生物材料第二章

生物材料第二章第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)：高強(qiáng)度，耐疲勞，易加工該材料是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強(qiáng)度和韌性，在需承受高載荷的骨、牙部位仍被視為首選的植入材料.最重要的應(yīng)用：骨折內(nèi)固定板、螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種植體等硬組織修復(fù)和替換。此外，也是心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的重要材料。第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日目前在臨床使用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金和鈦基合金三大類，另外還有記憶合金、貴金屬以及純金屬鉭、鈮和鋯等。第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日2.生物醫(yī)用金屬材料特性與生物相容性醫(yī)用金屬材料應(yīng)用中的主要問(wèn)題是：

由于生理環(huán)境的腐蝕，會(huì)造成金屬離子向周圍組織擴(kuò)散及植入材料自身性質(zhì)的蛻變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，而后者常常導(dǎo)致材料植入失敗。因此醫(yī)用金屬材料要滿足臨床應(yīng)用，其首要條件是應(yīng)具有生物相容性和生物安全性，其次是要有良好的耐腐蝕性及力學(xué)性能。第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日（1）金屬毒性化學(xué)周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求，僅有小部分或經(jīng)處理過(guò)的可用于臨床。

①合金化技術(shù)，減小或消除毒性例如：醫(yī)用不銹鋼含有有毒的鐵、鈷、鎳，加入2%的鈹可以減小毒性，加入20%的鉻可以減小甚至消除毒性②表面保護(hù)層/提高表面光潔度，，提高耐蝕能力第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日（2）耐生理腐蝕性（均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等）機(jī)械性能、耐磨性與生物相容性第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日人體環(huán)境特點(diǎn)體液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1%的NaCl、少量其它鹽類及有機(jī)化合物的電解質(zhì)溶液，37C。有人說(shuō)人體與溫暖的海水相似。在人體的不同部位，甚至同一部位不同時(shí)刻，人體組織內(nèi)體液的成分不一樣。電化學(xué)腐蝕的基本規(guī)律對(duì)人體環(huán)境中的植入材料的腐蝕完全適用。人體體液環(huán)境由體液構(gòu)成多種多樣的電解質(zhì)溶液第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質(zhì)的金屬表面全部產(chǎn)生腐蝕的現(xiàn)象。大面積發(fā)生，以金屬離子形式進(jìn)入人體組織里的量還是相當(dāng)可觀，影響生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命。點(diǎn)腐蝕是一種腐蝕集中在金屬（合金)表面數(shù)十微米范圍內(nèi)且向縱深發(fā)展的腐蝕行式。均勻腐蝕點(diǎn)腐蝕第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日縫隙腐蝕是指連接處出現(xiàn)狹窄的縫隙，電解質(zhì)溶液進(jìn)入，使縫內(nèi)金屬與縫外金屬構(gòu)成短路原電池，并且在縫內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈局部腐蝕。多零件植入裝置中，大約有50%遭受縫隙腐蝕。如接骨板和骨螺釘之間電偶腐蝕是由于腐蝕電位不同，造成同一介質(zhì)中異種金屬接觸處的局部腐蝕。在多個(gè)零件構(gòu)成的植入裝置中，選用的材料不同就容易產(chǎn)生電偶腐蝕。手術(shù)時(shí)也要注意。電偶腐蝕縫隙腐蝕第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日腐蝕疲勞是指金屬材料在交變應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的腐蝕現(xiàn)象。表面微裂紋和缺陷會(huì)加劇這種腐蝕，所以可以對(duì)植入器件表面拋光提高疲勞壽命。磨損腐蝕是由于植入器件之間反復(fù)的相對(duì)的滑動(dòng)所造成的表面磨損與腐蝕環(huán)境的綜合作用結(jié)果。磨損腐蝕造成點(diǎn)蝕坑或顆粒形狀的斑疤。磨損腐蝕疲勞腐蝕第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）機(jī)械性能與生物相容性強(qiáng)度和模量耐磨性第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日3.常見(jiàn)生物醫(yī)用金屬材料a.醫(yī)用不銹鋼（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成）不銹鋼為鐵基耐蝕合金，，盡管其抗蝕性不如鈷基合金，但易加工，價(jià)格低廉，是最早在臨床應(yīng)用的醫(yī)用材料。

目前最常用的醫(yī)用不銹鋼材料為超低碳奧氏體不銹鋼，316、316L、317L合金元素作用：增加適量的鉬（3％～4％），增加材料在氯離子環(huán)境中的抗腐蝕能力；Cr,形成氧化物鈍化膜，抗蝕；Ni、Cr可以穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)，Ni含量為12％～14％時(shí)，單一奧氏體組織；降低不銹鋼中Si、Mn等雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物，可進(jìn)一步提高抗蝕。第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日不銹鋼的耐蝕性主要來(lái)源于鉻。實(shí)驗(yàn)證明，只有含鉻量超過(guò)12%時(shí)鋼的耐蝕性能才會(huì)大大提高，因此，不銹鋼中的含鉻量一般均不低于12%。制作方法；真空熔煉——純化生物相容性均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、磨損、疲勞腐蝕不銹鋼的耐蝕性和屈服強(qiáng)度可以通過(guò)冷加工而提高，避免疲勞斷裂。拋光處理，消除易腐蝕和應(yīng)力集中隱患，提高使用壽命第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日臨床應(yīng)用一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術(shù)器械。人工關(guān)節(jié)、骨折內(nèi)固定器械鑲牙、齒科矯形、牙根種植、輔助器械心血管植入電極、傳感器、人工心臟瓣膜、血管支架眼科固定環(huán)、人工眼導(dǎo)線、眼眶填充避孕環(huán)、輸卵管栓堵第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日頭顱微型鋼板第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日b.鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性（比不銹鋼高40倍）和耐磨性，綜合力學(xué)性能和生物相容性良好，可通過(guò)精密鑄造成形狀復(fù)雜的精密修復(fù)體，有硬、中、軟三種類型。Co-Cr-Mo奧氏體耐蝕性比不銹鋼高數(shù)10倍、硬度高1/3臨床上主要用于人工關(guān)節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關(guān)節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復(fù)中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等由于其價(jià)格較高，加工困難，應(yīng)用尚不普及。第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日人造髖關(guān)節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進(jìn)金屬桿，桿頭有一個(gè)金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一個(gè)塑料臼中。

第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日c.鈦及鈦合金生物親和性最好、生物活性和骨結(jié)合力好臨床應(yīng)用廣泛，其質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、彈性模量低、力學(xué)性質(zhì)接近人骨，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為理想的一種植入材料。易氧化TiO2（抗蝕、活性）鈦合金TC4(Ti6Al4V)（提高力學(xué)性能）鈦表面處理:滲氮、離子氮化、鈍化（提高耐磨和抗蝕性）抗斷裂強(qiáng)度較低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復(fù)雜，要求條件較高。第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日主要用于：修補(bǔ)顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復(fù)腦膜和腹膜、人工骨、關(guān)節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補(bǔ)、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器、頜人工假肢等。第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日鈦板第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日d.形狀記憶合金

自1951年美國(guó)Read等首次報(bào)道Au-Cd（金-鎘）合金具有形狀記憶效應(yīng)以來(lái)，目前已發(fā)現(xiàn)有20多種記憶合金，其中以鎳鈦合金在臨床上應(yīng)用最大。它在不同的溫度下表現(xiàn)為不同的金屬結(jié)構(gòu)相。如低溫時(shí)為單斜結(jié)構(gòu)相，高溫時(shí)為體心立方結(jié)構(gòu)相，前者柔軟可隨意變形，如拉直式屈曲，而后者剛硬，可恢復(fù)原來(lái)的形狀，并在形狀恢復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生較大的恢復(fù)力。發(fā)現(xiàn):Nitinol,Ni-Ti+NavalOrdnanceLaboratory第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日形狀記憶合金的冷熱循環(huán)曲線：第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日金屬形狀記憶效應(yīng)原理（熱彈性馬氏體轉(zhuǎn)變）（1）、（5）為母相；（2）～（4）為馬氏體相第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日形狀記憶合金可以分為三種：?jiǎn)纬逃洃浶?yīng)雙程記憶效應(yīng)全程記憶效應(yīng)

第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日特點(diǎn)：奇特的形狀記憶功能、質(zhì)輕、磁性微弱、強(qiáng)度較高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。醫(yī)用Ni-Ti合金為T(mén)i44～46％，Ni54~56%彈性模量約62GPa,與人骨接近(7～30GPa)第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用：管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開(kāi)，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長(zhǎng)期安放對(duì)黏膜無(wú)明顯損傷；其高回彈性能順應(yīng)管道的彎曲，對(duì)人體刺激小?？谇豢疲河眠@種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點(diǎn)。骨科：人工關(guān)節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。血管外科：治療主動(dòng)脈瘤、冠狀動(dòng)脈和椎動(dòng)脈狹窄等。第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日北京有色金屬研究院上海鋼鐵研究所第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日e.醫(yī)用貴金屬：Au、Ag、Pt及其合金是一種金屬或合金，如金子具有極高的抗氧化性和抗腐蝕性。貴金屬具有獨(dú)特穩(wěn)定的物理和化學(xué)性能、優(yōu)異的加工特性、對(duì)人體組織無(wú)毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學(xué)性能。主要用于口腔科的齒科修復(fù)，也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。（1）Au及Au合金（用于口腔牙齒的整牙修復(fù)；提高強(qiáng)度的金銀銅合金）（2）Ag及Ag合金（銀汞合金：銀銅錫合金粉＋汞，銀含量40%~70%,口腔填充材料）（3）Pt及Pt合金（抗氧化、耐蝕，制造的微探針廣泛用于神經(jīng)系統(tǒng)的檢測(cè)）第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日f(shuō).醫(yī)用鉭、鈮、鋯材料具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨(dú)特的表面負(fù)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(jié)合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭條上正常生長(zhǎng)。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(fù)體、義齒及外科手術(shù)縫線和縫合針；鉭網(wǎng)可用于肌肉缺損修補(bǔ)；鉭絲和鉭箔用于縫合修補(bǔ)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(jià)格較高，使其推廣受很大限制。醫(yī)用鉭（Ta）第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日醫(yī)用鈮（Nb）性能和應(yīng)用范圍與鉭非常相似，用于修補(bǔ)顱骨和制作醫(yī)療器械。但由于來(lái)源困難，價(jià)格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內(nèi)釘?shù)取５谌?yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日醫(yī)用鋯（Zr)化學(xué)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(bǔ)顱骨，可加工成各種板、帶、線材在臨床上使用。醫(yī)用鋯可與鈦等同使用，但其價(jià)格較貴，在臨床中較難推廣。第三十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日常見(jiàn)醫(yī)用金屬材料特點(diǎn)（優(yōu)點(diǎn)）純鈦和鈦合金

不銹鋼鈷基合金

形狀記憶合金

貴金屬

良好的穩(wěn)定性和加工性能。因其價(jià)格較貴,廣泛應(yīng)用受到限制較硬富有彈性,可起到矯形或支撐作用.其優(yōu)良的生物相