醫(yī)用金屬材料

第三章醫(yī)用金屬材料第一頁，共85頁。目錄醫(yī)用金屬材料的特性與要求2

醫(yī)用金屬材料的腐蝕4常用醫(yī)用金屬材料3金屬與合金表面涂層處理5醫(yī)用金屬材料概述1

醫(yī)用金屬材料的研究進(jìn)展6第二頁，共85頁。3.1醫(yī)用金屬材料概述在生物醫(yī)學(xué)材料中，金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史。唐代就用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補牙。醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料。第三頁，共85頁。該材料是臨床應(yīng)用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強度和韌性，已成為骨和牙齒等硬組織修復(fù)和替換、心血管和軟組織修復(fù)以及人工器官制造的主要材料?；瘜W(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)處理過的可用于臨床。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。3.1

醫(yī)用金屬材料概述第四頁，共85頁。3.2醫(yī)用金屬材料的特性與要求(1)生物相容性:

即生物學(xué)反應(yīng)最小(2)優(yōu)良的機械性能:

強度與彈性模量（與生物體匹配）耐磨性

抗疲勞性能(3)耐腐蝕性能：腐蝕不僅降低或破壞金屬材料的機械性能，導(dǎo)致斷裂，還產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對人體有刺激性和毒性。

無不良刺激、無毒害，不引起毒性反應(yīng)、免疫反應(yīng)，

不致癌、不致畸，無炎性反應(yīng)，不引起感染，不被排斥。

有助于愈合和附著。（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到

植入器件的壽命）第五頁，共85頁。常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼鈷（Co）基合金鈦（Ti）基合金形狀記憶合金貴金屬純金屬鉭純金屬鈮純金屬鉻第六頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.1不銹鋼按顯微組織的特點可分為:奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼馬氏體不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼等1）分類與概念第七頁，共85頁。奧氏體不銹鋼是在鐵-鉻系統(tǒng)中再加入8%以上的鎳形成鐵-鉻-鎳三元合金，隨著碳含量的增加，強度大幅度地提高，抗腐蝕性能優(yōu)異，常作為生物材料選用。

最早用于植入材料的不銹鋼是18-8(即302不銹鋼)，其強度與耐蝕性能均優(yōu)于釩鋼。

引入18-8sMo，其中的Mo能夠改善在電解質(zhì)溶液中的耐腐蝕性能，這就是我們熟知的316不銹鋼。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.1不銹鋼1）分類與概念第八頁，共85頁。不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價格低廉。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。20世紀(jì)50年代，316不銹鋼的碳含量由0.08%降低為0.03%，進(jìn)一步提高了其在含Cl溶液體系中的耐蝕性能，降低了材料致敏性，這就是常見的316L不銹鋼3.3.1不銹鋼1）分類與概念第九頁，共85頁。

表3.1316和316L不銹鋼材料的力學(xué)性能材料狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%洛氏硬度/HRB退火態(tài)5152054095316冷精軋62031035－冷加工86069012300～350退火態(tài)5051954095316L冷精軋60529535－冷加工86069012－

表3.1給出了奧氏體不銹鋼316和316L的力學(xué)性能。顯然，退火態(tài)的材料硬度與強度較低，而經(jīng)過冷加工后，材料可以具有更高的強度和硬度。這說明此類材料可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)力學(xué)性能。

但即使是牌號為316L的不銹鋼在體內(nèi)的特定環(huán)境下（如在高壓或缺氧區(qū)域）也會被腐蝕。它們適合做臨時裝置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子.。第十頁，共85頁。表1幾種主要的不銹鋼的組成、性能和組織◆◆鐵素體和馬氏體不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的降低和含鉻量的增加而提高。第十一頁，共85頁。3Cr13和4Crl3型馬氏體不銹鋼用于醫(yī)療器械，如刀、剪、止血鉗、針頭等。Cr18Ni10型奧氏體不銹鋼可制作各種人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器；在口腔科常用于鑲牙、矯形和牙根種植等器件的制作。不銹鋼骨固定螺釘和骨固定板第十二頁，共85頁。器械包第十三頁，共85頁。腐蝕作用造成其長期植入的穩(wěn)定性差，密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，力學(xué)相容性差。溶出的鎳離子有可能誘發(fā)腫瘤的形成及本身無生物活性，難于和生物組織形成牢固等原因，應(yīng)用比例呈下降趨勢。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.1不銹鋼2)生物相容性第十四頁，共85頁。1)齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件2)人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械：人工肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、全

髖關(guān)節(jié)、半髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)及

指關(guān)節(jié)。各種規(guī)格的皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨加壓螺釘、

脊椎釘、骨牽引鋼絲、人工椎體和顱骨板等，3)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導(dǎo)線，

可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內(nèi)擴張支架等4)其它：如用于各種眼科縫線、人工眼導(dǎo)線、眼眶填充、固

定環(huán)等。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.1不銹鋼3)臨床應(yīng)用第十五頁，共85頁。

熱處理原則：不應(yīng)導(dǎo)致合金在晶界形成Cr4析出，通常熱處理

會引起成分的變化，這個問題可通過控制加熱

的均勻性以及合理的熱處理工藝加以解決。在熱處理過程中不希望出現(xiàn)的結(jié)果就是在表面形成氧化層，這必須通過化學(xué)、酸蝕或機械噴砂的方法

去除。去除氧化層后，部件表面被磨光成鏡面或無光

澤的端面，然后清洗，去掉油污，在硝酸中形成表面

鈍化層，在包裝和殺菌前需要再清洗一次。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.1不銹鋼4)加工處理第十六頁，共85頁。

概念：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。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金1）分類與概念第十七頁，共85頁。鈷基合金通常是指Co-Cr合金，基本上分為兩類：一類是Co-Cr-Mo合金，一般通過鑄造加工，鑄造Co-Cr-Mo合金已經(jīng)在牙科方面應(yīng)用了近幾十年，目前主要用于制造人工關(guān)節(jié)連接件；另一類是Co-Ni-Cr-Mo合金，一般通過熱鍛加工，鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干，承受重載荷，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)等。

3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金1）分類與概念第十八頁，共85頁。

Co-Ni-Cr-Mo合金是一種最有名的鈷基合金，它大約含有Ni35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和Co35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，這種合金在壓力下對海水(含有Cl-)有很強的抗蝕性，冷加工可大大增加它的強度。但在提高材料力學(xué)性能的同時，也增加了材料的加工難度。因此，現(xiàn)在采用熱鍛方法制造這種合金的植入器械。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金1）分類與概念第十九頁，共85頁。

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金和鑄造Co-Cr-Mo合金一樣具有相似的耐磨性能,在關(guān)節(jié)模擬測試中大約是每年被磨損0.14mm)。但是，由于Co-Ni-Cr-Mo合金較差的耐磨性能而不提倡用來制作關(guān)節(jié)假體的摩擦面。

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金具有很高的疲勞強度和極限抗拉強度，植入很長時間后，也很少會發(fā)生斷裂。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金1）分類與概念第二十頁，共85頁。種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞強度(MPa)鑄態(tài)5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280鍛造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0－退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.0586退火(ASTM)31086010.0－CoNiCrMo固溶退火240～655795～100050.0－冷加工時效158517908.0－退火27560050.0－CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0－退火(ISO)27660050.0－表3.2典型鈷基合金性能第二十一頁，共85頁。Co基合金如同其他合金材料一樣，強度提高的同時降低了塑性。其彈性模量不隨極限抗拉強度的變化而變化的。彈性模量范圍從220GPa到234GPa。鑄造和鍛造合金都具有優(yōu)良的抗蝕性能。表中四種鈷基合金，只有鈷鉻鉬合金可以在鑄態(tài)下直接應(yīng)用，其他三類均為醫(yī)用鍛造鈷基合金。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金1）分類與概念第二十二頁，共85頁。

從耐蝕性看，它也是所用醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植入人體后沒有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。但用鑄造鈷基合金制作的人工髖關(guān)節(jié)在體內(nèi)的松動率較高，其原因是由于金屬磨損腐蝕造成Co、Ni等離子溶出，在體內(nèi)引起巨細(xì)胞和組織壞死，從而導(dǎo)致患者疼痛以及關(guān)節(jié)的松動、下沉。鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)生皮膚過敏反應(yīng)，其中以鈷最為嚴(yán)重。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金2）生物相容性第二十三頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金3）臨床應(yīng)用

適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長期植入件，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第二十四頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金3）臨床應(yīng)用

鈷基合金人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好；在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好；植入體內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的組織反應(yīng)，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。在整形外科中，用于制造人工髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及接骨板、骨釘、關(guān)節(jié)扣釘和骨針等。在心臟外科中，用于制造人工心臟瓣膜等。第二十五頁，共85頁。

三種：精密鑄造、機械變形加工和粉末冶金由于其價格較高，加工困難，應(yīng)用尚不普及。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.2Co基合金4）鈷基合金植入器件的制造加工方法第二十六頁，共85頁。表2幾種主要的鈷基合金的組成、性能和組織口腔、骨板、骨釘、人工髖關(guān)節(jié)較低第二十七頁，共85頁。CoCrMo合金醫(yī)用鈷基合金更適用于體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件。第二十八頁，共85頁。人造髖關(guān)節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進(jìn)金屬桿，桿頭有一個金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一個塑料臼中。Co基合金第二十九頁，共85頁。Co基合金第三十頁，共85頁。Co基合金第三十一頁，共85頁。在外科植入中運用的Ti金屬材料有四個級別（表3.3），它們之間的區(qū)別在于雜質(zhì)含量不同。O、N、C、H與Ti形成間隙固溶體，F(xiàn)e與Ti形成置換固溶體。雜質(zhì)元素的含量過大會形成脆性化合物。O、N和C能提高Ti的強度，降低其塑性。Ti很容易吸氫，H含量過高會產(chǎn)生氫脆，降低其韌性。微量的Fe對純鈦性能的影響不像O、N、C那樣強烈。

Ti-6Al-4V是一種廣泛用于制造植入器械的鈦合金，這種合金的主要合金元素是Al(5.5%～6.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))和V(3.5%～4.5%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金1）分類、組成和性能第三十二頁，共85頁。元素ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V氮0.030.030.050.050.05碳0.100.100.100.100.08氫0.0150.0150.0150.0150.0125鐵0.200.300.300.500.25氧0.180.250.350.400.13鈦平衡

表3.3Ti金屬和Ti合金化學(xué)成分組成(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金第三十三頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金1）分類、組成和性能

商業(yè)用純Ti和Ti6Al4V合金的機械立力學(xué)性能如表3-4，它們的彈性模量約為110GPa，大約是鈷基合金的一半。表3-4

Ti及Ti合金的機械力學(xué)性能(ASTM，F(xiàn)136)性能ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V抗拉強度/MPa240345450550860屈服強度/MPa170275380485795延伸率/%2420181510斷面收縮率/%3030302525第三十四頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金1）分類、組成和性能Ti為難熔稀有金屬，熔點1762℃，密度小、比強度高；Ti合金的強度可達(dá)到很高的水平，比強度是不銹鋼的3.5

倍；Ti與氧反應(yīng)形成的氧化膜致密穩(wěn)定，有很好的鈍化作用，

具有很強的耐蝕性。在生理環(huán)境下，Ti合金的均勻腐蝕很小，不會發(fā)生

點蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕。Ti合金的磨損與應(yīng)力腐蝕較明顯。第三十五頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金2）生物相容性

鈦是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，鈦易于氧反應(yīng)形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應(yīng)輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導(dǎo)體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。Ti合金對人體毒性小，密度小，彈性模量接近于天然骨，是較佳的金屬生物醫(yī)用材料。第三十六頁，共85頁。

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認(rèn)是生物醫(yī)療領(lǐng)域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關(guān)節(jié)、肱骨、顱骨、膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學(xué)界給予了很高的評價。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金3）臨床應(yīng)用第三十七頁，共85頁。臨床應(yīng)用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學(xué)性質(zhì)接近人骨、強度遠(yuǎn)低于純鈦，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。主要用于：修補顱骨，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、手術(shù)器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金3）臨床應(yīng)用第三十八頁，共85頁。鈦合金骨第三十九頁，共85頁。EL1Ti6Al4V鈦基合金制作的骨釘和骨板鈦基合金的醫(yī)學(xué)應(yīng)用：廣泛用于制作各種人工關(guān)節(jié)、牙床、人工心臟瓣膜、頭蓋骨修復(fù)等方面。第四十頁，共85頁。頭顱微型鋼板第四十一頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金4）鈦和鈦合金植入器件的制造

鈦是非?；钴S的元素，在高溫有氧氣存在時甚至能燃燒，因此在高溫加工處理過程中，需在惰性氣氛或真空條件進(jìn)行。氧容易擴散進(jìn)入鈦使材料變脆，因此，任何加熱處理或鍛造都應(yīng)在低于925°C的條件下進(jìn)行。由于鈦易磨損，在機械加工過程中易黏刀，使加工變得困難，可采用電化學(xué)加工方法解決這一問題。第四十二頁，共85頁。

為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子氮化及應(yīng)用離子注入技術(shù)處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓力狀態(tài)，從而提高硬度和耐磨性。

3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金4）鈦和鈦合金植入器件的制造第四十三頁，共85頁。3.3常用醫(yī)用金屬材料3.3.3鈦和鈦合金4）鈦和鈦合金植入器件的制造

離子氮化后的純鈦及鈦合金硬度分別提高7倍和2倍。純鈦的磨損率降低到原來的1/2，鈦合金降低到原來的1/6；氮化后鈦材的年腐蝕率是非氮化的1/3。動物實驗表明組織對表面滲氮鈦材反應(yīng)輕微，材料無毒性。

利用離子注入技術(shù)，可在鈦及合金表面注入氮離子，使其表面生成氮化鈦陶瓷涂層，大大提高鈦制品的耐磨，耐蝕性能，如TC4氮化前后，制品在模擬體液中的年腐蝕率降低至原來的1/3。第四十四頁，共85頁。3.4齒科用金屬3.4.1齒科汞齊

汞齊是一種含有汞金屬成分的合金

。汞在室溫下是液態(tài)，它能與其他金屬反應(yīng)，如銀、錫等，形成一種塑性物質(zhì)，將其填入齲洞中，汞齊隨著時間推移發(fā)生硬化(凝固)。

固態(tài)合金的成分是：至少65%的銀，不超過29%的錫，6%的銅，2%的鋅和3%的汞。

牙醫(yī)在填補齲洞時，一般先在機械研磨器中將微粒狀的固態(tài)合金和汞混合，材料變得容易變形，方便操作，然后填充進(jìn)準(zhǔn)備好的齲洞中。

第四十五頁，共85頁。3.4齒科用金屬3.4.1齒科汞齊

現(xiàn)在應(yīng)用的汞齊合金的銀合金粉在組成、形狀及包裝等方面都有了較大改變。在組成方面增加了銅含量，減少了銀含量，使汞齊合金既提高了強度又降低了成本。傳統(tǒng)的銀合金粉制品是按比例配料后，在無氧高溫條件下熔化，澆鑄成錠，再用機械切削粉碎成微細(xì)粉末，因此在顯微鏡下為片狀不規(guī)則形。如果將銀合金粉在真空條件下熔化并霧化制粉，則在顯微鏡下觀察為圓球形顆粒，又稱球形銀合金粉。由于球形粉末比不規(guī)則粉末的表面積小，故調(diào)和時所需汞的量也少，因此提高了汞齊合金的強度。另外，在包裝方面使用膠囊包裝取代傳統(tǒng)的瓶裝，按比例將一定量的汞和銀粉末分別裝于膠囊隔膜兩側(cè)，在兩者調(diào)和后完成汞齊化。這樣既減少了汞的污染又節(jié)約了原材料，并提高了汞齊合金的性能。第四十六頁，共85頁。3.4齒科用金屬3.4.2

金金和金合金的耐久性、穩(wěn)定性和抗蝕性，使它們在牙科上成為很有用的金屬。

若合金含有75%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))或更多的金和其他貴金屬，它們就能保留其良好的抗蝕性。銅與金形成的合金可顯著提高其強度，鉑也能改善其強度，但添加量不能超過4%；否則合金的熔點會提高。銀的加入可抵消銅的顏色。加入少量的鋅可降低其熔點，并排除在熔化過程中形成的氧。不同成分的金合金各有用途。含金量超過83%的合金較軟，用于鑲嵌，但其硬度太低而不能承受太高的壓力。金含量少的較硬合金，用于牙冠和尖端處，可承受較大的壓力。第四十七頁，共85頁。Ni-Ti合金具有形狀記憶的特性，微米晶態(tài)的Ni-Ti合金在接近室溫時就展現(xiàn)出奇特的形狀記憶效應(yīng)：當(dāng)溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時進(jìn)行塑性變形，然后溫度一升高，它就會回復(fù)到原始形狀。形狀記憶效應(yīng)普遍認(rèn)為與無擴散馬氏體相變有關(guān)，即本質(zhì)上就是熱彈性。熱彈性行為歸因于母相和馬氏體的排序秩序。充分地了解與馬氏體相變相關(guān)地機械行為和熱行為是必要的。形狀記憶合金可用于拱形牙齒矯正。3.4齒科用金屬3.4.3Ni-Ti合金第四十八頁，共85頁。

鉭是化學(xué)活性很高的金屬，在生理或其它環(huán)境中，甚至在缺氧的狀態(tài)下，其表面都能立即生成一層化學(xué)性能穩(wěn)定的鈍化膜，從而使鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，并具有良好的生物相容性。鉭植入骨內(nèi)能與周圍生成的新骨直接接觸。最近有研究表面，多孔金屬鉭在其表面進(jìn)行生物活化處理后，植入動物體內(nèi)，孔內(nèi)有新骨生成，即具有誘導(dǎo)成骨性。這表明金屬鉭具有優(yōu)良的生物學(xué)性能。3.5其他金屬3.5.1醫(yī)用鉭第四十九頁，共85頁。表3-5鉭合金機械力學(xué)性能性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa205515屈服強度/MPa140345延伸率/%20～302楊氏模量/GPa—1903.5其他金屬3.5.1醫(yī)用鉭

鉭合金力學(xué)性能見表3-5。第五十頁，共85頁。

鉭可加工成板、帶、絲材，用于制造骨板、骨釘、夾板、縫合針等外科植入器械。臨床上，鉭片刻用于修補顱蓋，鉭絲可縫合神經(jīng)、肌腱和血管，鉭板可用于修補骨缺損，鉭網(wǎng)可用于修補肌肉組織。此外，在血管金屬支架表面鍍一層鉭，能明顯提高血管支架的抗血栓性能。通過制造工藝控制和冷加工處理，鉭也可以用作承力部位的修復(fù)。3.5其他金屬3.5.1醫(yī)用鉭第五十一頁，共85頁。鈮為難熔金屬，熔點為2467°C，其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶體。純鈮的密度為8.5g/cm3。鈮和鉭的化學(xué)性質(zhì)很相似，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。鈮對很多腐蝕介質(zhì)在冷態(tài)或稍熱的條件下不起反應(yīng)，金屬鈮在空氣中只在溫度高于200°C時才明顯氧化。鈮和Cl、H、N分別在200°C、250°C、400°C時才發(fā)生反應(yīng)。

3.5其他金屬3.5.2醫(yī)用鈮第五十二頁，共85頁。表

3-6鈮的機械力學(xué)性能(ASTM,F560)性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa275300~1000顯微硬度/MPa600~1100275延伸率/%-10~25鈮的力學(xué)性能見表3-6。3.5其他金屬3.5.2醫(yī)用鈮第五十三頁，共85頁。

鈮可通過鍛造、軋制或拉拔等工序加工成棒、板、管、絲和異性材等。鈮容易磨損和黏結(jié)刀具，切削加工時宜采用油水乳化液冷卻，以保持刀具刃部的鋒利性。醫(yī)用鈮一般采用高純鈮，鈮在醫(yī)學(xué)方面與鉭類似，如制髓內(nèi)釘?shù)?。由于其來源和?jīng)濟(jì)原因，醫(yī)用鈮的用途受到很大的限制。3.5其他金屬3.5.2醫(yī)用鈮第五十四頁，共85頁。

鉑是一種銀白色金屬，俗稱白金。晶體結(jié)構(gòu)為面心立方。鉑具有高熔點、高沸點和低蒸氣壓的特點，鉑的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。鉑的主要物理性能為：密度21.45g/cm2(20°C)，熔點1769°C，電阻率9.85μΩ?cm(0°C)。

常見的鉑合金有鉑銥合金、鉑金合金和鉑銀合金，它們均具有極好的抗蝕性能和物理化學(xué)穩(wěn)定性。用鉑及其合金制造的微探針廣泛用于人體神經(jīng)系統(tǒng)的各種植入性檢測和修復(fù)用電子裝置，心臟起搏器等。鉑及其合金的力學(xué)性能較差及其成本較高，限制了其在醫(yī)學(xué)上的推廣應(yīng)用[。3.5其他金屬3.5.3醫(yī)用鉑第五十五頁，共85頁。腐蝕：材料與周圍介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)或物理溶解作用而導(dǎo)致

的破壞過程；

是金屬與它所處的環(huán)境之間發(fā)生的一種不希望出現(xiàn)的化

學(xué)反應(yīng)，將會導(dǎo)致金屬形成氧化物、氫氧化物或其他化

合物而持續(xù)析出。

4醫(yī)用金屬材料的腐蝕第五十六頁，共85頁。本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕。其腐蝕原理與原電池的工作原理相類似

產(chǎn)生電子被稱為陽極(氧化)，

消耗電子被稱為陰極(還原)在任何金屬表面都可產(chǎn)生陰極還原，

在陽極氧化產(chǎn)生腐蝕。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.1腐蝕的機理第五十七頁，共85頁。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.2生理腐蝕

----金屬材料在體內(nèi)與人體體液之間發(fā)生的腐蝕第五十八頁，共85頁。分類：(1)全面腐蝕

又稱為均勻腐蝕

金屬材料表面各處腐蝕破壞深度差別很小，沒有腐蝕破壞特別嚴(yán)重和特別輕微或甚至看不出腐蝕破壞的表面區(qū)域。

在人體內(nèi)，金屬材料的均勻腐蝕速率較低，年失重率較小，一般不存在對材料的結(jié)構(gòu)強度造成大的破壞。但由于均勻腐蝕是在大面積上發(fā)生的，腐蝕產(chǎn)物及其金屬離子進(jìn)入人體的數(shù)量較多，對周圍組織的生長會有不利的影響。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.2生理腐蝕第五十九頁，共85頁。(2)局部腐蝕:不同區(qū)域的腐蝕破壞深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了腐蝕破

壞的平均深度。對材料的結(jié)構(gòu)強度影響較大。

①點蝕：在金屬表面局部出現(xiàn)了微電池作用②晶間腐蝕：發(fā)生在材料內(nèi)部晶粒邊界上,導(dǎo)致力學(xué)性

能下降③縫隙腐蝕：由于環(huán)境中化學(xué)成分的濃度分布不均勻引

起，屬閉塞電池腐蝕，多發(fā)生在界面部位4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.2生理腐蝕第六十頁，共85頁。(3)磨蝕:植入器件之間切向反復(fù)的相對滑動所造成的表

面磨損和腐蝕環(huán)境作用所造成的腐蝕。(4)應(yīng)力腐蝕:在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下出現(xiàn)的一種

加速腐蝕的行為。在裂紋尖端處可發(fā)生力學(xué)和

電化學(xué)綜合作用，導(dǎo)致裂紋迅速擴展而造成植

入器件斷裂失效。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.2生理腐蝕第六十一頁，共85頁。(5)疲勞腐蝕:材料在腐蝕介質(zhì)中承受某些應(yīng)力的循環(huán)作

用所產(chǎn)生的腐蝕，表面微裂紋和缺陷可使

疲勞腐蝕加劇。(6)電偶腐蝕:發(fā)生在兩個具有不同電極電位的金屬配件

偶上的腐蝕。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.2生理腐蝕第六十二頁，共85頁。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.3常用金屬材料的耐腐蝕性能通過陽極極化曲線檢測表明，金屬材料的耐蝕性為鈦合金>鈷基合金>不銹鋼提高金屬的抗腐蝕性能的途徑：（1）在材料表面形成保護(hù)層（2）提高材料表面光潔度第六十三頁，共85頁。不銹鋼：在不銹鋼中加入鉻、鎳或鈷，或制成Co-Ni-Cr-Ti

合金；降低不銹鋼中的Si、Mn等雜質(zhì)元素及非金

屬夾雜物，其耐腐蝕性能可大大提高。貴金屬：有較強抗蝕性，如果僅考慮抗蝕性的話，是理想

的植入材料。鈦及鈦合金：表面經(jīng)過鈍化處理可生成一層保護(hù)性的氧化

膜，提高抗蝕能力。常用的表面鈍化處理有化學(xué)

和電化學(xué)鈍化兩種工藝。Co-Cr-Mo合金：鈷基合金在生物體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，其

鈍化膜穩(wěn)定，耐蝕性好。廣泛用于植入器件的制

造。4醫(yī)用金屬材料的腐蝕4.3常用金屬材料的耐腐蝕性能第六十四頁，共85頁。

金屬及其合金在生物體內(nèi)的腐蝕問題尚未解決，需對其表面進(jìn)行改性。

表面改性不僅要抑制有害金屬離子的溶出，而且要促進(jìn)組織的再生和加強材料與組織結(jié)合。

金屬生物材料的表面改性技術(shù)主要可以分為：

（1）物理化學(xué)方法

（2）形態(tài)學(xué)方法

（3）生物化學(xué)方法。

5金屬與合金表面涂層處理第六十五頁，共85頁。

----改善金屬生物材料表面性能的主要方法（1）熱噴涂（2）脈沖激光融覆：（3）離子濺射（4）噴砂法（5）電結(jié)晶法（6）電化學(xué)法（7）離子注入5金屬與合金表面涂層處理5.1物理化學(xué)方法第六十六頁，共85頁。

在不改變金屬基體表層的化學(xué)組成的情況下，將其直接植入生物體內(nèi)，從而達(dá)到對生物體組織在其上的粘附、生長以及粘附強度產(chǎn)生重要影響。此方法并不在基體表面產(chǎn)生強化層或附加涂層，而是通過改善植入體的表面微觀形貌來獲得最好的植入效果。

形態(tài)學(xué)表面改性工藝在提高結(jié)合強度的同時，一般不會減損材料的生物相容性，是一種比較簡單有效的表面改性方法。其具體方法有：等離子噴刷、超音振蕩、激光束點融以及電化學(xué)晶界腐蝕等。5金屬與合金表面涂層處理5.2形態(tài)學(xué)方法第六十七頁，共85頁。

將大分子蛋白質(zhì)或酶等有機高分子物質(zhì)引入基體表面，使其具有更優(yōu)良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特點。這樣的材料可以促進(jìn)植入處傷口的愈合，加速植入體與周圍組織的結(jié)合，同時也可以提高植入體的安全性和使用壽命。

大多數(shù)金屬表面存在一層氧化膜，一定條件下會與[H]或H+作用，形成附于基體表面的-OH羥基。在這種情況下用aminopropyltriethoxysilane(APS)對基體進(jìn)行硅烷化處理，再通過戊二酸醛的作用將一些蛋白質(zhì)或酶的分子如胰蛋白酶，以化學(xué)鍵聯(lián)接在基體表面上。此方法是由美國科學(xué)家David.A.Puleo提出，它可以將活的生物分子固定在無機、非孔狀、非松散生物材料的表面，從而使材料表面活性大大提高。5金屬與合金表面涂層處理5.3生物化學(xué)方法第六十八頁，共85頁。鎂合金具備作為可降解骨植入材料的多方面優(yōu)點：

(1)鎂是人體內(nèi)含量最多的陽離子之一，幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過程。(2)鎂及鎂合金的彈性模量約為45GPa，更接近人骨的彈性模量，能有效降低應(yīng)力遮擋效應(yīng)；鎂與鎂合金的密度約為1.7g/cm3，與人骨密度(1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。

(3)鎂具有獨特的體內(nèi)降解性能

。(4)鎂資源豐富，價格低廉。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.1醫(yī)用鎂及鎂合金材料的研究第六十九頁，共85頁。利用鎂的易降解性能制成可降解心血管支架利用鎂金屬與人體相近的力學(xué)性能作為骨固定材料。作為可降解植入材料，鎂合金存在的最大問題是鎂的耐蝕性能過差，滿足不了植入器件服役期的要求。在提高鎂及鎂合金耐蝕性能方面，研究主要集中在合金化與表面涂層兩方面。在可降解鎂合金的材料研究方面，已經(jīng)開發(fā)了AZ91Ca、Mg-Mn-Zn、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn-Ca、Mg-Ca、Mg-1X（X=Al，Ag，In，Si，Y，Zn和Zr）等多種新型鎂合金。在控制降解速度方面仍沒有取得突破性進(jìn)展。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.1醫(yī)用鎂及鎂合金材料的研究第七十頁，共85頁。鎂合金表面處理在控制基體降解速度的同時，可以賦予其表面以良好的生物活性，是鎂合金可降解植入材料研究的重要內(nèi)容之一。在鎂合金表面處理方面，發(fā)展了β-TCP涂層、氣相沉積晶體Si涂層、電化學(xué)沉積及仿生方法制備羥基磷灰石涂層、磷化方法制備磷酸鈣涂層、化學(xué)轉(zhuǎn)化錳酸鹽涂層[等多種處理工藝，其中有些涂層可以有效控制鎂合金的降解速度并提高其生物相容性，使人們看到鎂合金應(yīng)用于生物醫(yī)用領(lǐng)域的希望。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.1醫(yī)用鎂及鎂合金材料的研究第七十一頁，共85頁。定義：是指一種金屬骨架里分布著大量孔洞的新型材料，以多樣化空隙為特征的廣義阻尼材料。分類：按期結(jié)構(gòu)來分，可分為無序和有序兩類，前者如泡沫材料，而后者主要是點陣材料。按孔之間是否連通，可分為閉孔和通孔兩類，前者含有大量獨立存在的孔洞,后者則是連續(xù)暢通的三維多孔結(jié)構(gòu)。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.2多孔醫(yī)用金屬材料的研究第七十二頁，共85頁。

與實體結(jié)構(gòu)材料相比，由于孔隙的存在，多孔金屬具有一系列特殊性能：良好的可壓縮性、壓縮平臺應(yīng)力及在變形過程中泊松比的改變等。優(yōu)良的綜合力學(xué)性能(主要是強度和剛度)以及重量輕是其最基本的優(yōu)點。此外，多孔金屬可以吸收與沖擊方向無關(guān)的較高沖擊能量，還可以有效地應(yīng)用于聲音吸收、電磁屏蔽和振動阻尼等方面。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.2多孔醫(yī)用金屬材料的研究第七十三頁，共85頁。多孔金屬材料用于植入材料的優(yōu)點：①多孔結(jié)構(gòu)利于成骨細(xì)胞的粘附、分化和生長，促使骨長入孔隙，加強植入體與骨的連接，實現(xiàn)生物固定；②多孔金屬材料的密度、強度和彈性模量可以通過改變孔隙度來調(diào)整，達(dá)到與被替換硬組織相匹配的力學(xué)性能(力學(xué)相容性)，如減弱或消除應(yīng)力屏蔽效應(yīng)，避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載能力降低等；③開放的連通孔結(jié)構(gòu)利于水分和養(yǎng)料在植入體內(nèi)的傳輸，促進(jìn)組織再生與重建，加快痊愈過程。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.2多孔醫(yī)用金屬材料的研究第七十四頁，共85頁。(1)多孔鉭在顯微鏡下該材料結(jié)構(gòu)如同松質(zhì)骨，其空隙大小在400-600μm之間，整體互聯(lián)的孔隙率高達(dá)75%-85%。多孔鉭所具有的三維多孔結(jié)構(gòu)更有利于成骨細(xì)胞黏附、分化和生長，促進(jìn)骨長入，從而加強植入體與骨之間的鏈接，實現(xiàn)生物固定，同時它也更有利于水分和營養(yǎng)物質(zhì)在植入體內(nèi)的傳輸，促進(jìn)骨組織再生和重建，加快愈合過程。目前在臨床上的應(yīng)用主要有髖臼假體、脊椎間融合器、缺損骨修復(fù)及軟骨修復(fù)。圖3-9多孔鉭形貌圖6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.2多孔醫(yī)用金屬材料的研究第七十五頁，共85頁。6醫(yī)用金屬材料研究進(jìn)展6.2多孔醫(yī)用金屬材料的研究(2)多孔鎂及鎂合金多孔鎂基金屬的研究還停留在實驗室階段，尚未進(jìn)入臨床，但鑒于鎂合金的諸多優(yōu)勢，其未來的