生物醫(yī)用金屬材料

1、醫(yī)用金屬材料概述醫(yī)用金屬材料概述 常見醫(yī)用金屬材料及特點常見醫(yī)用金屬材料及特點 醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用 常用醫(yī)用金屬材料的發(fā)展常用醫(yī)用金屬材料的發(fā)展 醫(yī)用金屬材料研究拓展方向醫(yī)用金屬材料研究拓展方向 目錄目錄 1.醫(yī)用金屬材料概述 1.1 定義 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，除具有較高的機械 強度和抗疲勞性能，具有良好的生物力學(xué) 性能及相關(guān)的物理性質(zhì)外，還必須具有優(yōu) 良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性 和簡易可行及確切的手術(shù)操作技術(shù)。 1.2 醫(yī)用金屬材料嚴(yán)格滿足如下要求 有足夠的力學(xué)強度和抗疲勞性能 有極好的耐腐蝕

2、性能 ,無磁性 必須無毒、無致癌性與過敏反應(yīng) 具有良好的光潔度4 1 2 3 材料易于制造 ,價格適當(dāng)5 1.2.1 1.2.1 生物相容性生物相容性 即生物學(xué)反應(yīng)最小 1.2.2 1.2.2 優(yōu)良的機械性能優(yōu)良的機械性能 強度與彈性模量（與生物體匹配） 人體骨的強度不高，健康骨骼還具有自行調(diào)節(jié)能力， 不易損壞或斷裂。與人體骨相反，生物醫(yī)用金屬材料 通常具有較高的彈性模量，一般高出人體骨一個數(shù)量 級，即使模量較低的鈦合金也高出人體骨4-5倍 1.2.3 1.2.3 金屬材料的毒性金屬材料的毒性 若在材料中需引入有毒金屬元素來提高其他性能， 首先應(yīng)考慮采用合金化來減小或消除毒性，并提高其耐 蝕性

3、能；其次采用表面保護層和提高光潔度等方法來提 高抗蝕性能。金屬的毒性主要作用于細胞，可抑制酶的 活動，阻止酶通過細胞膜的擴散和破壞溶酶體，一般可 通過組織或細胞培養(yǎng)、急性和慢性毒性試驗、溶血試驗 等來檢測。 1.2.4 1.2.4 耐生理腐蝕性耐生理腐蝕性 醫(yī)用金屬材料植入體內(nèi)后處于長期浸泡在含有有 機酸、堿金屬或堿土金屬離子（Na+、K+、Ca2+）、Cl 離子等構(gòu)成的恒溫（37）電解質(zhì)的環(huán)境中，加之蛋白 質(zhì)、酶和細胞的作用，其環(huán)境異常惡劣，材料腐蝕機制 復(fù)雜。此外，磨損和應(yīng)力的反復(fù)作用，使材料在生物體 內(nèi)的磨損過程加劇，可能發(fā)生多種腐蝕機制協(xié)同作用的 情況。因此，有必要了解材料在體內(nèi)環(huán)境的

4、腐蝕機制， 從而指導(dǎo)材料的設(shè)計和加工。 化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)全部在暴露表面上或在大部分表面上 均勻進行的一種腐蝕。腐蝕產(chǎn)物及其進入人體環(huán)境中的金屬離 子總量較大，影響到材料的生物相容性。 點腐蝕發(fā)生在金屬表面某個局部，也就是說在金屬表 面出現(xiàn)了微電池作用，而作為陽極的部位要受到嚴(yán)重的腐 蝕。臨床資料證實，醫(yī)用不銹鋼發(fā)生點蝕的可能性較大。 ( (1 1) )均勻腐蝕均勻腐蝕 ( (2 2) )點腐蝕點腐蝕 發(fā)生在兩個具有不同電極電位的金屬配件偶上的腐蝕。 多見于兩種以上材料制成的組合植入器件，甚至在加工零件 過程中引入的其他工具的微粒屑，以及為病人手術(shù)所必須使 用的外科器械引入的微粒屑，也可能引發(fā)電

5、偶腐蝕。因此， 臨床上建議使用單一材料制作植入部件以及相應(yīng)的手術(shù)器械、 工具。 ( (3 3) )電偶腐蝕電偶腐蝕 由于環(huán)境中化學(xué)成分的濃度分布不均勻引起的腐蝕，屬 閉塞電池腐蝕，多發(fā)生在界面部位，如接骨板和骨螺釘，不 銹鋼植入器件更為常見。 ( (4 4) ) 縫隙腐蝕縫隙腐蝕 發(fā)生在材料內(nèi)部晶粒邊界上的一種腐蝕，可導(dǎo)致材料力 學(xué)性能嚴(yán)重下降。一般可通過減少碳、硫、磷等雜質(zhì)含量等 手段來改善晶間腐蝕傾向。 ( (5 5) )晶間腐蝕晶間腐蝕 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 磨蝕環(huán)境作用所造成的腐蝕。不銹鋼的耐磨蝕能力較差，鈷 基合金的耐磨蝕能力優(yōu)良。 ( (6 6) )磨蝕

6、磨蝕 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。因此，提高 表面光潔度可改善這一性能。 ( (7 7) )疲勞腐蝕疲勞腐蝕 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。鈦合金和不銹鋼對應(yīng)力 腐蝕敏感，而鈷基合金對應(yīng)力腐蝕不敏感。 ( (8 8) )應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 2.常見醫(yī)用金屬材料及特點 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.具有 優(yōu)

7、良的生物相容性、 耐腐蝕、耐磨性、無 毒性。 無毒、質(zhì)輕、強 度高、生物相容 性好 良好的耐腐蝕 性能和綜合力 學(xué)性能,且加 工工藝簡便 耐腐蝕和力學(xué)性能 綜合衡量,它是最優(yōu) 良的材料之一 醫(yī)用金屬材料在諸多生物材料 中 ,由于具有較高強度和韌性 , 適用于修復(fù)和置換人體硬組。. 3.3.醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用醫(yī)用金屬材料的應(yīng)用 3.1 3.1 概述概述 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。 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

8、制造 的主要材料。 生物醫(yī)用金屬材料以其優(yōu)良的力學(xué)性能、易加工 性和可靠性在臨床醫(yī)學(xué)中獲得了廣泛的應(yīng)用，由于金 屬材料在組成上與人體組織成分相距甚遠，因此，金 屬材料很難與生物組織產(chǎn)生親合，一般不具有生物活 性，它們通常以其相對穩(wěn)定的化學(xué)性能，獲得一定的 生物相容性，植入生物組織后，總是以異物的形式被 生物組織所包裹，使之與正常組織隔絕。 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。 3.2 3.2 常見醫(yī)用金屬材料臨床應(yīng)用常見醫(yī)用金

9、屬材料臨床應(yīng)用 3.2.1 不銹鋼 （1） 人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)固定器械。如人工全髖關(guān)節(jié)、半 髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、監(jiān)管杰、肘關(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、 哈氏棒、魯氏棒、人工椎體和顱骨等，這些植入件可替代 生物體因關(guān)節(jié)炎或外傷損壞的關(guān)節(jié)，應(yīng)用于骨折修復(fù)，骨 排列錯位校正，慢性脊柱矯形和顱骨缺損修復(fù)等。 （2） 在心血管系統(tǒng)，醫(yī)用不銹鋼廣泛應(yīng)用于各種植入電極、傳感 器的外殼和合金導(dǎo)線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜；各種臨床 介入性治療的血管內(nèi)擴張支架等。 （3） 醫(yī)用不銹鋼在其他方面也獲得了廣泛的應(yīng)用，如用于各種眼 科縫線、固定環(huán)、人工眼導(dǎo)線、眼眶填充等；

10、還用于制作人工耳 導(dǎo)線等。 3.2.2 醫(yī)用鈷基合金 醫(yī)用鈷基合金和醫(yī)用不銹鋼是醫(yī)用金屬材 料中應(yīng)用最廣泛的兩類材料。相對不銹鋼而言， 前者更適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐磨性要求較 高的長期植入件。其品種主要有各類人工關(guān)節(jié)及 整形外科植入器械。在心臟外科、齒科等領(lǐng)域均 有應(yīng)用，詳見醫(yī)用不銹鋼。 3.2.3 鈦和鈦合金 （1） 在骨外科，用于制作各種骨折內(nèi)固定器械和人工關(guān)節(jié)。其 特點是彈性模量比其他金屬材料更接近天然骨、密度小、質(zhì)量 輕。但鈦合金耐磨性能不好，且存在咬合現(xiàn)象。因此，用鈦合 金制造組合式全關(guān)節(jié)需注意材料間的配合。 （2） 在顱腦外科，微孔鈦網(wǎng)可修復(fù)損壞的頭蓋骨和硬膜，能有 效保護腦髓

11、液系統(tǒng)。鈦合金也可制作顱骨板用于顱骨的整復(fù)。 （3） 在口腔及額面外科，純鈦網(wǎng)作為骨頭托架已用于顎骨再造 手術(shù)，制作義齒、牙床、托環(huán)、牙橋和牙冠等，在口腔整畸、 口腔種植等領(lǐng)域也有良好的臨床效果。 3.2.4 其他金屬 （1 1）醫(yī)用鉭）醫(yī)用鉭 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

12、學(xué)性能。 （2 2）醫(yī)用鉑 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。 (3)(3)Ni-TiNi-Ti合金合金 在整形外科中NiTi形狀記憶合金用于制作脊 椎側(cè)彎癥矯形器械、人工頸椎椎間關(guān)節(jié)、加壓騎 縫針、人工關(guān)節(jié)、髕骨整復(fù)器、顱骨板、顱骨鉚 釘、接骨板、髓內(nèi)釘、髓內(nèi)鞘、接骨超彈絲、關(guān) 節(jié)接頭等。在口腔科中用作齒列矯正用唇弓絲、 齒冠、托環(huán)、頜骨固定等。 4.常用醫(yī)用金屬材料的發(fā)展 醫(yī)用不銹鋼仍是生物植入材料的主體，研究開發(fā)高耐蝕性、 高耐磨性、高疲勞

13、強度和高韌性生物合金依然重要。無鎳(或低 鎳)高氮奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能和抗蝕性能，在 許多性能方面相當(dāng)于或超過現(xiàn)有的醫(yī)用不銹鋼。 從金屬植入材料的研究現(xiàn)狀來看，純鈦及其鈦合金具有其 它材料無可比擬的優(yōu)越性，特別是近些年發(fā)展起來的新型-鈦 合金。因此，開發(fā)研究更適合臨床應(yīng)用的新型鈦合金不失為 人體用金屬植入材料的一個主要發(fā)展方向。 鈦相關(guān)研發(fā)現(xiàn)狀 據(jù)報道，世界上每年有近千噸醫(yī)用型鈦及鈦合金材料用于制 造人體植入物，其中 80%的是Ti-6Al-4V鈦合金。 隨著醫(yī)用型 Ti-6Al-4V鈦合金應(yīng)用發(fā)展，開發(fā)出具有高斷裂韌性 ，低裂紋擴展的低間隙元素型Ti-6Al-4V ELI鈦合金

14、。 材料學(xué)界專家積極開發(fā)無鋁、釩的新型鈦合金，如：Ti-13Nb-13Zr 鈦合金（ ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe鈦合金（ AST M F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe鈦合金、Ti-6Al-7Nb鈦合金 未證明 Ti-6Al-4V鈦合金制品在人體中的危害作用，從綜合性能、 良好的變形加工與價格定位上看，Ti-6Al-4V合金仍然是至今為 止最理想的人體植入物金屬材料。 鈦合金人造骨 術(shù)后6個月，鈦鈦人工骨完全吸收，骨折愈合， 患者左上臂活動恢復(fù)正常。 5.醫(yī)用金屬材料研究拓展方向 對開發(fā)出的各種生物醫(yī)學(xué)材料進行臨床應(yīng)用實驗，以取得大 量有價值

15、的第一手資料，并及時反饋給材料研究部門，以便迅 速對材料進行改進； 尋求更為理想的表面處理工藝，更好地改善人體植入材料的 表面性能，獲得高質(zhì)量的涂層并解決涂層與基底的結(jié)合問題， 進一步提高生物醫(yī)學(xué)材料與生物體的相容性，提高植入材料的 耐磨性和耐蝕性； 進行材料的復(fù)合化和混雜化研究。此外，許多研究表明，金 屬的磨屑是導(dǎo)致植入件松動的原因。因此，減少由微動引起的 金屬離子或碎片是優(yōu)化長期植入物的關(guān)鍵。 結(jié)語 人類已進入對生物體用金屬材料高需求的時代，亟 待開發(fā)出更多適用于不同植入部位的活性生物材料。目 前生物醫(yī)用材料正在向多種材料復(fù)合、性能互補的方向 發(fā)展。 表面改性技術(shù)在生物材料上的應(yīng)用有效提高

16、了醫(yī) 用金屬材料的表面質(zhì)量，改善了植入物的植入效果。利 用表面改性來提高醫(yī)用金屬材料的生物相容性將會是今 后醫(yī)用金屬材料發(fā)展的趨勢。 1.2 醫(yī)用金屬材料嚴(yán)格滿足如下要求 有足夠的力學(xué)強度和抗疲勞性能 有極好的耐腐蝕性能 ,無磁性 必須無毒、無致癌性與過敏反應(yīng) 具有良好的光潔度4 1 2 3 材料易于制造 ,價格適當(dāng)5 1.2.1 1.2.1 生物相容性生物相容性 即生物學(xué)反應(yīng)最小 1.2.2 1.2.2 優(yōu)良的機械性能優(yōu)良的機械性能 強度與彈性模量（與生物體匹配） 人體骨的強度不高，健康骨骼還具有自行調(diào)節(jié)能力， 不易損壞或斷裂。與人體骨相反，生物醫(yī)用金屬材料 通常具有較高的彈性模量，一般高出

17、人體骨一個數(shù)量 級，即使模量較低的鈦合金也高出人體骨4-5倍 發(fā)生在材料內(nèi)部晶粒邊界上的一種腐蝕，可導(dǎo)致材料力 學(xué)性能嚴(yán)重下降。一般可通過減少碳、硫、磷等雜質(zhì)含量等 手段來改善晶間腐蝕傾向。 ( (5 5) )晶間腐蝕晶間腐蝕 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 磨蝕環(huán)境作用所造成的腐蝕。不銹鋼的耐磨蝕能力較差，鈷 基合金的耐磨蝕能力優(yōu)良。 ( (6 6) )磨蝕磨蝕 (3)(3)Ni-TiNi-Ti合金合金 在整形外科中NiTi形狀記憶合金用于制作脊 椎側(cè)彎癥矯形器械、人工頸椎椎間關(guān)節(jié)、加壓騎 縫針、人工關(guān)節(jié)、髕骨整復(fù)器、顱骨板、顱骨鉚 釘、接骨板、髓內(nèi)釘、髓內(nèi)鞘、接骨超彈絲、關(guān) 節(jié)接頭等。在口腔科中用作齒