医用金属材料以其高强韧性、耐疲劳、易加工成形性等优良的综合性能，一直是临床上用量最大和应用广泛的一类生物医用材料。医用金属材料是需要承受较高载荷的骨、齿等硬组织以及介入治疗支架的首选植入材料，已大量应用于骨科、齿科、介入治疗等重要医疗领域中的各类植入医疗器械。目前医用金属材料中用量最大、应用范围最广的是不锈钢、钛及钛合金、钴基合金三大类材料，在医用金属材料的生产和临床应用中占有举足轻重的地位。此外还有镍钛形状记忆合金以及金、银、钽、铌、锆等贵金属。

    然而，目前临床应用的医用金属材料在生物体中一般表现为生物惰性，不具备生物活性，因此往往需要通过对其进行表面改性，来达到其具备一定生物活性，进而提高其临床使用性能的目的。那么能否使医用金属材料自身就具备某种生物活性呢？至今还未有这方面的研究报道。医用金属材料的生物功能化就是希望解决这一重要问题，因而它是一个具有创新意义和挑战性的新概念，其核心思想就是使医用金属材料在发挥其自身优异力学性能的同时，同时还具备特定的生物医学功能，从而达到更佳的临床医疗效果。杨柯领导的生物材料研究团队近年来进行了多方面的有意义尝试，已经初步实现了特定医用金属材料的生物功能化，并将这一新思想发表在近期的Journal of Materials Science and Technology上（Bio-functional Design for Metal Implants, a New Concept for Development of Metallic Biomaterials, Ling REN, Ke YANG, JMST. 2013, Vol. 29, 1005-1010）。

　　人们知道，人体中存在有多种不同种类的金属元素，如：宏量金属元素K、Na、Ca、Mg，微量金属元素Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、Cr、Sn、V、Ni等，它们在人体中都会发挥不同的生物功能。如果人体中缺失那种金属元素，可能就会引发某种疾病；如果在人体中适量补充某种金属元素，可能会有助于治愈一些疾病。事实上，医用金属材料在人体环境中（无论是体液，还是血液）都会发生不同程度的腐蚀现象，从不锈钢、钛及钛合金、钴基合金等金属材料的极缓慢腐蚀，到目前热点研究的镁基金属的快速腐蚀直至完全降解吸收。因此就可以利用医用金属材料在人体环境中不可避免发生腐蚀的特性，通过特定的合金化设计和制备，在现有医用金属材料中添加某种具有生物医学功能的特定金属元素，利用金属在体内发生腐蚀而造成的这种特定金属元素的持续释放现象，在满足生物安全性的前提下，在实现植入金属力学支撑作用的同时，额外发挥这一特定金属元素的生物医学功能，从而赋予医用金属材料特定的结构/生物医学功能一体化特性。这是一个极富挑战性的创新设想，具有重要的临床应用价值，国际上还未见有人提出相同的思想及相关的研究报道！实现医用金属材料的结构/生物医学功能一体化的关键在于针对临床应用目标的材料设计、制备及性能调控，其应在保持现有同类医用金属材料各项性能水平的基础上，通过特定金属元素的持续溶出，而达到兼有力学承载能力和生物医学功能的双重目的。

　　在众多金属元素中，铜的生物学作用逐渐得到人们的认可。铜离子是人体中必需的微量金属元素，它的杀菌作用很早就被广泛认可。铜离子对心血管系统具有重要的作用，不仅可以抑制血栓的形成，还能抑制动脉平滑肌的过度增殖、变性等病变，并且能够促进血管内皮再生。近期有医学研究表明，无论是在体外还是在动物体内，Cu₂SO₄溶液中的铜离子均能明显地促进骨胶原的沉积。由于骨胶原能促进钙、磷等无机物质在骨上的沉积，因而能起到修复骨组织、促进骨再生、改善骨质疏松症状等有益作用。此外，还有医学研究发现，微量铜离子可促进人体组织中的血管化过程，这对人体组织的修复过程具有至关重要的作用。

　　杨柯领导的研究团队近年来研究开发出的系列含铜抗菌不锈钢为上述尝试奠定了材料基础。所谓含铜不锈钢，是指在现有医用不锈钢（304、316L、317L等）的成分基础上，通过加入适度过饱和量的铜元素，经过固溶+时效的热处理，使其基体中均匀弥散地分布有纳米尺度富铜析出相的新型不锈钢。这种含有富铜相的含铜不锈钢在人体环境中由于不可避免地会发生一定的腐蚀，因而可以微量和持续地向周围组织中释放出铜离子，从而发挥出铜离子的诸多有益的生物医学功能。因此，含铜不锈钢巧妙地将不锈钢的优异的力学性能、耐蚀能力与铜离子的生物医学功能相结合。根据医用金属材料生物功能化这一全新的概念，研究团队开展了含铜不锈钢（316L-Cu和317L-Cu）抑制细菌感染、降低支架内再狭窄、促进成骨等生物医学功能的研究探索工作。

　　图1分别为利用扫描电镜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌在骨科植入常用的317L不锈钢和317L-Cu含铜不锈钢表面上的细菌生物膜形成过程的观察结果。图中大肠杆菌呈杆状，金黄色葡萄球菌呈球状。从图2中可以看到，317L不锈钢的表面上粘附有大量的细菌，并且随着与细菌共培养时间的增加，细菌数量越来越多，形成的细菌生物膜面积和厚度越来越大。当时间达到24h时，可以看到317L不锈钢表面上形成的细菌生物膜已经呈现多层立体结构。然而，317L-Cu不锈钢表面上的细菌数量非常稀少，其随意和零星地分布在不锈钢表面上，而且即使增加与细菌的共培养时间，也没有发现形成细菌生物膜。由此可见，由于含铜不锈钢具有的强烈和广谱杀菌功能，因此能够有效抑制在其表面上形成细菌生物膜。

　　外科植入物引发的细菌感染是目前亟待解决的重要临床问题，而抗生素的过量使用已经带来了诸多隐患（如使细菌产生抗药性、形成超级细菌等），因此能够从植入物材料入手来降低或抑制细菌感染的发生将具有重要的临床应用价值。临床医学研究表明，在植入物表面形成细菌生物膜是引发细菌感染的主要原因。由以上研究结果可知，由含铜不锈钢制作的外科植入物产品应具有抑制细菌感染的生物医学功能，具有广泛的临床应用前景。在体外实验研究的基础上，将含铜不锈钢制作成骨、齿固定螺钉，蘸上菌液后植入动物体内进行验证。动物植入实验研究结果表明，与普通不锈钢螺钉相比，含铜不锈钢螺钉周围组织中的细菌浓度明显下降，无细菌感染现象发生。在此创新思想指导下，还相继开发出含铜抗菌钛合金、含铜抗菌钴基合金等医用金属新材料。含铜抗菌金属的医学应用属于国际首创，在申报了数项国家发明专利的基础上，研究结果已发表在Journal of Materials Science: Materials in Medicine、Materials Science and Engineering C、Colloids and Surfaces B: Biointerfaces等多个国际相关学术刊物上。目前，研究团队正在与国内相关生产企业合作开发具有抗感染功能的不锈钢骨科、齿科植入物新产品。

图1 317L不锈钢和317L-Cu不锈钢分别与大肠杆菌（E. coli）和金黄色普通球菌（S. aureus）共培养6、12、24小时后，表面形成细菌生物膜的SEM形貌观察。