2022年医学专题—医用金属材料.ppt

医用金属材料概述(i sh)及其研究进展,第一页，共四十四页。,目录(ml),第二页，共四十四页。,1 金属(jnsh)植入材料,定义(dngy)：应用：,是一种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。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(boku)：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、磁性合金等等。,第三页，共四十四页。,2 医用金属材料的特性(txng)与要求,(1)生物相容性:即生物学反应最小(2)优良的机械性能:强度与弹性模量（与生物体匹配）耐磨性(3)耐腐蚀性能：腐蚀不仅降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物(chnw)，对人体有刺激性和毒性。,（作为(zuwi)摩擦部件的医用金属材料，其耐磨性直接影响到植入器件的寿命）,第四页，共四十四页。,3 常用(chn yn)医用金属材料,3.1 不锈钢（1）分类、组成和性能 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(sn yun)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，常作为生物材料选用。最早用于植入材料的不锈钢是18-8(即302不锈钢)，其强度与耐蚀性能均优于钒钢。引入18-8sMo，其中的Mo能够改善在电解质溶液中的耐腐蚀性能，这就是我们熟知的316不锈钢。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,第五页，共四十四页。,表3.1 316和316L不锈钢材料(cilio)的力学性能,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(goy)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.。,第六页，共四十四页。,（2）生物相容性腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差，密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，力学相容性差。溶出的镍离子(lz)有可能诱发肿瘤的形成及本身无生物活性，难于和生物组织形成牢固等原因，应用比例呈下降趋势。（3）临床应用1)齿科：镶牙、齿科矫形、牙根种植及辅助器件2)人工关节和骨折内固定器械：人工肩关节、肘关节、全髋关节、半髋关节、膝关节、踝关节、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、骨牵引钢丝、人工椎体和颅骨板等，3)心血管系统：各种传感器、植入电极的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜、血管内扩张支架等4)其它：如用于各种眼科缝线、人工眼导线、眼眶填充、固定环等。,第七页，共四十四页。,3.2 Co基合金（1）分类、组成和性能钴基合金通常是指Co-Cr合金，基本上分为两类：一类是Co-Cr-Mo合金，一般通过铸造加工，铸造Co-Cr-Mo合金已经在牙科方面应用了近几十年，目前主要用于制造人工关节连接件；另一类是Co-Ni-Cr-Mo合金，一般通过热锻加工，锻造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造关节替换假体连接件的主干，承受重载荷，如膝关节和髋关节等。Co-Ni-Cr-Mo合金是一种最有名的钴基合金，它大约含有Ni35%(质量(zhling)分数)和Co35%(质量分数)，这种合金在压力下对海水(含有Cl-)有很强的抗蚀性，冷加工可大大增加它的强度。但在提高材料力学性能的同时，也增加了材料的加工难度。因此，现在采用热锻方法制造这种合金的植入器械。锻造Co-Ni-Cr-Mo合金和铸造Co-Cr-Mo合金一样具有相似的耐磨性能,在关节模拟测试中大约是每年被磨损0.14mm)。但是，由于Co-Ni-Cr-Mo合金较差的耐磨性能而不提倡用来制作关节假体的摩擦面。锻造Co-Ni-Cr-Mo合金具有很高的疲劳强度和极限抗拉强度，植入很长时间后，也很少会发生断裂。,第八页，共四十四页。,Co基合金如同其他合金材料一样，强度(qingd)提高的同时降低了塑性。其弹性模量不随极限抗拉强度(qingd)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(dinxng)钴基合金性能,第九页，共四十四页。,（2）生物相容性 从耐蚀性看，它也是所用医用金属材料中最好的，一般认为植入人体后没有明显的组织学反应。但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动(sngdng)率较高，其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co、Ni等离子溶出，在体内引起巨细胞和组织坏死，从而导致患者疼痛以及关节的松动、下沉。钴、镍、铬还可以产生皮肤过敏反应，其中以钴最为严重。（3）临床应用 适合于制造体内承载苛刻、耐蚀性要求较高的长期植入件，其品种主要有各类人工关节及整形外科植入器械。在心脏外科、齿科等领域均有应用。（4）钴基合金植入器件的制造制造加工方法 三种：精密铸造、机械变形加工和粉末冶金,第十页，共四十四页。,3.3 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(qbi)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)。,表3.3 Ti金属和Ti合金化学成分组成(以质量(zhling)分数计),第十一页，共四十四页。,商业用纯Ti和Ti6Al4V合金的机械立力学性能如表3-4，它们的弹性模量约为110GPa，大约是钴基合金的一半。钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一，钛易于氧反应形成致密氧化钛(TiO2)钝化膜，植入后引起的组织反应轻微。凝胶状态的TiO2膜甚至具有(jyu)诱导体液中钙、磷离子沉积生成磷灰石的能力，表现出一定的生物活性和骨结合能力，尤其适合于骨内埋植。,表3-4 Ti及Ti合金(hjn)的机械力学性能(ASTM，F136),第十二页，共四十四页。,（2）生物相容性：钛及钛合金的缺点是硬度较低，耐磨性差。为了改善钛及钛合金的耐磨性能，可将钛制品表面进行高温离子氮化及应用离子注入技术处理，通过引起晶格畸变，使制品表面呈压力状态，从而提高硬度和耐磨性。离子氮化后的纯钛及钛合金硬度分别提高7倍和2倍。纯钛的磨损率降低到原来的1/2，钛合金降低到原来的1/6；氮化后钛材的年腐蚀率是非氮化的1/3。动物实验表明组织对表面渗氮钛材反应轻微，材料无毒性。利用离子注入技术，可在钛及合金表面注入氮离子，使其表面生成氮化钛陶瓷涂层，大大提高钛制品的耐磨，耐蚀性能，如TC4氮化前后，制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的1/3。（3）临床应用 钛及钛合金具有优异的使用特性，被世界公认是生物医疗领域中优异的金属材料，采用钛及钛合金制造的股骨头、髋关节、肱骨、颅骨、膝关节、肘关节、肩关节、掌指关节、颌骨以及心瓣膜、肾瓣膜、血管扩张器、夹板、假体、紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中，取得了良好的效果(xiogu)，被医学界给予了很高的评价。,第十三页，共四十四页。,（4）钛和钛合金植入器件的制造 钛是非常(fichng)活跃的元素，在高温有氧气存在时甚至能燃烧，因此在高温加工处理过程中，需在惰性气氛或真空条件进行。氧容易扩散进入钛使材料变脆，因此，任何加热处理或锻造都应在低于925C的条件下进行。由于钛易磨损，在机械加工过程中易黏刀，使加工变得困难，可采用电化学加工方法解决这一问题。,第十四页，共四十四页。,3.4 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(gti)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。,第十五页，共四十四页。,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(yngd)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。,第十六页，共四十四页。,3.4.3 Ni-Ti合金Ni-Ti合金具有形状记忆的特性，微米晶态的Ni-Ti合金在接近室温时就展现出奇特的形状记忆效应(xioyng)：当温度低于转变温度时进行塑性变形，然后温度一升高，它就会回复到原始形状。形状记忆效应普遍认为与无扩散马氏体相变有关，即本质上就是热弹性。热弹性行为归因于母相和马氏体的排序秩序。充分地了解与马氏体相变相关地机械行为和热行为是必要的。形状记忆合金可用于拱形牙齿矫正。,第十七页，共四十四页。,3.5 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(biomin)都能立即生成一层化学性能稳定的钝化膜，从而使钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，并具有良好的生物相容性。钽植入骨内能与周围生成的新骨直接接触。最近有研究表面，多孔金属钽在其表面进行生物活化处理后，植入动物体内，孔内有新骨生成，即具有诱导成骨性。这表明金属钽具有优良的生物学性能19。钽合金力学性能见表3-5。钽可加工成板、带、丝材，用于制造骨板、骨钉、夹板、缝合针等外科植入器械。临床上，钽片刻用于修补颅盖，钽丝可缝合神经、肌腱和血管，钽板可用于修补骨缺损，钽网可用于修补肌肉组织。此外，在血管金属支架表面镀一层钽，能明显提高血管支架的抗血栓性能。通过制造工艺控制和冷加工处理，钽也可以用作承力部位的修复。,表3-5 钽合金(hjn)机械力学性能,第十八页，共四十四页。,（2）医用铂 铂是一种银白色金属，俗称白金。晶体结构为面心立方。铂具有高熔点、高沸点和低蒸气压的特点，铂的化学性质稳定。铂的主要物理性能为：密度21.45g/cm2(20C)，熔点1769C，电阻率9.85cm(0C)9。常见的铂合金有铂铱合金、铂金合金和铂银合金，它们均具有极好的抗蚀性能和物理化学稳定性。用铂及其合金制造的微探针(tn zhn)广泛用于人体神经系统的各种植入性检测和修复用电子装置，心脏起搏器等。铂及其合金的力学性能较差