华东理工大学 East China University of Science And Technology 生 物 材 料 导 论 郎 美 东 博士 教授 实验一楼 302 Tel: 6425 3916 E-mail: mdlang@ April 2, 2013 齿科用金属材料 第四章 医用金属材料 骨科用金属材料 (物化性能要求) 医用金属材料的进步 15~16世纪前 1826年 1886年 ~1912年 1924年 1926年 1937年 1938年 1940年 1951年 1963年 1971年 金作为齿科材料 以银和水银制得低熔点合金（68C） 镀镍钢板作为螺丝和骨接板 高碳素钒钢作为骨接板 Co-Cr-W合金的生物相容性的调查 SUS302(18%Cr-8%Ni不锈钢系)作为植入材 Co-Cr-Mo合金作为植入材 钽的动物实验 SUS316L(17%Cr-14%Ni-2.5%Mo优质耐侵蚀材料) 钛的动物实验 Co-Cr-Mo合金/HDPE人工骨关节、钛合金的研究 Co-Cr-Mo合金制多孔材料 医用金属材料与普通金属材料的价格差别 普通钢 4万日元/吨 SUS316L不锈钢 110万日元/吨 Co-Cr系合金 1,600万日元/吨 纯钛 500万日元/吨 Ti－6%Al－4%V 1,000万日元/吨 钛合金 拉伸试验 应变 各种材料的抗张强度和应变的关系 钛合金 骨 不锈钢 (SUS316L) HDPE ZrO2陶瓷 Al2O3 抗张强度 （注：曲线下所占面积越大，材料的韧性就越高） 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 抗张强度 杨氏模量 韧性 疲劳强度 耐摩擦性 耐侵蚀性 抗老化 生物活性 三类生物材料有关性质的比较 好中差 医用金属材料的主要化学组成和性能 钛金属 钛合金 不锈钢 Co-Cr合金 主要成份 Ti Ti Fe Co + Cr C <0.10 <0.08 <0.03 <0.35 Fe <0.30 <0.25 主要 <0.75 Mn 微量 微量 <2.0 414 >853 >482 >655 延伸率(%) >18 >10 >40 >8 弹性模量 5倍 5倍 10倍 10倍 (金属/骨) 金属材料的特点： 优点：低毒性，高强度，高韧性，高耐久性（抗疲劳、耐摩耗） 缺点：无生物活性，高弹性模量 SUS316L不锈钢 Co-Cr合金 Ti-6Al-4V 抗张强度 杨氏模量 韧性 疲劳强度 耐摩耗 耐侵蚀性 加工性 生物相容性 代表性医用金属材料性质的比较 医用不锈钢 不锈钢按其组织相的特点可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈 钢、沉淀硬化型不锈钢和奥氏体不锈钢，后者因具有良好的 耐蚀性能和综合的力学性能而得到广泛的临床应用。
奥氏体不锈钢无磁性，不能通过相变使合金强化，但借助 于冷加工方法可明显提高其力学性能这类不锈钢均含有 足够量的铬以保证其良好的耐腐蚀能力碳含量高会引起 不锈钢的晶间腐蚀，故超低碳AISI316L和317L不锈钢得 到了广泛的临床应用常用的医用奥氏体不锈钢的组分与 性能列入下表 医用不锈钢 规格 种类 Simax Cmax Mnmax Pmax Smax Cumax Ni Cr Mo Fe ASTM F-138 SUS316L 0.75 0.05 2.00 0.025 0.01 0.50 13 18 2.5 剩余量 JIS H 4607 SUS316L 1.00 0.08 2.00 0.045 0.03 – 13.5 17 2.5 剩余量 G4303(棒) 4308(线材) ISO 5832-1 A 1.00 0.08 2.00 0.025 0.015 0.5 12 17.5 2.75 剩余量 B 1.00 0.03 2.00 0.025 0.015 0.5 12 17.5 2.75 剩余量 规格 种类 抗张强度(MPa) 延伸率(%) 硬度 (HB) ASTM F-138 SUS316L 485 40 217 JIS H 4303 SUS316L 480 40 187 G4303(棒) 4308(线材) ISO 5832-1 A 515 40 B 480 40 不锈钢器件植入体内，其合金元素会通过生理腐蚀和磨蚀 而导致金属离子溶出，后者进入组织液会引起机体的一些 不良反应。
在一般情况下，人体组织只能容忍微量金属离 子存在，因此必须严格控制医用不锈钢在体内的金 属离子溶出医用不锈钢的合金元素多，且有强 的负电性，能够变化其电子价态，并与体内的有 机和无机物质化合而形成复杂的化合物 在铁、镍、铬、铝、钒等主要合金元素中，对机体组 织影响比较清楚的是 铁，它与血红细胞结合可形成铁血黄素 铬能与机体内的丝蛋白结合 机体过量富集镍有可能诱发肿瘤的形成 钒具有很强的细胞素性早已被试验所证实 通常医用不锈钢的小量腐蚀不会引起组织的明显 变化，但量大时会引起水肿、感染、组织坏死或过敏 反应 医用不锈钢的临床应用： 在骨科常用来制作各种人工关节和骨折内固定器，如人工髋 关节、膝关节、肩关节、肘关节、腕关节、踝关节与指关节；各 种规格的截骨连接器、加压板、鹅头骨螺钉；各种规格的皮质骨 与松质骨加压螺钉、脊椎钉、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨 板等，亦用于骨折修复、关节置换，脊椎矫形等 在口腔科医用不锈钢广泛应用于镶牙、矫形和牙根种植等各 种器件的制造，如各种牙冠、牙桥、固定支架、卡环、基托、正 畸丝、义齿、颔面修复件等 在心血管系统，医用不锈钢应用于制作各种植入电极、传感 器的外壳与导线、人工心瓣膜、介入性治疗导丝与血管内支架等 。
此外，医用不锈钢还用于制作各种宫内避孕环、眼科缝线、固 定环、人工眼导线等 医用钴基合金 医用钴基合金包括钴铬钼合金、钴铬钨镍合金、钴镍铬钼钨铁 合金和MP35N钴镍合金及其烤瓷合金它们的成分与力学性能 分别列入下表中 医用钴基合金的生物相容性与其在机体的腐蚀行为密切相关 合金植入体内后一般保持钝化状态与不锈钢相比，钴基合金 的钝化膜更稳定，耐蚀性更好钴铬钼合金的点蚀倾向非常小 ，对应力腐蚀断裂也不敏感当钴基合金因摩擦造成磨损时会 很快由强烈的局部腐蚀转化为全面的均匀腐蚀，并显示出光亮 的斑疤用铸造钴铬钼合金制作的人工髋关节在人体内发生疲 劳断裂的概率与医用不锈钢制作的相差无几，这主要是由于铸 造组织的缺陷造成的若采用锻造钴基合金则可大大降低腐蚀 疲劳失效的概率 医用钴基合金 规格 Femax Cmax Simax Mnmax Pmax Smax W Cr Mo Ni Co ASTM F-75 0.75 0.35 1.0 1.0 – – – 28.5 6 1 剩余量 规格 抗张强度(MPa) 延伸率(%) ASTM F-75 655 8 ASTM F-90 0.75 0.1 0.4 1.5 0.04 0.03 15 20 – 10 剩余量 ASTM F-75 。