醫(yī)用金屬材料講稿課件

目錄醫(yī)用金屬材料的特性與要求2

醫(yī)用金屬材料的腐蝕4常用醫(yī)用金屬材料3金屬與合金表面涂層處理5醫(yī)用金屬材料概述1

醫(yī)用金屬材料的研究進展6第1頁/共76頁目錄醫(yī)用金屬材料的特性與要求2醫(yī)用金屬材料的腐蝕4常用醫(yī)用11.

醫(yī)用金屬材料概述在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應用最早，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。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。第2頁/共76頁1.醫(yī)用金屬材料概述在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應用最早2該材料是臨床應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和替換、心血管和軟組織修復以及人工器官制造的主要材料?；瘜W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。第3頁/共76頁該材料是臨床應用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強度和韌性32醫(yī)用金屬材料的特性與要求(1)生物相容性:

即生物學反應最小

無不良刺激、無毒害，引起毒性反應、免疫反應，

不致癌、不致畸，無炎性反應，不引起感染，不被排斥。

有助于愈合和附著。第4頁/共76頁2醫(yī)用金屬材料的特性與要求(1)生物相容性:無不良4(2)優(yōu)良的機械性能:

強度與彈性模量（與生物體匹配）耐磨性

抗疲勞性能(3)耐腐蝕性能：

腐蝕不僅降低或破壞金屬材料的機械性能，導致斷裂，還產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對人體有刺激性和毒性。（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植入器件的壽命）第5頁/共76頁(2)優(yōu)良的機械性能:（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨5常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼鈷（Co）基合金鈦（Ti）基合金形狀記憶合金貴金屬純金屬鉭純金屬鈮純金屬鉻第6頁/共76頁常用醫(yī)用金屬材料第6頁/共76頁6（一）

不銹鋼（1）分類、組成和性能按顯微組織的特點可分為:奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼馬氏體不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼等

3常用醫(yī)用金屬材料第7頁/共76頁（一）不銹鋼3常用醫(yī)用金屬材料第7頁/共76頁7表1幾種主要的不銹鋼的組成、性能和組織◆◆鐵素體和馬氏體不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的降低和含鉻量的增加而提高。第8頁/共76頁表1幾種主要的不銹鋼的組成、性能和組織◆◆鐵素體和馬8

奧氏體不銹鋼是在鐵-鉻系統(tǒng)中再加入8%以上的鎳形成鐵-鉻-鎳三元合金，隨著碳含量的增加，強度大幅度地提高，抗腐蝕性能優(yōu)異，常作為生物材料選用。

最早用于植入材料的不銹鋼是18-8(即302不銹鋼)，其強度與耐蝕性能均優(yōu)于釩鋼。

引入18-8sMo，其中的Mo能夠改善在電解質(zhì)溶液中的耐腐蝕性能，這就是我們熟知的316不銹鋼。

20世紀50年代，316不銹鋼的碳含量由0.08%降低為0.03%，進一步提高了其在含Cl溶液體系中的耐蝕性能，降低了材料致敏性，這就是常見的316L不銹鋼第9頁/共76頁第9頁/共76頁9表3.1給出了奧氏體不銹鋼316和316L的力學性能。顯然，退火態(tài)的材料硬度與強度較低，而經(jīng)過冷加工后，材料可以具有更高的強度和硬度。這說明此類材料可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)力學性能。

但即使是牌號為316L的不銹鋼在體內(nèi)的特定環(huán)境下（如在高壓或缺氧區(qū)域）也會被腐蝕。它們適合做臨時裝置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子。第10頁/共76頁表3.1給出了奧氏體不銹鋼316和316L的力學性能10材料狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%洛氏硬度/HRB退火態(tài)5152054095316冷精軋62031035－冷加工86069012300～350退火態(tài)5051954095316L冷精軋60529535－冷加工86069012－

表3.1316和316L不銹鋼材料的力學性能第11頁/共76頁材料狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%洛氏硬度/11不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價格低廉。一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術器械。第12頁/共76頁不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。12（2）生物相容性腐蝕作用造成其長期植入的穩(wěn)定性差，密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，力學相容性差。溶出的鎳離子有可能誘發(fā)腫瘤的形成及本身無生物活性，難于和生物組織形成牢固等原因，應用比例呈下降趨勢。第13頁/共76頁（2）生物相容性第13頁/共76頁13（3）臨床應用1)齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件2)人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器械：人工肩關節(jié)、肘關節(jié)、全髖關節(jié)、半髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腕關節(jié)及指關節(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、人工椎體和顱骨板等，3)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內(nèi)擴張支架等4)其它：如用于各種眼科縫線、人工眼導線、眼眶填充、固定環(huán)等。第14頁/共76頁（3）臨床應用第14頁/共76頁143Cr13和4Crl3型馬氏體不銹鋼用于醫(yī)療器械，如刀、剪、止血鉗、針頭等。00Cr18Ni10型奧氏體不銹鋼可制作各種人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器；在口腔科常用于鑲牙、矯形和牙根種植等器件的制作。不銹鋼骨固定螺釘和骨固定板第15頁/共76頁3Cr13和4Crl3型馬氏體不銹鋼用于醫(yī)療器械，如刀、剪15器械包第16頁/共76頁器械包第16頁/共76頁16（二）鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，鈷基合金人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好（比不銹鋼高40倍）；在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好；植入體內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的組織反應，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。

綜合力學性能和生物相容性良好，可通過精密鑄造成形狀復雜的精密修復體，有硬、中、軟三種類型。第17頁/共76頁（二）鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，鈷17

（1）分類、組成和性能鈷基合金通常是指Co-Cr合金，基本上分為兩類：一類是Co-Cr-Mo合金，一般通過鑄造加工，鑄造Co-Cr-Mo合金已經(jīng)在牙科方面應用了近幾十年，目前主要用于制造人工關節(jié)連接件；另一類是Co-Ni-Cr-Mo合金，一般通過熱鍛加工，鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干，承受重載荷，如膝關節(jié)和髖關節(jié)等。

第18頁/共76頁

第18頁/共76頁18表2幾種主要的鈷基合金的組成、性能和組織口腔、骨板、骨釘、人工髖關節(jié)較低第19頁/共76頁表2幾種主要的鈷基合金的組成、性能和組織口腔、骨板、骨釘19

Co-Ni-Cr-Mo合金是一種最有名的鈷基合金，它大約含有Ni35%(質(zhì)量分數(shù))和Co35%(質(zhì)量分數(shù))，這種合金在壓力下對海水(含有Cl-)有很強的抗蝕性，冷加工可大大增加它的強度。但在提高材料力學性能的同時，也增加了材料的加工難度。因此，現(xiàn)在采用熱鍛方法制造這種合金的植入器械。

第20頁/共76頁第20頁/共76頁20

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金和鑄造Co-Cr-Mo合金一樣具有相似的耐磨性能,在關節(jié)模擬測試中大約是每年被磨損0.14mm)。但是，由于Co-Ni-Cr-Mo合金較差的耐磨性能而不提倡用來制作關節(jié)假體的摩擦面。

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金具有很高的疲勞強度和極限抗拉強度，植入很長時間后，也很少會發(fā)生斷裂。第21頁/共76頁鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金和鑄造Co-C21種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞強度(MPa)鑄態(tài)5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280鍛造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0－退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.0586退火(ASTM)31086010.0－CoNiCrMo固溶退火240～655795～100050.0－冷加工時效158517908.0－退火27560050.0－CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0－退火(ISO)27660050.0－表3.2典型鈷基合金性能第22頁/共76頁種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞22Co基合金如同其他合金材料一樣，強度提高的同時降低了塑性。其彈性模量不隨極限抗拉強度的變化而變化的。彈性模量范圍從220GPa到234GPa。鑄造和鍛造合金都具有優(yōu)良的抗蝕性能。表中四種鈷基合金，只有鈷鉻鉬合金可以在鑄態(tài)下直接應用，其他三類均為醫(yī)用鍛造鈷基合金。第23頁/共76頁Co基合金如同其他合金材料一樣，強度提高的同時降低了塑性。其23（2）生物相容性從耐蝕性看，它也是所用醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認為植入人體后沒有明顯的組織學反應。但用鑄造鈷基合金制作的人工髖關節(jié)在體內(nèi)的松動率較高，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)引起巨細胞和組織壞死，從而導致患者疼痛以及關節(jié)的松動、下沉。鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)生皮膚過敏反應，其中以鈷最為嚴重。第24頁/共76頁（2）生物相容性第24頁/共76頁24（3）臨床應用

適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長期植入件，臨床上主要用于人工關節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等（4）鈷基合金植入器件的制造制造加工方法三種：精密鑄造、機械變形加工和粉末冶金由于其價格較高，加工困難，應用尚不普及。第25頁/共76頁（3）臨床應用第25頁/共76頁25CoCrMo合金醫(yī)用鈷基合金更適用于體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件。第26頁/共76頁CoCrMo合金醫(yī)用鈷基合金更適用于體內(nèi)承載條件苛刻的長期植26第27頁/共76頁第27頁/共76頁27第28頁/共76頁第28頁/共76頁28（三）鈦基合金Ti為難熔稀有金屬，熔點1762℃，密度小、比強度高；Ti合金對人體毒性小，密度小，彈性模量接近于天然骨，是較佳的金屬生物醫(yī)用材料。Ti合金的強度可達到很高的水平，比強度是不銹鋼的3.5倍；Ti與氧反應形成的氧化膜致密穩(wěn)定，有很好的鈍化作用，具有很強的耐蝕性。在生理環(huán)境下，Ti合金的均勻腐蝕很小，不會發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕。Ti合金的磨損與應力腐蝕較明顯。第29頁/共76頁（三）鈦基合金Ti為難熔稀有金屬，熔點1762℃，密度小、比29密排六方晶格

α-Ti882.5℃以下體心立方晶格

β-Ti882.5℃以上882.5℃鈦合金α類：Al，Sn，Zr等(使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度提高）β類：Cu，V，Nb，Cr，Mo，F(xiàn)e等（作用相反）α＋β類：Al，Sn，Zr，Mo，V等優(yōu)良的塑性，易加工第30頁/共76頁密排六方晶格882.5℃以下體心立方晶格882.5℃以上8830表3幾種主要的Ti基合金的組成與性能第31頁/共76頁表3幾種主要的Ti基合金的組成與性能第31頁/共76頁31（1）分類、組成和性能

在外科植入中運用的Ti金屬材料有四個級別（表3.3），它們之間的區(qū)別在于雜質(zhì)含量不同。

O、N、C、H與Ti形成間隙固溶體，F(xiàn)e與Ti形成置換固溶體。雜質(zhì)元素的含量過大會形成脆性化合物。O、N和C能提高Ti的強度，降低其塑性。Ti很容易吸氫，H含量過高會產(chǎn)生氫脆，降低其韌性。微量的Fe對純鈦性能的影響不像O、N、C那樣強烈。

Ti-6Al-4V是一種廣泛用于制造植入器械的鈦合金，這種合金的主要合金元素是Al(5.5%～6.5%，質(zhì)量分數(shù))和V(3.5%～4.5%，質(zhì)量分數(shù))。第32頁/共76頁第32頁/共76頁32元素ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V氮0.030.030.050.050.05碳0.100.100.100.100.08氫0.0150.0150.0150.0150.0125鐵0.200.300.300.500.25氧0.180.250.350.400.13鈦平衡

表3.3Ti金屬和Ti合金化學成分組成(以質(zhì)量分數(shù)計)第33頁/共76頁元素ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V氮0.030.030.050.33

商業(yè)用純Ti和Ti6Al4V合金的機械立力學性能如表3-4，它們的彈性模量約為110GPa，大約是鈷基合金的一半。

鈦是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，鈦易于氧反應形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。性能ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V抗拉強度/MPa240345450550860屈服強度/MPa170275380485795延伸率/%2420181510斷面收縮率/%3030302525表3-4

Ti及Ti合金的機械力學性能(ASTM，F(xiàn)136)第34頁/共76頁商業(yè)用純Ti和Ti6Al4V合金的機械立力學34（2）生物相容性：鈦及鈦合金的缺點是硬度較低，耐磨性差。

為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進行高溫離子氮化及應用離子注入技術處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓力狀態(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的1/2，鈦合金降低到原來的1/6；氮化后鈦材的年腐蝕率是非氮化的1/3。動物實驗表明組織對表面滲氮鈦材反應輕微，材料無毒性。

利用離子注入技術，可在鈦及合金表面注入氮離子，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的1/3。第35頁/共76頁（2）生物相容性：鈦及鈦合金的缺點是硬度較低，耐磨性差。第335（3）臨床應用

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認是生物醫(yī)療領域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節(jié)、肱骨、顱骨、膝關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)、掌指關節(jié)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學界給予了很高的評價。第36頁/共76頁第36頁/共76頁36（4）鈦和鈦合金植入器件的制造

鈦是非?；钴S的元素，在高溫有氧氣存在時甚至能燃燒，因此在高溫加工處理過程中，需在惰性氣氛或真空條件進行。氧容易擴散進入鈦使材料變脆，因此，任何加熱處理或鍛造都應在低于925°C的條件下進行。由于鈦易磨損，在機械加工過程中易黏刀，使加工變得困難，可采用電化學加工方法解決這一問題。第37頁/共76頁（4）鈦和鈦合金植入器件的制造第37頁/共76頁37臨床應用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學性質(zhì)接近人骨、強度遠低于純鈦，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為理想的一種植入材料?？箶嗔褟姸容^低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復雜，要求條件較高。主要用于：修補顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復腦膜和腹膜、人工骨、關節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補、手術器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。第38頁/共76頁臨床應用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學性質(zhì)接近人骨、強度遠低于38EL1Ti6Al4V鈦基合金制作的骨釘和骨板鈦基合金的醫(yī)學應用：廣泛用于制作各種人工關節(jié)、牙床、人工心臟瓣膜、頭蓋骨修復等方面。第39頁/共76頁EL1Ti6Al4V鈦基合金制作的骨釘和骨板鈦基合金的醫(yī)學應39頭顱微型鋼板第40頁/共76頁頭顱微型鋼板第40頁/共76頁40（四）

齒科用金屬4.1齒科汞齊

汞齊是一種含有汞金屬成分的合金

。汞在室溫下是液態(tài)，它能與其他金屬反應，如銀、錫等，形成一種塑性物質(zhì)，將其填入齲洞中，汞齊隨著時間推移發(fā)生硬化(凝固)。

固態(tài)合金的成分是：至少65%的銀，不超過29%的錫，6%的銅，2%的鋅和3%的汞。

牙醫(yī)在填補齲洞時，一般先在機械研磨器中將微粒狀的固態(tài)合金和汞混合，材料變得容易變形，方便操作，然后填充進準備好的齲洞中。

第41頁/共76頁（四）齒科用金屬第41頁/共76頁41

現(xiàn)在應用的汞齊合金的銀合金粉在組成、形狀及包裝等方面都有了較大改變。在組成方面增加了銅含量，減少了銀含量，使汞齊合金既提高了強度又降低了成本。傳統(tǒng)的銀合金粉制品是按比例配料后，在無氧高溫條件下熔化，澆鑄成錠，再用機械切削粉碎成微細粉末，因此在顯微鏡下為片狀不規(guī)則形。如果將銀合金粉在真空條件下熔化并霧化制粉，則在顯微鏡下觀察為圓球形顆粒，又稱球形銀合金粉。由于球形粉末比不規(guī)則粉末的表面積小，故調(diào)和時所需汞的量也少，因此提高了汞齊合金的強度。第42頁/共76頁第42頁/共76頁42另外，在包裝方面使用膠囊包裝取代傳統(tǒng)的瓶裝，按比例將一定量的汞和銀粉末分別裝于膠囊隔膜兩側(cè)，在兩者調(diào)和后完成汞齊化。這樣既減少了汞的污染又節(jié)約了原材料，并提高了汞齊合金的性能。第43頁/共76頁另外，在包裝方面使用膠囊包裝取代傳統(tǒng)的瓶裝，按比例將一定量的434.2金

金和金合金的耐久性、穩(wěn)定性和抗蝕性，使它們在牙科上成為很有用的金屬

。

若合金含有75%(質(zhì)量分數(shù))或更多的金和其他貴金屬，它們就能保留其良好的抗蝕性。銅與金形成的合金可顯著提高其強度，鉑也能改善其強度，但添加量不能超過4%；否則合金的熔點會提高。銀的加入可抵消銅的顏色。加入少量的鋅可降低其熔點，并排除在熔化過程中形成的氧。不同成分的金合金各有用途。含金量超過83%的合金較軟，用于鑲嵌，但其硬度太低而不能承受太高的壓力。金含量少的較硬合金，用于牙冠和尖端處，可承受較大的壓力。第44頁/共76頁4.2金第44頁/共76頁444.3Ni-Ti合金Ni-Ti合金具有形狀記憶的特性，微米晶態(tài)的Ni-Ti合金在接近室溫時就展現(xiàn)出奇特的形狀記憶效應：當溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時進行塑性變形，然后溫度一升高，它就會回復到原始形狀。形狀記憶效應普遍認為與無擴散馬氏體相變有關，即本質(zhì)上就是熱彈性。熱彈性行為歸因于母相和馬氏體的排序秩序。充分地了解與馬氏體相變相關地機械行為和熱行為是必要的。形狀記憶合金可用于拱形牙齒矯正。第45頁/共76頁4.3Ni-Ti合金第45頁/共76頁45（五）

其他金屬（1）醫(yī)用鉭

鉭是化學活性很高的金屬，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性能穩(wěn)定的鈍化膜，從而使鉭具有很好的化學穩(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，即具有誘導成骨性。這表明金屬鉭具有優(yōu)良的生物學性能[19]。第46頁/共76頁（五）其他金屬第46頁/共76頁46性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa205515屈服強度/MPa140345延伸率/%20～302楊氏模量/GPa—190表3-5鉭合金機械力學性能

鉭合金力學性能見表3-5。鉭可加工成板、帶、絲材，用于制造骨板、骨釘、夾板、縫合針等外科植入器械。臨床上，鉭片刻用于修補顱蓋，鉭絲可縫合神經(jīng)、肌腱和血管，鉭板可用于修補骨缺損，鉭網(wǎng)可用于修補肌肉組織。此外，在血管金屬支架表面鍍一層鉭，能明顯提高血管支架的抗血栓性能。通過制造工藝控制和冷加工處理，鉭也可以用作承力部位的修復。第47頁/共76頁性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa205515屈服強度/MP47（2）醫(yī)用鉑

鉑是一種銀白色金屬，俗稱白金。晶體結(jié)構(gòu)為面心立方。鉑具有高熔點、高沸點和低蒸氣壓的特點，鉑的化學性質(zhì)穩(wěn)定。鉑的主要物理性能為：密度21.45g/cm2(20°C)，熔點1769°C，電阻率9.85μΩ?cm(0°C)[9]。

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用電子裝置，心臟起搏器等。鉑及其合金的力學性能較差及其成本較高，限制了其在醫(yī)學上的推廣應用[。第48頁/共76頁（2）醫(yī)用鉑第48頁/共76頁48（3）醫(yī)用鈮鈮為難熔金屬，熔點為2467°C，其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶體。純鈮的密度為8.5g/cm3。鈮和鉭的化學性質(zhì)很相似，具有良好的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性能。鈮對很多腐蝕介質(zhì)在冷態(tài)或稍熱的條件下不起反應，金屬鈮在空氣中只在溫度高于200°C時才明顯氧化。鈮和Cl、H、N分別在200°C、250°C、400°C時才發(fā)生反應。

第49頁/共76頁（3）醫(yī)用鈮第49頁/共76頁49表

3-6鈮的機械力學性能(ASTM,F560)性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa275300~1000顯微硬度/MPa600~1100275延伸率/%-10~25

鈮的力學性能見表3-6。鈮可通過鍛造、軋制或拉拔等工序加工成棒、板、管、絲和異性材等。鈮容易磨損和黏結(jié)刀具，切削加工時宜采用油水乳化液冷卻，以保持刀具刃部的鋒利性。醫(yī)用鈮一般采用高純鈮，鈮在醫(yī)學方面與鉭類似，如制髓內(nèi)釘?shù)?。由于其來源和?jīng)濟原因，醫(yī)用鈮的用途受到很大的限制。第50頁/共76頁表3-6鈮的機械力學性能(ASTM,F560)性能完全退504醫(yī)用金屬材料的腐蝕

腐蝕：材料與周圍介質(zhì)的化學、電化學或物理溶解作用而導致的破壞過程。

是金屬與它所處的環(huán)境之間發(fā)生的一種不希望出現(xiàn)的化學反應，

將會導致金屬形成氧化物、氫氧化物或其他化合物而持續(xù)析出。

第51頁/共76頁4醫(yī)用金屬材料的腐蝕

腐蝕：材料與周圍介質(zhì)的化學、電514.1腐蝕的機理

本質(zhì)上是電化學腐蝕。其腐蝕原理與原電池的工作原理相類似

產(chǎn)生電子被稱為陽極(氧化)，

消耗電子被稱為陰極(還原)在任何金屬表面都可產(chǎn)生陰極還原，

在陽極氧化產(chǎn)生腐蝕。第52頁/共76頁4.1腐蝕的機理第52頁/共76頁52分類：(1)全面腐蝕

又稱為均勻腐蝕

金屬材料表面各處腐蝕破壞深度差別很小，沒有腐蝕破壞特別嚴重和特別輕微或甚至看不出腐蝕破壞的表面區(qū)域。

在人體內(nèi)，金屬材料的均勻腐蝕速率較低，年失重率較小，一般不存在對材料的結(jié)構(gòu)強度造成大的破壞。但由于均勻腐蝕是在大面積上發(fā)生的，腐蝕產(chǎn)物及其金屬離子進入人體的數(shù)量較多，對周圍組織的生長會有不利的影響。4.2生理腐蝕

----金屬材料在體內(nèi)與人體體液之間發(fā)生的腐蝕

第53頁/共76頁分類：4.2生理腐蝕

----金屬材料53(2)局部腐蝕:不同區(qū)域的腐蝕破壞深度遠遠超過了腐蝕破壞的平均深度。對材料的結(jié)構(gòu)強度影響較大。

①點蝕：在金屬表面局部出現(xiàn)了微電池作用②晶間腐蝕：發(fā)生在材料內(nèi)部晶粒邊界上,導致力學性能下降③縫隙腐蝕：由于環(huán)境中化學成分的濃度分布不均勻引起，屬閉塞電池腐蝕，多發(fā)生在界面部位第54頁/共76頁(2)局部腐蝕:不同區(qū)域的腐蝕破壞深度遠遠超過了腐蝕破壞54(3)磨蝕:植入器件之間切向反復的相對滑動所造成的表面磨損和腐蝕環(huán)境作用所造成的腐蝕。(4)應力腐蝕:在應力和腐蝕介質(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)生力學和電化學綜合作用，導致裂紋迅速擴展而造成植入器件斷裂失效。(5)疲勞腐蝕:材料在腐蝕介質(zhì)中承受某些應力的循環(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。(6)電偶腐蝕:發(fā)生在兩個具有不同電極電位的金屬配件偶上的腐蝕。第55頁/共76頁(3)磨蝕:植入器件之間切向反復的相對滑動所造成的表面磨損55通過陽極極化曲線檢測表明，金屬材料的耐蝕性為鈦合金>鈷基合金>不銹鋼4.3常用金屬材料的耐腐蝕性能提高金屬的抗腐蝕性能的途徑：（1）在材料表面形成保護層（2）提高材料表面光潔度第56頁/共76頁通過陽極極化曲線檢測表明，金屬材料的耐蝕性為鈦合金>鈷基合金56不銹鋼：在不銹鋼中加入鉻、鎳或鈷，或制成Co-Ni-Cr-Ti合金；降低不銹鋼中的Si、Mn等雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物，其耐腐蝕性能可大大提高。貴金屬：有較強抗蝕性，如果僅考慮抗蝕性的話，是理想的植入材料。鈦及鈦合金：表面經(jīng)過鈍化處理可生成一層保護性的氧化膜，提高抗蝕能力。常用的表面鈍化處理有化學和電化學鈍化兩種工藝。Co-Cr-Mo合金：鈷基合金在生物體內(nèi)多保持鈍化狀態(tài)，其鈍化膜穩(wěn)定，耐蝕性好。廣泛用于植入器件的制造。第57頁/共76頁不銹鋼：在不銹鋼中加入鉻、鎳或鈷，或制成Co-Ni-Cr-T575金屬與合金表面涂層處理

金屬及其合金在生物體內(nèi)的腐蝕問題尚未解決，需對其表面進行改性。

表面改性不僅要抑制有害金屬離子的溶出，而且要促進組織的再生和加強材料與組織結(jié)合。

金屬生物材料的表面改性技術主要可以分為：

（1）物理化學方法（2）形態(tài)學方法（3）生物化學方法。

第58頁/共76頁5金屬與合金表面涂層處理

金屬及其合金在生585.1物理化學方法

----改善金屬生物材料表面性能的主要方法（1）熱噴涂（2）脈沖激光融覆：（3）離子濺射（4）噴砂法（5）電結(jié)晶法（6）電化學法（7）離子注入第59頁/共76頁5.1物理化學方法

--595.2形態(tài)學方法：

在不改變金屬基體表層的化學組成的情況下，將其直接植入生物體內(nèi)，從而達到對生物體組織在其上的粘附、生長以及粘附強度產(chǎn)生重要影響。此方法并不在基體表面產(chǎn)生強化層或附加涂層，而是通過改善植入體的表面微觀形貌來獲得最好的植入效果。

形態(tài)學表面改性工藝在提高結(jié)合強度的同時，一般不會減損材料的生物相容性，是一種比較簡單有效的表面改性方法。其具體方法有：等離子噴刷、超音振蕩、激光束點融以及電化學晶界腐蝕等。第60頁/共76頁5.2形態(tài)學方法：

在不改變金屬基體表層的化學組成605.3生物化學方法

將大分子蛋白質(zhì)或酶等有機高分子物質(zhì)引入基體表面，使其具有更優(yōu)良的生物活性，因而具有更直接、更有效的特點。這樣的材料可以促進植入處傷口的愈合，加速植入體與周圍組織的結(jié)合，同時也可以提高植入體的安全性和使用壽命。

大多數(shù)金屬表面存在一層氧化膜，一定條件下會與[H]或H+作用，形成附于基體表面的-OH羥基。在這種情況下用aminopropyltriethoxysilane(APS)對基體進行硅烷化處理，再通過戊二酸醛的作用將一些蛋白質(zhì)或酶的分子如胰蛋白酶，以化學鍵聯(lián)接在基體表面上。此方法是由美國科學家David.A.Puleo提出，它可以將活的生物分子固定在無機、非孔狀、非松散生物材料的表面，從而使材料表面活性大大提高。第61頁/共76頁5.3生物化學方法第61頁/共76頁616醫(yī)用金屬材料研究進展

6.1醫(yī)用鎂及鎂合金材料的研究鎂合金具備作為可降解骨植入材料的多方面優(yōu)點：

(1)鎂是人體內(nèi)含量最多的陽離子之一，幾乎參與人體內(nèi)所有的新陳代謝過程。(2)鎂及鎂合金的彈性模量約為45GPa，更接近人骨的彈性模量，能有效降低應力遮擋效應；鎂與鎂合金的密度約為1.7g/cm3，與人骨密度(1.75g/cm3)接近，符合理想接骨板的要求。

(3)鎂具有獨特的體內(nèi)降解性能

。(4)鎂資源豐富，價格低廉。第62頁/共76頁6醫(yī)用金屬材料研究進展

6.1醫(yī)用鎂及鎂合金材料的研62利用鎂的易降解性能制成可降解心血管支架利用鎂金屬與人體相近的力學性能作為骨固定材料。

作為可降解植入材料，鎂合金存在的最大問題是鎂的耐蝕性能過差，滿足不了植入器件服役期的要求。在提高鎂及鎂合金耐蝕性能方面，研究主要集中在合金化與表面涂層兩方面。在可降解鎂合金的材料研究方面，已經(jīng)開發(fā)了AZ91Ca、Mg-Mn-Zn、Mg-Zn-Y、Mg-Zn-Mn-Ca、Mg-Ca、Mg-1X（X=Al，

Ag，In，Si，Y，Zn和Zr）等多種新型鎂合金。在控制降解速度方面仍沒有取得突破性進展。第63頁/共76頁第63頁/共76頁63鎂合金表面處理在控制基體降解速度的同時，可以賦予其表面以良好的生物活性，是鎂合金可降解植入材料研究的重要內(nèi)容之一。在鎂合金表面處理方面，發(fā)展了β-TCP涂層、氣相沉積晶體Si涂層、電化學沉積及仿生方法制備羥基磷灰石涂層、磷化方法制備磷酸鈣涂層、化學轉(zhuǎn)化錳酸鹽涂層[等多種處理工藝，其中有些涂層可以有效控制鎂合金的降解速度并提高其生物相容性，使人們看到鎂合金應用于生物醫(yī)用領域的希望。第64頁/共76頁第64頁/共76頁646.2多孔醫(yī)用金屬材料研究多孔金屬定義：是指一種金屬骨架里分布著大量孔洞的新型材料，以多樣化空隙為特征的廣義阻尼材料。分類：按期結(jié)構(gòu)來分，可分為無序和有序兩類，前者如泡沫材料，而后者主要是點陣材料。按孔之間是否連通，可分為閉孔和通孔兩類，前者含有大量獨立存在的孔洞,后者則是連續(xù)暢通的三維多孔結(jié)構(gòu)。第65頁/共76頁6.2多孔醫(yī)用金屬材料研究多孔金屬第65頁/共76頁65與實體結(jié)構(gòu)材料相比，由于孔隙的存在，多孔金屬具有一系列特殊性能：良好的可壓縮性、壓縮平臺應力及在變形過程中泊松比的改變等。優(yōu)良的綜合力學性能(主要是強度和剛度)以及重量輕是其最基本的優(yōu)點。此外，多孔金屬可以吸收與沖擊方向無關的較高沖擊能量，還可以有效地應用于聲音吸收、電磁屏蔽和振動阻尼等方面。第66頁/共76頁第66頁/共76頁66多孔金屬材料用于植入材料的優(yōu)點：①多孔結(jié)構(gòu)利于成骨細胞的粘附、分化和生長，促使骨長入孔隙，加強植入體與骨的連接，實現(xiàn)生物固定；②多孔金屬材料的密度、強度和彈性模量可以通過改變孔隙度來調(diào)整，達到與被替換硬組織相匹配的力學性能(力學相容性)，如減弱或消除應力屏蔽效應，避免植入體周圍的骨壞死、新骨畸變及其承載能力降低等；③開放的連通孔結(jié)構(gòu)利于水分和養(yǎng)料在植入體內(nèi)的傳輸，促進組織再生與重建，加快痊愈過程。第67頁/共76頁多孔金屬材料用于植入材料的優(yōu)點：第67頁/共76頁67(1)多孔鉭在顯微鏡下該材料結(jié)構(gòu)如同松質(zhì)骨，其空隙大小在400-600μm之間，整體互聯(lián)的孔隙率高達75%-85%。多孔鉭所具有的三維多孔結(jié)構(gòu)更有利于成骨細胞黏附、分化和生長，促進骨長入，從而加強植入體與骨之間的鏈接，實現(xiàn)生物固定，同時它也更有利于水分和營養(yǎng)物質(zhì)在植入體內(nèi)的傳輸，促進骨組織再生和重建，加快愈合過程。目前在臨床上的應用主要有髖臼假體、脊椎間融合器、缺損骨修復及軟骨修復。圖3-9多孔鉭形貌圖第68頁/共76頁(1)多孔鉭圖3-9多孔鉭形貌圖第68頁/共76頁68(2)多孔鎂及鎂合金多孔鎂基金屬的研究還停留在實驗室階段，尚未進入臨床，但鑒于鎂合金的諸多優(yōu)勢，其未來的臨床應用會有大有前景。(3)多孔鈦多孔鈦已經(jīng)廣泛用于人工關節(jié)矯形手術、牙缺損修復、骨填充材料等。多孔鈦植入物的多孔結(jié)構(gòu)能夠提高植入材料的生物相容性。圖3-11多孔Ti形貌圖圖3-10多孔鎂形貌圖第69頁/共76頁(2)多孔鎂及鎂合金圖3-11多孔Ti形貌圖圖3-10696.3常用金屬植入材料的發(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)良的綜合力學性能和抗蝕性能，在許多性能方面相當于或超過現(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β-鈦合金。因此，開發(fā)研究更適合臨床應用的新型β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。第70頁/共76頁6.3常用金屬植入材料的發(fā)展醫(yī)用不銹鋼仍是生物植入材料的主70最新開發(fā)的生物醫(yī)用鈦合金主要包括：

(1)(α+β)型鈦合金Ti-5Al-3Mo-4Zr；Ti-6Al-2Nb-1Ta；Ti-6Al-7Nb；Ti-15Sn-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-2Ta；Ti-15Zr-4Nb-4Ta。(2)β型鈦合金Ti-15Mo；Ti-15Mo-5Zr-3Al；Ti-12Mo-6Zr-2Fe；Ti-15Mo-2.8Nb-0.2Si；Ti-13Nb-13Zr；Ti-16Nb-10Nf；Ti-35Nb-5Ta-7Nb。

上述新型鈦合金中減少或消除了Al和V元素的影響，并采用Zr、Nb、Ta、Sn等作為合金元素來改善鈦合金的機械性能、耐蝕性和生物相容性。第71頁/共76頁最新開發(fā)的生物醫(yī)用鈦合金主要包括：第71頁/共76頁71

為了改善金屬材料人工關節(jié)假體的生物活性、耐磨性、耐蝕性及假體與骨兩相界面的結(jié)合等，國內(nèi)外相關學者作了大量的表面改性研究。主要研究與應用表現(xiàn)以下幾方面：(1)鈦合金表面的離子氮化和氧擴散處理；(2)金屬假體表生物陶瓷涂層處理；(3)研制粗糙面或多孔面人工關節(jié)；(4)表面堿熱活性處理。第72頁/共76頁為了改善金屬材料人工關節(jié)假體的生物活性、耐磨性、耐蝕性及假72人體用金屬植入材料的研究還包括：①對開發(fā)出的各種生物醫(yī)學材料進行臨床應用實驗，以取得大量有價值的第一手資料，并及時反饋給材料研究部門，以便迅速對材料進行改進；②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)學材料與生物體的相容性，提高植入材料的耐磨性和耐蝕性；③進行材料的復合化和混雜化研究。此外，許多研究表明，金屬的磨屑是導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)化長期植入物的關鍵。第73頁/共76頁人體用金屬植入材料的研究還包括：第73頁/共76頁73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合、性能互補的方向發(fā)展。

表面改性技術在生物材料上的應用有效提高了醫(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。第74頁/共76頁結(jié)語人類已進入對生物體用金屬材料高需求的時代74課后習題1、了解醫(yī)用金屬材料的特性與要求。2、了解常用醫(yī)用金屬材料類型及其分類、組成、特性，生物相容性，臨床應用。3、掌握醫(yī)用金屬材料的生理腐蝕機理，腐蝕類型。4、掌握改善金屬生物材料的表面性能的主要方法。5、了解醫(yī)用金屬材料的研究進展基發(fā)展趨勢。第75頁/共76頁課后習題1、了解醫(yī)用金屬材料的特性與要求。第75頁/共76頁75Thankyou!第76頁/共76頁Thankyou!第76頁/共76頁76目錄醫(yī)用金屬材料的特性與要求2

醫(yī)用金屬材料的腐蝕4常用醫(yī)用金屬材料3金屬與合金表面涂層處理5醫(yī)用金屬材料概述1

醫(yī)用金屬材料的研究進展6第1頁/共76頁目錄醫(yī)用金屬材料的特性與要求2醫(yī)用金屬材料的腐蝕4常用醫(yī)用771.

醫(yī)用金屬材料概述在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應用最早，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。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。第2頁/共76頁1.醫(yī)用金屬材料概述在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應用最早78該材料是臨床應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和替換、心血管和軟組織修復以及人工器官制造的主要材料。化學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。第3頁/共76頁該材料是臨床應用最廣泛的承力植入材料，由于有較高的強度和韌性792醫(yī)用金屬材料的特性與要求(1)生物相容性:

即生物學反應最小

無不良刺激、無毒害，引起毒性反應、免疫反應，

不致癌、不致畸，無炎性反應，不引起感染，不被排斥。

有助于愈合和附著。第4頁/共76頁2醫(yī)用金屬材料的特性與要求(1)生物相容性:無不良80(2)優(yōu)良的機械性能:

強度與彈性模量（與生物體匹配）耐磨性

抗疲勞性能(3)耐腐蝕性能：

腐蝕不僅降低或破壞金屬材料的機械性能，導致斷裂，還產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物，對人體有刺激性和毒性。（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨性直接影響到植入器件的壽命）第5頁/共76頁(2)優(yōu)良的機械性能:（作為摩擦部件的醫(yī)用金屬材料，其耐磨81常用醫(yī)用金屬材料不銹鋼鈷（Co）基合金鈦（Ti）基合金形狀記憶合金貴金屬純金屬鉭純金屬鈮純金屬鉻第6頁/共76頁常用醫(yī)用金屬材料第6頁/共76頁82（一）

不銹鋼（1）分類、組成和性能按顯微組織的特點可分為:奧氏體不銹鋼鐵素體不銹鋼馬氏體不銹鋼沉淀硬化型不銹鋼等

3常用醫(yī)用金屬材料第7頁/共76頁（一）不銹鋼3常用醫(yī)用金屬材料第7頁/共76頁83表1幾種主要的不銹鋼的組成、性能和組織◆◆鐵素體和馬氏體不銹鋼的耐蝕性隨含碳量的降低和含鉻量的增加而提高。第8頁/共76頁表1幾種主要的不銹鋼的組成、性能和組織◆◆鐵素體和馬84

奧氏體不銹鋼是在鐵-鉻系統(tǒng)中再加入8%以上的鎳形成鐵-鉻-鎳三元合金，隨著碳含量的增加，強度大幅度地提高，抗腐蝕性能優(yōu)異，常作為生物材料選用。

最早用于植入材料的不銹鋼是18-8(即302不銹鋼)，其強度與耐蝕性能均優(yōu)于釩鋼。

引入18-8sMo，其中的Mo能夠改善在電解質(zhì)溶液中的耐腐蝕性能，這就是我們熟知的316不銹鋼。

20世紀50年代，316不銹鋼的碳含量由0.08%降低為0.03%，進一步提高了其在含Cl溶液體系中的耐蝕性能，降低了材料致敏性，這就是常見的316L不銹鋼第9頁/共76頁第9頁/共76頁85表3.1給出了奧氏體不銹鋼316和316L的力學性能。顯然，退火態(tài)的材料硬度與強度較低，而經(jīng)過冷加工后，材料可以具有更高的強度和硬度。這說明此類材料可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)力學性能。

但即使是牌號為316L的不銹鋼在體內(nèi)的特定環(huán)境下（如在高壓或缺氧區(qū)域）也會被腐蝕。它們適合做臨時裝置，如骨折固定板、固定螺釘或銷子。第10頁/共76頁表3.1給出了奧氏體不銹鋼316和316L的力學性能86材料狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%洛氏硬度/HRB退火態(tài)5152054095316冷精軋62031035－冷加工86069012300～350退火態(tài)5051954095316L冷精軋60529535－冷加工86069012－

表3.1316和316L不銹鋼材料的力學性能第11頁/共76頁材料狀態(tài)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa延伸率/%洛氏硬度/87不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。鐵基耐蝕合金（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成），易加工、價格低廉。一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內(nèi)針、齒冠、、三棱釘?shù)绕骷腿斯ぜ袤w而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術器械。第12頁/共76頁不銹鋼的耐蝕性和屈服強度可以通過冷加工而提高，避免疲勞斷裂。88（2）生物相容性腐蝕作用造成其長期植入的穩(wěn)定性差，密度和彈性模量與人體硬組織相距較大，力學相容性差。溶出的鎳離子有可能誘發(fā)腫瘤的形成及本身無生物活性，難于和生物組織形成牢固等原因，應用比例呈下降趨勢。第13頁/共76頁（2）生物相容性第13頁/共76頁89（3）臨床應用1)齒科：鑲牙、齒科矯形、牙根種植及輔助器件2)人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器械：人工肩關節(jié)、肘關節(jié)、全髖關節(jié)、半髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、腕關節(jié)及指關節(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、人工椎體和顱骨板等，3)心血管系統(tǒng)：各種傳感器、植入電極的外殼和合金導線，可制作不銹鋼的人工心臟瓣膜、血管內(nèi)擴張支架等4)其它：如用于各種眼科縫線、人工眼導線、眼眶填充、固定環(huán)等。第14頁/共76頁（3）臨床應用第14頁/共76頁903Cr13和4Crl3型馬氏體不銹鋼用于醫(yī)療器械，如刀、剪、止血鉗、針頭等。00Cr18Ni10型奧氏體不銹鋼可制作各種人工關節(jié)和骨折內(nèi)固定器；在口腔科常用于鑲牙、矯形和牙根種植等器件的制作。不銹鋼骨固定螺釘和骨固定板第15頁/共76頁3Cr13和4Crl3型馬氏體不銹鋼用于醫(yī)療器械，如刀、剪91器械包第16頁/共76頁器械包第16頁/共76頁92（二）鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，鈷基合金人體內(nèi)一般保持鈍化狀態(tài)，與不銹鋼比較，鈷基合金鈍化膜更穩(wěn)定，耐蝕性更好（比不銹鋼高40倍）；在所有醫(yī)用金屬材料中，其耐磨性最好；植入體內(nèi)不會產(chǎn)生明顯的組織反應，適合于制造體內(nèi)承載苛刻的長期植入件。

綜合力學性能和生物相容性良好，可通過精密鑄造成形狀復雜的精密修復體，有硬、中、軟三種類型。第17頁/共76頁（二）鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，鈷93

（1）分類、組成和性能鈷基合金通常是指Co-Cr合金，基本上分為兩類：一類是Co-Cr-Mo合金，一般通過鑄造加工，鑄造Co-Cr-Mo合金已經(jīng)在牙科方面應用了近幾十年，目前主要用于制造人工關節(jié)連接件；另一類是Co-Ni-Cr-Mo合金，一般通過熱鍛加工，鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金主要用于制造關節(jié)替換假體連接件的主干，承受重載荷，如膝關節(jié)和髖關節(jié)等。

第18頁/共76頁

第18頁/共76頁94表2幾種主要的鈷基合金的組成、性能和組織口腔、骨板、骨釘、人工髖關節(jié)較低第19頁/共76頁表2幾種主要的鈷基合金的組成、性能和組織口腔、骨板、骨釘95

Co-Ni-Cr-Mo合金是一種最有名的鈷基合金，它大約含有Ni35%(質(zhì)量分數(shù))和Co35%(質(zhì)量分數(shù))，這種合金在壓力下對海水(含有Cl-)有很強的抗蝕性，冷加工可大大增加它的強度。但在提高材料力學性能的同時，也增加了材料的加工難度。因此，現(xiàn)在采用熱鍛方法制造這種合金的植入器械。

第20頁/共76頁第20頁/共76頁96

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金和鑄造Co-Cr-Mo合金一樣具有相似的耐磨性能,在關節(jié)模擬測試中大約是每年被磨損0.14mm)。但是，由于Co-Ni-Cr-Mo合金較差的耐磨性能而不提倡用來制作關節(jié)假體的摩擦面。

鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金具有很高的疲勞強度和極限抗拉強度，植入很長時間后，也很少會發(fā)生斷裂。第21頁/共76頁鍛造Co-Ni-Cr-Mo合金和鑄造Co-C97種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞強度(MPa)鑄態(tài)5157259.0250CoCrMo固溶退火533114315.0280鍛造962150728.0897退火(ASTM)4506658.0－退火35086260.0345CoCrWMo冷加工1310151012.0586退火(ASTM)31086010.0－CoNiCrMo固溶退火240～655795～100050.0－冷加工時效158517908.0－退火27560050.0－CoNiCrMoWFe冷加工828100018.0－退火(ISO)27660050.0－表3.2典型鈷基合金性能第22頁/共76頁種類狀態(tài)屈服強度(MPa)抗拉強度(MPa)延伸率(%)疲勞98Co基合金如同其他合金材料一樣，強度提高的同時降低了塑性。其彈性模量不隨極限抗拉強度的變化而變化的。彈性模量范圍從220GPa到234GPa。鑄造和鍛造合金都具有優(yōu)良的抗蝕性能。表中四種鈷基合金，只有鈷鉻鉬合金可以在鑄態(tài)下直接應用，其他三類均為醫(yī)用鍛造鈷基合金。第23頁/共76頁Co基合金如同其他合金材料一樣，強度提高的同時降低了塑性。其99（2）生物相容性從耐蝕性看，它也是所用醫(yī)用金屬材料中最好的，一般認為植入人體后沒有明顯的組織學反應。但用鑄造鈷基合金制作的人工髖關節(jié)在體內(nèi)的松動率較高，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)引起巨細胞和組織壞死，從而導致患者疼痛以及關節(jié)的松動、下沉。鈷、鎳、鉻還可以產(chǎn)生皮膚過敏反應，其中以鈷最為嚴重。第24頁/共76頁（2）生物相容性第24頁/共76頁100（3）臨床應用

適合于制造體內(nèi)承載苛刻、耐蝕性要求較高的長期植入件，臨床上主要用于人工關節(jié)（特別是人體中受載荷最大的髖關節(jié)）人工骨及骨科內(nèi)處固定器件的制造齒科修復中的義齒，各種鑄造冠、嵌體及固定橋的制造心血管外科及整形科等（4）鈷基合金植入器件的制造制造加工方法三種：精密鑄造、機械變形加工和粉末冶金由于其價格較高，加工困難，應用尚不普及。第25頁/共76頁（3）臨床應用第25頁/共76頁101CoCrMo合金醫(yī)用鈷基合金更適用于體內(nèi)承載條件苛刻的長期植入件。第26頁/共76頁CoCrMo合金醫(yī)用鈷基合金更適用于體內(nèi)承載條件苛刻的長期植102第27頁/共76頁第27頁/共76頁103第28頁/共76頁第28頁/共76頁104（三）鈦基合金Ti為難熔稀有金屬，熔點1762℃，密度小、比強度高；Ti合金對人體毒性小，密度小，彈性模量接近于天然骨，是較佳的金屬生物醫(yī)用材料。Ti合金的強度可達到很高的水平，比強度是不銹鋼的3.5倍；Ti與氧反應形成的氧化膜致密穩(wěn)定，有很好的鈍化作用，具有很強的耐蝕性。在生理環(huán)境下，Ti合金的均勻腐蝕很小，不會發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕和晶間腐蝕。Ti合金的磨損與應力腐蝕較明顯。第29頁/共76頁（三）鈦基合金Ti為難熔稀有金屬，熔點1762℃，密度小、比105密排六方晶格

α-Ti882.5℃以下體心立方晶格

β-Ti882.5℃以上882.5℃鈦合金α類：Al，Sn，Zr等(使同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度提高）β類：Cu，V，Nb，Cr，Mo，F(xiàn)e等（作用相反）α＋β類：Al，Sn，Zr，Mo，V等優(yōu)良的塑性，易加工第30頁/共76頁密排六方晶格882.5℃以下體心立方晶格882.5℃以上88106表3幾種主要的Ti基合金的組成與性能第31頁/共76頁表3幾種主要的Ti基合金的組成與性能第31頁/共76頁107（1）分類、組成和性能

在外科植入中運用的Ti金屬材料有四個級別（表3.3），它們之間的區(qū)別在于雜質(zhì)含量不同。

O、N、C、H與Ti形成間隙固溶體，F(xiàn)e與Ti形成置換固溶體。雜質(zhì)元素的含量過大會形成脆性化合物。O、N和C能提高Ti的強度，降低其塑性。Ti很容易吸氫，H含量過高會產(chǎn)生氫脆，降低其韌性。微量的Fe對純鈦性能的影響不像O、N、C那樣強烈。

Ti-6Al-4V是一種廣泛用于制造植入器械的鈦合金，這種合金的主要合金元素是Al(5.5%～6.5%，質(zhì)量分數(shù))和V(3.5%～4.5%，質(zhì)量分數(shù))。第32頁/共76頁第32頁/共76頁108元素ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V氮0.030.030.050.050.05碳0.100.100.100.100.08氫0.0150.0150.0150.0150.0125鐵0.200.300.300.500.25氧0.180.250.350.400.13鈦平衡

表3.3Ti金屬和Ti合金化學成分組成(以質(zhì)量分數(shù)計)第33頁/共76頁元素ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V氮0.030.030.050.109

商業(yè)用純Ti和Ti6Al4V合金的機械立力學性能如表3-4，它們的彈性模量約為110GPa，大約是鈷基合金的一半。

鈦是目前已知的生物親和性最好的金屬之一，鈦易于氧反應形成致密氧化鈦(TiO2)鈍化膜，植入后引起的組織反應輕微。凝膠狀態(tài)的TiO2膜甚至具有誘導體液中鈣、磷離子沉積生成磷灰石的能力，表現(xiàn)出一定的生物活性和骨結(jié)合能力，尤其適合于骨內(nèi)埋植。性能ⅠⅡⅢⅤTi-6Al-4V抗拉強度/MPa240345450550860屈服強度/MPa170275380485795延伸率/%2420181510斷面收縮率/%3030302525表3-4

Ti及Ti合金的機械力學性能(ASTM，F(xiàn)136)第34頁/共76頁商業(yè)用純Ti和Ti6Al4V合金的機械立力學110（2）生物相容性：鈦及鈦合金的缺點是硬度較低，耐磨性差。

為了改善鈦及鈦合金的耐磨性能，可將鈦制品表面進行高溫離子氮化及應用離子注入技術處理，通過引起晶格畸變，使制品表面呈壓力狀態(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的1/2，鈦合金降低到原來的1/6；氮化后鈦材的年腐蝕率是非氮化的1/3。動物實驗表明組織對表面滲氮鈦材反應輕微，材料無毒性。

利用離子注入技術，可在鈦及合金表面注入氮離子，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的1/3。第35頁/共76頁（2）生物相容性：鈦及鈦合金的缺點是硬度較低，耐磨性差。第3111（3）臨床應用

鈦及鈦合金具有優(yōu)異的使用特性，被世界公認是生物醫(yī)療領域中優(yōu)異的金屬材料，采用鈦及鈦合金制造的股骨頭、髖關節(jié)、肱骨、顱骨、膝關節(jié)、肘關節(jié)、肩關節(jié)、掌指關節(jié)、頜骨以及心瓣膜、腎瓣膜、血管擴張器、夾板、假體、緊固螺釘?shù)壬习俜N金屬件移植到人體中，取得了良好的效果，被醫(yī)學界給予了很高的評價。第36頁/共76頁第36頁/共76頁112（4）鈦和鈦合金植入器件的制造

鈦是非?；钴S的元素，在高溫有氧氣存在時甚至能燃燒，因此在高溫加工處理過程中，需在惰性氣氛或真空條件進行。氧容易擴散進入鈦使材料變脆，因此，任何加熱處理或鍛造都應在低于925°C的條件下進行。由于鈦易磨損，在機械加工過程中易黏刀，使加工變得困難，可采用電化學加工方法解決這一問題。第37頁/共76頁（4）鈦和鈦合金植入器件的制造第37頁/共76頁113臨床應用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學性質(zhì)接近人骨、強度遠低于純鈦，耐疲勞、耐蝕性均優(yōu)于不銹鋼和鈷基合金，且生物相容性和表面活性好，是較為理想的一種植入材料?？箶嗔褟姸容^低，耐磨性能不盡人意，加工困難。冶煉及成型工藝復雜，要求條件較高。主要用于：修補顱骨，制成鈦網(wǎng)或鈦箔用于修復腦膜和腹膜、人工骨、關節(jié)、牙和矯形物、人工心臟瓣膜支架、人工心臟部件和腦止血夾、口腔頜面矯形頜修補、手術器械、醫(yī)療儀器頜人工假肢等。第38頁/共76頁臨床應用廣泛，其質(zhì)輕、比強度高、力學性質(zhì)接近人骨、強度遠低于114EL1Ti6Al4V鈦基合金制作的骨釘和骨板鈦基合金的醫(yī)學應用：廣泛用于制作各種人工關節(jié)、牙床、人工心臟瓣膜、頭蓋骨修復等方面。第39頁/共76頁EL1Ti6Al4V鈦基合金制作的骨釘和骨板鈦基合金的醫(yī)學應115頭顱微型鋼板第40頁/共76頁頭顱微型鋼板第40頁/共76頁116（四）

齒科用金屬4.1齒科汞齊

汞齊是一種含有汞金屬成分的合金

。汞在室溫下是液態(tài)，它能與其他金屬反應，如銀、錫等，形成一種塑性物質(zhì)，將其填入齲洞中，汞齊隨著時間推移發(fā)生硬化(凝固)。

固態(tài)合金的成分是：至少65%的銀，不超過29%的錫，6%的銅，2%的鋅和3%的汞。

牙醫(yī)在填補齲洞時，一般先在機械研磨器中將微粒狀的固態(tài)合金和汞混合，材料變得容易變形，方便操作，然后填充進準備好的齲洞中。

第41頁/共76頁（四）齒科用金屬第41頁/共76頁117

現(xiàn)在應用的汞齊合金的銀合金粉在組成、形狀及包裝等方面都有了較大改變。在組成方面增加了銅含量，減少了銀含量，使汞齊合金既提高了強度又降低了成本。傳統(tǒng)的銀合金粉制品是按比例配料后，在無氧高溫條件下熔化，澆鑄成錠，再用機械切削粉碎成微細粉末，因此在顯微鏡下為片狀不規(guī)則形。如果將銀合金粉在真空條件下熔化并霧化制粉，則在顯微鏡下觀察為圓球形顆粒，又稱球形銀合金粉。由于球形粉末比不規(guī)則粉末的表面積小，故調(diào)和時所需汞的量也少，因此提高了汞齊合金的強度。第42頁/共76頁第42頁/共76頁118另外，在包裝方面使用膠囊包裝取代傳統(tǒng)的瓶裝，按比例將一定量的汞和銀粉末分別裝于膠囊隔膜兩側(cè)，在兩者調(diào)和后完成汞齊化。這樣既減少了汞的污染又節(jié)約了原材料，并提高了汞齊合金的性能。第43頁/共76頁另外，在包裝方面使用膠囊包裝取代傳統(tǒng)的瓶裝，按比例將一定量的1194.2金

金和金合金的耐久性、穩(wěn)定性和抗蝕性，使它們在牙科上成為很有用的金屬

。

若合金含有75%(質(zhì)量分數(shù))或更多的金和其他貴金屬，它們就能保留其良好的抗蝕性。銅與金形成的合金可顯著提高其強度，鉑也能改善其強度，但添加量不能超過4%；否則合金的熔點會提高。銀的加入可抵消銅的顏色。加入少量的鋅可降低其熔點，并排除在熔化過程中形成的氧。不同成分的金合金各有用途。含金量超過83%的合金較軟，用于鑲嵌，但其硬度太低而不能承受太高的壓力。金含量少的較硬合金，用于牙冠和尖端處，可承受較大的壓力。第44頁/共76頁4.2金第44頁/共76頁1204.3Ni-Ti合金Ni-Ti合金具有形狀記憶的特性，微米晶態(tài)的Ni-Ti合金在接近室溫時就展現(xiàn)出奇特的形狀記憶效應：當溫度低于轉(zhuǎn)變溫度時進行塑性變形，然后溫度一升高，它就會回復到原始形狀。形狀記憶效應普遍認為與無擴散馬氏體相變有關，即本質(zhì)上就是熱彈性。熱彈性行為歸因于母相和馬氏體的排序秩序。充分地了解與馬氏體相變相關地機械行為和熱行為是必要的。形狀記憶合金可用于拱形牙齒矯正。第45頁/共76頁4.3Ni-Ti合金第45頁/共76頁121（五）

其他金屬（1）醫(yī)用鉭

鉭是化學活性很高的金屬，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性能穩(wěn)定的鈍化膜，從而使鉭具有很好的化學穩(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，即具有誘導成骨性。這表明金屬鉭具有優(yōu)良的生物學性能[19]。第46頁/共76頁（五）其他金屬第46頁/共76頁122性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa205515屈服強度/MPa140345延伸率/%20～302楊氏模量/GPa—190表3-5鉭合金機械力學性能

鉭合金力學性能見表3-5。鉭可加工成板、帶、絲材，用于制造骨板、骨釘、夾板、縫合針等外科植入器械。臨床上，鉭片刻用于修補顱蓋，鉭絲可縫合神經(jīng)、肌腱和血管，鉭板可用于修補骨缺損，鉭網(wǎng)可用于修補肌肉組織。此外，在血管金屬支架表面鍍一層鉭，能明顯提高血管支架的抗血栓性能。通過制造工藝控制和冷加工處理，鉭也可以用作承力部位的修復。第47頁/共76頁性能完全退火冷加工拉伸強度/MPa205515屈服強度/MP123（2）醫(yī)用鉑

鉑是一種銀白色金屬，俗稱白金。晶體結(jié)構(gòu)為面心立方。鉑具有高熔點、高沸點和低蒸氣壓的特點，鉑的化學性質(zhì)穩(wěn)定。鉑的主要物理性能為：密度21.45g/cm2(20°C)，熔點1769°C，電阻率9.85μΩ?cm(0°C)[9]。

常見的鉑合金有鉑銥合金、鉑金合金和鉑銀