第3章医用金属材料.ppt

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1、目目录录医用金属材料的特性与要求医用金属材料的特性与要求 医用金属材料的腐蚀医用金属材料的腐蚀常用医用金属材料常用医用金属材料金属与合金表面涂层处理金属与合金表面涂层处理医用金属材料概述医用金属材料概述 医用金属材料的研究进展医用金属材料的研究进展1 金属植入材料金属植入材料 定义：定义：历史历史 应用：应用：是一种用作生物医用材料的金属或合金用作生物医用材料的金属或合金，又称作外科用金属材料或医用金属材料，是一类生物惰性材料。公元前400300年，腓尼基人就将金属丝用于修复牙缺失；在中国唐代(618-907A.D.)，有用银膏补齿的记载2，银膏的成分是银、汞和锡，与现代的银汞合金很相似。最先

2、广泛应用于临床治疗的金属材料是具有良好化学稳定性及加工性能的金、银、铂等贵金属，但以修补为主，直到20世纪初，不锈钢的开发应用才使得金属材料在生物医用器材上的应用发展更为广阔。通常用于整形外科、牙科等等领域，具有治疗、修复固定和置换人体硬组织系统的功能。目前临床应用的金属植入材料主要包括：医用贵金属、医用钛、钽、铌、锆等单质金属，以及不锈钢、钴基合金、钛合金、镍钛形状记忆合金、磁性合金等。2 医用金属材料的特性与要求医用金属材料的特性与要求(1)生物相容性生物相容性:即生物学反应最小(2)优良的优良的机械性能机械性能:强度与弹性模量（与生物体匹配）人体骨的强度不高，如股骨头的抗压强度仅为143

3、MPa，具有较低的弹性模量；股骨头的强度纵向弹性模量约为13.8GPa，径向弹性模量为纵向的1/3，其断裂韧性较高健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。与人体骨相反，生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量较低的钛合金也高出人体骨4-5倍 无不良刺激、无毒害，不引起毒性反应、免疫反应，不致癌、不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。有助于愈合和附着。金属材料的毒性金属材料的毒性二、耐生理腐蚀性二、耐生理腐蚀性 腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影腐蚀的发生是一个缓慢的过程，其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命。医用金属材料植入体内后

4、处于响决定植入器件的使用寿命。医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、）、Cl离子等构成的恒温（离子等构成的恒温（37）电解质的环境中）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。此外，机制复杂。此外，磨损和应力的磨损和应力的反复作用，使材料在生物体反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。内的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。因此，有必要了解材料在体内环境的

5、腐蚀机制，从而指导材因此，有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制，从而指导材料的设计和加工。生物医用金属材料在人体生理环境下的腐料的设计和加工。生物医用金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型：蚀主要有八种类型：化学或电化学反应全部在化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀上均匀进行的一种腐蚀。腐蚀产物及其进入人体环境中的。腐蚀产物及其进入人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于多见于两种以

6、上材料制成的组合植入器件两种以上材料制成的组合植入器件，甚至在加工零件，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。因此，用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。因此，临床上建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械临床上建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。、工具。3 常用医用金属材料常用医用金属材料 3.1 不锈钢不锈钢 奥氏体不锈钢是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形成铁-铬-镍三元合金，随着碳含量的增加，强度大幅度地提高，抗腐蚀性能优异，常作

7、为生物材料选用。20世纪50年代，316不锈钢的碳含量由0.08%降低为0.03%，进一步提高了其在含Cl溶液体系中的耐蚀性能，降低了材料致敏性，这就是常见的316L不锈钢 表3.1 316和316L不锈钢材料的力学性能材料材料状态状态抗拉强度抗拉强度/MPa屈服强度屈服强度/MPa延伸率延伸率/%洛氏硬度洛氏硬度/HRB退火态5152054095316冷精轧62031035冷加工86069012300350退火态5051954095316L冷精轧60529535冷加工86069012 表3.1给出了奥氏体不锈钢316和316L的力学性能。显然，退火态的材料硬度与强度较低，而经过冷加工后，材料

8、可以具有更高的强度和硬度。这说明此类材料可以在大范围内调节力学性能。但即使是牌号为316L的不锈钢在体内的特定环境下（如在高压或缺氧区域）也会被腐蚀。它们适合做临时装置，如骨折固定板、固定螺钉或销子.。2.2.生物相容性生物相容性3.3.临床应用临床应用 （1 1）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节）人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半髋关节、膝关节、监管杰、肘关节、腕关节及指关节、半髋关节、膝关节、监管杰、肘关节、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植入钢

9、丝、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨板等，这些植入件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。3.2医用钴基合金医用钴基合金种类种类状态状态屈服强度屈服强度(MPa)抗拉强度抗拉强度(MPa)延伸率延伸率(%)疲劳强度疲劳强度(MPa)铸态5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280锻造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0退火35086260.0345CoCrWMo冷加工13101510

10、12.0586退火(ASTM)31086010.0CoNiCrMo固溶退火240655795100050.0冷加工时效158517908.0退火27560050.0CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0退火(ISO)27660050.0Co基合金如同其他合金材料一样，强度提高的同时降低了塑性。其弹性模量不随极限抗拉强度的变化而变化的。弹性模量范围从220GPa到234GPa。铸造和锻造合金都具有优良的抗蚀性能。表中四种钴基合金，只有钴铬钼合金可以在铸态下直接应用，其他三类均为医用锻造钴基合金。表3.2 典型钴基合金性能（二）制造工艺与力学性能（二）制造工艺与力学性能精密铸造多用于制

11、造形状复杂的制品，钴铬钼合金具有较精密铸造多用于制造形状复杂的制品，钴铬钼合金具有较宽的力学性能，在大多数情况下可满足临床的要求。在需宽的力学性能，在大多数情况下可满足临床的要求。在需要时也可采用要时也可采用固溶退火锻造、热等静压来改善其组织缺陷固溶退火锻造、热等静压来改善其组织缺陷，提高疲劳性能和力学性能，提高疲劳性能和力学性能，但后者成本昂贵而很少采用，但后者成本昂贵而很少采用。机械变形加工可使合金的铸态结构破碎，并得到晶粒细微机械变形加工可使合金的铸态结构破碎，并得到晶粒细微的纤维状组织，提高力学性能。常用的机械加工工艺又热的纤维状组织，提高力学性能。常用的机械加工工艺又热轧、轧制、挤压

12、、和冲压。同铸造钴铬钼合金相比，锻造轧、轧制、挤压、和冲压。同铸造钴铬钼合金相比，锻造钴基合金力学性能更优越（见表钴基合金力学性能更优越（见表2-42-4）。）。锻造钴基合金的锻造钴基合金的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率大大减少。人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率大大减少。（三）生物相容性（三）生物相容性（四）临床应用（四）临床应用 3.3 钛和钛合金钛和钛合金（1）分类、组成和性能 在外科植入中运用的Ti金属材料有四个级别（表3.3），它们之间的区别在于杂质含量不同。O、N、C、H与Ti形成间隙固溶体，Fe与Ti形成置换固溶体。杂质元素的含量过大会形成脆性化合物。O、N和C能提高Ti

13、的强度，降低其塑性。Ti很容易吸氢，H含量过高会产生氢脆，降低其韧性。微量的Fe对纯钛性能的影响不像O、N、C那样强烈。Ti-6Al-4V是一种广泛用于制造植入器械的钛合金，这种合金的主要合金元素是Al(5.5%6.5%，质量分数)和V(3.5%4.5%，质量分数)。元素Ti-6Al-4V氮0.030.030.050.050.05碳0.100.100.100.100.08氢0.0150.0150.0150.0150.0125铁0.200.300.300.500.25氧0.180.250.350.400.13钛平衡 表3.3 Ti金属和Ti合金化学成分组成(以质量分数计)3.3 钛和钛合金钛和钛

14、合金（二）表面处理与生物相容性（二）表面处理与生物相容性（三）加工工艺（三）加工工艺（四）临床应用（四）临床应用在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度小、质量轻。但钛合金小、质量轻。但钛合金耐磨性能不好耐磨性能不好，且存在咬合现象，且存在咬合现象。因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配。因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配合。合。3.4 齿科用金属齿科用金属 3.4.1 齿科汞齐汞齐是一种含有汞金属成分的合金。汞在室温下是液

15、态，它能与其他金属反应，如银、锡等，形成一种塑性物质，将其填入龋洞中，汞齐随着时间推移发生硬化(凝固)。固态合金的成分是：至少65%的银，不超过29%的锡，6%的铜，2%的锌和3%的汞。牙医在填补龋洞时，一般先在机械研磨器中将微粒状的固态合金和汞混合，材料变得容易变形，方便操作，然后填充进准备好的龋洞中。现在应用的汞齐合金的银合金粉在组成、形状及包装等方面都有了较大改变。在组成方面增加了铜含量，减少了银含量，使汞齐合金既提高了强度又降低了成本。传统的银合金粉制品是按比例配料后，在无氧高温条件下熔化，浇铸成锭，再用机械切削粉碎成微细粉末，因此在显微镜下为片状不规则形。如果将银合金粉在真空条件下熔

16、化并雾化制粉，则在显微镜下观察为圆球形颗粒，又称球形银合金粉。由于球形粉末比不规则粉末的表面积小，故调和时所需汞的量也少，因此提高了汞齐合金的强度。另外，在包装方面使用胶囊包装取代传统的瓶装，按比例将一定量的汞和银粉末分别装于胶囊隔膜两侧，在两者调和后完成汞齐化。这样既减少了汞的污染又节约了原材料，并提高了汞齐合金的性能。3.4.2 金 金和金合金的耐久性、稳定性和抗蚀性，使它们在牙科上成为很有用的金属。若合金含有75%(质量分数)或更多的金和其他贵金属，它们就能保留其良好的抗蚀性。铜与金形成的合金可显著提高其强度，铂也能改善其强度，但添加量不能超过4%；否则合金的熔点会提高。银的加入可抵消铜的颜色。加入少量的锌可降低其熔点，并排除在熔化过程中形成的氧。不同成分的金合金各有用途。含金量超过83%的合金较软，用于镶嵌，但其硬度太低而不能承受太高的压力。金含量少的较硬合金，用于牙冠和尖端处，可承受较大的压力。3.4.3 Ni-Ti合金 3.5 其他金属其他金属（1）医用钽 钽是化学活性很高的金属，在生理或其它环境中，甚至在缺氧的状态下，其表面都能立即生成一层化学性能稳定的钝化膜，从而使钽具