バイオメディカル金属は、外科用インプラント金属としても知られ、診断、治療、体内組織の代替や機能強化に使用される合金です。 金属は、最も古くから使用されてきた医療材料のひとつであり、紀元前400年から300年前までさかのぼると、フェニキア人が欠損した歯の修復にワイヤーを使用していました。1930年代には、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、チタン合金が歯科や整形外科で使用されるようになり、金属製バイオメディカル材料は外科研究の分野で注目されるようになった。1970年代には、Ni-Ti形状記憶合金の臨床医学への応用が成功し、金属表面への生物医学的コーティング材料の開発が生物医学的金属合金の応用を促進した。生体用金属材料に要求されることは以下の通りである：

  • 良好な機械的特性

医療用金属材料は、一般に軽量で、強度と靭性に優れ、弾性率が低く、耐疲労性、耐クリープ性に優れ、必要な耐摩耗性と自己潤滑性を備えている必要がある。傷害、腫瘍、その他の要因によって骨や関節が損傷した場合、アークプレート、スクリュー、人工骨、人工関節によって安定した骨足場を確立する必要がある。これらの長期インプラントは、曲げたり、しごいたり、筋肉の収縮を受けるため、高い強度と靭性が要求される。

  • 優れた耐食性

医療用金属材料の腐食の主な原因は、一般的な均一腐食：インプラント材料の表面が人体の生理的環境にさらされ、電解作用が起こる；インプラント材料に不純物が混入することによって起こるスポット腐食；異なる成分や物理的・化学的性質によって起こる粒界腐食；イオン化エネルギーの異なる材料の混合使用によって起こるガルバニック腐食；インプラントと人体組織との間の摩耗と腐食；荷重によってインプラント材料の一部に応力が集中することによって起こる応力腐食；インプラント材料の損傷骨折疲労腐食などである。

  • 生体適合性

生体適合性は、材料の品質を測る重要な指標である。生体適合性とは、人体組織とインプラント材料の相互寛容性と適応性のことであり、すなわち、インプラント材料が人体組織に損傷、毒性、その他の害を及ぼすかどうかを意味する。バイオメディカル材料は、毒性、刺激性、発がん性、突然変異など、人体に影響を及ぼさないものでなければならない。人体に拒絶反応がないこと；周囲の骨や他の組織と強く結合し、できれば化学的に結合し、生物学的に活性であること；溶血、凝固反応がないこと、つまり抗血栓性があること。

  • 磁気なし

金属材料は電磁場や雷雨の影響を受けず、人体の安全に寄与する。

高分子材料、複合材料、ハイブリッド材料、派生材料などの生体医療材料と比較して、金属医療材料は高強度、良好な靭性と曲げ疲労強度、優れた加工性能などの優れた特性を提供し、臨床応用において最も広く使用されているインプラント材料となっている。金属3Dプリンティング技術により、金属医療材料はより広く使用されるようになり、代表的な応用部品には、骨折用内固定プレート、ネジ、人工関節、歯根インプラントなどがある。現在、医療用金属材料は主にステンレス鋼、コバルト合金、チタン合金、形状記憶合金、貴金属、純金属のタンタル、ニオブ、ジルコニウムなどを含む。

ステンレス鋼

医療用ステンレス鋼は、最初に使用されるバイオメディカル合金の一つであり、加工が容易で低価格、良好な耐食性と降伏強度を提供し、疲労破壊を回避し、冷間加工によって改善することができます。最も一般的に使用されるタイプはオーステナイト系ステンレス鋼304/304L、316/316Lおよび317Lであり、ナイフ、はさみ、止血鉗子、針などの医療器具、人工関節、骨折内固定装置、歯科装具、人工心臓弁などの手術用インプラント部品、および他の移植デバイスを作るために使用されます。

医療用ステンレスの生体適合性には、ステン レス鋼を人体に埋め込んだ後の、腐食や摩耗に よる金属イオンの溶出が引き起こす組織反応が含 まれる。多くの臨床データによると、医療用ステンレ ス鋼の腐食は、長期的な植え込みの安定性を低下 させ、その密度や弾性率はヒトの硬組織とかけ離れ ているため、機械的適合性が低い。腐食は、ニッケルイオン (一般的なオーステナイト系医療用ステン レス鋼は約10%のニッケルを含む) などの 金属イオンや他の化合物を周辺組織や全身に析出 させ、浮腫、感染、組織壊死、疼痛、アレルギー反応 などの組織学的副作用を引き起こす。これらのオーステナイト系ステンレス鋼は、徐々に新しいニッケル-ニッケルフリー医療用ステンレス鋼に置き換えられている。

コバルト合金

コバルト合金もまた、医療で一般的に使用される金属医療材料である。ステンレス鋼に比べ、医療用コバルト合金は人体環境に適した長期インプラントの製造に適しており、その耐食性はステンレス鋼の40倍である。最初の医療用コバルト合金はコバルト-クロム-モリブデン(Co-Cr-Mo)合金で、その後、疲労性能の良い鍛造コバルト-ニッケル-クロム-アルミニウム-タングステン(Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe)合金や、多相組織のMP35Nコバルト-ニッケル-クロム-アルミニウム合金が開発・応用され、ISO5582/4に収録されている。コバルト合金は主に人工股関節、人工膝関節、関節バックル釘、骨プレート、釘、針の材料として使用されています。

コバルト合金は人体内で不動態化されたままであり、その不動態化被膜はステンレス鋼よりも安定で、耐食性、耐摩耗性に優れ、人体に移植した後も明らかな組織学的反応は見られない。しかし、コバルト合金は高価であること、摩耗や腐食によってCoやNiのプラズマが溶け出してアレルギーを引き起こしたり、細胞や組織が壊死して痛みや関節のゆるみを生じたりすることなど、避けられない欠点がある。近年、表面改質技術によってコバルト合金の表面特性が改善され、臨床効果が効果的に向上した。

チタン合金

チタン合金は、軽量、非毒性、非磁性、優れた耐摩耗性、耐腐食性といった比類なき利点により、最も生体適合性の高い金属として知られています。チタンとチタン合金は主に形成外科、特に四肢骨と頭蓋骨の再建、様々な骨折内固定装置、人工関節、頭蓋と硬膜、人工心臓弁、歯、歯茎、支持リングとクラウンに使用されています。最も広く使用されているチタン合金はа+βチタン合金Ti-6A1-4Vで、世界のバイオメディカルチタン合金市場の80%以上を占めており、チタン合金の強度と機械的特性は金溶液処理と時効処理によって著しく改善されます。

チタンおよびチタン合金の密度は約4.5g/cm3で、ステンレス鋼やコバルト合金のほぼ半分であり、人体の硬組織に近く、生体適合性、耐食性、耐疲労性はステンレス鋼やコバルト合金よりも優れており、現在最も優れた金属医療材料である。チタンおよびチタン合金と人体との親和性は、体液中のカルシウムイオンとリンイオンの沈着を誘導し、移植後にその表面に緻密な酸化チタン（TiO2）不動態皮膜によってアパタイトを生成する能力に由来し、一定の生物学的活性と骨結合能力を示し、特に骨移植に適している。元素Vは悪性組織反応を引き起こし、人体に有毒な副作用を及ぼす可能性があることが報告されており、Alは骨粗鬆症や精神障害などの疾患を引き起こす可能性がある。そのため、生体材料科学者は現在、より生体適合性に優れ、弾性率の低いβチタン合金を開発している。

ジルコニウム合金

ジルコニウムベースの合金材料は、低弾性率、高強度、良好な靭性、良好な耐食性、無毒性、良好な生体適合性などの利点があるため、ヒトの硬組織代替材料として広く使用されている。

ZrとTiは互いに溶解することができ、物理的・化学的性質が類似していることを示している。Zrは、Ti合金の機械的特性を向上させるために、合金元素としてTi合金に添加されることが多い。近年、Zr合金を無害な合金元素で強化し、その特性を最適化することにより、新しい生体用合金材料が開発されている。

形状記憶合金

形状記憶合金（SMA）は、温度と応力の作用下で相変態を起こすことができる新しいタイプの機能性材料である。独特の形状記憶効果と相変態擬弾性を持つ。形状記憶合金の種類は多く、ニッケルチタン合金、銅合金、鉄合金に分けられる。その中で、ニッケルチタン形状記憶合金は、自己膨張型ステント、特に心臓血管用ステントなど、形成外科学や口内炎学で広く使用されている。医療用ニッケルチタン形状記憶合金の形状記憶回復温度は36±2℃であり、人体温度に適合し、チタン合金と同等の生体適合性を示す。しかし、ニッケル-チタン形状記憶合金はニッケルを多量に含むため、表面処理を適切に行わないと、ニッケルイオンが周辺組織に拡散・浸透し、細胞や組織の壊死を引き起こす可能性がある。