4.2.1 醫用鈦合金材料的生物學評價概述 

凡與人體接觸和植入或介入人體內部的各類醫療器械原則上都存在一定的潛在風險性。醫療器械和人體之間的相互作用和影響的過程和規律非常復雜，會在器械(施體)與機體(受體)之間發生組織、血液、免疫和全身反應等主要4種生物學反應。而這些生物學反應在臨床上也可能會出現以下并發癥：

(1) 滲出物反應；(2) 感染；(3) 鈣化；(4) 血栓栓塞；(5) 腫瘤等。其中感染是外科植入器械在治療上最常見的主要并發癥之一，其發生率約為1%~10%。上世紀80年代末臨床醫生對TC4鈦合金人工髖關節實施翻修手術時，已經發現其假體周圍骨組織有致炎感染和黑化現象，而其表面狀態欠佳諸如耐磨性差或外加涂層脫落、降解等也會導致植入體與骨組織之間不能實現化學緊密結合等。另外TC4鈦合金較高的彈性模量E (約110 GPa)與低模量的自然骨(5~30 GPa)之間的彈性不匹配可引起骨吸收、骨萎縮等一系列并發癥。因此，它們在應用于臨床前都必須進行一系列的生物學研究和評價。有關醫用鈦合金器械的生物學評價標準總結于表5。

4.2.2 醫用鈦合金材料的生物學性能及生物相容性研究 

生物相容性(biocompatibility)是指材料與生物體之間相互作用后產生的各種生物、物理、化學等反應或耐受能力，即材料植入人體后與人體的相容程度，借此研究生物材料是否會對人體組織造成毒害作用。對于與人體組織接觸或修復、替代病變組織的天然和合成的生物材料，或是外科植入物、微創介入器件和有源醫療器械，由于它們間接或直接與人體的組織和血液進行短期或長期接觸直至失效為止，因此，生物醫用材料質量的優劣直接關系到患者的生活質量和生命安危，在其進入臨床應用前必須確保其生物相容性和安全性。

Okazaki研究揭示了純金屬的細胞毒性、外科植入材料的極化電阻和生物相容性的關系，成為合金元素選擇的重要參考依據，并且認為Al、V和Fe這3種元素是高度細胞毒性元素。大量臨床研究已經證實：TC4鈦合金中的V因化學性質不穩定易引起生物學上的炎性反應和纖維包囊，其生物毒性要超過Ni和Cr，而Al被證實會引起骨軟化、貧血和神經紊亂等癥狀。根據純金屬及其合金的生物相容性測試可以發現，V、Cd、Co、Hg、Cr、Ni等元素對細胞的接觸毒性較強，Al、Fe元素次之。具有磁性的Fe、Co、Ni等元素還會對射線造成阻礙，不利于患者術后進行CT或MRI檢查。因此，優先采用Ti、Zr、Mo、Sn、Ta、Nb、Pd、Hf等對于機體有益或毒副作用較小的合金添加元素，將有利于提高或改善鈦合金材料的生物相容性。

有關醫用鈦合金材料在體內的骨整合性能，人們普遍認為是通過植體材料表面與周圍組織在分子及細胞水平上的相互作用而完成的。鑒于細胞和蛋白質尺寸分別是1~100 mm和1~10mm，因此，生物材料表面組織(結構)形態就對細胞黏附、生長和分化等產生重要影響。當鈦合金植入骨組織后很快就吸附周圍血液、組織液中的生物大分子，如纖維粘連蛋白、骨粘連蛋白、纖維蛋白原以及各種細胞因子(如骨形成蛋白、 b -轉化生長因子等)，然后形成生物大分子層并引起一系列的細胞學變化：細胞轉化因子引導未分化間充質細胞、骨母細胞、成骨細胞向植體材料表面移行，通過細胞粘連因子而發生貼壁，然后在細胞生長因子的作用下出現增殖或分化等不同生物學反應，隨后在植體材料表面產生細胞層增殖、分化、合成并分泌細胞外基質而后礦化成骨。而植體材料表面的理化性質也會影響生物大分子層的結構、組成和空間構象，進而導致不同的細胞學表現。

例如，材料表面超細晶化后具有較高強度、表面硬度和耐磨性等特性，同時材料表面組織(結構)形態與其表面殘余應力、表面能、表面電荷等也高度相關，而研究已證實成骨細胞對微納米尺度表面粗糙度變化的響應比傳統光滑表面更敏感，且多孔結構對于細胞分化功能的影響在一定范圍內甚至可以大于材料成分對于細胞分化功能的影響。可見，骨植入材料表面選擇性吸附生物大分子是影響整個界面骨愈合中間過程的控制環節并可通過細胞學的不同反應表現出來，成骨細胞在生物材料表面的貼壁率、生長曲線、細胞層堿性磷酸酶活性和蛋白質含量等生物學指標均可反應細胞的生長與功能分化特性，而從組織愈合的一般性到骨愈合的特殊性均可較全面地反映骨科材料促進界面骨性愈合的能力，因而可作為研究和評價鈦合金材料生物相容性的重要內容和評價指標。

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