常用醫(yī)用金屬材料

1、常用醫(yī)用金屬材料概述生物醫(yī)用金屬材料(biomedicalmetallicmaterials)用于整形外科、牙科等領(lǐng)域。由它制成的醫(yī)療器件植人人體內(nèi)，具有治療、修復(fù)、替代人體組織或器官的功能，是生物醫(yī)用材料的重要組成部分。生物醫(yī)用金屬材料是人類最早利用的生物醫(yī)用材料之一，其應(yīng)用可以追溯到公元前400300年，那時(shí)的腓尼基人就已將金屬絲用于修復(fù)牙缺失。1546年純金薄片被用于修復(fù)缺損的顱骨。直到1880年成功地利用貴金屬銀對(duì)病人的膝蓋骨進(jìn)行縫合，1896年利用鍍饃鋼螺釘進(jìn)行骨折治療后，才開(kāi)始了對(duì)金屬醫(yī)用材料的系統(tǒng)研究。本世紀(jì)30年代，隨著鉆銘合金、不銹鋼和鈦及合金的相繼開(kāi)發(fā)成功并在齒科和骨科中得

2、到廣泛的應(yīng)用，奠定了金屬醫(yī)用材料在生物醫(yī)用材料中的重要地位。70年代，Ni-Ti形狀記憶合金在臨床醫(yī)學(xué)中的成功應(yīng)用以及金屬表面生物醫(yī)用涂層材料的發(fā)展，使生物醫(yī)用金屬材料得到了極大的發(fā)展，成為當(dāng)今整形外科等臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的材料。雖然近20年來(lái)生物醫(yī)用金屬材料相對(duì)于生物醫(yī)用高分子材料、復(fù)合材料以及雜化和衍生材料的發(fā)展比較緩慢，但它以其高強(qiáng)度、耐疲勞和易加工等優(yōu)良性能，仍在臨床上占有重要地位。目前，在需承受較高荷載的骨、牙部位仍將其視為首選的植人材料。最重要的應(yīng)用有：骨折內(nèi)固定板、螺釘、人工關(guān)節(jié)和牙根種植體等。生物醫(yī)用金屬材料要在人體內(nèi)生理環(huán)境條件下長(zhǎng)期停留并發(fā)揮其功能，其首要條件是材料必須具有

3、相對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性能，從而獲得適當(dāng)?shù)纳锵嗳菪?。迄今為止，除醫(yī)用貴金屬、醫(yī)用鈦、袒、鋸、鉛等單質(zhì)金屬外，其他生物醫(yī)用金屬材料都是合金，其中應(yīng)用較多的有：不銹鋼、鉆基合金、鈦合金、饃鈦形狀記憶合金和磁性合金等。第一節(jié)生物醫(yī)用金屬材料的特性與生物相容性生物醫(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，具重要性與生物醫(yī)用高分子材料并駕齊驅(qū)，在整個(gè)生物醫(yī)用材料應(yīng)用中各占45%左右。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(duì)穩(wěn)定的化學(xué)性能，獲得一定的生物相容性，植人生物組織后，總是以異物的形式被生物

4、組織所包裹，使之與正常組織隔絕。組織反應(yīng)一般根據(jù)植人物周圍所形成的包膜厚度及細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)的ASTM-F4的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:金屬材料埋植6個(gè)月后，纖維包膜厚度0.03mm為合格。人體體液約合l%氯化鈉及少量其他鹽類和有機(jī)化合物，局部酸堿性經(jīng)常略有變化，溫度保持在37c左右，這種環(huán)境對(duì)金屬材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物可能是離子、氧化物、氯化物等，它們與鄰近的組織接觸，甚至滲人正常組織或整個(gè)生物系統(tǒng)中，對(duì)正常組織產(chǎn)生影響和刺激、以引起包括組織非正常生長(zhǎng)、崎變、過(guò)敏或炎癥、感染等不良生物反應(yīng)，甚至誘發(fā)癌變。腐蝕作用同時(shí)會(huì)使材料的力學(xué)性能產(chǎn)生衰減，這兩種過(guò)程通常單獨(dú)或協(xié)同造成材料的失效。因

5、此，作為生物醫(yī)用金屬材料，首先必須滿足兩個(gè)基本條件：第一是無(wú)毒性；第二是耐生理腐蝕性。、金屬材料的毒性生物醫(yī)用金屬材料植人人體后，一般希望能在體內(nèi)永久或半永久地發(fā)揮生理功能，所謂半永久對(duì)于金屬人工關(guān)節(jié)來(lái)說(shuō)至少在15年以上，在這樣一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，金屬表面或多或少會(huì)有離子或原子因腐蝕或磨損進(jìn)人周圍生物組織，因此，材料是否對(duì)生物組織有毒就成為選擇材料的必要條件。當(dāng)然，某些有毒的金屬單質(zhì)與其他金屬元素形成合金后，可以減小甚至消除毒性。例如，不銹鋼中含有毒的鐵、鉆、饃，加人2%有毒的皺可減小毒性；加人20%銘則可消除毒性并增強(qiáng)抗蝕性，因此，合金的研制對(duì)開(kāi)發(fā)新型生物醫(yī)用材料有重要意義。毒性反應(yīng)與材料釋

6、放的化學(xué)物質(zhì)和濃度有關(guān)。因此，若在材料中需引人有毒金屬元素來(lái)提高其他性能，首先應(yīng)考慮采用合金化來(lái)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(lái)提高抗蝕性能。元素周期表上70%的元素是金屬，但由于毒性和力學(xué)性能差等原因，適合用于生物醫(yī)用、材料的純金屬很少，多為貴金屬或過(guò)渡金屬元素。其中基本無(wú)毒的金屬單質(zhì)有：鋁(AL)、錢(Ga)、錮(In)、錫(Sn)、鈦(Ti)、錯(cuò)(Zr)、鋁(Mo)、鴇(W)、金(Au)、鉗(Pt)在常用的生物醫(yī)用合金材料中，還常采用鐵(Fe)、鉆(Co)、銘(Cr)、饃(Ni)、銳(V)、鎰(Mn)等元素，如不銹鋼(Cr-Ni-Mn-Fe)、鉆合

7、金(Co-CrNiMn-W-Fe)等。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(guò)細(xì)胞膜的擴(kuò)散和破壞溶酶體。一般可通過(guò)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(lái)檢測(cè)。二、耐生理腐蝕性生物醫(yī)用金屬材料的耐生理腐蝕性是決定材料植人后成敗的關(guān)鍵。腐蝕的發(fā)生是一個(gè)緩慢的過(guò)程，其產(chǎn)物對(duì)生物機(jī)體的影響決定植人器件的使用壽命。醫(yī)用金屬材料植人體內(nèi)后處于長(zhǎng)期浸泡在含有機(jī)酸、堿金屬或堿土金屬離子(Na+、K+、Ca2+)、CI-離子等構(gòu)成的恒溫(37C)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。止匕外，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(guò)程加劇，可能發(fā)

8、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。生物醫(yī)用金屬材料在人體生理環(huán)境下的腐蝕主要有八種類型：1 .均勻腐蝕化學(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)人人體環(huán)境中的金屬離子總量較大，影響到材料的生物相容性。2 .點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕發(fā)生在金屬表面某個(gè)局部，也就是說(shuō)在金屬表面出現(xiàn)了微電池作用,而作為陽(yáng)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。3 .電偶腐蝕發(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(jiàn)于兩種以上材料制成的組合植人器件，甚至在加工零件過(guò)程中引人的其他工具的微

9、粒屑，以及為病人手術(shù)所必須使用的外科器械引人的微粒屑，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人部件以及相應(yīng)的手術(shù)器械、工具。4 .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，不銹鋼植人器件更為常見(jiàn)。5 .晶問(wèn)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(guò)減少碳、硫、磷等雜質(zhì)含量等手段來(lái)改善品間腐蝕傾向。6 .磨蝕植人器件之間切向反復(fù)的相對(duì)滑動(dòng)所造成的表面磨損和腐蝕環(huán)境作用所造成的腐蝕。不銹鋼的耐磨蝕能力較差，鉆基合金的耐磨蝕能力優(yōu)良。7 .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

10、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。8 .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(kuò)展而造成植人器件斷裂失效。鈦合金和不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感，而鉆基合金對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。在設(shè)計(jì)和加工金屬醫(yī)用植人器件時(shí)，一方面，必須考慮上述8種腐蝕可能造成的失效，從材料成分的準(zhǔn)確性、均勻性、雜質(zhì)元素的含量以及冶煉鑄造后材料的微觀組織的調(diào)整（包括熱加工和熱處理）等諸方面對(duì)材料的質(zhì)量加以控制。另一方面，由于腐蝕與材料表面和環(huán)境有關(guān)，還必須重視改善材料的表觀質(zhì)量，如提高光潔度等，避免制品在形狀、力學(xué)設(shè)

11、計(jì)及材料配伍上出現(xiàn)不當(dāng)。三、機(jī)械性能與生物相容性醫(yī)用金屬材料常作為受力器件在人體內(nèi)"服役"，如人工關(guān)節(jié)、人工椎體、骨折內(nèi)固定鋼板、螺釘、骨釘、骨針、牙種植體等。某些受力狀態(tài)是相當(dāng)惡劣的，如人工孵關(guān)節(jié)，每年要經(jīng)受約3.6X1O6次（以每1萬(wàn)步計(jì)）可能數(shù)倍于人體體重的載荷沖擊和磨損。若要使人工牌關(guān)節(jié)的使用壽命保持在15年以上，則材料必須具有優(yōu)良的機(jī)械性能和耐磨損性。（一）強(qiáng)度與彈性模量人體骨的力學(xué)性能因年齡、部位而異，評(píng)價(jià)骨和材料的力學(xué)性能最重要的指標(biāo)有：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、彈性模量、疲勞極限和斷裂韌性等。人體骨的強(qiáng)度雖然并不很高，如股骨頭的抗壓強(qiáng)度僅為143MPa但

12、具有較低的彈性模量；股骨頭縱向彈性模量約為13.8GPa徑向彈性模量為縱向的1/3,因此，允許較大的應(yīng)變，其斷裂韌性較高。此外，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(jí)，即使模量較低的鈦合金也高出人體骨的45倍，加之材料不能自行調(diào)節(jié)狀態(tài)，因此，材料可能在沖擊載荷下發(fā)生斷裂，如人工雕關(guān)節(jié)柄部折斷。要避免斷裂發(fā)生，通常要求材料的強(qiáng)度高于人骨的3倍以上。此外，還應(yīng)有較高的疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。表3-1王為常用金屬材料的機(jī)械性能。為了保證材料的安全可靠性，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期臨床經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出用于制作人工髓關(guān)節(jié)的醫(yī)用金屬材料力學(xué)性

13、能的基本要求：屈服強(qiáng)度不低于450MPa,極限抗拉強(qiáng)度不低于800MPa,疲勞強(qiáng)度高于400MPa,延伸率高于8%。表3-1常用金屬材料機(jī)械性能金屬?gòu)椥阅Ａ?GPa)抗張強(qiáng)度(MPa)屈服強(qiáng)度(MPa)延伸率(%)疲勞極限(MPA)硬度(維氏)316不銹鋼2006007002403003565260280170200316L不銹鋼2005406202002505060260280170200鑄鉆合金200655450|8316300鍛鉆合金2309001540380105086024483265450純鐵1104055503454851518310240鈦-6鋁-4銳1248968301011

14、551380彈性模量是生物醫(yī)用金屬材料的重要物理性質(zhì)之一，其值過(guò)高或過(guò)低都不利于廣泛應(yīng)用，即呈現(xiàn)生物力學(xué)不相容性。如果金屬的彈性模量相對(duì)骨骼過(guò)高，在應(yīng)力作用下，承受應(yīng)力的金屬和骨將產(chǎn)生不同的應(yīng)變，在金屬與骨的接觸界面處出現(xiàn)相對(duì)的位移，從而造成界面處的松動(dòng)，影響植人器件的功能，或者造成應(yīng)力屏蔽，引起骨組織的功能退化或吸收；金屬的彈性模量過(guò)低，則在應(yīng)力作用下會(huì)造成大的變形，起不到固定和支撐作用。因此，一股希望金屬材料的彈性模量要盡量接近或稍高于人骨的彈性模量。一個(gè)金屬植人器件的使用壽命常常受到金屬與骨組織界面相容性的制約，以往所有的生物金屬醫(yī)用材料均不具備生物活性，金屬和骨組織不會(huì)發(fā)生牢固的結(jié)合，

15、加之彈性模量差異造成的位移和松動(dòng)，使得界面問(wèn)題更加突出。近年來(lái)廣泛開(kāi)展金屬及合金材料(如鈦及其合金)表面活化的研究，使得這一界面問(wèn)題有望解決。從材料本身屬性來(lái)看，不銹鋼、鉆基合金都難以同時(shí)滿足表面活性和降低模量的要求，目前，唯一有希望的是鈦合金，因此，新型鈦合金的開(kāi)發(fā)成為生物醫(yī)用金屬材料的研究熱點(diǎn)。(二)耐磨性對(duì)于摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植人器件的壽命，如金屬人工雕關(guān)節(jié)、股骨頭磨損會(huì)產(chǎn)生有害的金屬微?；蛩樾?，這些微粒有較高的能量狀態(tài)，容易與體液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致磨損局部周圍組織的炎癥、毒性反應(yīng)等。金屬易于磨損的原因之一是金屬內(nèi)部的滑移系統(tǒng)較多，在應(yīng)力作用下滑移不易受到阻礙。材

16、料的硬度可用來(lái)反映材料的耐磨性，因?yàn)橛捕仁遣牧系挚蛊渌矬w刻劃或壓人其表面的能力，也可理解為在固體表面產(chǎn)生局部變形所需的能量。因此，可通過(guò)提高材料的硬度來(lái)改善耐磨性。如果提高材料整體的硬度，則可能損害材料的其他特性，通常采用表面處理的方法來(lái)使材料表面晶化，使滑移受到阻礙，從而提高材料的表面硬度。在某些場(chǎng)合，還可以考慮選擇較為適合的磨擦隅，以減少磨損。如采用高密度聚乙烯與鉆合金和鈦合金配伍。但近來(lái)又有聚乙烯磨損屑對(duì)人有害的報(bào)導(dǎo)。總之，應(yīng)盡量避免造成有害磨損物的出現(xiàn)，并把磨損產(chǎn)物控制在較低量的水平。到目前為止，金屬的耐磨損性還沒(méi)有得到突破性的改善。因此，人們又把目光集中于陶瓷材料，用金屬做關(guān)節(jié)柄，

17、陶瓷（A12O3、ZTASi3N4等）做股骨頭的人工關(guān)節(jié)應(yīng)運(yùn)而生。一、醫(yī)用不銹鋼（一）組成、生產(chǎn)工藝與性質(zhì)醫(yī)用不銹鋼（stainlesssteelasbiomedicalmateria1為鐵基耐蝕合金，是最早開(kāi)發(fā)的生物醫(yī)用合金之一，以其易加工、價(jià)格低廉而得到廣泛的應(yīng)用，其中應(yīng)用最多的是奧氏體超低碳316L和317L不銹鋼。表2-2為常用醫(yī)用金屬材料的成分表，相應(yīng)的機(jī)械性能見(jiàn)表3-1。由表3-2上可見(jiàn)，不銹鋼316、316L和317L的主要區(qū)別在于依次碳含量逐漸降低，而這三種不銹鋼的耐腐蝕性依次增強(qiáng)，其原因是由于碳可引起材料內(nèi)晶粒間的腐蝕。此外，增加適量3%4%）的鑰可增加材料在氯離子環(huán)境（生理

18、環(huán)境）中的抗腐蝕能力。因此，316L和317L兩種合金已于1987年納入國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO5832和ISO7153中。我國(guó)已于1990年制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1241790,并于1991年開(kāi)始實(shí)施。表3-2金屬材料成分（ASTM,1978）（以質(zhì)量百分比計(jì)）元素316不銹鋼316L317L鑄鉆合金鍛鉆合金1級(jí)純鈦鈦-6鋁-4鉗鐵597000.7503.0W0.2000.251鉆一57674056一一銘1720182027301621一一鍥12141115<2.5911一一鈦一一一余量余量叵一一一一5.56.5生一一一一3.44.5碳<0.08<0.03<0.350.050

19、.15一一匠<2.00<1.0002.00一一.|磷|00.03一一一一硫<0.03一一一一|硅<0.75<0.10<0.10一一鑰2.04.03.04.05.07.0一一一鴇一一1416一一氯一一一<0.03<0.05氫一一一<0.015<0.0125氧一一一<0.018<0.13其他0.40合計(jì)不銹鋼中的銘（Cr）可形成氧化銘鈍化膜，改善抗腐蝕能力；饃（Ni）和（Cr）起到穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的作用；饃的含量為12%14%時(shí)，可得到單相奧氏體組織，防止轉(zhuǎn)化為其他性能不佳的結(jié)構(gòu)。此外，降低不銹鋼中的Si、Mn等雜質(zhì)元素及非金屬

20、夾雜物，可進(jìn)一步提高材料的抗腐蝕能力。除組成可以影響到材料的性能外，材料的制造和加工工藝同樣也可以在比較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)材料的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。通常采用兩種工藝生產(chǎn)醫(yī)用不銹鋼。對(duì)于低純度醫(yī)用不銹鋼，一般采用惰性氣體保護(hù)，真空或非真空熔煉工藝生產(chǎn)。而高純度醫(yī)用不銹鋼一般先通過(guò)真空熔煉，然后再用真空電弧爐重熔或電渣重熔除去雜質(zhì)，使其純化。臨床應(yīng)用較多的高純度醫(yī)用不銹鋼，通常先后經(jīng)熱加工、冷加工和機(jī)械加工制作成各種醫(yī)療器件。冷加工可大幅度提高醫(yī)用不銹鋼的強(qiáng)度，但并不引起塑性、韌性的明顯降低。采用機(jī)械拋光或電解拋光，可提高器件表面光潔度，有助于消除材料表面易腐蝕及應(yīng)力集中隱患，提高不銹鋼植人器件的使

21、用壽命。（二）生物相容性醫(yī)用不銹鋼的生物相容性與其在機(jī)體內(nèi)的腐蝕行為及其所造成的腐蝕產(chǎn)物所引起的組織反應(yīng)有關(guān)。其腐蝕行為涉及均勻腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、品同腐蝕、磨蝕和疲勞腐蝕。但常見(jiàn)的有點(diǎn)腐蝕，一般認(rèn)為是用含量不足及外力擦傷或傷等所致；界面腐蝕也是醫(yī)用不銹鋼的一種重要腐蝕現(xiàn)象，主要由縫隙腐蝕、磨蝕和電偶腐蝕構(gòu)成，尤其前兩種更為常見(jiàn)。常因設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致應(yīng)力及磨損，如在骨折固定板與骨釘、椎體與銷釘之間接觸界面產(chǎn)生應(yīng)力集中和磨損。由于腐蝕會(huì)造成金屬離子或其他化合物進(jìn)人周圍的組織或整個(gè)機(jī)體，因而可在機(jī)體內(nèi)引起某些不良組織學(xué)反應(yīng)，如出現(xiàn)水月中、感染、組織壞死等，從而導(dǎo)致疼痛和過(guò)敏反應(yīng)等。在多數(shù)情況下，

22、人體只能容忍微量濃度的金屬腐蝕物存在。因此，必須從材料的組成、制造工藝和器件設(shè)計(jì)等多方面著手，盡量避免不銹鋼在機(jī)體內(nèi)的腐蝕和磨損的發(fā)生。大量的臨床資料顯示，醫(yī)用不銹鋼的腐蝕造成其長(zhǎng)期植人的穩(wěn)定性差，加之其密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，導(dǎo)致力學(xué)相容性差。因其溶出的鍥離子有可能誘發(fā)月中瘤的形成及本身無(wú)生物活性，難于和生物組織形成牢固的結(jié)合等原因，造成其應(yīng)用比例近年呈下降趨勢(shì)，但醫(yī)用不銹鋼，尤其是奧氏體316L不銹鋼，仍以其較好的生物相容性和綜合力學(xué)性能以及簡(jiǎn)便的加工工藝和低成本在骨科、口腔修復(fù)和替換中占有重要的地位。（三）臨床應(yīng)用醫(yī)用不銹鋼在骨外科和齒科中應(yīng)用最為廣泛。1 .人工關(guān)節(jié)和骨折內(nèi)

23、固定器械。如人工牌關(guān)節(jié)、半牌關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、踝關(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、人工椎體和顱骨板等，這些植人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 .在齒科方面，醫(yī)用不銹鋼被廣泛應(yīng)用于鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件。如各種齒冠、齒橋、固定支架、卡環(huán)、基托等；各種規(guī)格的嵌件、牙列矯形弓絲、義齒和頜骨缺損修復(fù)等。3 .在心血管系統(tǒng)，醫(yī)用不銹鋼廣泛應(yīng)用于各種植人電極、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；各種臨床介人性治療的血管內(nèi)擴(kuò)張支架等。4

24、.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、各種宮內(nèi)避孕環(huán)和用于輸卵管栓堵等。二、醫(yī)用鉆基合金（一）組成與性能最早開(kāi)發(fā)的醫(yī)用鋁基合金（cobaltalloyasbilmedicalmaterial）為鉆銘鋁（Co-Cr-Mo）合金，其結(jié)構(gòu)為奧氏體。以其優(yōu)良的力學(xué)性能和較好的生物相容性，尤其是優(yōu)良的耐蝕、耐磨和鑄造性能廣泛得到應(yīng)用。其耐蝕性比不銹鋼強(qiáng)數(shù)10倍，硬度比不銹鋼高1/3（見(jiàn)表3-1）因鉆銘鋁合金；為了改善鉆銘鋁合金的疲勞破壞問(wèn)題，70年代又開(kāi)發(fā)出具有良好疲勞性能的鍛造鉆鍥銘鋁鴇鐵（Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe）

25、合金和具有多相組織的MP35N鉆鍥銘鋁合金。表3-3分別給出了典型鉆基合金的成分和性能。止匕外，精密鑄造含鈦的鉆基合金也有應(yīng)用，如商品牌號(hào)為T(mén)itaron和Titalium等。目前，應(yīng)用最多的是鑄造鉆銘鋁合金，該合金已被納入ISO5582/4標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)也于1990年將其歹人國(guó)標(biāo)GB12417-90。表3-3鈾基合金成分（）種類元素鑄造CeCrMe鍛造CeCrWNi熱等靜壓CeCrMe鍛造CeCrWN鍛造(ISO)CeNiCrMeWF鍛造eMP35N(ISO)口<2,5<1,00.149.011.015,025.033,037.0Cr26.5|30.0|2628273019.021.

26、018,022.019,021.0Me4.57.0575.81一3.04.09.010.5W一一一14.016.03.04.0一Fe<1,0<0.750.15<3,04,06.0<1,0Ti一一一一0.53.5一C<0.35<0.050.23<0.050.15<0.05<0.0251Mr<1,0<1,00.40<2.00<1.00<0.15Si<1.o<1,0一<1.00<0.50<0.15|s一一一一<0.010<0.010Co工他其他其他其他其他n其他(二)制造工藝

27、與力學(xué)性能醫(yī)用鉆基合金的力學(xué)性能不僅與其成分密切相關(guān)，同樣還與其制造工藝有關(guān)。在表2-4中的四種粘基合金中，只有鉆銘鋁合金可以在鑄態(tài)下直接應(yīng)用，其他三類均為醫(yī)用鍛造鉆基合金。表3-4典型鉆墓合金性能性能狀態(tài)屈服強(qiáng)度(MPa)拉伸強(qiáng)度(MPa)延伸率(%疲勞強(qiáng)度(MPa)CeCrMe鑄態(tài)固溶退火鍛造退火5155339627251143150766591528250280897一(ASTM)4508CoCrWNi退火冷加工退火（ASTM）35013103108621510860601210345586MP35N退火冷加工冷加工加時(shí)效退火（ISO）24012061586300795127617938

28、005010840333555850一CoNiCrMcWfe退火冷加工退火（ISO）2758282766001000600501850鉆在室溫下是六方（hcp）密排晶體結(jié)構(gòu)，其高溫穩(wěn)定相為面心立方（fcc）密排晶體結(jié)構(gòu)。由于兩相的相變自由能較低，通過(guò)合金成分的微調(diào)整和塑性加工，可使合金在室溫下得到上述兩相混合的復(fù)相組織，從而提高力學(xué)性能。醫(yī)用鉆基合金的制造加工方法主要有精密鑄造、機(jī)械變形加工和粉末冶金三種。精密鑄造多用于制造形狀復(fù)雜的制品，鉆銘鋁合金具有較寬的力學(xué)性能，在大多數(shù)情況下可滿足臨床的要求。在需要時(shí)也可采用固溶退火鍛造、熱等靜壓來(lái)改善其組織缺陷，提高疲勞性能和力學(xué)性能，但后者成本昂貴

29、而很少采用。機(jī)械變形工藝可使合金的鑄態(tài)結(jié)構(gòu)破碎，并得到晶粒細(xì)微的纖維狀組織，提高力學(xué)性能。常用的機(jī)械加工工藝有熱軋產(chǎn)制、擠壓和沖壓。同鑄造鉆銘鋁合金相比，鍛造鉆基合金力學(xué)性能更優(yōu)越（見(jiàn)表2-4）鍛造鉆基合金的人工孵關(guān)節(jié)在人體內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂的概率大大減少。粉末冶金工藝是先將合金制成粉末，然后通過(guò)燒結(jié)得到相應(yīng)的制品。為了提高燒結(jié)體的密、度，多采用熱等靜壓燒結(jié)工藝，但其成本高，應(yīng)用受到限制。無(wú)論采用何種工藝生產(chǎn)鉆基合金植人件，為了得到良好的光潔表面，必須對(duì)植人件進(jìn)行加工、打磨和拋光。當(dāng)涉及鉆基合金的焊接時(shí)，一般采用電子束焊或鴇極氮弧焊。（三）生物相容性鉆基合金在人體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，很少見(jiàn)腐蝕現(xiàn)象，

30、與不銹鋼相比，其鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好。從耐磨性看，它也是所有醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認(rèn)為植人人體后沒(méi)有明顯的組織學(xué)反應(yīng)。但用鑄造鉆基合金制作的人工孵關(guān)節(jié)在體內(nèi)的松動(dòng)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)胞及細(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(dòng)、下沉。鉆、鍥、銘還可產(chǎn)生皮膚過(guò)敏反應(yīng)，其中以鉆最為嚴(yán)重。（四）臨床應(yīng)用醫(yī)用鉆基合金和醫(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(duì)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(zhǎng)期植人件。其品種主要有各類人工關(guān)節(jié)及整形外科植人器械。在心臟外科、齒科等領(lǐng)域均有應(yīng)用，詳見(jiàn)醫(yī)用不銹鋼。三、醫(yī)用

31、鈦及其合金（一）組成、生產(chǎn)工藝與性質(zhì)本世紀(jì)40年代以來(lái)，隨著鈦冶煉工藝的完善，以及鈦良好的生物相容性得到證實(shí)，鈦和鈦合金逐漸在臨床醫(yī)學(xué)中獲得應(yīng)用。1951年已開(kāi)始用純鈦?zhàn)鹘庸前搴凸锹葆?。鈦及鈦合金的密度較小，為4.5g/cm3幾乎僅為鐵基和鋁基合金的一半，其比強(qiáng)度高，彈性模量低，生物力學(xué)相容性較好；生物相容性、耐腐蝕性和抗疲勞性能都優(yōu)于不銹鋼和鉆基合金。因此，從70年代中期鈦及鈦合金開(kāi)始獲得廣泛的醫(yī)學(xué)應(yīng)用，成為最有發(fā)展前景的醫(yī)用材料之一。鈦是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，鈦易與氧反應(yīng)形成致密氧化鈦（TiO2）鈍化膜，植人后引起的組織反應(yīng)輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導(dǎo)體液中鈣、磷離

32、子沉積生成磷灰石的能力，表現(xiàn)出一定的生物活性和骨性結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。純鈦在低于882c時(shí)為六方密排（hcp）的a單相組織，力學(xué)性能較低，屈服強(qiáng)度為170485MPa抗拉強(qiáng)度為240550MPa由延伸率為15%24%。隨著鈦中氧含量的增高，純鈦的強(qiáng)度提高，塑性下降。氧起著固溶強(qiáng)化作用。止匕外，采用冷加工變形處理也可以提高純鈦的強(qiáng)度。鈦合金的研制始于宇航結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)，隨后轉(zhuǎn)人醫(yī)學(xué)應(yīng)用。最常用的有TC4（Ti6A14V）人在室溫下具有。a十B兩相混合組織，通過(guò)固溶處理和時(shí)效處理，可使其強(qiáng)度等力學(xué)性能顯著提高。表3-5上為T(mén)i6A14V合金的成分性能表。為了進(jìn)一步改善鈦合金疲勞和斷裂韌性不

33、理想，彈性模量偏高，含有毒性元素銳（V）等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外又新近開(kāi)發(fā)出許多具有更好生物相容性和綜合力學(xué)性能的新型醫(yī)用鈦合金（見(jiàn)表3-6）.國(guó)一口,名義成分別力學(xué)性能6b(MPa)60.2(MPa)S(%)I|w(%)|I6-1(MPa)K1c(MPa)E(GPa)說(shuō)明日Ti15Mo5Zr3Al1284131211487585低模量日Til5Zr4Mo2Ta0.2Pd7266712354相容性日Til5Sn4Nb2Ta0.2Pd9908331449相容性德TiAl2.5Fe10339141539105以Fe代V瑞yTiA17Nb10249211442110局疲勞德Ti30Ta6080低模量、相容性美

34、Ti3Nb13Zr10309001545535079低模量、相容性美Ti12Mo6Zr2Fe100010601864418887485低模量、相容性美Ti15Mo3Nb(21SRx)10341000147983低模量、相容性美Ti35Zr10Nb105010201482100低模量、相容性中國(guó)TAMZ850650155043193105綜合性、相容性（二）表面處理與生物相容性鈦及鈦合金的表面鈍化處理可使材料表面生成一層保護(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。鈍化后的植人器件在生理環(huán)境下均勻腐蝕甚微。但氧化膜中的鈦仍可以以離子的形式擴(kuò)散并積累于周圍組織，引起相

35、鄰組織的顏色呈藍(lán)灰至黑色，經(jīng)多年臨床觀察發(fā)現(xiàn)，這種組織變色反應(yīng)并不造成大的生理危害。鈦及鈦合金缺點(diǎn)是硬度較低，耐磨性差。若磨損發(fā)生，首先導(dǎo)致氧化膜破壞，隨后磨損的顆粒腐蝕產(chǎn)物進(jìn)人生物組織，尤其是Ti6A14V合金中含有毒性的鈾（V）可導(dǎo)致植人物的失效。為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進(jìn)行高溫離子氨化及應(yīng)用離子注人技術(shù)處理，通過(guò)引起晶格畸變，使制品表面呈壓應(yīng)力狀態(tài)，從而提高硬度和耐磨性。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(lái)的1/2,鈦合金降低到原來(lái)的1/6;氮化后鈦材的年腐蝕率是非氨化的1/3。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明組織對(duì)表面滲氨鈦村反應(yīng)輕微，材料無(wú)毒性。止匕

36、外，利用離子注人技術(shù)，可在鈦及合金表面注人氮離子，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(lái)的1/3。為了改善鈦及合金與骨組織的結(jié)合性，可采用等離子噴涂和燒結(jié)法在鈦合金基材表面上涂多孔純鈦或Ti6A14V合金涂層，有利于新骨組織長(zhǎng)人形成機(jī)械性結(jié)合。80年代又開(kāi)發(fā)了鈦合金表面等離子噴涂羥基磷灰石陶瓷涂層的技術(shù)，使鈦合金表面具有生物活性，成功用于鈦種植牙根和人工關(guān)節(jié)柄部，提高了植人物與骨組織的結(jié)合強(qiáng)度。近來(lái)又發(fā)展了多種鈦合金表面改性技術(shù)，有關(guān)的研究將在第四節(jié)中介紹。（三）加工工藝鈦的冶煉和成型加工比其他生物醫(yī)用金屬材料困難，常采用雙真空或惰性氣體保護(hù)的自耗電極熔煉法，并需嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素含量。醫(yī)用鈦合金植人件可采用精密鍛造工藝，也可采用軋制型材工藝制備，其機(jī)械性能相當(dāng)。形狀復(fù)雜的制品也可采用真空熔模精密鑄造工