生物医用金属材料

班级： 10无机 组员： 杜嘉庆 韩星 李月 梁云 罗明洋,医用金属材料,组员分工：资料搜集：罗明洋资料整理：杜嘉庆PPT制作：韩星 李月PPT讲解：韩星 李月 梁云,医用金属材料,医用金属材料概述,常见医用金属材料及特点,医用金属材料的应用,常用医用金属材料的发展,医用金属材料研究拓展方向,目录,1.医用金属材料概述 1.1 定义 医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。,1.2 医用金属材料严格满足如下要求,有足够的力学强度和抗疲劳性能,有极好的耐腐蚀性能 ,无磁性,必须无毒、无致癌性与过敏反应,具有良好的光洁度,4,1,2,3,材料易于制造 ,价格适当,5,1.2.1 生物相容性 即生物学反应最小 1.2.2 优良的机械性能 强度与弹性模量（与生物体匹配） 人体骨的强度不高，健康骨骼还具有自行调节能力，不易损坏或断裂。与人体骨相反，生物医用金属材料通常具有较高的弹性模量，一般高出人体骨一个数量级，即使模量较低的钛合金也高出人体骨4-5倍,1.2.3 金属材料的毒性 若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能，首先应考虑采用合金化来减小或消除毒性，并提高其耐蚀性能；其次采用表面保护层和提高光洁度等方法来提高抗蚀性能。金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜的扩散和破坏溶酶体，一般可通过组织或细胞培养、急性和慢性毒性试验、溶血试验等来检测。,1.2.4 耐生理腐蚀性 医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含有有机酸、碱金属或碱土金属离子（Na+、K+、Ca2+）、Cl离子等构成的恒温（37）电解质的环境中，加之蛋白质、酶和细胞的作用，其环境异常恶劣，材料腐蚀机制复杂。此外，磨损和应力的反复作用，使材料在生物体内的磨损过程加剧，可能发生多种腐蚀机制协同作用的情况。因此，有必要了解材料在体内环境的腐蚀机制，从而指导材料的设计和加工。,化学或电化学反应全部在暴露表面上或在大部分表面上均匀进行的一种腐蚀。腐蚀产物及其进入人体环境中的金属离子总量较大，影响到材料的生物相容性。,点腐蚀发生在金属表面某个局部，也就是说在金属表面出现了微电池作用，而作为阳极的部位要受到严重的腐蚀。临床资料证实，医用不锈钢发生点蚀的可能性较大。,(1)均匀腐蚀,(2)点腐蚀,发生在两个具有不同电极电位的金属配件偶上的腐蚀。多见于两种以上材料制成的组合植入器件，甚至在加工零件过程中引入的其他工具的微粒屑，以及为病人手术所必须使用的外科器械引入的微粒屑，也可能引发电偶腐蚀。因此，临床上建议使用单一材料制作植入部件以及相应的手术器械、工具。,(3)电偶腐蚀,由于环境中化学成分的浓度分布不均匀引起的腐蚀，属闭塞电池腐蚀，多发生在界面部位，如接骨板和骨螺钉，不锈钢植入器件更为常见。,(4) 缝隙腐蚀,发生在材料内部晶粒边界上的一种腐蚀，可导致材料力学性能严重下降。一般可通过减少碳、硫、磷等杂质含量等手段来改善晶间腐蚀倾向。,(5)晶间腐蚀,植入器件之间切向反复的相对滑动所造成的表面磨损和磨蚀环境作用所造成的腐蚀。不锈钢的耐磨蚀能力较差，钴基合金的耐磨蚀能力优良。,(6)磨蚀,材料在腐蚀介质中承受某些应力的循环作用所产生的腐蚀，表面微裂纹和缺陷可使疲劳腐蚀加剧。因此，提高表面光洁度可改善这一性能。,(7)疲劳腐蚀,在应力和腐蚀介质共同作用下出现的一种加速腐蚀的行为。在裂纹尖端处可发生力学和电化学综合作用，导致裂纹迅速扩展而造成植入器件断裂失效。钛合金和不锈钢对应力腐蚀敏感，而钴基合金对应力腐蚀不敏感。,(8)应力腐蚀,2.常见医用金属材料及特点,良好的稳定性和加工性能。因其价格较贵,广泛应用受到限制,较硬富有弹性,可起到矫形或支撑作用.具有优良的生物相容性、耐腐蚀、耐磨性、无毒性。,无毒、质轻、强度高、生物相容性好,良好的耐腐蚀性能和综合力学性能,且加工工艺简便,耐腐蚀和力学性能综合衡量,它是最优良的材料之一,医用金属材料在诸多生物材料中 ,由于具有较高强度和韧性 ,适用于修复和置换人体硬组。.,3.医用金属材料的应用,3.1 概述 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。 该材料是临床应用最广泛的承力植入材料，由于有较高的强度和韧性，已成为骨和牙齿等硬组织修复和替换、心血管和软组织修复以及人工器官制造 的主要材料。,生物医用金属材料以其优良的力学性能、易加工性和可靠性在临床医学中获得了广泛的应用，由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远，因此，金属材料很难与生物组织产生亲合，一般不具有生物活性，它们通常以其相对稳定的化学性能，获得一定的生物相容性，植入生物组织后，总是以异物的形式被生物组织所包裹，使之与正常组织隔绝。,化学周期表中的大部分金属不符合生物材料的要求，仅有小部分或经处理过的可用于临床。目前在临床使用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金和钛基合金三大类，另外还有记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌和锆等。,3.2 常见医用金属材料临床应用,3.2.1 不锈钢（1） 人工关节和骨折内固定器械。如人工全髋关节、半髋关节、膝关节、监管杰、肘关节、腕关节及指关节。各种规格的皮质骨和松质骨加压螺钉、脊椎钉、骨牵引钢丝、哈氏棒、鲁氏棒、人工椎体和颅骨等，这些植入件可替代生物体因关节炎或外伤损坏的关节，应用于骨折修复，骨排列错位校正，慢性脊柱矫形和颅骨缺损修复等。,（2） 在心血管系统，医用不锈钢广泛应用于各种植入电极、传感器的外壳和合金导线，可制作不锈钢的人工心脏瓣膜；各种临床介入性治疗的血管内扩张支架等。（3） 医用不锈钢在其他方面也获得了广泛的应用，如用于各种眼科缝线、固定环、人工眼导线、眼眶填充等；还用于制作人工耳导线等。,3.2.2 医用钴基合金,医用钴基合金和医用不锈钢是医用金属材料中应用最广泛的两类材料。相对不锈钢而言，前者更适合于制造体内承载苛刻、耐磨性要求较高的长期植入件。其品种主要有各类人工关节及整形外科植入器械。在心脏外科、齿科等领域均有应用，详见医用不锈钢。,3.2.3 钛和钛合金,（1） 在骨外科，用于制作各种骨折内固定器械和人工关节。其特点是弹性模量比其他金属材料更接近天然骨、密度小、质量轻。但钛合金耐磨性能不好，且存在咬合现象。因此，用钛合金制造组合式全关节需注意材料间的配合。（2） 在颅脑外科，微孔钛网可修复损坏的头盖骨和硬膜，能有效保护脑髓液系统。钛合金也可制作颅骨板用于颅骨的整复。（3） 在口腔及额面外科，纯钛网作为骨头托架已用于颚骨再造手术，制作义齿、牙床、托环、牙桥和牙冠等，在口腔整畸、口腔种植等领域也有良好的临床效果。,3.2.4 其他金属,（1）医用钽 钽是化学活性很高的金属，在生理或其它环境中，甚至在缺氧的状态下，其表面都能立即生成一层化学性能稳定的钝化膜，从而使钽具有很好的化学稳定性和抗生理腐蚀性，并具有良好的生物相容性。钽植入骨内能与周围生成的新骨直接接触。最近有研究表面，多孔金属钽在其表面进行生物活化处理后，植入动物体内，孔内有新骨生成，即具有诱导成骨性。这表明金属钽具有优良的生物学性能。,（2）医用铂,常见的铂合金有铂铱合金、铂金合金和铂银合金，它们均具有极好的抗蚀性能和物理化学稳定性。用铂及其合金制造的微探针广泛用于人体神经系统的各种植入性检测和修复用电子装置，心脏起搏器等。,(3)Ni-Ti合金,在整形外科中NiTi形状记忆合金用于制作脊椎侧弯症矫形器械、人工颈椎椎间关节、加压骑缝针、人工关节、髌骨整复器、颅骨板、颅骨铆钉、接骨板、髓内钉、髓内鞘、接骨超弹丝、关节接头等。在口腔科中用作齿列矫正用唇弓丝、齿冠、托环、颌骨固定等。,4.常用医用金属材料的发展,医用不锈钢仍是生物植入材料的主体，研究开发高耐蚀性、高耐磨性、高疲劳强度和高韧性生物合金依然重要。无镍(或低镍)高氮奥氏体不锈钢具有优良的综合力学性能和抗蚀性能，在许多性能方面相当于或超过现有的医用不锈钢。 从金属植入材料的研究现状来看，纯钛及其钛合金具有其它材料无可比拟的优越性，特别是近些年发展起来的新型-钛合金。因此，开发研究更适合临床应用的新型钛合金不失为人体用金属植入材料的一个主要发展方向。,钛相关研发现状,据报道，世界上每年有近千吨医用型钛及钛合金材料用于制造人体植入物，其中 80%的是Ti-6Al-4V钛合金。,随着医用型 Ti-6Al-4V钛合金应用发展，开发出具有高断裂韧性，低裂纹扩展的低间隙元素型Ti-6Al-4V ELI钛合金。,材料学界专家积极开发无铝、钒的新型钛合金，如：Ti-13Nb-13Zr钛合金（ ASTM F1713-1996）、Ti-12Nb-6Zr-2Fe钛合金（ ASTM F1813-1996）、Ti-5Al-2.5Fe钛合金、Ti-6Al-7Nb钛合金,未证明 Ti-6Al-4V钛合金制品在人体中的危害作用，从综合性能、良好的变形加工与价格定位上看，Ti-6Al-4V合金仍然是至今为止最理想的人体植入物金属材料。,钛合金人造骨,术后6个月，钛人工骨完全吸收，骨折愈合，患者左上臂活动恢复正常。,5.医用金属材料研究拓展方向,对开发出的各种生物医学材料进行临床应用实验，以取得大量有价值的第一手资料，并及时反馈给材料研究部门，以便迅速对材料进行改进； 寻求更为理想的表面处理工艺，更好地改善人体植入材料的表面性能，获得高质量的涂层并解决涂层与基底的结合问题，进一步提高生物医学材料与生物体的相容性，提高植入材料的耐磨性和耐蚀性； 进行材料的复合化和混杂化研究。此外，许多研究表明，金属的磨屑是