生物醫(yī)用金屬材料

1、班級： 10無機(jī) 組員： 杜嘉慶 韓星 李月 梁云 羅明洋 組員分工：組員分工：資料搜集：羅明洋資料整理：杜嘉慶PPT制作：韓星 李月PPT講解：韓星 李月 梁云醫(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(diǎn)常見醫(yī)用金屬材料及特點(diǎn)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)用醫(yī)用金屬材料研究金屬材料研究拓展方向拓展方向目錄目錄 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(jī)械強(qiáng)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

2、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(qiáng)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4123材料易于制造 ,價(jià)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)良的優(yōu)良的機(jī)械性能機(jī)械性能 強(qiáng)度與彈性模量（與生物體匹配） 人體骨的強(qiáng)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(gè)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

3、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，并提高其耐蝕性能；其次采用表面保護(hù)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(xì)胞，可抑制酶的活動(dòng)，阻止酶通過細(xì)胞膜的擴(kuò)散和破壞溶酶體，一般可通過組織或細(xì)胞培養(yǎng)、急性和慢性毒性試驗(yàn)、溶血試驗(yàn)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(jī)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(xì)胞的作用，其環(huán)境異常惡劣，材料腐蝕機(jī)制復(fù)雜。此外，磨損和應(yīng)力的反復(fù)作用，使材料

4、在生物體內(nèi)的磨損過程加劇，可能發(fā)生多種腐蝕機(jī)制協(xié)同作用的情況。因此，有必要了解材料在體內(nèi)環(huán)境的腐蝕機(jī)制，從而指導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)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(jìn)行的一種腐蝕。腐蝕產(chǎn)物及其進(jìn)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(diǎn)腐蝕發(fā)生在金屬表面某個(gè)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(shí)，醫(yī)用不銹鋼發(fā)生點(diǎn)蝕的可能性較大。( (1 1) )均勻腐蝕均勻腐蝕( (2 2) )點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕 發(fā)生在兩個(gè)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

5、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(dòng)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

6、合金的耐磨蝕能力優(yōu)良。( (6 6) )磨蝕磨蝕 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(kuò)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(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

7、用.具有優(yōu)良的生物相容性、耐腐蝕、耐磨性、無毒性。無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)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(qiáng)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(bǔ)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(qiáng)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。 生物醫(yī)用金

8、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(yuǎn)，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)用金屬材料臨床應(yīng)用 3.2.1 不銹鋼（1） 人工關(guān)節(jié)和

9、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(cuò)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(kuò)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；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

10、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(diǎn)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(hù)腦髓液系統(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

11、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(jìn)行生物活化處理后，植入動(dòng)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。 （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

12、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、高疲勞強(qiáng)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

13、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(gè)主要發(fā)展方向。鈦相關(guān)研發(fā)現(xiàn)狀據(jù)報(bào)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(kuò)展的低間隙元素型Ti-6Al-4V ELI鈦合金。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（ ASTM

14、 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(jià)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(gè)月，鈦鈦人工骨完全吸收，骨折愈合，患者左上臂活動(dòng)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(jìn)行臨床應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，以取得大量有價(jià)值的第一手資料，并及時(shí)反饋給材料研究部門，以便迅速對材料進(jìn)行改進(jìn)； 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(jìn)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(jìn)行材料的復(fù)合化