《生物材料》課件 第03章 醫(yī)用金屬材料

1、3.1 概述3.2 醫(yī)用金屬材料的特征與要求3.3 常用醫(yī)用金屬材料3.4 醫(yī)用金屬材料的腐蝕3.5 金屬與合金表面涂層處理3.6 醫(yī)用金屬材料研究進展醫(yī)用金屬材料定義：用作生物醫(yī)用材料的金屬或合金，又稱為外科用金屬材料或金屬植入材料，是一類生物惰性材料（考）。醫(yī)用金屬材料歷史公元前400-300年，腓尼基人就用金屬絲修復牙的缺失；中國唐代（公元618-907年），有用銀膏（銀、汞 和 錫）補牙的記載；20世紀初，不銹鋼的開發(fā)使得金屬材料在生物醫(yī)用器材上的應用發(fā)展更為廣闊；近20年來，金屬植入材料與其他生物醫(yī)用材料相比發(fā)展較為緩慢；醫(yī)用金屬材料的應用及簡要分類：醫(yī)用金屬材料主要用于應組織系統(tǒng)的

2、功能。目前臨床應用的金屬植入材料主要包括：醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用鈦、鉭、鈮、鋯等單質金屬，以及不銹鋼、鈷基合金、鈦合金、鎳鈦形狀記憶合金、磁性合金等。3.1 概述3.2 醫(yī)用金屬材料的特征與要求3.3 常用醫(yī)用金屬材料3.4 醫(yī)用金屬材料的腐蝕3.5 金屬與合金表面涂層處理3.6 醫(yī)用金屬材料研究進展 生物醫(yī)用金屬材料服役期內(nèi)，處于人體生理環(huán)境中，需要滿足如下要求：良好的生物相容性適當?shù)臋C械及理化性能簡易可行和確切的手術操作技術來源廣泛、價格低廉、加工簡易金屬材料的生物相容性金屬材料的腐蝕性能金屬材料的機械性能金屬材料的生物相容性金屬材料的腐蝕性能金屬材料的機械性能 生物醫(yī)用金屬材料服役期內(nèi)，首先應

3、該具有的性能就是生物相容性：最小的生物學反應、無不良刺激、無毒害、不引起毒性反應、不引起免疫反應、不干擾免疫機制、不致癌、不致畸、無炎性反應、不引起感染、不被排斥。植入后需要較長時間存在（永久或半永久發(fā)揮生理功能），材料要有助于傷口愈合。最重要的性能是金屬材料的毒性。 金屬材料的毒性反應 和 材料釋放的化學物質和濃度相關。元素的細胞毒性與它們在元素同期表中的位置有密切關系；某些有毒金屬單質與其他金屬元素形成合金后毒性可以減小或消失；金屬Ni 是一個致癌比較嚴重的元素，對Ni 元素的使用應持謹慎的態(tài)度。金屬材料的生物相容性金屬材料的腐蝕性能金屬材料的機械性能 金屬生物材料浸泡在體液中，而體液含有

4、蛋白質、有機酸(如乳酸) 、堿金屬和無機鹽等。鈉、鉀、鈣、氯等離子均為電解質，可使金屬產(chǎn)生腐蝕。蛋白質與金屬間相互作用, 引起非電化學降解。金屬的不純產(chǎn)生局部原電池腐蝕, 或結合處磨損、應力集中和疲勞性斷裂。 臨床應用金屬生物材料腐蝕問題應重點關注口腔材料和其他種植體材料。 口腔材料： 人體中的唾液成分相當復雜，呈現(xiàn)的酸堿程度不同，使口腔材料腐蝕的機制多種多樣。一些金屬材料在唾液的浸蝕下，容易離子化，主要是被質子置換而成，這些離子就容易與人體中的蛋白質結合成絡合物，使pH 急劇變化，從而造成細胞壞死。如Mg、Zn、Cd、Ba、Sr 等元素就屬此類。另外一些金屬，在唾液侵蝕下，容易氧化形成一層具

5、有保護作用的氧化膜，如Sn和P d 等元素。這些材料的抗腐蝕能力取決于氧化膜的致密程度和被唾液溶解的程度。 種植體的腐蝕分以下幾種: l) 一般腐蝕,即為金屬鈍化膜的破壞, 導致金屬與液體電解質接觸而釋放出金屬離子; 2) 電流性腐蝕,即2 種金屬放在電解質中會形成原電池,而產(chǎn)生電流腐蝕; 3) 銹斑性腐蝕, 鈍化膜崩裂后, 金屬的某一位置暴露在體液含氧化物的腐蝕性媒介中而形成腐蝕; 4 ) 縫隙性腐蝕, 某一物體遮蓋金屬的某一部分, 使該部分金屬免與腐蝕性媒介相接觸, 但此物體與金屬之間就會形成縫隙, 如牙種植體與修復體之間的縫隙, 導致電解質的滲人而產(chǎn)生腐蝕;5) 壓力性腐蝕, 牙種植體在

6、體內(nèi)行使功能時承受著反復的壓力, 常發(fā)生彎曲、種植體往往在周期力作用下發(fā)生裂化而折斷; 6) 磨損性腐蝕, 反復移動的小振幅致使表面鈍化膜破損, 結果導致腐蝕。金屬材料的生物相容性金屬材料的腐蝕性能金屬材料的機械性能醫(yī)用金屬材料通常作為受力器件在人體內(nèi)工作，如應用為人工關節(jié)、人工椎體、骨折內(nèi)固定器等。單拿人工關節(jié)來講，每年經(jīng)受約4百萬次的沖擊和磨損（每日按1萬步計算）；材料必須具備優(yōu)良的機械性能和耐磨性能。強度與彈性模量人體骨骼雖然抗壓強度較低、彈性模量較低，但是具有較高的斷裂韌性。生物醫(yī)用金屬材料通常具有較高的彈性模量，一般高出人體骨骼一個數(shù)量級，并不具有自行調(diào)節(jié)能力。對人工金屬材料應該具有

7、基本的要求： 屈服強度 不低于 450 MPa； 極限抗拉強度 不低于 800 MPa； 疲勞極限 高于 400 MPa； 伸長率 高于 8%。耐磨性 對于摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，耐磨性非常重要： 直接影響植入器件的壽命； 直接決定植入器件的生物相容性；3.1 概述3.2 醫(yī)用金屬材料的特征與要求3.3 常用醫(yī)用金屬材料3.4 醫(yī)用金屬材料的腐蝕3.5 金屬與合金表面涂層處理3.6 醫(yī)用金屬材料研究進展不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬1、引言2、醫(yī)用不銹鋼的特點3、醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足4、醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體

8、不銹鋼 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性 4.3 抗菌不銹鋼1、引言2、醫(yī)用不銹鋼的特點3、醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足4、醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性 4.3 抗菌不銹鋼不銹鋼是特殊鋼材料，鋼中的鉻（Cr）含量要超過12% ，用以保證其特有的耐腐蝕性能。不銹鋼依據(jù)不同的耐腐蝕性能和強度要求，按其顯微組織結構分為：奧氏體( C相)、鐵素體( A相)、馬氏體(M 相) 、雙相( C+ A、C+M 等)和沉淀硬化(M + 沉淀析出相) 等多種類型。其中以AISI 316L 和317L為代表的奧氏體不銹鋼是最常用的外科植入金屬材料，其它類型不銹鋼主要

9、用于制作醫(yī)療工具或特殊手術器械。1926 年，18% Cr- 8% Ni型不銹鋼(AISI304)首先被用作骨科植人材料，隨后在口腔科中也得到應用。1952 年, 含有2%金屬鉬（Mo）的A ISI316 不銹鋼在臨床上獲得應用，并逐漸取代了AISI304不銹鋼。上世紀60年代, 具有良好生物相容性、力學性能和更優(yōu)耐腐蝕性能的超低碳不銹鋼AISI316L 和AISI317L 開始在醫(yī)學領域中得到應用。1、引言2、醫(yī)用不銹鋼的特點3、醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足4、醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性 4.3 抗菌不銹鋼醫(yī)用不銹鋼： 要求其在人體內(nèi)保

10、持優(yōu)良的耐腐蝕性，以減少金屬離子溶出，避免晶間腐蝕、應力腐蝕等局部腐蝕現(xiàn)象發(fā)生，防止造成植入器件失效斷裂，保證植入器械的安全性，因此其化學成分要求相對更加嚴格。 醫(yī)用不銹鋼特別是植入用不銹鋼：其中的Ni和Cr等合金元素含量均高于普通不銹鋼(通常達到普通不銹鋼的上限要求)；S和P等雜質元素含量要低于普通不銹鋼；并明確規(guī)定鋼中非金屬夾雜物尺寸要分別小于115級(細系)和1級( 粗系)； 醫(yī)用不銹鋼應用廣泛：各種人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器械，如各種人工髖關節(jié)、膝關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、踝關節(jié)和指關節(jié)，各種規(guī)格的截骨連接器、加壓鋼板、鵝頭骨螺釘、脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體等, 以及顱骨板、人工椎體

11、等。在齒科方面，醫(yī)用不銹鋼被廣泛應用于鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件，如各種齒冠、齒橋、固定支架、卡環(huán)、基托等，各種規(guī)格的嵌件、牙齒矯形弓絲、義齒和頜骨缺損修復等。在心臟外科，使用醫(yī)用不銹鋼制作心血管支架等。除用于加工各種外科植入器械外，醫(yī)用不銹鋼還用于加工各種各樣的醫(yī)療手術器械或工具。 近年來，中國醫(yī)療器械行業(yè)對質優(yōu)價廉的醫(yī)用不銹鋼絲材、棒材、骨科專用板材、螺釘?shù)劝氤善返男枨罅棵黠@上升, 每年都在幾百噸以上。1、引言2、醫(yī)用不銹鋼的特點3、醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足4、醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性 4.3 抗菌不銹鋼 醫(yī)用植入奧氏體

12、不銹鋼盡管具有優(yōu)異的綜合性能，但是在長期的臨床使用中, 仍然存在一些難以避免的問題和不足。首先是醫(yī)用不銹鋼的高密度(約7.8 g / cm3 ) 、高強度(3001000 MPa)以及高彈性模量(約200 GPa)等特性會因與骨組織的力學性能相差較大而導致其力學相容性不夠匹配，從而引起應力遮擋效應，易導致骨疏松、骨吸收或骨萎縮等現(xiàn)象發(fā)生。而骨組織由于缺乏足夠的機械應力刺激，不易在骨折部位形成骨痂，容易發(fā)生二次骨折。其次是醫(yī)用不銹鋼在生物環(huán)境中的腐蝕或磨蝕問題。醫(yī)用不銹鋼在人體內(nèi)發(fā)生的主要腐蝕形式是縫隙腐蝕，其次是晶間腐蝕和點蝕，微動腐蝕和應力腐蝕開裂現(xiàn)象也有報道。腐蝕可能會對不銹鋼力學性能和生

13、物相容性產(chǎn)生強烈的影響，不僅會影響到材料或器件的使用壽命，還可能由于金屬溶出物引起種植體周圍組織的局部壞死和炎癥反應，造成發(fā)炎、過敏和致癌等全身反應,影響宿主的健康。第三是醫(yī)用不銹鋼中含有的Ni, Cr等金屬離子溶出及相應的組織反應等問題。植入用醫(yī)用奧氏體不銹鋼中通常含有10%以上的Ni元素，用以穩(wěn)定不銹鋼的奧氏體結構。大量臨床已經(jīng)證明，Ni對人體是一種潛在的致敏因子。Ni及其化合物對人體常見的損害是Ni接觸性皮炎，發(fā)病率較高，過敏性強者發(fā)生濕疹。Ni離子在生物體內(nèi)富集可能會誘發(fā)毒性效應，發(fā)生細胞破壞和發(fā)炎反應，對生物體有致畸、致癌的危害性。最后就是不銹鋼在人體內(nèi)表現(xiàn)為生物惰性，表面無生物活性

14、，植入人體后與周邊肌體組織的結合不牢固，易于松動，有時會影響植入治療效果。1、引言2、醫(yī)用不銹鋼的特點3、醫(yī)用不銹鋼存在的問題和不足4、醫(yī)用不銹鋼的研究與發(fā)展 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性 4.3 抗菌不銹鋼 4.1 醫(yī)用無Ni奧氏體不銹鋼在1994年頒布的歐洲議會94/27/EC標準中 , 要求植入人體內(nèi)的材料(植入材料、矯形假牙等)中的Ni含量不應超過0.05%；研究開發(fā)醫(yī)用低Ni和無Ni奧氏體不銹鋼已經(jīng)成為國際上醫(yī)用不銹鋼的一個主要發(fā)展趨勢。其原理是利用廉價的N 元素(或N和Mn的共同作用)代替不銹鋼中昂貴的Ni元素來穩(wěn)定不銹鋼的奧氏體組織結構, 從而使不

15、銹鋼繼續(xù)保持其優(yōu)異的力學性能、耐腐蝕性能和生物學性能；從近年來新修訂的國際標準IS05832- 9 (低N i+ N醫(yī)用奧氏體不銹鋼, 對應美國標準ASTM F1586 ) 中可見, 利用N 元素來代替不銹鋼中的部分Ni元素, 可顯著提高不銹鋼的力學性能和耐腐蝕性能；對比研究高N 無N i不銹鋼和醫(yī)用Co-Cr-Mo 合金( Co62-Cr28-M o6, 余為N i等)的力學性能和生物學性能表明, 高N 無Ni不銹鋼的力學性能與Co-Cr-M o合金相近, 而其耐點蝕性能和血液相容性明顯優(yōu)于鈷鉻鉬合金, 表現(xiàn)出更高的點蝕點位、更長的動態(tài)凝血初凝時間(高出約25% )和更佳的抗血小板黏附性能；

16、通過大量的臨床應用研究已經(jīng)表明, 與目前臨床大量使用的醫(yī)用316L 或317L不銹鋼相比, 高N 無Ni奧氏體醫(yī)用不銹鋼具有更為優(yōu)異的力學性能、抗耐蝕性能、耐磨性能和抗腐蝕疲勞性能, 更優(yōu)良的生物相容性, 較低的材料成本, 以及良好的加工成型性。作為人體植入材料具有極大的應用優(yōu)勢, 將會顯著提高醫(yī)用金屬植入材料的長期使用安全性。利用高氮無鎳奧氏體不銹鋼的這些優(yōu)勢, 目前中科院金屬所正在開發(fā)無N i不銹鋼骨固定器械和抗凝血不銹鋼心血管支架等產(chǎn)品, 近期已經(jīng)順利完成了骨固定器械的動物試驗。 4.2 醫(yī)用不銹鋼的表面改性通過表面改性處理不但可以有效地改善醫(yī)用不銹鋼的耐蝕性和耐磨性, 而且還可以進一步

17、提高其生物相容性, 甚至使表面具有生物活性。目前應用于醫(yī)用不銹鋼表面改性的方法主要包括表面合金化、陶瓷化、功能化等表面涂層處理技術。在不銹鋼心血管支架表面涂鍍一層聚合物膜或覆蓋一層有抗凝基因的內(nèi)皮細胞膜均可以改善支架的生物學特性, 能有效降低血栓形成, 提高支架的血液相容性。不銹鋼心血管支架表面鍍上一層類金剛石膜, 可以大幅度降低金屬離子溶出量。另外, 在不銹鋼心血管支架表面涂覆帶藥涂層已經(jīng)實現(xiàn)了臨床應用。 4.3 抗菌不銹鋼植入物類醫(yī)療器械導致的相關感染, 通常需要長期依賴抗生素甚至多次手術才能治愈, 給病患的精神和身體都帶來極大痛苦。研究開發(fā)具有抗細菌感染功能的生物醫(yī)用材料, 使其具有長期

18、自動滅菌功能, 進而減少感染環(huán)節(jié), 降低感染幾率, 減少抗生素的使用, 具有重要的臨床意義和廣闊的應用前景。上世紀90年代末, 日本鋼鐵企業(yè)率先在國際上研究開發(fā)出具有抗菌功能的不銹鋼。日本川崎制鐵株式會社首先公布開發(fā)出含Ag 抗菌不銹鋼R304-AB, R430-AB, R430LN-AB, 其對大腸桿菌的殺菌率均在99%以上, 表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌性能。日本日新制鋼公司開發(fā)出具有良好制造加工性能和抗菌性能的3 種系列含Cu 抗菌不銹鋼NSSAM, lSSAM, NSS3, 其對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌、沙門氏菌等常見細菌都有很強的殺滅作用。中科院金屬研究所于本世紀初在國內(nèi)率先研究開發(fā)出

19、含Cu系列抗菌不銹鋼, 已相繼開發(fā)出鐵素體、奧氏體和馬氏體等多種類型抗菌不銹鋼。國內(nèi)目前還有寶鋼、太鋼、浙江天寶、西安交通大學等多家單位研究開發(fā)出抗菌不銹鋼。不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬以鈷為基體元素同時加入一種或多種合金元素組成的合金。 此合金分為兩類：一類是鈷-鉻-鉬合金，通過鑄造加工（牙科和人工關節(jié)連接件）；一類是鈷-鎳-鉻-鉬合金，通過熱鍛加工（關節(jié)替換假體連接件和主干）；鈷基合金生物相容性鈷基合金在人體內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的鈍化膜，很少見腐蝕現(xiàn)象，耐蝕性好；鈷基合金鑄造人工髖關節(jié)體內(nèi)的松動率較高，由于金屬磨損腐蝕造成鈷鎳等離子溶出，體內(nèi)引起巨細胞和組織壞死導致；鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)

20、生皮膚過敏反應，以鈷最為嚴重。鈷基合金生臨床應用鈷基合金更適合制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長期植入件，包括人工關節(jié)、整形外科植入器械、齒科和心臟外科材料。鈷基合金植入器件的制造精密鑄造工藝機械變形加工粉末冶金不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬 鈦及鈦合金是迄今為止最理想的人體植入物金屬材料，被當今醫(yī)療外科業(yè)列為繼不銹鋼、鈷基合金之后崛起的第3 代金屬。鈦及鈦合金作為醫(yī)用植入物可追溯到20世紀30年代。我國鈦合金應用起步較晚，20 世紀80 年代中期以后，國產(chǎn)鈦及鈦合金加工材用于制造人體植入物的數(shù)量增加，其中鈦形狀記憶合金的開發(fā)與應用達到國際先進水平。到了20 世紀90 年代中期，

21、國產(chǎn)鈦及鈦合金加工材，在矯形外科、神經(jīng)外科、心血管系統(tǒng)、口腔頜面外科、人體外培養(yǎng)機等方面獲得廣泛應用。采用鈦及鈦合金制造的生物醫(yī)用器件移植到人體中取得了良好的效果，被醫(yī)學界給予了很高的評價。目前，鈦及鈦合金已經(jīng)廣泛的應用到了股骨頭、髖關節(jié)、肱骨、顱骨、膝關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)、掌指關節(jié)、頜骨以及心辨膜、腎辨膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件的制備。同其它金屬材料相比較，使用鈦及鈦合金的優(yōu)勢主要有6 點（考）：1）質輕鈦及鈦合金的密度，20時為4500 kg/m3，僅為不銹鋼的56%。植入人體內(nèi)大幅度減輕了人體的負荷量，作為醫(yī)療器械也減輕了醫(yī)務人員操作負荷。2）彈性模量低鈦及鈦合金

22、的彈性模量低，純鈦為108 500 MPa，僅為不銹鋼的53%，植入人體內(nèi)與人體自然骨更接近，有利于接骨，能夠減少骨頭對植入物的應力屏蔽效應。3）無磁性鈦及鈦合金是無磁性金屬，不受電磁場和雷雨天氣的影響，這有利于使用后的人體安全。4）無毒性鈦及鈦合金的無毒性，作為植入物對人體無毒副作用。5）抗腐蝕性鈦及鈦合金被稱為是生物惰性金屬材料，在人體血液的浸泡環(huán)境中具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，保證了與人體血液及細胞組織的相容性好，作為植入物不產(chǎn)生人體污染，不會發(fā)生過敏反應，這是鈦及鈦合金應用的基礎條件。6）強度高、韌性好因外傷、腫瘤等因素導致骨、關節(jié)損害，為建立穩(wěn)固的骨支架，必須借助弧型板、螺絲釘、人造骨及關

23、節(jié)等，這些植入物要長期留置于人體內(nèi)，會受到人體的彎曲、扭轉、擠壓、肌肉收縮力等作用，要求植入物具有高的強度和韌性。國產(chǎn)醫(yī)用型鈦及鈦合金材料，在研究、生產(chǎn)工藝技術、產(chǎn)品標準、市場開發(fā)和推廣使用等方面，近10 年來有了較大的進展。作為人體植入物的制造業(yè)逐漸成為用鈦材的支柱產(chǎn)業(yè)。不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬齒科汞齊 含有汞金屬成分的合金；金鎳-鈦合金不銹鋼鈷基合金鈦和鈦合金齒科用金屬其他金屬 金屬鉭（Ta）具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨特的表面負電性使其具有優(yōu)良的抗血栓性能和生物相容性，還有很高的抗缺口裂紋能力。植入骨內(nèi)能和周圍的新骨形成骨性結合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭

24、條上正常生長。退火后的純鉭很軟，可加工成板、帶、箔、絲等使用。主要用作接骨板、顱骨板、骨螺釘、種植牙根、頜面修復體、義齒及外科手術縫線和縫合針； 鉭網(wǎng)可用于肌肉缺損修補；鉭絲和箔用于縫合修補受損的神經(jīng)、肌腱和血管；鉭還可以用于血管內(nèi)支架及人工心臟、植入型電子裝置；鉭的同位素可用于放射治療。只是由于鉭的資源少、價格較高，使其推廣受很大限制。金屬鈮（Nb）性能和應用范圍與鉭非常相似，用于修補顱骨和制作醫(yī)療器械。但由于來源困難，價格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內(nèi)釘?shù)?。金屬鉻（Cr）化學性能與金屬鈦相似，耐蝕性能、加工性能、穩(wěn)定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修補顱骨，可加工成各種板、帶、

25、線材在臨床上使用。醫(yī)用鉻可與鈦等同使用，但其價格較貴，在臨床中較難推廣。醫(yī)用鉑（Pa）鉑為銀白色金屬，俗稱白金。物化學性質穩(wěn)定，具有極好的抗蝕性能。廣泛的用于人體神經(jīng)系統(tǒng)植入性檢測和修復用電子裝置和心臟起搏器等。力學性能差，成本高，限制了在醫(yī)學中的應用。3.1 概述3.2 醫(yī)用金屬材料的特征與要求3.3 常用醫(yī)用金屬材料3.4 醫(yī)用金屬材料的腐蝕3.5 金屬與合金表面涂層處理3.6 醫(yī)用金屬材料研究進展醫(yī)用金屬材料, 廣泛地應用于人體組織；源于金屬材料的電化學溶解以及與磨損交互作用造成的腐蝕破壞，影響著這些植入材料的使用功能及壽命；評價in vitro 和 in vivo過程及其釋放的腐蝕產(chǎn)物

26、, 著重討論金屬材料腐蝕表面的生物相容性, 最后闡述生物醫(yī)用金屬材料腐蝕研究的發(fā)展方向和解決現(xiàn)存問題的對策。In vitro 研究動物試驗研究人體試驗研究發(fā)展方向In vitro 研究動物試驗研究人體試驗研究發(fā)展方向1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的

27、關系合理的模擬生理環(huán)境迄今仍然未能確定；所有模擬生理溶液均未涉及蛋白質和氨基酸, 而蛋白質和氨基酸在金屬表面吸附, 可以改變它們的鈍化特性；細菌也可以影響金屬材料的腐蝕，微生物腐蝕是金屬腐蝕科學領域的一個熱點問題。1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系自然生物電效應和模擬生物電效應；靜載和動載作用；生理環(huán)境pH的改變；生理溶液中各種離子濃度的改變( 如Cl- )；不同氣體的溶解( 如O2 ) ；生物醫(yī)用金屬材料腐蝕速率。1生理環(huán)境指標的評定

28、 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系典型的生物醫(yī)用金屬材料在模擬生理溶液中電化學腐蝕參數(shù)腐蝕電位( Ecorr ) 、擊穿電位( Epit) 和保護電位( Eprot ) 不同報道的研究結果較為分散1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行

29、為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系AISI 316L 不銹鋼的縫隙腐蝕現(xiàn)象非常嚴重，鈷基合金和Ti6Al4V 則具有較強的抗縫隙腐蝕的能力；Co-Cr-Mo 合金抗腐蝕能力較強；在50 的模擬生理溶液中浸泡一年以上, 可觀察到縫隙腐蝕現(xiàn)象；總的規(guī)律是：AISI 316L不銹鋼的腐蝕速率最大, 鈷基合金最低, Ti6Al4V 合金與Co-Cr-Mo合金相當。1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3

30、腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系在升溫或者有較高應力作用的極化條件下, 生物醫(yī)用金屬材料應力腐蝕開裂的孕育時間縮短, 裂紋擴展速率增加；當載荷超過斷裂韌性值, 電位同時處在應力腐蝕開裂區(qū)間的條件下, AISI 316L 不銹鋼的裂紋擴展速率達到2.410-10 m/s；在模擬生理溶液中的裂紋擴展速率明顯高于在空氣中的數(shù)據(jù)；各種疲勞過程的交互作用, 例如縫隙腐蝕/ 微動腐蝕, 孔蝕/ 應力腐蝕開裂, 孔蝕/ 腐蝕疲勞, 應力腐蝕開裂/ 腐蝕疲勞等共同作用, 均可能造成植入金屬材料更為嚴重的破壞。1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學

31、 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系在升溫或者有較高應力作用的極化條件下, 生物醫(yī)用金屬材料應力腐蝕開裂的孕育時間縮短, 裂紋擴展速率增加；當載荷超過斷裂韌性值, 電位同時處在應力腐蝕開裂區(qū)間的條件下, AISI 316L 不銹鋼的裂紋擴展速率達到2.410-10 m/s；在模擬生理溶液中的裂紋擴展速率明顯高于在空氣中的數(shù)據(jù)；各種疲勞過程的交互作用, 例如縫隙腐蝕/ 微動腐蝕, 孔蝕/ 應力腐蝕開裂, 孔蝕/ 腐蝕疲勞, 應力腐蝕開裂/ 腐蝕疲勞等共同作用, 均可能造成植入金屬材料更為嚴重的破壞。1生理環(huán)境指標的評定 1. 1化

32、學成分 1. 2服役條件2材料的腐蝕行為 2. 1腐蝕電化學 2. 2縫隙腐蝕和微動腐蝕 2. 3應力腐蝕和腐蝕疲勞3 腐蝕的材料學問題4 腐蝕與生物相容性的關系生物醫(yī)用金屬材料in vitro腐蝕研究的主要缺點就是未能將釋放腐蝕產(chǎn)物的種類、濃度和數(shù)量與生物相容性之間建立起直接聯(lián)系。生物醫(yī)用金屬材料的毒性表現(xiàn)為新陳代謝過程的改變，宿主-植入體間相互作用的變化，金屬半抗原部分的免疫致敏作用(特殊的免疫活化作用) ，化學趨向性造成的非特異免疫抑制作用，以及化學致癌作用等方面。金屬腐蝕產(chǎn)生的金屬固體顆粒，或者溶解于模擬生理溶液的金屬離子對成纖維細胞、癌細胞、淋巴細胞、嗜中性粒細胞和巨噬細胞等產(chǎn)生明顯

33、的影響。固體顆粒的尺寸和形狀表現(xiàn)出對成纖維細胞吸附、遷徙和定向排布的明顯影響。不同金屬離子的生物毒性相差2-3個數(shù)量級，而且金屬離子濃度對細胞的毒性作用存在一臨界值，低于臨界濃度, 則沒有發(fā)現(xiàn)金屬離子的毒性作用。針對矯形植入體關節(jié)頭-柄結合部通常形成的腐蝕產(chǎn)物磷酸鉻鹽，磷酸鉻鹽顆粒作為一種有效的單核巨噬細胞激活劑, 可加快骨質吸收。In vitro 研究動物試驗研究人體試驗研究發(fā)展方向動物試驗研究主要包括生物醫(yī)用金屬材料在體液或者在組織中發(fā)生腐蝕造成的金屬濃度變化，相應的組織反應和機體系統(tǒng)反應。研究方法有腐蝕破壞現(xiàn)象的直接觀察、電化學腐蝕測量和非電化學研究等。動物試驗研究 1材料的腐蝕行為 2

34、腐蝕與生物相容性的關系觀察各種金屬材料在動物體內(nèi)的腐蝕破壞現(xiàn)象，90% 以上的奧氏體不銹鋼矯形植入體均出現(xiàn)孔蝕和界面腐蝕現(xiàn)象。 鈦基合金則未見明顯的腐蝕破壞痕跡。各種電化學實驗, 包括腐蝕電位-時間關系, 線性極化, 陽極極化曲線和交流阻抗測量等, 均在動物試驗中被采用。動物試驗研究 1材料的腐蝕行為 2腐蝕與生物相容性的關系采用模擬腐蝕產(chǎn)物的肌肉注射或者利用金屬粉末增加矯形植入體與組織或體液的接觸面積, 定量測定相鄰組織和體液中金屬濃度。與金屬粉末相鄰組織的金屬離子含量有明顯增加, 但與粉末數(shù)量之間并沒有一定的比例關系, 相應形成的腐蝕產(chǎn)物主要是金屬離子與一些血清蛋白質形成的金屬有機復合體。

35、金屬粉末中的鎳和鈷可隨尿液排除, 特別是鎳排泄的速度很快；相反鉻因與紅細胞相結合, 排泄速度緩慢, 在實驗鼠的肝、肺、脾和腎中均表現(xiàn)出很高的濃度。腐蝕釋放的金屬離子的致癌作用在動物試驗中也被證明, 將高鈷、鉻、鎳的金屬材料植入試驗鼠, 發(fā)現(xiàn)惡性腫瘤的發(fā)生率略有升高, 而與骨質相連的惡性淋巴瘤則比較常見。與植入體松動相伴生的腫瘤,在鈷基合金和鈦合金植入體附近形成, 表明異體反應是致癌作用的主要機理。In vitro 研究動物試驗研究人體試驗研究發(fā)展方向McAuley 等報道了植入人體64 年后取出的固定低合金鋼板, 發(fā)生了嚴重的腐蝕現(xiàn)象。研究表明目前植入生物醫(yī)用金屬材料的腐蝕問題主要是局部表面損

36、傷造成的破壞失效。人體試驗研究 1材料的腐蝕行為 2腐蝕與生物相容性的關系 2. 1局部組織反應 2. 2全身反應不同報道關于不銹鋼植入體發(fā)生腐蝕比例的數(shù)據(jù)差別很大, 從5%到100% , 平均則在50% 左右。 造成腐蝕比例如此大范圍變化的原因： 一方面受到不同研究者采用的研究方法的影響, 如界定發(fā)生腐蝕標準的差異; 另一方面與研究的植入體形式密切相關,如組合部件比單一部件易出現(xiàn)縫隙腐蝕、微動腐蝕及其相互作用的腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼在人體內(nèi)發(fā)生的主要腐蝕形式是縫隙腐蝕, 其次是晶間腐蝕和孔蝕, 微動腐蝕, 應力腐蝕開裂也有報道?？偟膩砜? 植入體使用時間越久, 腐蝕程度越嚴重。 不銹鋼內(nèi)固定裝置不

37、同部分的腐蝕行為也不盡相同, 在釘-板結合處發(fā)現(xiàn)有二種不同類型的腐蝕產(chǎn)物：一種是含鐵的類血鐵紅蛋白顆粒、板塊；另一種是含鐵和磷的鉻氧化物的微小板屑, 其恒定的Cr/ Fe 比較原始不銹鋼顯著升高。鈷基合金的表面損傷現(xiàn)象很少見, 鈦基合金的表面腐蝕損傷尚未見報道。但并不是說鈷基合金 和 鈦基合金完全具有生物惰性。在鈦基合金植入體周圍組織中仍可檢出高濃度的鈦離子, 雖然導致出現(xiàn)高的鈦濃度的原因尚不清楚, 但是腐蝕、磨損及其交互作用仍然可能是主要原因。與鈦基合金植入體相鄰的組織中的金屬顆粒具有原始鈦基合金的成分, 而且沉積的腐蝕產(chǎn)物對植入體也沒有加速腐蝕的作用。具有優(yōu)化的強度配合和耐腐蝕性能的鈷基合

38、金頭-鈦基合金柄構成的組合式植入關節(jié), 取出后直接觀察, 合金植入體顯示出良好的耐腐蝕特征。顯然這是對電池作用腐蝕理論的一個挑戰(zhàn), 鈷基合金和鈦基合金組成的電池能夠發(fā)生鈍化, 而不銹鋼和鈷基合金, 不銹鋼和鈦基合金則沒有發(fā)生類似的鈍化作用, 并且鈷基合金、鈦基合金的腐蝕程度都是非常高的。人體試驗研究 1材料的腐蝕行為 2腐蝕與生物相容性的關系 2. 1局部組織反應 2. 2全身反應人體試驗研究腐蝕釋放的產(chǎn)物對生物相容性的作用, 主要集中在對人體生理機能的局部組織或人體全身系統(tǒng)的影響方面。人體試驗研究 1材料的腐蝕行為 2腐蝕與生物相容性的關系 2. 1局部組織反應 2. 2全身反應在不銹鋼內(nèi)固

39、定裝置周圍,包括骨整合和纖維包囊作用區(qū)域在內(nèi)的植入體附近的局部組織中, 形成的鐵氧化物、含鐵和磷的鉻氧化物等腐蝕產(chǎn)物之間發(fā)現(xiàn)有巨細胞、異體巨細胞和數(shù)量多少不均的淋巴細胞。作為Co-Cr-Mo 合金植入體形成的主要腐蝕產(chǎn)物為富水合磷酸鉻鹽, 以尺寸小于5. 0 微米的顆粒存在于纖維化和壞死的組織中, 使骨和軟組織的顏色變深發(fā)暗, 組織細胞和異體巨細胞增殖, 同時伴隨有淋巴細胞和漿細胞滲透。鈦基合金腐蝕形成的金屬顆粒同樣在巨噬細胞和成纖維細胞中被發(fā)現(xiàn), 這些數(shù)量不等的顆粒存在于近鄰植入體的稠密的膠原蛋白膜中, 而在異體巨細胞中則很少見。只是在發(fā)生鈍化的區(qū)域觀察到明顯的腐蝕現(xiàn)象, 沒有發(fā)現(xiàn)近鄰組織中

40、的鈦含量與炎癥細胞、顆?；M織, 以及大量壞死組織碎片有直接的關系。人體試驗研究 1材料的腐蝕行為 2腐蝕與生物相容性的關系 2. 1局部組織反應 2. 2全身反應迄今, 金屬腐蝕產(chǎn)物引起的新陳代謝、細胞毒性、免疫毒性或者致癌等作用尚未能完全探明原因, 在于對任何一位植入金屬材料的患者, 因直接的全身系統(tǒng)反應和間接的金屬毒性均能導致很多疾病的發(fā)生, 使這些疾病的產(chǎn)生一方面受到流行性疾病發(fā)生幾率的影響, 另一方面受到患者植入金屬材料前后取得實驗數(shù)據(jù)可靠性的局限。 關于植入生物醫(yī)用金屬材料腐蝕產(chǎn)物的全身系統(tǒng)反應主要從4 個方面考慮：( 1) 是植入體的金屬釋放量；( 2) 是釋放產(chǎn)物在體內(nèi)轉移的部

41、位和數(shù)量；( 3) 是釋放產(chǎn)物的化學構成(例如, 無機沉淀物還是可溶性金屬有機復合體)；( 4) 是釋放產(chǎn)物的生理病理作用結果。 金屬毒性主要源于金屬元素的腐蝕溶解產(chǎn)物, 而并非是植入金屬材料直接降解產(chǎn)物所致。對十位鈷基合金全膝關節(jié)植入患者的臨床實踐發(fā)現(xiàn), 植入后90 d 患者血清和血液中鈷的含量增加了2 倍。同時對比進行的臨床隨訪發(fā)現(xiàn), 23 位全膝或全髖鈷基合金關節(jié)植入患者在植入體并未發(fā)生松動的條件下, 有4 位患者的血清中鈷的含量較術后152 個月時高2-50個單位 , 而實驗研究的標準含量為0. 33個單位。與鈷不同, 血清中鉻的含量則沒有發(fā)生變化。對鈦基合金全關節(jié)植入患者的臨床隨訪表

42、明, 21 位出現(xiàn)關節(jié)松動現(xiàn)象的患者血清中鈦的濃度與等額對比組相比升高了近10 倍。而在血清和尿液中鈦和鋁的濃度均無顯著差別, 釩則完全處在很低的濃度水平。In vitro 研究動物試驗研究人體試驗研究發(fā)展方向in vivo 和in vitro 研究之間的關系遠遠不能滿足對生物醫(yī)用金屬材料腐蝕科學與防護技術研究的需要；新型金屬材料的研制和表面改性技術的采用, 生物醫(yī)用金屬材料腐蝕研究又開辟了新的研究和發(fā)展空間。3.1 概述3.2 醫(yī)用金屬材料的特征與要求3.3 常用醫(yī)用金屬材料3.4 醫(yī)用金屬材料的腐蝕3.5 金屬與合金表面涂層處理3.6 醫(yī)用金屬材料研究進展生物醫(yī)用金屬材料廣泛的應用于人體，但是腐蝕問題是難以完全解決的問題；金屬材料的表面改性能夠有效的抑制有害金屬離子的溶出、促進組織再生 和 加強材料與組織的結合；主要分為物理化學法、形態(tài)學法和生物或學法。物理化學法形態(tài)學法生物或學法物理化學法形態(tài)學法生物或學法熱噴涂脈沖激光融覆離子濺射噴砂法電結晶法電化學法離子注入物理化學法形態(tài)學法生物或學法形態(tài)學法是在不改變金屬基體表層的化學組成的情況下