生物材料第二章节幻灯片

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1、第二章 生物医用金属材料,1. 概述 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。 它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术 . 在生物医学材料中，金属材料应用最早。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。,特点：高强度，耐疲劳，易加工 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性， 在需承受高载荷的骨、牙部位仍被视为首选的植入材料. 最重要的应用：骨折内固定板、螺钉、人工关节和牙根种植体等硬组织修复和替换

2、。 此外，也是心血管和软组织修复以及人工器官制造的重要材料。,目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。,2. 生物医用金属材料特性与生物相容性 医用金属材料应用中的主要问题是： 由于生理环境的腐蚀，会造成金属离子向周围组织扩散及植入材料自身性质的蜕变，前者可能导致毒副作用，而后者常常导致材料植入失败。 因此医用金属材料要满足临床应用，其首要条件是应具有生物相容性和生物安全性，其次是要有良好的耐腐蚀性及力学性能。,（1）金属毒性 化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。 合金化技术

3、，减小或消除毒性 例如：医用不锈钢含有有毒的铁、钴、镍，加入2%的铍可以减小毒性，加入20%的铬可以减小甚至消除毒性 表面保护层/提高表面光洁度，提高耐蚀能力,（2） 耐生理腐蚀性（均匀腐蚀、点腐蚀、电偶腐蚀、晶 间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等） 机械性能、耐磨性与生物相容性,人体环境特点,体液是质量分数约为1%的NaCl、少 量其它盐类及有机化合物的电解质溶液，37C。 有人说人体与温暖的海水相似。,在人体的不同部位，甚至同一部位不同时刻，人体组织内体液的成分不一样。,电化学腐蚀的基本规律对人体环境中的植入材料的腐蚀完全适用。,人体体液环境,由体液 构成,多种多样的,电解质溶液,均匀腐蚀是指接

4、触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象 。大面积发生，以金属离子形式进入人体组织里的量还是相当可观，影响生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命。,点腐蚀是一种腐蚀集中在金属（合金)表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀行式。,均匀腐蚀,点腐蚀,缝隙腐蚀是指连接处出现狭窄的缝隙，电解质溶液进入，使缝内金属与缝外金属构成短路原电池，并且在缝内发生强烈局部腐蚀。多零件植入装置中，大约有50%遭受缝隙腐蚀。如接骨板和骨螺钉之间,电偶腐蚀是由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀 。在多个零件构成的植入装置中，选用的材料不同就容易产生电偶腐蚀。手术时也要注意。,电偶腐蚀,缝隙腐蚀,腐蚀疲劳

5、是指金属材料在交变应力的共同作用下产生的腐蚀现象。表面微裂纹和缺陷会加剧这种腐蚀，所以可以对植入器件表面抛光提高疲劳寿命。,疲劳腐蚀,（3）机械性能与生物相容性 强度和模量 耐磨性,3.常见生物医用金属材料 a.医用不锈钢（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成） 不锈钢为铁基耐蚀合金，尽管其抗蚀性不如钴基合金，但易加工，价格低廉，是最早在临床应用的医用材料。 目前最常用的医用不锈钢材料为超低碳奥氏体不锈钢， 316、316L、317L 合金元素作用： 增加适量的钼（34），增加材料在氯离子环境中的抗腐蚀能力； Cr,形成氧化物钝化膜，抗蚀； Ni、Cr可以稳定奥氏体结构， Ni含量为1214时，单

6、一奥氏体组织； 降低不锈钢中Si、Mn等杂质元素和非金属夹杂物，可进一步提高抗蚀。,不锈钢的耐蚀性主要来源于铬。实验证明，只有含铬量超过12%时钢的耐蚀性能才会大大提高，因此，不锈钢中的含铬量一般均不低于12%。 制作方法；真空熔炼纯化 生物相容性 均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、磨损、疲劳腐蚀 不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。 抛光处理，消除易腐蚀和应力集中隐患，提高使用寿命,临床应用 一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。 人工关节、骨折内固定器械 镶牙、齿科矫形、牙根种植

7、、辅助器械 心血管植入电极、传感器、人工心脏瓣膜、血管支架 眼科固定环、人工眼导线、眼眶填充 避孕环、输卵管栓堵,头颅微型钢板,b.钴基合金 含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性能和生物相容性良好，可通过精密铸造成形状复杂的精密修复体，有硬、中、软三种类型。 Co-Cr-Mo 奥氏体 耐蚀性比不锈钢高数10倍、硬度高1/3 临床上主要用于 人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节） 人工骨及骨科内处固定器件的制造 齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造 心血管外科及整形科等 由于其价格较高，加工困难，应用尚不普及。,人造髋关

8、节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。,c.钛及钛合金 生物亲和性最好、生物活性和骨结合力好 临床应用广泛，其质轻、比强度高、弹性模量低、力学性质接近人骨，耐疲劳、耐蚀性均优于不锈钢和钴基合金，且生物相容性和表面活性好，是较为理想的一种植入材料。 易氧化 TiO2 （抗蚀、活性） 钛合金 TC4(Ti6Al4V) （提高力学性能） 钛表面处理: 渗氮、离子氮化 、钝化 （提高耐磨和抗蚀性） 抗断裂强度较低，耐磨性能不尽人意，加工困难。冶炼及成型工艺复杂，要求条件较高。,主要用于：修补颅骨，制成钛网或钛箔用于修复脑膜和腹膜、人工骨、关节、牙和矫形

9、物、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件和脑止血夹、口腔颌面矫形颌修补、手术器械、医疗仪器、颌人工假肢等。,钛 板,d. 形状记忆合金,自1951年美国Read等首次报道Au-Cd（金-镉）合金具有形状记忆效应以来，目前已发现有20多种记忆合金，其中以镍钛合金在临床上应用最大。 它在不同的温度下表现为不同的金属结构相。如低温时为单斜结构相，高温时为体心立方结构相，前者柔软可随意变形，如拉直式屈曲，而后者刚硬，可恢复原来的形状，并在形状恢复过程中产生较大的恢复力。 发现: Nitinol, Ni-Ti + Naval Ordnance Laboratory,形状记忆合金的冷热循环曲线：,金属形状记忆效

10、应原理（热弹性马氏体转变）,（1）、（5）为母相；（2）（4）为马氏体相,形状记忆合金可以分为三种： 单程记忆效应 双程记忆效应 全程记忆效应,特点：奇特的形状记忆功能、质轻、磁性微弱、强度较高、耐疲劳性能、高回弹性和生物相容性好等。 医用Ni-Ti合金为Ti 4446，Ni 5456% 弹性模量约62GPa,与人骨接近(730GPa),应用： 管腔狭窄的治疗（喉气管狭窄、食管狭窄、胆道狭窄、尿道狭窄及闭锁等）：支架安入管腔狭窄的部位后，能将狭窄管腔撑开，并与管壁相贴紧，固定好；其生物相容性好，长期安放对黏膜无明显损伤；其高回弹性能顺应管道的弯曲，对人体刺激小。 口腔科：用这种材料做成的种植牙

11、具有齿槽骨切口小，固定牢靠等优点。 骨科：人工关节，断骨连接、弯曲脊柱矫正。 血管外科：治疗主动脉瘤、冠状动脉和椎动脉狭窄等。,北京有色金属研究院 上海钢铁研究所,e. 医用贵金属：Au、Ag、Pt 及其合金 是一种金属或合金，如金子具有极高的抗氧化性和抗腐蚀性。贵金属具有独特稳定的物理和化学性能、优异的加工特性、对人体组织无毒副作用、刺激小等优良的生物学性能。主要用于口腔科的齿科修复，也可用于小型植入式电子医疗器械。 （1）Au及Au合金（用于口腔牙齿的整牙修复；提高强度的金银铜合金） （2）Ag及Ag合金（银汞合金：银铜锡合金粉汞，银含量40%70%, 口腔填充材料） （3） Pt及Pt合

12、金（抗氧化、耐蚀，制造的微探针广泛用于神经系统的检测）,f. 医用钽、铌、锆材料,具有良好的抗生理腐蚀性和可塑性，独特的表面负电性使其具有优良的抗血栓性能和生物相容性，还有很高的抗缺口裂纹能力。植入骨内能和周围的新骨形成骨性结合；植入软组织中，肌肉等组织可依附在钽条上正常生长。 退火后的纯钽很软，可加工成板、带、箔丝等使用。主要用作接骨板、颅骨板、骨螺钉、种植牙根、颌面修复体、义齿及外科手术缝线和缝合针； 钽网可用于肌肉缺损修补；钽丝和钽箔用于缝合修补受损的神经、肌腱和血管；钽还可以用于血管内支架及人工心脏、植入型电子装置；钽的同位素可用于放射治疗。只是由于钽的资源少、价格较高，使其推广受很大

13、限制。,医用钽（Ta）,医用铌（Nb）,性能和应用范围与钽非常相似，用于修补颅骨和制作医疗器械。但由于来源困难，价格昂贵，使用受到限制，主要用于制造髓内钉等。,医用锆（Zr),化学性能与金属钛相似，耐蚀性能、加工性能、稳定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修补颅骨，可加工成各种板、带、线材在临床上使用。医用锆可与钛等同使用，但其价格较贵，在临床中较难推广。,常见医用金属材料特点（优点）,良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵,广泛应用受到限制,较硬富有弹性,可起到矫形或支撑作用.其优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒。,无毒、质轻、强度高、生物相容性好优点,良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工工艺简便,耐腐蚀和力学性能综合衡量,它是最优良的材料之一,医用金属材料在诸多生物材料中 ,由于具有较高强度和韧性 ,适用于修复和置换人体硬组。,4. 医用金属材料的研究进展 新合金开发 表面改性 多孔合金 材料的配伍设计,