醫(yī)用金屬材料

1、1 金屬材料在生物醫(yī)用材料中的應(yīng)用【目錄目錄】簡(jiǎn)介生物學(xué)要求分類新型醫(yī)用金屬研究發(fā)展表面改性總結(jié)13Part 1【簡(jiǎn)介】生物醫(yī)用金屬材料，如不銹鋼、鈷基合金、鈦和鈦合金以及貴金屬等與生物物陶瓷及生物高分子材料相比具有高強(qiáng)度、良好的韌性及抗彎曲疲勞強(qiáng)度、優(yōu)異的加工性能等許多其他醫(yī)用材料不可替代的優(yōu)良性能。生物醫(yī)用金屬材料在應(yīng)用中面臨的主要問題，是由于生理環(huán)境的腐蝕而造成的金屬離子向周圍組織擴(kuò)散以及植入材料自身性質(zhì)的退變，前者可能導(dǎo)致毒副作用，后者可能導(dǎo)致植入失效。因此研究和開發(fā)性能更優(yōu)、生物相容性更好的新型生物醫(yī)用金屬材料是材料工作者和醫(yī)務(wù)工作者共同關(guān)心的課題。24Part 2【生物學(xué)要求】良好

2、的組織相容性，包括無毒性、無熱源反應(yīng)、不致畸、不致癌、不引起過敏反應(yīng)或干擾機(jī)體的免疫機(jī)理、不破壞臨近組織，也不發(fā)生材料表面的鈣化沉著等。物理和化學(xué)穩(wěn)定性好，包括強(qiáng)度、彈性、尺寸穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐磨性以及界面穩(wěn)定性等。易于加工成型，材料易于制造，價(jià)格適當(dāng)對(duì)于植入心血管系統(tǒng)或與血液接觸的材料，除能滿足以上條件外，還須具有良好的血液相容性，即不凝血（抗凝血陛好）、不破壞紅細(xì)胞（不溶血）、不破壞血小板、不改變血中蛋白（特別是脂蛋白）、不擾亂電解質(zhì)平衡等。35Part 3【分 類】4醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈦及鈦合金貴金屬以及鉭鈮鋯等醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼近代第一種用作植入材料的是不銹鋼18-8（標(biāo)準(zhǔn)

3、牌號(hào)302），其強(qiáng)度比釩鋼高，抗蝕能力也較強(qiáng)。后來，在18-8不銹鋼的基礎(chǔ)上，人們發(fā)展了316不銹鋼。該不銹鋼中Mo元素的存在改善了其在生理鹽水中的抗蝕性。至20世紀(jì)50年代，316不銹鋼中的最高碳含量由0.08（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降到0.03（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），提高了316不銹鋼在氯化物溶液中的抗蝕性能，成為新的316不銹鋼。5醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼316不銹鋼是制作醫(yī)用人工關(guān)節(jié)比較廉價(jià)的常用金屬材料，主要用作關(guān)節(jié)柄和關(guān)節(jié)頭材料。但臨床表明316不銹鋼植入人體后，在生理環(huán)境中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生縫隙腐蝕或摩擦腐蝕以及疲勞腐蝕破裂等問題，從而引起假體松動(dòng)，最終導(dǎo)致植入體失效。6醫(yī)用不銹鋼醫(yī)用不銹鋼近些年來低鎳和無鎳的

4、醫(yī)用不銹鋼正逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。日本的物質(zhì)材料研究所（筑波市）開發(fā)了一種不含鎳的硬質(zhì)不銹鋼的簡(jiǎn)易生產(chǎn)方法。這樣生產(chǎn)的無鎳不銹鋼解決了原來難以加工而制造成本太高的問題。利用此法生產(chǎn)的無鎳不銹鋼生產(chǎn)成本低廉，有望廣泛用于醫(yī)療領(lǐng)域例。7醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈷基合金鈷基合金通常指CoCr合金，有種基本牌號(hào)：CoCrMo合金和CoNiCr Mo合金。鍛造加工的CoNiCr Mo合金是一種新材料，用于制造關(guān)節(jié)替換假體連接件的主干，如膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)替換假體等。美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)推薦了種可在外科植入中使用的鈷基合金，它們是：鍛造CoCrMo合金（F76），鍛造CoCr WNi合金（F90），鍛造CoNiCrMo合金

5、（F562），鍛造CoNiCr MoWFe合金（F563）。其中鍛造CoCrMo合金和鍛造CoNiCr Mo合金已廣泛用于植入體制造。8醫(yī)用鈷基合金醫(yī)用鈷基合金四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以有效提高鈷鉻鉬高熔鑄造合金的抗拉強(qiáng)度，也能有效增強(qiáng)口腔鑄造合金的彎曲彈性模量、抗彎強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。但是由于鈷基合金價(jià)格較高，并且合金中Co、Ni元素存在著嚴(yán)重致敏性等生物學(xué)問題，應(yīng)用受到一定的限制，近些年通過表面改性技術(shù)來改善鈷基合金的表面特性，有效提高了其臨床效果。9醫(yī)用鈦及鈦合金醫(yī)用鈦及鈦合金純鈦具有無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，因此，20世紀(jì)50年代美國和英國開始把

6、純鈦用于生物體。到了20世紀(jì)60年代，鈦合金開始作為人體植入材料而廣泛應(yīng)用于臨床。從最初的Ti-6Al-4V到隨后的Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb合金，以及近些年發(fā)展起來的新型鈦合金，鈦合金在人體植入材料方面獲得了較大的發(fā)展。1973年北京有色金屬研究總院與天津市骨科醫(yī)療器械廠合作生產(chǎn)了300個(gè)鈦人工股骨和髖關(guān)節(jié)，并用于臨床。10醫(yī)用鈦及鈦合金醫(yī)用鈦及鈦合金由于釩有毒，對(duì)人體具有潛在的有害影響，因此20世紀(jì)70-80年代世界各國開始用鈦合金研制無釩植入物。80年代中期種新型型鈦合金Ti-5Al-2.5Fe和Ti-6Al-7Nb在歐洲得到了發(fā)展，這類合金的力學(xué)性能與Ti-6Al-

7、4V相近，具有較好的生物相容性和耐腐蝕性。11醫(yī)用鈦及鈦合金醫(yī)用鈦及鈦合金然而此類合金仍含有舢元素（Al元素能導(dǎo)致器官的損傷，引起骨軟化、貧血和神經(jīng)紊亂等癥狀），且其彈性模量為骨彈性模量的410倍。種植體與骨彈性模量之間的不匹配，使得載荷不能由種植體很好地傳遞到相鄰骨組織，出現(xiàn)“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致種植體周圍出現(xiàn)骨吸收，最終引起種植體松動(dòng)或斷裂，造成種植失敗。12貴金屬及鉭鈮鋯貴金屬及鉭鈮鋯醫(yī)用貴金屬是指用作生物醫(yī)用材料的金、銀、鉑及其合金的總稱。貴金屬的生物相容性較好，但價(jià)格昂貴，所以類貴金屬得到發(fā)展，如仿金材料的研究。鉭具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗生理腐蝕性，鉭的氧化物基本上不被吸收和不呈

8、現(xiàn)毒性反應(yīng)，可以和其他金屬結(jié)合使用而不破壞其表面的氧化膜。13貴金屬及鉭鈮鋯貴金屬及鉭鈮鋯在臨床上，鉭也表現(xiàn)出良好的生物相容性。鈮、鉭及鋯與鈦都具有極相似的組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)上也得到一定應(yīng)用。但總的來說，醫(yī)用貴金屬和鉭、鈮、鋯等金屬因其價(jià)格較貴，廣泛應(yīng)用受到限制1416Part 4【新型醫(yī)用金屬研究進(jìn)展】15鎂及鎂合金由于密度低，比強(qiáng)度、比剛度高等優(yōu)異的綜合性能已被較為廣泛地應(yīng)用在航空航天、電子通信、汽車制造等領(lǐng)域。從這十幾年來國內(nèi)外對(duì)鎂及鎂合金各方面的報(bào)道發(fā)現(xiàn)鎂如作為硬組織植入材料，與現(xiàn)己投入臨床使用的各種金屬植入材料相比，具有資源豐富、與人骨的密質(zhì)骨密度相近、鎂及鎂合金有高的比

9、強(qiáng)度與比剛度且加工性能良好、能有效地緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，鎂離子對(duì)人體的微量釋放是有益的，且鎂及其合金與生物相容性好，資源豐富，價(jià)格低。17Part 4【新型醫(yī)用金屬研究進(jìn)展】16雖然有很多優(yōu)于其他金屬生物材料的性能，但鎂及鎂合金的耐蝕性能較差，并且在腐蝕介質(zhì)中產(chǎn)生的氧化膜疏松多孔，不能對(duì)基體產(chǎn)生很好的保護(hù)作用。尤其是在含有一離子的腐蝕介質(zhì)中，表面膜的完整性會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致腐蝕加劇。因此，要使鎂及鎂合金替代現(xiàn)有金屬生物材料成為可能，必須對(duì)其進(jìn)行表面改性，以滿足臨床應(yīng)用對(duì)生物材料耐蝕性能的苛刻要求。18Part 5【表 面 改 性】171 1稀土轉(zhuǎn)化膜對(duì)鎂及鎂合金進(jìn)行表面改性2 2堿處理

10、熱處理對(duì)鎂及鎂合金的表面改性19Part 5【表 面 改 性】18稀土無毒環(huán)保，而且具有較好的生物相容性。用激光在Ti-6Al-4V上合成及涂覆含稀土的生物基鈣磷基陶瓷涂層。植入成年狗7-180d后，與骨結(jié)合良好?？梢姡瑢⑾⊥赁D(zhuǎn)化膜工藝處理過的純鎂或鎂合金應(yīng)用在生物材料領(lǐng)域是可能的1 1稀土轉(zhuǎn)化膜對(duì)鎂及鎂合金進(jìn)行表面改性20Part 5【表 面 改 性】19在803下熱處理9-25后，再將試樣放在HBSS溶液中浸泡。風(fēng)干后用失重法測(cè)量發(fā)現(xiàn)部分試樣重量不但沒有減少，而且有增加的現(xiàn)象。并且增加的重量（質(zhì)量百分比）與熱處理時(shí)間成正比。用堿處理的方法表面改性純鎂，探索其在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域應(yīng)用的可能性。2 2堿處理熱處理對(duì)鎂及鎂合金的表面改性但這種堿處理法處理純鎂還存在著許多問題，如堿液處理純鎂時(shí)對(duì)純鎂的嚴(yán)重腐蝕、涂層致密疏松等，都需要解決與完善。21Part 6【總 結(jié)】20對(duì)鎂及鎂合金作為醫(yī)用金屬材料進(jìn)行研究在國外也剛起步，但鎂及鎂合金作為現(xiàn)有金屬生物材料的新一代產(chǎn)品所表現(xiàn)出