生物醫(yī)療用金屬材料の概要

 

発売日：[2024/4/26]
 

生物醫(yī)學(xué)用金屬材料は生物醫(yī)學(xué)材料に用いられる金屬または合金であり、外科用金屬材料とも呼ばれ、不活性材料の一種である。このような材料は高い機(jī)械強(qiáng)度、疲労抵抗と加工しやすいなどの優(yōu)れた性能を持ち、臨床応用が最も広い支持力インプラント材料である。このような材料の応用は非常に広く、硬組織、軟組織、人工器官、外科補(bǔ)助器材などの各方面に関連している。
生物醫(yī)療用金屬材料の発展の歴史
生物醫(yī)療用金屬材料は人類(lèi)が最初に利用した生物醫(yī)療用材料の一つである。人類(lèi)は早くから金を使って欠損歯を修復(fù)し始めた。
1546年、純金シートは頭蓋骨欠損の修復(fù)に用いられた
1588年、顎骨修復(fù)のために黃金版が発見(jiàn)された。
1775年、體內(nèi)骨折を金屬で固定する記載がある
1800年、金屬板固定骨折を大量に応用した報(bào)道、
1809年、金でインプラントが作られた
1880年、銀は膝蓋骨縫合に用いられた
1896年、ニッケルめっき鋼釘は骨折治療に用いられた
1930年代、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、チタン及び合金が広く応用された
1970年代、Ni?Ti形狀記憶合金、金屬表面コーティングの使用
ここ30年、発展は遅いが、臨床では依然として重要な地位を占めている
生體醫(yī)療用金屬材料の特性
1、材料毒性
生物醫(yī)療用金屬材料の毒性は主に金屬表面イオンまたは原子が腐食または摩耗によって周?chē)欷紊锝M織に侵入し、それによって細(xì)胞に作用し、酵素の活性を抑制し、組織酵素の拡散とリソソーム體を破壊する。具體的には、體內(nèi)物質(zhì)と有毒化合物を生成することができる。また金屬イオンが組織液に入ると、水腫、塞栓、感染、腫瘍などを引き起こす。一般的に使用されている毒性降下方法には、合金化、耐食性向上、光沢度向上、表面コーティングなどが含まれる。
2、生理腐食性
生體醫(yī)療用金屬材料の生理腐食性は材料移植後の成否を決定する鍵であり、その生成物が生體に與える影響は移植デバイスの使用壽命を決定する。
3、力學(xué)性能
生物醫(yī)療用金屬材料には十分な強(qiáng)度と塑性が必要である。一般的に、人工股関節(jié)金屬材料に対する要求は、降伏強(qiáng)度>450 Mpa、引張強(qiáng)度>800 Mpa、疲労強(qiáng)度>400 Mpa、伸び率>8%。通常、材料の弾性率は骨の弾性率より大きく、これにより材料と骨の歪みが異なり、界面で発生する相対変位は界面の緩みをもたらし、それ以外に応力遮蔽が発生し、骨組織の機(jī)能劣化や吸収を引き起こす。
4、耐摩耗性
耐摩耗性はインプラント摩擦デバイスの壽命に影響する、及び有害な金屬微粒子又は微粉粉を産生し、周?chē)旖M織の炎癥性、毒性反応を引き起こす可能性がある。硬度の向上、表面処理などの方法で改善することができる。
一般的な生體醫(yī)療用金屬材料
1、醫(yī)療用ステンレス鋼
醫(yī)療用ステンレス鋼の主な化學(xué)成分は{316、36 L、317 L}、応用において、長(zhǎng)期安定性が悪いため、孔食、界面腐食が発生しやすい、溶出したいくつかのイオンは腫瘍形成を誘発する可能性がある、力學(xué)的適合性が悪く、生物活性がない。
2、醫(yī)療用コバルト基合金
主な化學(xué)成分はCo?Cr?Mo、Co?Cr?W?Niなどである。耐食性はステンレス鋼より數(shù)十倍高く、一般的に明らかな組織反応はない。人工股関節(jié)界面としての緩み率が高く、Coイオンの放出は、細(xì)胞と組織の壊死、皮膚アレルギー反応などを引き起こす。それは優(yōu)れた耐摩擦性能を持ち、積載能力が強(qiáng)い。通常は歌うインプラントとして使われています。
3、醫(yī)療用チタン及びその合金
チタン及びチタン合金は現(xiàn)在最も多く応用されているインプラント金屬生物材料であり、密度が小さく、比強(qiáng)度が高く、弾性率が低く、耐食性と疲労抵抗性能がステンレス鋼とコバルト合金より優(yōu)れており、生體適合性が良いが、硬度が低く、耐摩擦性が悪く、疲労と破壊靭性はあまり理想的ではなく、弾性率は依然として高く、合金に毒性元素が含まれている。合金の性質(zhì)によって、チタン合金は主にα、β、α-βチタン合金
4、醫(yī)療用マグネシウム合金
マグネシウム合金は分解可能な醫(yī)療用材料として第3世代生物醫(yī)療用材料として知られている。マグネシウムは人體に優(yōu)しい元素であり、吸収性と生體適合性に優(yōu)れ、骨科移植において骨に近い密度と弾性率を有する。マグネシウム合金はまた制御可能な腐食速度を持ち、心血管移植と骨修復(fù)に良い応用の見(jiàn)通しがある。現(xiàn)在研究されているマグネシウム合金は主にWE 43、AZ 31、Mg-Ca、MgZnCaなどを含む。マグネシウム合金は主に腐食速度が速すぎて、機(jī)械的強(qiáng)度が足りないなどの問(wèn)題がある。
その他の醫(yī)療用金屬材料
最初に広く臨床治療に用いられた金、銀、白金などの貴金屬は、良好な安定性と加工性能を持っているが、その価格が比較的に高いため、広く応用が制限されており、現(xiàn)金は歯科、鍼灸、體內(nèi)移植及び醫(yī)療用バイオセンサーなどの面で広く応用されている。
タンタル、ニオブ、ジルコニウムは、優(yōu)れた化學(xué)安定性と抗生理腐食性を有し、酸化物は基本的に吸収されず、毒性反応を示さず、その表面の酸化膜を破壊することなく他の金屬と結(jié)合して使用することができる。また、良好な生體適合性を示しているが、価格が高いため、応用が制限されている。
形狀記憶合金は新しい醫(yī)療用生物材料である。臨床的に使用されている形狀記憶合金は主にニッケルチタン形狀記憶合金である。醫(yī)療用ニッケルチタン形狀記憶合金は相転移領(lǐng)域に形狀記憶特性と超弾性を有し、低溫で比較的に柔らかく、変形して人體溫度に加熱するとすぐに元の形狀に戻り、持続的に柔らかい回復(fù)力を発生することができる。この時(shí)、材料は硬く弾力性に富み、整形や支持の役割を果たすことができる。ステンレス鋼やチタン合金に匹敵する生體適合性を有する。その優(yōu)れた生體適合性、耐食性、耐摩耗性、無(wú)毒などの特徴は、21世紀(jì)の新しい機(jī)能材料と呼ばれている。しかし、ニッケルチタン記憶合金中のニッケルイオンは周?chē)旖M織に拡散浸透し、副作用を引き起こす可能性がある。醫(yī)療用形狀記憶合金は主に整形外科と口腔科に用いられ、ニッケルチタン記憶合金の応用の最も良い例は自己膨張ステント、特に心臓血管ステントである。
醫(yī)療用金屬材料における現(xiàn)在の主な問(wèn)題點(diǎn)
醫(yī)療用金屬材料は長(zhǎng)年の臨床応用を経て、依然として多くの問(wèn)題が存在し、醫(yī)療用材料によく見(jiàn)られる宿主反応のほか、金屬腐食と摩耗による直接または間接的な影響もある。醫(yī)療用金屬材料には合金化元素が多く含まれているが、人體に許容される濃度は非常に低い。これらの合金化元素は強(qiáng)い負(fù)電気性を示すことが多く、その電子原子価狀態(tài)を変化させ、生體內(nèi)の有機(jī)物や無(wú)機(jī)物質(zhì)と化合して複雑な化學(xué)臺(tái)物を形成することができる（強(qiáng)い毒性を含むものもある）。また、金屬材料を人體に移植した後、腐食、摩耗などにより金屬イオンが溶出、金屬、イオンが組織液に入ると、組織反応、血液反応、全身反応などの何らかの生物反応が起こり、水腫、血栓塞栓、感染、腫瘍などの現(xiàn)象として現(xiàn)れる。

また人體の血液中では、血小板、細(xì)胞、タンパク質(zhì)が負(fù)の電荷を持ち、金屬析出イオンは一般的に正の電荷を持つため、血液中の大量の金屬イオンの析出は血栓の形成をもたらしやすい。鉄（Fe）、クロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、コバルト（Co）などの人體に必要な微量元素の中で、ニッケル、コバルト、クロムイオンは人體に対して大きな毒性と感作反応を持っている。インプラントから放出された金屬イオンが炎癥を誘導(dǎo)する過(guò)程を研究報(bào)告し、亜鉛、ニッケル、コバルトのサブミクロモル濃度でも內(nèi)皮細(xì)胞Eセレクチンの発現(xiàn)を誘導(dǎo)できることを発見(jiàn)した。科學(xué)的に以前から存在していた「ニッケルアレルギーとニッケル発癌問(wèn)題」は、最近數(shù)十年になってようやく各國(guó)から重視され、日用?醫(yī)療用金屬材料中のニッケル含有量の制限がますます厳しくなり、標(biāo)準(zhǔn)文書(shū)で許可されている最高ニッケル含有量もますます少なくなっている。1967年、1988年、1994年に公布された歐州議會(huì)の基準(zhǔn)から、この傾向が明らかになった。そのため、新型醫(yī)療用金屬材料を発展させる際には、その中の金屬元素を厳格に制御しなければならず、人體に毒性とアレルギー性の大きい合金化元素を少ないか、使わないことが望ましい。