘、髓內(nèi)釘、人工關(guān)節(jié)、齒科矯形、義齒和頜骨缺損修復(fù)等，還可制作心血管支架、手術(shù)醫(yī)療器械等。

（三）醫(yī)用鈷基合金

醫(yī)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(guān)節(jié)、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(yīng)，嚴(yán)重時會造成組織壞死，因此其臨床應(yīng)用受到了一定的限制。

（四）醫(yī)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(qiáng)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(fù)材料。鈦合金可以借助合金的實(shí)效強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化提高機(jī)械性能，滿足臨床醫(yī)學(xué)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(fù)材料應(yīng)用于整形外科、口腔與頜面外科等，目前研發(fā)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(jīng)過一定塑性變形后，能在一定條件下自動恢復(fù)其原始狀態(tài)的一種功能材料，即擁有"記憶"效應(yīng)的合金。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的TiNi形狀記憶合金可與生物體形成穩(wěn)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(cè)彎矯形等。

三、醫(yī)用無機(jī)非金屬材料

（一）惰性生物陶瓷

惰性生物陶瓷材料的分子結(jié)合鍵較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性好，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性、不易降解，植入體內(nèi)不發(fā)生或者僅發(fā)生微弱的化學(xué)反應(yīng)，是一類重要的人體硬組織修復(fù)材料，如氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦和氮化硅等，可以制成人工關(guān)節(jié)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(jié)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(nèi)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(nèi)代謝，對骨質(zhì)增生有刺激和誘導(dǎo)作用，能促進(jìn)缺損組織的修復(fù)，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(yīng)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(yī)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(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhì)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(yī)學(xué)應(yīng)用

磁性納米粒子利用其獨(dú)特的磁響應(yīng)特性，可應(yīng)用于藥物載體、磁性分離和細(xì)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(yī)學(xué)應(yīng)用

將納米級磁性顆粒分散在某種液態(tài)載體中形成穩(wěn)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(yīng)用于制備靶向載藥磁性微球、磁控血管內(nèi)磁性微球、磁流體熱療等領(lǐng)域。

五、硬組織修復(fù)材料

（一）概述

硬組織修復(fù)材料是生物醫(yī)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(dǎo)或誘導(dǎo)新生骨生長所用的材料。

（二）骨修復(fù)材料

骨修復(fù)材料是一類能自固化成型、生物相容性好、機(jī)械強(qiáng)度高、無毒副作用、可以吸收和降解、能誘導(dǎo)骨細(xì)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(fù)體的材料。義齒材料需滿足高強(qiáng)度、高比強(qiáng)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(xué)條件，也要滿足無異物反應(yīng)、無變態(tài)反應(yīng)、無致癌性、無抗原性、無毒等生物學(xué)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(fā)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(jié)束語

醫(yī)用金屬與無機(jī)材料是一門交叉學(xué)科，要教授好這門課程，對教學(xué)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(yī)用金屬和醫(yī)用陶瓷兩大類材料在基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用上的相通點(diǎn)和區(qū)別講解清楚，使得這門課的講授更具有挑戰(zhàn)性。該文依據(jù)自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對這門課程進(jìn)行了課程內(nèi)容體系構(gòu)建，希望能引起相關(guān)研究者的注意，促使其在教學(xué)實(shí)踐中不斷完善。