生物材料第二章

生物材料第二章第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六特點：高強度，耐疲勞，易加工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，在需承受高載荷的骨、牙部位仍被視為首選的植入材料.最重要的應用：骨折內固定板、螺釘、人工關節(jié)和牙根種植體等硬組織修復和替換。此外，也是心血管和軟組織修復以及人工器官制造的重要材料。第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六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34頁，2023年，2月20日，星期六2.生物醫(yī)用金屬材料特性與生物相容性醫(yī)用金屬材料應用中的主要問題是：

由于生理環(huán)境的腐蝕，會造成金屬離子向周圍組織擴散及植入材料自身性質的蛻變，前者可能導致毒副作用，而后者常常導致材料植入失敗。因此醫(yī)用金屬材料要滿足臨床應用，其首要條件是應具有生物相容性和生物安全性，其次是要有良好的耐腐蝕性及力學性能。第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六（1）金屬毒性化學周期表中的大部分金屬不符合生物材料的要求，僅有小部分或經處理過的可用于臨床。

①合金化技術，減小或消除毒性例如：醫(yī)用不銹鋼含有有毒的鐵、鈷、鎳，加入2%的鈹可以減小毒性，加入20%的鉻可以減小甚至消除毒性②表面保護層/提高表面光潔度，，提高耐蝕能力第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六（2）耐生理腐蝕性（均勻腐蝕、點腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕等）機械性能、耐磨性與生物相容性第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六人體環(huán)境特點體液是質量分數約為1%的NaCl、少量其它鹽類及有機化合物的電解質溶液，37C。有人說人體與溫暖的海水相似。在人體的不同部位，甚至同一部位不同時刻，人體組織內體液的成分不一樣。電化學腐蝕的基本規(guī)律對人體環(huán)境中的植入材料的腐蝕完全適用。人體體液環(huán)境由體液構成多種多樣的電解質溶液第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六均勻腐蝕是指接觸腐蝕介質的金屬表面全部產生腐蝕的現象。大面積發(fā)生，以金屬離子形式進入人體組織里的量還是相當可觀，影響生物相容性，增加病人的痛苦甚至危及生命。點腐蝕是一種腐蝕集中在金屬（合金)表面數十微米范圍內且向縱深發(fā)展的腐蝕行式。均勻腐蝕點腐蝕第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六縫隙腐蝕是指連接處出現狹窄的縫隙，電解質溶液進入，使縫內金屬與縫外金屬構成短路原電池，并且在縫內發(fā)生強烈局部腐蝕。多零件植入裝置中，大約有50%遭受縫隙腐蝕。如接骨板和骨螺釘之間電偶腐蝕是由于腐蝕電位不同，造成同一介質中異種金屬接觸處的局部腐蝕。在多個零件構成的植入裝置中，選用的材料不同就容易產生電偶腐蝕。手術時也要注意。電偶腐蝕縫隙腐蝕第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六腐蝕疲勞是指金屬材料在交變應力的共同作用下產生的腐蝕現象。表面微裂紋和缺陷會加劇這種腐蝕，所以可以對植入器件表面拋光提高疲勞壽命。磨損腐蝕是由于植入器件之間反復的相對的滑動所造成的表面磨損與腐蝕環(huán)境的綜合作用結果。磨損腐蝕造成點蝕坑或顆粒形狀的斑疤。磨損腐蝕疲勞腐蝕第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六（3）機械性能與生物相容性強度和模量耐磨性第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六3.常見生物醫(yī)用金屬材料a.醫(yī)用不銹鋼（一般由鐵、鉻、鎳、鉬、錳、硅組成）不銹鋼為鐵基耐蝕合金，，盡管其抗蝕性不如鈷基合金，但易加工，價格低廉，是最早在臨床應用的醫(yī)用材料。

目前最常用的醫(yī)用不銹鋼材料為超低碳奧氏體不銹鋼，316、316L、317L合金元素作用：增加適量的鉬（3％～4％），增加材料在氯離子環(huán)境中的抗腐蝕能力；Cr,形成氧化物鈍化膜，抗蝕；Ni、Cr可以穩(wěn)定奧氏體結構，Ni含量為12％～14％時，單一奧氏體組織；降低不銹鋼中Si、Mn等雜質元素和非金屬夾雜物，可進一步提高抗蝕。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六不銹鋼的耐蝕性主要來源于鉻。實驗證明，只有含鉻量超過12%時鋼的耐蝕性能才會大大提高，因此，不銹鋼中的含鉻量一般均不低于12%。制作方法；真空熔煉——純化生物相容性均勻腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、磨損、疲勞腐蝕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。拋光處理，消除易腐蝕和應力集中隱患，提高使用壽命第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六臨床應用一般不銹鋼制成多種形體，如針、釘、髓內針、齒冠、三棱釘等器件和人工假體而用于臨床，不銹鋼還用于制作各種醫(yī)療儀器和手術器械。人工關節(jié)、骨折內固定器械鑲牙、齒科矯形、牙根種植、輔助器械心血管植入電極、傳感器、人工心臟瓣膜、血管支架眼科固定環(huán)、人工眼導線、眼眶填充避孕環(huán)、輸卵管栓堵第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六頭顱微型鋼板第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六b.鈷基合金含有較高的鉻和鉬，又稱鈷鉻鉬合金，具有極為優(yōu)異的耐腐蝕性（比不銹鋼高40倍）和耐磨性，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。Co-Cr-Mo奧氏體耐蝕性比不銹鋼高數10倍、硬度高1/3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由于其價格較高，加工困難，應用尚不普及。第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六人造髖關節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進金屬桿，桿頭有一個金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一個塑料臼中。

第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六c.鈦及鈦合金生物親和性最好、生物活性和骨結合力好臨床應用廣泛，其質輕、比強度高、彈性模量低、力學性質接近人骨，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。易氧化TiO2（抗蝕、活性）鈦合金TC4(Ti6Al4V)（提高力學性能）鈦表面處理:滲氮、離子氮化、鈍化（提高耐磨和抗蝕性）抗斷裂強度較低，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。第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六主要用于：修補顱骨，制成鈦網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19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六鈦板第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六d.形狀記憶合金

自1951年美國Read等首次報道Au-Cd（金-鎘）合金具有形狀記憶效應以來，目前已發(fā)現有20多種記憶合金，其中以鎳鈦合金在臨床上應用最大。它在不同的溫度下表現為不同的金屬結構相。如低溫時為單斜結構相，高溫時為體心立方結構相，前者柔軟可隨意變形，如拉直式屈曲，而后者剛硬，可恢復原來的形狀，并在形狀恢復過程中產生較大的恢復力。發(fā)現:Nitinol,Ni-Ti+NavalOrdnanceLaboratory第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六形狀記憶合金的冷熱循環(huán)曲線：第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六金屬形狀記憶效應原理（熱彈性馬氏體轉變）（1）、（5）為母相；（2）～（4）為馬氏體相第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六形狀記憶合金可以分為三種：單程記憶效應雙程記憶效應全程記憶效應

第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六特點：奇特的形狀記憶功能、質輕、磁性微弱、強度較高、耐疲勞性能、高回彈性和生物相容性好等。醫(yī)用Ni-Ti合金為Ti44～46％，Ni54~56%彈性模量約62GPa,與人骨接近(7～30GPa)第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六應用：管腔狹窄的治療（喉氣管狹窄、食管狹窄、膽道狹窄、尿道狹窄及閉鎖等）：支架安入管腔狹窄的部位后，能將狹窄管腔撐開，并與管壁相貼緊，固定好；其生物相容性好，長期安放對黏膜無明顯損傷；其高回彈性能順應管道的彎曲，對人體刺激小?？谇豢疲河眠@種材料做成的種植牙具有齒槽骨切口小，固定牢靠等優(yōu)點。骨科：人工關節(jié)，斷骨連接、彎曲脊柱矯正。血管外科：治療主動脈瘤、冠狀動脈和椎動脈狹窄等。第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六北京有色金屬研究院上海鋼鐵研究所第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六e.醫(yī)用貴金屬：Au、Ag、Pt及其合金是一種金屬或合金，如金子具有極高的抗氧化性和抗腐蝕性。貴金屬具有獨特穩(wěn)定的物理和化學性能、優(yōu)異的加工特性、對人體組織無毒副作用、刺激小等優(yōu)良的生物學性能。主要用于口腔科的齒科修復，也可用于小型植入式電子醫(yī)療器械。（1）Au及Au合金（用于口腔牙齒的整牙修復；提高強度的金銀銅合金）（2）Ag及Ag合金（銀汞合金：銀銅錫合金粉＋汞，銀含量40%~70%,口腔填充材料）（3）Pt及Pt合金（抗氧化、耐蝕，制造的微探針廣泛用于神經系統(tǒng)的檢測）第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六f.醫(yī)用鉭、鈮、鋯材料具有良好的抗生理腐蝕性和可塑性，獨特的表面負電性使其具有優(yōu)良的抗血栓性能和生物相容性，還有很高的抗缺口裂紋能力。植入骨內能和周圍的新骨形成骨性結合；植入軟組織中，肌肉等組織可依附在鉭條上正常生長。退火后的純鉭很軟，可加工成板、帶、箔絲等使用。主要用作接骨板、顱骨板、骨螺釘、種植牙根、頜面修復體、義齒及外科手術縫線和縫合針；鉭網可用于肌肉缺損修補；鉭絲和鉭箔用于縫合修補受損的神經、肌腱和血管；鉭還可以用于血管內支架及人工心臟、植入型電子裝置；鉭的同位素可用于放射治療。只是由于鉭的資源少、價格較高，使其推廣受很大限制。醫(yī)用鉭（Ta）第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六醫(yī)用鈮（Nb）性能和應用范圍與鉭非常相似，用于修補顱骨和制作醫(yī)療器械。但由于來源困難，價格昂貴，使用受到限制，主要用于制造髓內釘等。第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六醫(yī)用鋯（Zr)化學性能與金屬鈦相似，耐蝕性能、加工性能、穩(wěn)定性和生物相容性都很好，主要用于人工骨和修補顱骨，可加工成各種板、帶、線材在臨床上使用。醫(yī)用鋯可與鈦等同使用，但其價格較貴，在臨床中較難推廣。第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期六常見醫(yī)用金屬材料特點（優(yōu)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,廣泛應用受到限制較硬富有彈性,可起到矯形或支撐作用.其優(yōu)良的生物相容