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1、 生物医学金属材料及其应用第一节 生物医学金属材料概述第二节 生物医学金属材料的条件与要求第三节 生物医学金属材料的种类第四节 生物医学金属材料的临床应用第五节 生物医学金属材料研究进展及展望1第一节 生物医学金属材料 概述l 金属材料应用最早，已有数百年的历史；l半永久性或永久性地植入体内，以置换被破坏的、病变的或部分磨损的组织，或进行骨骼、关节、血管、牙齿等的修复。l常用于植入用的生物医学材料按其先后采用次序为：金属、高分子聚合物和无机材料。2生 命 体 器 官 的 人 工 替 代 人 工 器 官 的 研 究 进 展 l公元前3500年古埃及人用棉花纤维, 马鬃做缝合线;l墨西哥的印地安人
2、用木片修补受伤的颅骨;l公元前2500年中国, 埃及的墓葬中发现假牙,假鼻,假耳;l人类很早用黄金来修复缺损的牙齿;l1588年用黄金板修复腭骨;l1775年有记载用金属固定体内骨折;l1800年有大量应用金属板固定骨折的报道;l1809年有人用黄金制成种植牙齿;l1851年报道用硫化天然橡胶制成的人工牙托和腭骨.3Diakon aus Paris, Alter 58 Jahre, 1761 in Genf (Grabungen Prof. Alt, Freiburg)Prof. Dr. H. F. Kappert Forschungsbereich fr Experimentelle Zah
3、nheilkunde der Universitts-ZMK-Klinik Freiburg i.Br.4金属材料具有较高强度和韧性，适用于修复硬组织系统，如l用金属板修补颅骨缺损或镶牙。l随后使用有抗蚀性能的不锈钢、钴基合金和钽，组织反应小，效果更佳。l近年来钛及其合金也被采用，其质量轻，弹性模量与骨相近似，有推广趋势。l应用范围扩大：如人工关节、人工骨、矫形物、人工假体、血管套管吻合、脑止血夹等等。5坚硬固定系统6特点：l 生物医学金属材料的用量小，品种多，规格不一，要求严，故其研制至为重要。l 临床上根据应用部位和功能要求不同，有不同需求。 例如： 体外用电子假手比较简单， 植入人体内者
4、要求就特别严格。第二节 生物医学金属材料的条件与要求78一、基本要求：作为金属生物医学材料，首先考虑植入人体， 其基本要求是同一的， 必须符合 “医用级” 标准。包括以下几方面：91.生物相容性良好即对人体的适应性和亲和性，包括组织、体液、力学和电学相容性等方面。其中，首先是生物相容性，即必须是最小的生物学反应，无不良刺激，无毒害，不引起毒性反应、免疫反应，或干扰免疫机能，无变态和过敏，不致癌，不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。植入后需较长期存在，能有助于愈合及附着。10通过l体外组织或细胞培养、l毒性试验、l动物体内埋藏、l临床应用诸方面对材料进行检测评定。11炎性反应：是组织愈合的
5、自然变化。l原因： 单纯磨损引起对组织的机械刺激，或手术创伤引发； 植入物所引起。l区分特点： 前者反应早而短暂； 后者植入物作为异物存留体内，机体首先是试图排斥，如不能排斥，就包裹起来，使之与正常组织隔绝，故反应持续或较晚出现。12组织反应：l一般根据植入物周围形成的包膜厚度及细胞浸润数来评定。lASTMF4的标准是动物体内埋藏6个月，纤维包膜厚度 钴基合金 不锈钢 282、毒性问题纯金属的毒性与它在元素周期表的位置有关。l第族的铍(Be）、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)毒性强；l第族的铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和l第族的锡(Sn)、硅(Si)
6、、钛(Ti)、锆(Zr)完全无毒；l第族的的铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)也无毒性。29l在第、及族中， 同族中原子量小的铜(Cu)、钒(V)、砷(As)、锑(Sb)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)有毒， 而同族中原子量大的金(Au)、钽(Ta)、铂(Pt)未发现毒性。 30金属在周期表中的位置和生物反应周 期 表金属 元素原子 量纤维 芽细 胞成 长系 数L株 细胞 增殖 率细胞 胶接 浸润 性受 精 率发生分 化情 况畸形 发生 率组织反 应(细胞 毒性)铜Cu 银Ag 金Au63.54 107.87 197.000.01 0.76 1.140.00 0.84 0.89- +100
7、100 100抑制 稍抑制 无抑制100 100 0+ + 镁Mg 锌Zn 锶Sr 镉Cd 汞Hg 钡Ba24.31 65.38 87.62 112.41 200.50 137.330.06 0.00 0.08 0.00 0.00 0.000.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00- - - - -100 90 50 86 92稍抑制 抑制 强抑制 抑制 抑制21 80 100 86 79+ + + + +31铝al 铟In 镓Ga26.98 114.82 69.720.82 1.42 1.231.14 0.97 1.02+ +100 100无抑制 无抑制 无抑制0 0 - -
8、硅Si 钛Ti 锆Zr 锡Sn 铅Pb28.90 47.90 91.22 118.70 207.211.10 1.56 1.23 1.33 0.781.08 1.04 1.08 1.26 0.07+ + + + -100 100 100 100 100稍抑制 稍抑制0 0 0 0- - - - +钒V 砷As 锑Sb 铋Bi 钽Ta50.94 74.92 121.75 209.00 180.950.00 0.00 0.00 0.63 1.190.00 0.00 0.00 0.65 0.91- - - - +61 100 100 100抑制 抑制 抑制 抑制99 850+ + + + 32铬Cr
9、 钼Mo 钨W Te52.00 95.94 183.5 3 127.6 01.16 1.21 1.25 1.280.95+ + +100 100 100 0无抑制0 0 0 -锰Mn54.940.52 100稍抑制18+铁Fe 钴Co 镍Ni 钯Pd 铂Pt55.85 58.94 58.70 106.4 0 195.0 90.55 0.38 1.30 1. 32 1.230.00 0.21 0.41 0.87- - + +100 100 100 100 100抑制 抑制 稍促进 无抑制 无抑制32 21 0 0 0+ + - - -对照玻璃-1.001.00+100无033在有毒的纯金属单质中
10、加入某些金属形成合金，可以减小甚至消除毒性。例如：l 不锈钢中含有毒的铁、钴、镍，l加入有毒的铍（2%）可减小毒性；l加入铬（20%），则毒性消失，且抗蚀性增强。 34金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。利用测定乳酸脱氢酶(LDH)和6磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD)活性法检测植入金属对鼠类吞噬细胞的影响，可以表明；有毒金属如钴镍和钴铬合金能损伤细胞，释放 LDH，降低G6PD的活性，但钛、铬、钼则能为吞噬细胞所耐受。某些金属成分还可以引起过敏反应。353637383、金属的机械性能l用于人工股骨的金属股骨头，要求强度不低于540Mpa。 人股骨头抗压强度为
11、143Mpa，纵向弹性模量约为13.8Gpa，径向弹性模量为纵向的1/3。健康骨骼还具有自行调节能力，不易损伤或断裂。 金属植入物在体内不能自行调节。因此，金属植入物在体内代替骨骼时必须比骨骼有更高的强度和弹性模量以及抗疲劳性能。39一般使用的金属弹性模量均应比骨骼的大，否则过低不能获得良好的骨折固定。但过大也会增加应力集中，加上废用原因，均可增加骨的吸收。据此，钛合金（弹性模量110103Mpa）即优于不锈钢（200103 Mpa）。40l对人工关节的金属材料而言，抗疲劳和耐磨损是主要问题。以髋关节为例：静力下股骨头负荷压力从头凸面呈放射状向内传递，应力增高，股骨近端内侧承受的后应力较大。如
12、股骨头负荷为45.36kg 时，股骨近端内侧骨皮质应力高达8.27Mpa. 由强大肌力牵拉，实际应力比理论值还要大三倍。41人工股骨头每年还要经受3.65106次交变载荷（每日一万步计），故材料必须具有高抗疲劳和耐磨损性能。一般钴基合金较优，钛及其合金则较差，但可通过表面渗氮以增强。或改变其摩擦偶，即金属高分子聚合物，以减小磨损。424、其他l金属材料可用热、化学和放射等方法消毒灭菌，如配合应 用复合材料, 应注意高分子材料不能耐热或气体消毒。l在冶炼过程中，有无添加剂，采用何种工艺（包括电弧、 真空冶炼、沉淀硬化、热处理、冷加工等）, 均可影响质量 。l 抗凝血或溶血、抗感染等特殊要求，也需
13、不断提高或解 决。l植入器件的固定松动问题可试用多孔材料，以获得生物镶 嵌内锁型固定。 43全自动微电脑蒸汽消毒炉44金属材料的热蒸汽消毒 45第三节 生物医学金属材料 的种类 金属有较高强度和韧性，故适用于修复置换人体硬组织，对骨科和口腔更显重要。发展： 金属钢材不锈钢超低碳钢钴基合金、纯钛及其合金。记忆合金、多孔钛也在研制应用.临床上主要应用不锈钢、钴基合金、钛及其合金、钽等。钛及其合金的比重小，弹性模量与人骨接近，易被人体接受，较为理想。 46一、金属种类1、常用金属生物医学材料（1）不锈钢：为铁基耐蚀合金，抗蚀性不如钴基合金，但易加工，且价格低廉。所含元素各有其所用，可增强并维持合金结
14、构的稳定性、强度和抗蚀性能。例如：l钼（2%-3%）可增加在氯离子(氯化物)环境中的抗力，抗点腐蚀。但不能过量，否则易断裂。l铬可形成氧化铬, 组成稳定的保护用钝化膜 。47l 镍和铬均稳定奥氏体结构，加入镍（12%14%）可得到单相奥氏体组织，防止转化为低下性能的其他结构。l不锈钢中要尽量减少Si、Mn等杂质元素及非金属夹杂物，否则影响其耐蚀性。目前最常用的不锈钢为AISI 316L超低碳不锈钢，为体内植入的阴性对照材料。不锈钢经济性好，加工简易，可制成多种形体，如针、板、钉、螺钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和各种人工假体。 48（2）钴基合金：l为钴基奥氏体结构，即铬钴钼合金，或称钒钢或活
15、合金。可以铸造或锻造，但硬度大，加工制作工艺较困难。l从耐蚀性和机械性能考虑，较不锈钢优越，是目前较优良的材料。1929年已开始应用于临床。l锻造植入器件已列入ISO国际标准，并有硬、中、软三种类型。49l 铸造钴基合金含钴高达30%，耐蚀性比不锈钢高40倍， 加入5%7%钼可组织晶粒长大，提高耐蚀性，善疲劳性能。 因耐磨性能高， 适于制作人工关节的金属间滑动联接。l锻造钴基合金以Elgiloy为例，含钴40%、铬20%、镍15%、钼7%、锰2%、碳0.15%、铍0.04%。l 含钛的钴铬钼合金，更符合植入要求。l 钴基合金由于价格较高，加工比较困难。 应用尚不普及。50（3）钛及其合金：l钛
16、质轻，比重与人骨近似，纯钛强度为390490Mpal实验证明其耐蚀性和抗疲劳性能均优于不锈钢和钴基合金，l生物相容性好， 组织反应轻微，表面活性好，钛易与氧反应形成致密氧化膜即氧化层稳定，具有生物医学材料的条件，适于植入，为较理想有发展的一种植入材料，也已列入ISO国际标准. 5152l纯钛为六角形致密微细结晶，强度低。l加入钒的结构为立方体。l加入铝成为稳定的六角形结构。l加入铝和钒的钛合金，可提高强度和机械性能，而不损失其抗蚀性，故可推广应用，有取代不锈钢和钴基合金之势。53l钛及其合金对生理溶液和某些氨基酸有较强的耐蚀性，所用溶液有非缓冲液、Hanks缓冲生理液，加入尿酸、氨基酸的Hanks液。 对纯钛及其合金检测，腐蚀极低。l缺点：耐磨性能差，强度不如钴基合金，加工困难需在真空下紧密铸造。 54l为了提高耐磨性能和硬度，可将钛制品表面进行高温离子氮处理，引起晶格
