钼铼合金 – 值得期待的新一代先进医用金属材料

生物医用金属材料又称医用金属材料或外科用金属材料,当生物医用金属材料广泛被用于植入材料时,长期的实用性与安全性便成为了对医用金属材料的第一要求。生物金属材料,一般具备自身强度高、抗生理腐蚀及抗疲劳性好、耐磨,以及良好的生物力学及加工性能等优点,在创伤修复及矫形治疗等领域内得到广泛应用。

当前,生物金属合金材料主要有三大类:不锈钢、钴合金、钛合金三大类。 其中,钛合金最为普通消费者所熟知。而不锈钢与钴合金由于弹性模量较高,在生理环境中耐腐蚀性差,且普遍含有Ni、Co等具有生理毒性金属元素等缺点,近年来被临床应用所抛弃。钛合金的优点确实很多,也一直是研究的热点,总的来说,钛合金的优点可以从物理性能和化学性能两个方向上进行理解。物理性能上,密度小,可以显著降低植入后人体负荷量。钛合金的弹性模量低,与人体自然骨的弹性模量相对接近,可以显著减轻应力屏蔽效应。化学性能上,钛合金的抗腐蚀性好,在特定环境下(氧化性或中性溶液),钛表面能形成耐腐蚀的稳定氧化膜,是一种优良的生物惰性金属材料。并且其生物相容性良好,无任何毒副作用。其中,无毒性和生物相容性是任何医用金属材料,必须满足的“底线”。

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

图一 -钛合金3D打印的胸肋骨结构

金属外科植入物因为关系到人体的健康与安全,国家标准GB 4234-2017、医药标准 YY/T 0605-2007以及ISO 5832-2005《外科植入物 金属材料》,都对金属外科植入物的特性与要求、给出了详尽的规定,在此不做赘述。感兴趣的读者可以关注本公众号,在聊天界面回复“外科植入物”五个字,获取相关标准原件。

回到我们标题中所述的钼铼合金,即使是有相关经验的专业人士,首先想到的也是钼、铼作为两种难熔金属元素,其合金主要用于红外线卤素灯灯丝、化学气相沉积炉加热元件、热电偶护套、防热罩、航天器推进器、核反应堆等在极高温度下运行的部件。在难熔合金领域内,钼铼合金的确是一种研究和应用都非常之多的高温合金。根据公开的文献资料,早在1990年国内的期刊上就有发表关于钼铼合金性能和工艺的研究报道。

而最近,人们发现了一种公称成分为Mo-50.0wt%Re的钼铼合金,其有良好的机械性能和生物特性。美国有关企业,已经开发了用于心血管支架的钼铼合金,并已经应用于临床使用。而这其中,最有说服力的证据,就是美国材料试验协会ASTM,已经通过并公开了《F3272 外科植入物-钼铼合金》的标准。该标准对钼铼合金植入物的形态、性能要求、化学成分以及无损检测等,都做了详细的规定与说明。不难看出,该ASTM标准所规定的都只是满足使用要求的最低标准。该标准的主要用意,还是通过文件公开的形式,进一步推动和促进钼铼合金在外科植入物领域内的应用,鼓励更多的科研机构、生产厂家参与研发、竞争,共同提高钼铼合金外科植入物的技术水平。

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

图二 – 外科用心血管金属支架

从材料性能来进行理论分析的话,钼铼合金外科植入物之所以值得期待成为新一代更为先进的医用金属材料,主要有以下三个方面的因素:

1. 力学性能

和几乎所有金属材料类似,塑性变形加工可提高钼铼合金的强度。然而,钼铼合金的特殊性在于,塑性变形加工时钼铼合金在形变过程中产生了一个不寻常的变化,叫做孪生诱发塑性(TWIP)。TWIP钢是第二代高强度用钢的一种,因其形变过程中能产生大量形变孪晶、推迟缩颈的形成,具有优异的强塑性。而钼铼合金也得益于此种效应,正如上述F3272标准规范中的数据,钼铼合金在强度超过1300Mpa的同时,延伸率还可以高达两位数。也就是说钼铼合金在强度较高的同时,塑性也非常优异,这有利于加工成各种自然的形态。在实际临床应用时,颅骨、下颌骨、手腕、手指、骨盆和踝关节等骨折,外科医生都必须根据病人特定的骨骼结构来修整这些植入物的外形。这就要求金属植入物有非常好的造型能力。

同时,影响外科植入使用的另一因素是金属材料的疲劳性。因为外科植入物通常是受到周期性荷载的影响,大部分植入物的断裂是由疲劳破坏引起的。而钼铼合金在抗疲劳性能方面比较现有的钛合金而言,具有更加明显的优势,可以大幅提高植入物的可靠性,降低植入物断裂的概率,减小产品长期使用风险。

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

表一 -不同状态下钼铼合金的力学性能数据

1. 物理性能-磁性

常见的金属外科植入物,都给医生在临床使用磁共振成像(MRI)技术时,带来了巨大的挑战。MRI设备的强大磁场会给磁性材料施加巨大的应力。因此,植入物合金必须是非磁性材料,才能消除MRI成像过程中产生的力矩、位移或热量。钼铼合金完全没有磁性,因此在这方面不存在任何问题。另一个潜在的问题是MRI影像中的伪影或“亮光”,这是植入物的一种磁敏感效应。伪影会干扰诊断结果判读。在传统的不锈钢、钴合金、钛合金三大类金属植入物合金中,纯钛植入物所产生的MRI伪影最小,而钼铼合金材料的磁敏感性更低,所产生的MRI伪影比纯钛还要更小,所以在临床上具有很大的替换优势。

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

图三 -各种不同形态的金属外科植入物

作为外科植入物的“底线”要求,钼铼合金的无毒性及生物相容性,已经是无需置疑的。钼铼合金已经通过了所有《ISO 10993 医疗器械生物学评价》的测试和其他相关测试。以骨传导性为例,已经有研究表明将钼铼合金试验钉植入动物的股骨中,结果发现,在植入4周、13周和26周后,钼铼合金和TC4医用钛合金具有相近的骨传导性。

钼铼合金 - 值得期待的新一代先进医用金属材料

图三 -各种不同形态的金属外科植入物

总的来说,钼铼合金外科植入物的大规模应用值得期待!同时也值得我们投入金钱和时间去研究、开发,通过一种更为先进的钼铼合金外科植入物,带来更好的临床体验,造福患者,提升医疗技术,改变世界!

湖南铼因铼合金材料有限公司在铼及钼铼合金的研发、生产及制造技术方面与全球主要应用终端接轨,我们致力于先进铼及铼合金材料在中国航空、航天技术中的创新开发与应用拓展,可提供包括钼铼合金前期型材和深加工制品。相应牌号有Mo-47.5Re钼铼合金、Mo-44.5Re钼铼合金、Mo-41Re钼铼合金、Mo-14Re钼铼合金、Mo-41Re-15Cr钼-铼-铬合金、Mo-41Re-15Ti钼-铼-钛合金、Mo-47Re-0.5Zr钼-铼-锆合金等。产品形态有板材、片材、箔材、管材、棒材、丝材、以及旋压钼铼合金坩埚、微波通信用长寿命栅板钼铼合金、稀土元素弥散增强钼铼合金(ODS)等钼铼合金系列产品。我们期待着您的来电和业务咨询,并为您提供相关产品的专业服务。

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