从大金牙说起：金属材料在医学领域应用

【中关村在线原创】如果在2000年前就能记得事情，估计绝大多数人都有长辈镶金牙的记忆，如果时间继续向前倒推，解放以前镶了金牙是要张嘴显摆自己有钱的。这就是金属材料修补我们身体最常见的应用。今天我们就来聊聊都有哪些金属材料、应用在医学领域。

不可或缺的金属修补

近年来高分子、复合材料似乎更是医学领域的宠儿，比如补牙，过去的大金牙越来越少，取而代之的是更多的使用光固化树脂进行填充修补。但是金属材料有着其不可取代的一面，这让金属材料在诊断、治疗、替换、修补乃至增强人本身的机能方面有着大量的应用，并且在3D金属打印越来越受到重视的情况下，过去难以加工或是个性化定制金属材料正在焕发第二春。

人们最早利用金属材料，可以追溯到腓尼基人在公元前三四百年使用金属材料补牙，不过由于手段原始，看起来更像是今天很多孩子带的齿科矫正钢套。到了19世纪中后期，冶金技术的进步才让人们开始掌握了更多金属的特性，并且开始按需生产制造所需的合金，1896年，医学界最先开始使用镀镍钢螺钉来修复骨折。

医用不锈钢

钢其实就是铁基的合金，不同的配方诞生了大量性能不同的钢铁材料。从西方大炼钢铁开始，到现在钢铁的价格一直非常便宜，并且钢铁讨人喜欢的特性非常多：易于加工、强度高、耐腐蚀，并且强度可以通过锻造等方式进一步提高，合金钢的强度很难断裂。

医用不锈钢在手术室非常常见，手术刀、剪刀、止血钳等等都是不锈钢产品。不过您可能对医用设备有个误会就是前文我说了便宜，医疗设备的便宜普通人也是难以接受的。比如手术室常用的德国蛇牌止血钳，价格就要上千元一把。

不锈钢优秀的力学性能在牙齿矫形上有大量应用。另外一个方面就是对强度要求高的骨科髓内钉等领域。医疗上用的不锈钢最多的是316L和317L两种奥氏体不锈钢，这两种材料已经纳入了ISO的国际标准已经GB系列的中国标准。不锈钢的问题是密度、力学特性和人体组织差异大，并且植入之后产生的锈蚀以及镍离子渗出等等都会带来不良反应，现在钢铁领域正在研究不含镍的不锈钢。

钴合金：关节

曾经十几年前，非常流行户外运动，一如今天的马拉松。但是很多人运动过度导致关节的软骨组织消耗殆尽，于是只能在医院里进行人工关节置换。人工关节植入的时间非常长，要伴随人使用十年以上，用到最多的就是钴合金。

最早开发出来的钴合金是钴钼铬合金，耐腐蚀性要比不锈钢好40倍，非常适合在人体环境长期使用。上世纪70年代，又开发出来强度更好的锻造钴镍铬铝钨铁合金以及钴镍铬铝合金。钴合金的耐腐蚀特性让其在人工关节领域大放异彩，目前膝关节、胯关节等需要长期植入的关节部位，都是钴合金。

钴合金的耐磨性是最好的，并且植入人体后，会在表面形成钝化膜，适合长期植入。钴合金是完美材料吗？也不是，一来钴元素本身就很昂贵，尤其是如今对充电电池的需求让钴金属价格飞涨。二来在使用中的损耗导致的钴镍等离子析出会引发其它问题，现在同过改善合金的表面特性来改善临床效果，比如上图的髋关节，现在腿骨的接触固定端还在用钴合金，但是摩擦的接触面已经使用了更耐用的、更光滑陶瓷或是高分子聚乙烯材料。

钛合金：修补

前面说的不锈钢、钴合金都是考虑材料的强度，所以一些亲和度不足的问题只能忍受。在上世纪40年代，人们发现了轻量、强度高又亲和人体的金属-钛。钛合金目前应用在骨科的接骨板、螺丝、整形外科、人工心脏膜瓣、牙齿固定等等，成为了医学领域应用最多的金属材料。

钛合金用的最多的品种是Ti-6Al-V，也就是钛铝钒合金。这种合金在常温下是α和β两相状态，处理之后力学性能好。钛合金的密度大约是4.5克/m3，和人体的骨骼接近，并且钛合金的强度高，要优于不锈钢和钴合金。

但是钛合金虽然力学性能理想，但是其硬度不如钴合金、表面耐磨性也不好。尤其是把钛合金用在一些要磨损的领域，磨损掉的合金会析出有毒的钒离子，这些会导致中毒，现在钛合金的方向是无钒化。

记忆合金与贵金属

记忆合金在笔者小时候的八十年代，还是科学画报上的内容。这种合金特性是在某个温度下会记住形状，一旦达到了这个温度，就立刻恢复到记忆前的状态。目前记忆合金主要是镍钛合金为主，应用方面核心是心血管的支架。支架在放入人体之前要被压缩成一个很细的小管，然后通过四肢的血管放置到预定的位置，撑开心血管。如同前文所述，因为主要金属是镍，所以对于表面的处理要求非常高，因为处理不善导致镍离子进入体内会引起很多问题。

贵金属常见的就是银、金和铂，这几种材料特色是惰性高，基本不发生化学反应，因此常用于需要长期植入、修补的部分，比如金牙，就在口腔带有一定消化酶的环境下长期使用也不影响其光泽。此外金属钽、铌、锆结构与钛相似，一般作为钛合金修补件的材料一部分。但是这些金属价格昂贵，并不能大量使用。

医用金属与3D打印

医学上的人体替换、修补零件由于个人发育的原因，每个人都不太一样，过去只能是生产大小规格不同的产品来适应不同的人。但是今天通过激光、电子流等高能烧结合金粉末的形式，在烧结的时候使用惰性气体保护，已经可以把这些个性定制的零件很完美的制造出来，这些定制的零件在物理性状上还是物理的性能上，都要优于传统的锻造。

现在国家通过了使用金属烧结技术定制的医院植入金属修补件的管理办法，整个行业正在迎来春天。现在的医疗金属件，3D定制的成本正在降低。在一些医院，如果患者身体不适合使用标准规格的修补件，就要用3D打印的定制的完成替换，这方面的报道有很多。

现在问题是3D打印的成本还是偏贵，这个贵来自两个方面，一方面是烧结合金的设备就贵，和几千元就能买个3D打印机不同，烧结金属的动辄数十万元；另外烧结的耗材，也就是合金粉末高度依赖进口，以克计价，本身就很昂贵。

另外一个方面是个性化的定制骨科器材，对医生要求很高，要求医生不仅仅有医术还要懂3D建模和3D打印，要能计算材料强度等等，并不简单，这种复合型的医院、在国内较早开展3D打印定制化修补的医院，并不算多,还有待更多的病例积累，才能把3D打印定制变成一个成熟的医疗流程，更广泛的应用到临床治疗当中。