钴基合金在生物医用领域的相关研究
随着当前社会健康产业的迅猛发展，医用金属材料研究已成为当今全球材料产业的一大热点。目前，临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛及钛合金、镍钛形状记忆合金等几大类，从耐蚀性和力学性能综合衡量，钴基合金是 良的材料之一，具有生物相容性好、强度高、良好的韧性、高抗弯曲疲劳强度和优异的加工性能等优点,以及还有许多其他医用材料不可替代的优良性能。
医用钴基合金一般含有钴、铬、镍、钼、钨等元素，铬能够在合金表面形成致密氧化层，可以提高合金的耐腐蚀性能，铬元素能形成碳化物，碳化物具有较高的硬度，可以提高基体的强度，同时可能提高合金耐磨性。合金中的钼元素固溶在基体中，能够成为位错流动的壁障，从而提高基体的强度。
医用钴基合金包括CoCrMo合金、CoCrMoW合金、CoCrWNi合金、CoNiCrMoWFe合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金等。
钴基合金的发展与应用
最早开发的医用钴合金为钴铬钼（CoCrMo）合金，其结构为奥氏体，70年代又开发出具有良好疲劳性能的锻造钴镍铬钼钨铁(CoNiCrMoWFe)合金和具有多相组织的MP35N钴镍铬钼合金。
钴基合金的首次医疗用途是生产牙种植体，因为它们在口腔环境中具有出色的抗降解性，其各种体外和体内测试的结果表明，该合金具有生物相容性，适合用作外科植入物。通过不断的研究与技术进步，钴基合金逐渐被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针等。
钴基合金在医用领域的相关研究
01
含铜钴基合金抗菌性能研究
医用钴基合金作为植入材料，植入物表面易粘附大量细菌，从而诱发严重的感染，为此，许多科学家一直试图从植入材料的角度解决细菌感染的问题。一种方法是对材料表面进行改性以抑制细菌生物膜的形成，例如，涂覆含有抗生素的聚合物或离子注入强抗菌金属元素。然而，表面改性很容易因为表面磨损或抗菌涂层剥落而很快失效，这些涂层植入物在使用过程中将失去抗菌功能。因此，开发自身具有抗菌功能的新型生物医用材料具有重要意义。有研究表明，在医用CoCrWNi合金中添加适量的Cu，可通过释放Cu离子的强抗菌作用，使其具有较强的抗菌性能，Cu的添加使合金的腐蚀电流密度略有增加，实验数据显示含Cu的CoCrWNi合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在90%以上，且能明显抑制含CoCrWNi合金表面细菌生物膜的形成，具有良好的临床应用前景。
02
钴铬合金的增材制造技术适用于生物医学应用
钴铬合金具有很高的强度和韧性，对其机械和冶金特性以及生产难以切割的材料的能力有着显著的影响，生物医学领域对器械部件的要求也更加精细，因此其制造工艺至关重要。增材制造技术被广泛用于直接从数字模型生产产品，它们可以按照许多生物组织的精确尺寸、形状甚至纹理生成，具有设计灵活性、零件复杂性、轻量化、组件整合、功能设计等特点，因此可以精确的匹配患者需求。对比分析用于制造钴铬合金生物医学部件和植入物的不同增材制造技术，从目前众多学者的的研究中可以看出，选择性激光熔化是生物医学领域较为合适的技术。
03
钴基合金在骨科的研究
随着各种植入设备（如骨科、心血管、牙科和眼科植入物）数量的不断增加，生物医学应用中的金属材料变得越来越重要。除钛基合金和不锈钢外，CoCrMo合金是骨科应用（即全髋关节置换术）中使用的最重要材料之一。植入式髋关节置换术的应用，有效改善了老年人的生活方式及实现平均预期寿命延长。最初髋关节置换装置的平均使用寿命约为10-15年，有研究者设定目标需要将使用寿命延长到25-30年左右，与金属对金属(MoM)髋关节置换装置相关的主要问题是错位时的高磨损率以及金属离子释放到血液和周围组织中对人体造成伤害。需要降低磨损率并限制从当前MoM材料中浸出的金属离子量，以便能够生产出理想的髋关节置换材料。最常用的MoM材料是钴基合金，更具体地说是ASTMF75，因为它们具有出色的耐磨性和耐腐蚀性。与传统的铸造或锻造方法相比，一种粉末加工技术-放电等离子烧结(SPS)可以更好的改善合金性能。在微观结构中，SPS合金含有氧化物且硬度较高，磨损和摩擦系数低，研究表明SPS合金材料性能优异，与目前用于骨科的传统钴基合金相比更受欢迎。
04
放电等离子烧结钴铬基合金在生物医学的应用
采用放电等离子烧结法制备了Nb和Mo含量分别为3%和3.5%的钴铬合金，研究结果显示，CoCr3.5Mo3.5Nb具有生物相容性和强度高的特性，适合用于骨科植入物和牙科修复；CoCr3Mo3Nb具有高延展性，这一特性在生物医学应用中起着至关重要的作用，使材料能够承受机械应变，可以有效缓解应力断裂的发生。同时，延展性在牙齿修复中也起着至关重要的作用，使修复体能够承受咀嚼时施加的力量，从而保持其承受压缩、拉伸和剪切负载的能力，而不会发生断裂。
结 语
金属生物医用材料的应用历史悠久,近几年来生物医用钴基合金在临床医疗和科研中使用广泛。但生物医用钴基合金铸件所处的生理环境具有腐蚀性,这会使金属离子向周围组织扩散，并且植入材料自身性质会发生退变,前者可能导致毒副作用,后者可能导致植入材料失效。因此,研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型钴基合金生物医用材料以及加工制造方式是研究人员应不断追求的目标。
医用钴基合金一般含有钴、铬、镍、钼、钨等元素，铬能够在合金表面形成致密氧化层，可以提高合金的耐腐蚀性能，铬元素能形成碳化物，碳化物具有较高的硬度，可以提高基体的强度，同时可能提高合金耐磨性。合金中的钼元素固溶在基体中，能够成为位错流动的壁障，从而提高基体的强度。
医用钴基合金包括CoCrMo合金、CoCrMoW合金、CoCrWNi合金、CoNiCrMoWFe合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金等。
钴基合金的发展与应用
最早开发的医用钴合金为钴铬钼（CoCrMo）合金，其结构为奥氏体，70年代又开发出具有良好疲劳性能的锻造钴镍铬钼钨铁(CoNiCrMoWFe)合金和具有多相组织的MP35N钴镍铬钼合金。
钴基合金的首次医疗用途是生产牙种植体，因为它们在口腔环境中具有出色的抗降解性，其各种体外和体内测试的结果表明，该合金具有生物相容性，适合用作外科植入物。通过不断的研究与技术进步，钴基合金逐渐被用以制作人工髋关节、膝关节、关节扣钉、接骨板、骨钉和骨针等。
钴基合金在医用领域的相关研究
01
含铜钴基合金抗菌性能研究
医用钴基合金作为植入材料，植入物表面易粘附大量细菌，从而诱发严重的感染，为此，许多科学家一直试图从植入材料的角度解决细菌感染的问题。一种方法是对材料表面进行改性以抑制细菌生物膜的形成，例如，涂覆含有抗生素的聚合物或离子注入强抗菌金属元素。然而，表面改性很容易因为表面磨损或抗菌涂层剥落而很快失效，这些涂层植入物在使用过程中将失去抗菌功能。因此，开发自身具有抗菌功能的新型生物医用材料具有重要意义。有研究表明，在医用CoCrWNi合金中添加适量的Cu，可通过释放Cu离子的强抗菌作用，使其具有较强的抗菌性能，Cu的添加使合金的腐蚀电流密度略有增加，实验数据显示含Cu的CoCrWNi合金对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率均在90%以上，且能明显抑制含CoCrWNi合金表面细菌生物膜的形成，具有良好的临床应用前景。
02
钴铬合金的增材制造技术适用于生物医学应用
钴铬合金具有很高的强度和韧性，对其机械和冶金特性以及生产难以切割的材料的能力有着显著的影响，生物医学领域对器械部件的要求也更加精细，因此其制造工艺至关重要。增材制造技术被广泛用于直接从数字模型生产产品，它们可以按照许多生物组织的精确尺寸、形状甚至纹理生成，具有设计灵活性、零件复杂性、轻量化、组件整合、功能设计等特点，因此可以精确的匹配患者需求。对比分析用于制造钴铬合金生物医学部件和植入物的不同增材制造技术，从目前众多学者的的研究中可以看出，选择性激光熔化是生物医学领域较为合适的技术。
03
钴基合金在骨科的研究
随着各种植入设备（如骨科、心血管、牙科和眼科植入物）数量的不断增加，生物医学应用中的金属材料变得越来越重要。除钛基合金和不锈钢外，CoCrMo合金是骨科应用（即全髋关节置换术）中使用的最重要材料之一。植入式髋关节置换术的应用，有效改善了老年人的生活方式及实现平均预期寿命延长。最初髋关节置换装置的平均使用寿命约为10-15年，有研究者设定目标需要将使用寿命延长到25-30年左右，与金属对金属(MoM)髋关节置换装置相关的主要问题是错位时的高磨损率以及金属离子释放到血液和周围组织中对人体造成伤害。需要降低磨损率并限制从当前MoM材料中浸出的金属离子量，以便能够生产出理想的髋关节置换材料。最常用的MoM材料是钴基合金，更具体地说是ASTMF75，因为它们具有出色的耐磨性和耐腐蚀性。与传统的铸造或锻造方法相比，一种粉末加工技术-放电等离子烧结(SPS)可以更好的改善合金性能。在微观结构中，SPS合金含有氧化物且硬度较高，磨损和摩擦系数低，研究表明SPS合金材料性能优异，与目前用于骨科的传统钴基合金相比更受欢迎。
04
放电等离子烧结钴铬基合金在生物医学的应用
采用放电等离子烧结法制备了Nb和Mo含量分别为3%和3.5%的钴铬合金，研究结果显示，CoCr3.5Mo3.5Nb具有生物相容性和强度高的特性，适合用于骨科植入物和牙科修复；CoCr3Mo3Nb具有高延展性，这一特性在生物医学应用中起着至关重要的作用，使材料能够承受机械应变，可以有效缓解应力断裂的发生。同时，延展性在牙齿修复中也起着至关重要的作用，使修复体能够承受咀嚼时施加的力量，从而保持其承受压缩、拉伸和剪切负载的能力，而不会发生断裂。
结 语
金属生物医用材料的应用历史悠久,近几年来生物医用钴基合金在临床医疗和科研中使用广泛。但生物医用钴基合金铸件所处的生理环境具有腐蚀性,这会使金属离子向周围组织扩散，并且植入材料自身性质会发生退变,前者可能导致毒副作用,后者可能导致植入材料失效。因此,研究和开发性能更优、生物相容性更好的新型钴基合金生物医用材料以及加工制造方式是研究人员应不断追求的目标。
