1、第三章 医用金属材料,第一页，共八十六页。,目录(ml),第二页，共八十六页。,3.1 医用金属材料概述(i sh),在生物医学材料中，金属材料应用(yngyng)最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料。,第三页，共八十六页。,该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及(yj)人工器官制造的主要材料。化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用
2、的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。,3.1 医用金属材料概述(i sh),第四页，共八十六页。,3.2 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 抗疲劳性能(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(dozh)断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。,（作为摩擦(mc)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）,第五页，共八十六页。,常用医用金属材料不锈钢钴（Co）基合金 钛（Ti）基合金 形状记忆合金
3、(j y h jn)贵金属纯金属钽纯金属铌纯金属铬,第六页，共八十六页。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.1 不锈钢,按显微组织的特点可分为:奥氏体不锈钢铁素体不锈钢马氏体不锈钢沉淀(chndin)硬化型不锈钢等,1）分类(fn li)与概念,第七页，共八十六页。,奥氏体不锈钢是在铁-铬系统中再加入8%以上的镍形成(xngchng)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
4、们熟知的316不锈钢。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.1 不锈钢,1）分类(fn li)与概念,第八页，共八十六页。,不锈钢的耐蚀性和屈服强度可以通过冷加工而提高，避免疲劳断裂。铁基耐蚀合金（一般由铁、铬、镍、钼、锰、硅组成），易加工、价格低廉。一般不锈钢制成多种形体，如针、钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和人工(rngng)假体而用于临床，不锈钢还用于制作各种医疗仪器和手术器械。,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(rngy)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,3.3.1 不锈钢,1）分
5、类(fn li)与概念,第九页，共八十六页。,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(piho)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.。,第十页，共八十六页。,表1 几种主要的不锈钢的组成(z chn)、性能和组织,铁素体和马氏体不锈钢的耐蚀性随含碳量的降低(jingd)和含铬量的增加而提高。,第十一页，
6、共八十六页。,3Cr13和 4Crl3型马氏体不锈钢用于医疗器械，如刀、剪、止血钳、针头(zhntu)等。,Cr18Ni10型奥氏体不锈钢可制作各种(zhn)人工关节和骨折内固定器；在口腔科常用于镶牙、矫形和牙根种植等器件的制作。,不锈钢骨固定(gdng)螺钉和骨固定(gdng)板,第十二页，共八十六页。,器 械 包,第十三页，共八十六页。,腐蚀作用造成(zo chn)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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.1
7、不锈钢,2)生物(shngw)相容性,第十四页，共八十六页。,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(ludng)、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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.1 不锈钢,3)临床(ln chun)应用,第十五页，共八十六页。,热处理原则：不应导
8、致合金在晶界形成Cr4析出，通常热处理 会引起成分的变化，这个问题可通过控制加热 的均匀性以及合理的热处理工艺加以解决。在热处理过程中不希望出现的结果就是在表面(biomin)形 成氧化层，这必须通过化学、酸蚀或机械喷砂的方法 去除。去除氧化层后，部件表面被磨光成镜面或无光 泽的端面，然后清洗，去掉油污，在硝酸中形成表面 钝化层，在包装和杀菌前需要再清洗一次。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.1 不锈钢,4)加工(ji gng)处理,第十六页，共八十六页。,概念：含有较高的铬和钼，又称钴铬钼合金，具有极为优异的 耐腐蚀性（比不锈钢高40倍）和耐磨性，综合力学性 能和生物相容性
9、良好，可通过精密(jngm)铸造成形状复杂的 精密修复体，有硬、中、软三种类型。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,1）分类(fn li)与概念,第十七页，共八十六页。,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(ybn)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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2
10、 Co基合金,1）分类(fn li)与概念,第十八页，共八十六页。,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(xngnng)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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,1）分类(fn li)与概念,第十九页，共八十六页。,锻造Co-Ni-Cr-Mo合金和铸造Co-Cr-Mo合金一样具有相似的(sh de)耐磨性能,在关节模拟测试中
11、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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,1）分类(fn li)与概念,第二十页，共八十六页。,表3.2 典型(dinxng)钴基合金性能,第二十一页，共八十六页。,Co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(yuling)的抗蚀性能。
12、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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,1）分类(fn li)与概念,第二十二页，共八十六页。,从耐蚀性看，它也是所用(su yn)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。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,2）生
13、物(shngw)相容性,第二十三页，共八十六页。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,3）临床(ln chun)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，临床上主要用于人工关节（特别是人体中受载荷最大的髋关节）人工骨及骨科内处固定(gdng)器件的制造齿科修复中的义齿，各种铸造冠、嵌体及固定桥的制造心血管外科及整形科等,第二十四页，共八十六页。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,3）临床(ln chun)应用,钴基合金人体内一般保持钝化状态，与不锈钢比较，钴基合金钝化膜更稳定，耐蚀性更好；在所有医用金属材料中，其耐磨
14、性最好；植入体内不会产生明显的组织反应(fnyng)，适合于制造体内承载苛刻的长期植入件。在整形外科中，用于制造人工髋关节、膝关节以及接骨板、骨钉、关节扣钉和骨针等。在心脏外科中，用于制造人工心脏瓣膜等。,第二十五页，共八十六页。,三种：精密铸造、机械变形加工和粉末冶金 由于其价格(jig)较高，加工困难，应用尚不普及。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.2 Co基合金,4）钴基合金植入器件的制造加工(ji gng)方法,第二十六页，共八十六页。,表2 几种主要的钴基合金的组成、性能和组织,口腔(kuqing)、骨板、骨钉、人工髋关节,第二十七页，共八十六页。,CoCrMo合金
15、(hjn),医用钴基合金更适用(shyng)于体内承载条件苛刻的长期植入件。,第二十八页，共八十六页。,人造髋关节的头杆部分。从股骨(gg)上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。,Co基合金,第二十九页，共八十六页。,Co基合金,第三十页，共八十六页。,Co基合金,第三十一页，共八十六页。,在外科(wik)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
16、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)。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.3 钛和钛合金(hjn),1）分类、组成和性能,第三十二页，共八十六页。,表3.3 Ti金属和Ti合金(hjn)化学成分组成(以质量分数计),3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.3 钛和钛合金(hjn),第三十三页，共八十六页。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.3 钛和钛合金(hjn),1）分类、组成(z chn)和性能,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。,表3-4 Ti及Ti合金的机械力学性能(ASTM，F136),第三十四页，共八十六页。,3.3 常用(chn yn)医用金属材料,3.3.3 钛和钛合金(hjn),1）分类、组成(z chn)和性能,Ti为难熔稀有金属，熔点1762，密度小、比强度高；,Ti合金的强度可达