（材料加工工程专业论文）新型生物医用近β型钛合金的组织及力学性能.pdf

昆明理工大学硕士学位论文 摘要 由于应用面广、需求量大，用于人工骨、人工关节及人工种植牙等 人体硬组织的替代材料，已成为各国开发研究的热点。作为替代材料的 纯钛以及钛合金以其优秀的生物相容性、抗腐蚀性及与骨相近的弹性模 量，在医学领域中获得了越来越广泛的应用，并带来了较大的社会效益 和经济价值。 论文根据生物医用钛合金开发的现状和存在的问题，研制出一种新 型近b 型钛合金t i 2 9 n b 13 t a 4 6 z r ，采用锻造( b 相变点以上两个温区锻 造) 、固溶处理( b 相变点以上4 0 5 0 ) 、时效处理( 3 5 0 和4 5 0 两种时 效温度和多种不同的时效时间) 等对制备的材料进行后处理，研究 t i 2 9 n b 13 t a 4 6 z r 合金铸态及处理后的力学性能( 强度、塑性、弹性模量 等) 及其显微组织，初步探索了合金达到低模量化和高强韧性匹配的工艺 及其影响规律，结果表明： 合金在铸态时有少量的气孔与缩孔，通过锻造再固溶处理后的合金 组织比较均匀，得到的是单一的亚稳b 相，此时的合金强度和弹性模量 均较低。再经两种温度的时效处理后，合金的强度和弹性模量均升高， 丽塑性和韧性则有所降低。 随者时效温度的升高，合金的拉伸强度降低，而延伸率则不断增加。 合金强度变化的直接原因是弥散相的数量、大小以及分布的不同。经时 效处理后，在晶内与晶界析出n 相，同时随着时效温度的升高，片状c i 析出相增厚和加长，片与片之间的距离在加大。且随着时效温度的升高， o 相弥散度降低。这些因素使得在低温( 3 5 0 ) 时的强化效果比较好。 随着时效时间的增加，析出的强化相a 将逐渐增多且逐渐长大。同 时随着时效时间的延长，片状c t 析出相略有变细和加长，片与片之间的 距离在减小，并主要分布在稳定平衡组织8 相基体中，与平衡组织b 相 并存。随着时效时间的增加，3 5 0 时效处理的时效材抗拉强度明显降低， 延伸率也降低。而对于4 5 0 时效材，时效时间对合金力学性能的影响与 时效温度的影响刚好相反，随着时效时间的延长，合金的强度增大，但 延伸率下降。 综合考虑医用钛合金的生物力学相客性要求，t i 一2 9 n b - 1 3 t a - 4 6 z r 合 昆明理工大学硕士学位论文摘要 金选择在且相区8 5 0 固溶( 水淬) ，并在4 5 0 时效1 9 4 4 k s 可以获得最终 力学性能：oo2 = 4 4 8 m p a ，ob = 5 2 0 m p a ，6 = 3 1 ，e = 5 9 g p a 。 关键词：医用钛合金t i 2 9 n b 1 3 t a 4 6 z r 强度弹性模量延伸率 i i 昆明理工大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t t h em a t e r i a l s ，u s e df o rt h er e p l a c e m e n to fh a r dt i s s u e ss u c ha sa r t i f i c i a l b o n e s ，a r t i f i c i a lj o i n t sa n da r t i f i c i a ld e n t a li m p l a n t sh a v eb e c o m et h e r e s e a r c hh o t s p o ti n a n yc o u n t r yw i t hi t sw i d e l ya p p l i c a t i o na n dh u g e r e q u i r e m e n t w i t ht h ee x c e l l e n tb i o c o m p a t i b i l i t y , c o r r os i o nr e s is t a n c ea n d n e a r b o n ee l a s t i cm o d u l u s ，p u r et i t a n i u ma n di t s a l l o y sa r eb e c o m i n gm o r e a n dm o r ew i d e l yu s e di nm e d i c a lf i e l d sa n dc r e a t i n gh u g es o c i a lb e n e f i ta n d e c o n o m i cv a l u e a c c o r d i n gt oe x p l o i t a t i o ns t a t u sq u oa n de x i s t i n gf l a w so ft i t a n i u ma l l o ys f o rs u r g i c a li m p l a n t s ，an e wn e a rbt i t a n i u ma l l o yt i 一2 9 n b 13 t a 一4 6 z rf o r s u r g i c a li m p l a n t si sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d m i c r o s t r u c t u r eo ft i 一2 9 n b 一13 t a 一4 6 z r a l l o y h a v eb e e ns t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yw i t hd i f f e r e n tw o r k i n gp r o c e s s e s ( t w of o r g i n gt e m p e r a t u r e s a b o v e 8 一p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ) s o l i ds o l u t i o nt r e a t m e n t s ( 4 0 5 0 a b o v e b p h a s et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e ) ，c o o l i n gr a t e ( w a t e rq u e n c h i n g ) ， a g i n gt r e a t m e n t s ( t w oa g i n gt e m p e r a t u r e sa n dd i f f e r e n ta g i n gt i m e ) t h e p r o c e s s e sr e s u l t i n gi nt h ei o w e re l a s t i cm o d u l u s ，h i g h e rt e n s i l es t r e n g t h ， t o u g h n e s sa n dt h e i ri n f l u e n t i a lf a c t o r sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h em a i n r e s u l t sa r es u m m a r i z e da sf 0 1 1 0 w s ： t h ec a s tt i - 2 9 n b 一13 t a - 4 6 z ra l l o yh a saf e wg a sh o l e sa n ds h r i n k i n g h o l e s a f t e rf o r g i n ga n ds o l u t i o nt r e a t m e n t ，t h es t r u c t u r eo fa l l o yiss i n g l e m e t a s t a b l eb e t ap h a s e t h es t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u sa r el o w a f t e r a g i n gt r e a t m e n ta t t w od i f f e r e n tt e m p e r a t u r es ，t h e s t r e n g t ha n de l a s t i c m o d u l u si n c r e a s ew i t ht h ed e c r e a s eo fe l o n g a t i o n w i t ht h ei n c r e a s e0 fa g i n gt e m p e r a t u r e ，t h et e ns i l es t r e n g t hd e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo f e l o n g a t i o n t h ed i r e c t r e a s o nf o r t h ec h a n g eo f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ea l l o yi ss i z e ，q u a n t i t ya n dd is t r i b u t i o no fa l p h a p h a s ei nt h em a t r i x w i t ha g i n gt e m p e r a t u r er a i s e d ，t h ea l p h ap h a s eb e c o m e s t h i c k era n dl o n g e ra l o n gw i t hl o n g e rd i s t a n c eb e t w e e nt h ep r e c i p i t a t i o n s d u r i n gt h et e s tp r o c e s ss ot h a tt h es t r e n g t h e n i n ga c t i o n o ft h ea l p h ap h a s e 垦塑里三奎堂堡主兰垒丝苎 垒! 型坚 l e s s e n sw h i c hc a u s et h el o w e rs t r e n g t ha n dh i g h e re l o n g a t i o no ft h ea l l o y m e a n w h i l e ，t h ed i s p e r s i o nd e g r e eo fa l p h ap h a s ed e c r e a s e s w i t ht h e i n c r e a s eo fa g i n gt e m p e r a t u r e a l lt h e s ef a c t o r sm a k et h es t r e n g t h e n i n g e f f e c tb e t t e ru n d e rl o w e ra g i n gt e m p e r a t u r e ( 35 0 ) t r e a t m e n t w i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt i m e ，t h ea l p h as t r e n g t h e n i n gp h a s eb e c o m e m o r ei nn u m b e ra n db i g g e ri ns i z eg r a d u a l l y a tt h es a m et i m e ，w i t ht h e i n c r e a s eo fa g i n gt i m e ，t h ea l p h ap h a s eb e c o m et h i n n e ra n dl o n g e rw i t ht h e s h o r t e rd i s t a n c eb e t w e e np r e c i p i t a t i o np h a s e t h e s ea l p h ap h a s e sm a i n l y d i s t r i b u t ei ne q u i l i b r i u mb e t ap h a s em a t r i xa n dc o e x i s tw i t hb e t ap h a s e w i t ht h ei n c r e a s eo fa g i n gt i m e ，t h et e n s i l es t r e n g t h a n de l o n g a t i o n d e c r e a s eo b v i o u s l yu n d e ra g i n gt r e a t m e n ta t35 0 f o rt h ea l l o yt r e a t e db y a g ea t4 5 0 ，t h ee f f e c to fa g i n gt i m eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si so p p o s i t e t ot h ee f f e c t o fa g i n gt e m p e r a t u r eo nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t h t h e i n c r e a s eo fa g i n gt i m e ，t h es t r e n g t ho ft h ea l l o yi n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s e o fe l o n g a t i o n a c c o r d i n gt o t h e n e c e s s i t y o ft h em e c h a n i c a l b i o e o m p a t i b i l i t y f o r b i o m e d i c a lt i t a n i u ma l l o y s ，t h eo p t i m u mm a t c h e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t i 2 9 n b 13 t a - 4 6 z ra l l o yc a nb e r e q u i r e dw h e nt h es t u d i e da l l o yw a s s o l u t i o nt r e a t e du n d e r ( b ) p h a s et e m p e r a t u r ea n dt h e nw a t e rq u e n c h i n g ，t h e n w a sa g i n gt r e a t e da t4 5 0 f o r19 4 4 k s w h i c hs h o w st h er e s u l t ： 0 02 = 4 4 8 m p a ，ob = 5 2 0 m p a ，6 = 3 1 ，e = 5 9 0 p a k e yw o r d s ：b i o m e d i c a lt i t a n i u ma l l o y s t i 一2 9 n b 一13 t a - 4 6 z rt e n s i l e s t r e n g t h e l a s t i cm o d u l u s e l o n g a t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：两姆 日期：。2 帆d 年g 月占日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：论文作者签名：鱼础 日 期：生堕生! 月垒旦 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 现代科学技术的进步使得高新技术领域获得迅猛发展，新材料作为高新技 术的基础和先导，如雨后春笋般涌现出来。生物医用材料主要用于诊断治疗或替 代人体组织、器官或增进其功能，它是具有高技术含量和高经济价值的新型载体 材料，是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，又是材料科 学技术中一个正在发展的新领域【。 生物医用材料 2 1 的种类，比较广泛，有人工合成材料和天然材料；有单一材 料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料等。 生物医用材料的使用有其特殊性，它本身不是药物，其治疗途径是咀与生物机体 直接结合和相互作用为基本特征。生物医用材料的应用甚为广泛，如用生物材料 制作的心脏起搏器、人工心瓣膜、人工血管、人工心脏和介入性治疗导管与血管 内支架等正在挽救和维持世界上成千上万心血管病患者的生命：用生物材料制作 的人工关节与功能性假体已广泛用于伤残人肢体形态与功能的恢复；生物降解材 料已成功地应用于药物传递控释系统，并制成手术缝合线广泛用于临床：用生物 材料制成的各种人工器官，每年有数百万人在使用；用生物材料制成的各种避孕 器件在计划生育、控制人口增长和提高人民健康水平等方面发挥了巨大作用等 等。 近1 0 多年以来，生物医用材料的发展很快，据悉生物医用材料及制品的市 场增长率一直保持在2 0 2 5 左右；世界人1 ：3 近6 5 亿，目前生物材料器件 植入需要者就有3 5 0 0 万人，而每年关节置换贯约为15 0 万例，与实际需要置换 者的数量相差甚远【1 】；人造股关节在世界上的年需求量已达数十万件，在日 本，包括人工股关节在内的整形外科用植入物市场的年增长率为7 8 ”j ， 因此生物医用植入材料有着可观的潜在市场。 随着社会文明的进步、经济的发展和生活水平的日益提高，人类对自身的 医疗康复事业越来越重视，与此同时，社会人口剧增，交通工具大量涌现，生活 节奏加快，疾病、自然灾害、交通事故、运动创伤和工伤以及局部战争等，都使 昆明理工大学硕士学位论文 得人们的意外伤害剧增。因此，有关研究和开发用于人体组织和器官再生与修复 的生物医用材料具有重大的科学意义并能产生巨大的社会经济效益。生物医用材 料及生物技术是2 l 世纪材料研究的前沿和热点之，生物材料及其医疗器械产 品已成为全球迅速兴起的一个高新技术产业，据悉目前国际生物材料及其医疗器 械产值已超过7 0 0 亿美元，其中美国约为4 0 0 亿美元，与其半导体产业相当。 因此，钛合金凭借其优良的生物相容性和力学性能，在医用植入件和医疗 器械市场势必前景远大。根据美国最近统计金属市场报告，美国医学应用钛的数 量接近于海绵钛消耗量的2 ，即接近于3 18 t 。假定l k g 海绵钛能生产0 4 0 ，6 k g 钛材，则每年医用钛和钛合金的用量估计约为13 0 1 9 0 t 。1 9 9 7 年日本 医疗用钛材为l8 t ，而且钛在医学上的应用量仍在逐年增长【4 1 。可以看出，在不 远的将来，钛及钛合金凭借其优良的特性，将成为硬组织最主要的修复与替代材 料。而且医用钛制品是具有高附加值的高科技产品，例如【5 l 一个不足1 0 9 的精 铸钛牙冠的国内售价约为5 0 0 8 0 0 元，其经济效益相当可观。 由于我国钛资源最为丰富1 6 1 ，应用前景更为广阔。因此开发可靠持久的人 造硬组织修复与替代用生物材料具有重大的实际意义，积极开展相关研究工作势 在必行。 1 2 生物医用材料 1 2 1 生物医用材料的发展概况【7 】 生物医用材料的起步很早，根据发展水平和产业化状况，生物医用材料的 发展可以分为三个阶段，它们各自有自己明显的特点并代表了不同的水平。 第一阶段：最初的医用材料是由医生在已有的材料家族中选取的，没有专 业人员专门研究材料。一些临床应用的生物医用材料原来并不是针对医用而设计 的。例如透析膜，最初是选用商品塑料醋酸纤维素制造的；最初的d a c r o n ( 聚 酯纤维，俗名涤纶) 血管植入物源于纺织工业；人工心脏材料则用商品聚氨酯。 由于这些材料在设计时未考虑应用时的要求，因此存在生物相容性问题。例如， 可激活血小板和补体；d a c r o n 血管植入物只能在直径大于6 m m 才可使用，否 则因材料界面与血液发生生物反应而堵塞。当时，临床应用疗效较好的是在材料 表面形成一层纤维壳囊后被容纳，然而多数由于感染、排异和失败而失效。 2 昆明理工大学硕士学位论文 第二阶段：由于对生物医用材料的设计与制备逐渐重视，使其本体特别是 表面具有所需的化学、物理和生物特性，因而扩大了应用领域。表1 - 1 列出了 些常用生物医用材料的实例。 材料名称 应用实例 心血管植入物 心脏和瓣膜、血管植入物、起搏器 整形和重建植入物丰乳或重建、上领面重建 矫形外科假体膝关节、髋关节、骨折固定、人骨 眼系统隐形眼镜、人工晶体 牙齿植入物义齿、防龋涂料 神经植入物脑积水分路、蜗状植入物 体外循环装置 氧合器、透析器、血浆分离器 导管 导尿管、脑积液导管 药物释放控制装置 片剂或胶囊涂层、经皮体系、植物 普通外科 缝线、外科制品、黏合剂、血液用品 诊断制品免疫微囊 这个时期的科学技术整体获得了飞速发展，医学由宏观进入了微观，医用 材料的研究也形成了热点。 第三阶段：8 0 年代末，随着细胞生物学、分子生物学、材料科学及相关物 理化学学科的发展，要求材料不仅具有优异的生物相容性、体内分解吸收性，而 且要有诱导细胞增殖和修复组织、器官再生的功能。利用生物要素和功能去构建 所希望的材料，由此提出了组织工程的概念。组织工程是近1 0 年刚刚发展起来 的前沿科学，它是应用生命科学和工程的原理与方法，研究、开发用于修复、增 进或改善人体各种组织或器官损伤后功能和形态的新学科，标志着医学将走出组 织器官移植的范畴，步入到制造组织和器官的新时代，是2 1 世纪具有巨大潜力 的高科技产业。组织工程的产生对相关的生物医用材料提出了新的挑战。在组织 工程研究中，核心是建立由细胞和生物材料构成的三维空间复合体。因此大力研 究和开发新一代生物医用材料一一生物相容性良好并可被人体逐步降解吸收的生 物材料，是2 1 世纪生物医用材料发展的重要方向。 1 2 2 生物医用材料的分类 生物材料种类繁多，到目前为止，被详细研究过的生物材料己经超过一千 种，在医学临床上广泛应用的也有几十种，涉及材料学科各个领域。依据不同的 分类标准，可以分为不同的类型。 毗mm挈呲料。材 用 。褪 生 吣 n 表呲 印 an 垦塑塞三奎兰堡圭堂垒丝兰 堕笙 生物医用材料按材料组成和性质分为医用金属材料、医用高分子材料、生 物陶瓷材料和生物医学复合材料。 按用途可分为骨、牙、关节、肌腱等骨骼一肌肉系统修复材料和替换材 料，皮肤、乳房、食道、呼吸道、膀胱等软组织材料，人工心瓣膜、血管。心血 管内插管等心血管系统材料，血液净化膜和分离膜、气体选择性透过膜、角膜接 触镜等医用膜材料，组织粘合剂和缝线材料，药物释放载体材料，临床诊断及生 物传感器材料，齿科材料等。 按材料在生理环境中的生物化学反应水平，又可分为近于惰性的生物医学 材料、生物活性材料、可生物降解和吸收的生物材料。 金属、陶瓷、高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。表1 2 是各 种材料性能的比较，可见每种类型的生物材料都有各自的优缺点，任何一种材料 单独都不能很好的满足临床应用的要求。近年来发展起来的新型生物医用材料主 要有生物降解材料、组织工程材料与人工器官( 其中包括骨组织工程材料，如赋 予材料表面生物活性，是新生骨直接沉积和结合到金属表面) 、口腔材料、控制 释放材料、仿生智能材料等，随着生物医用材料研究与开发的深入发展，新型的 生物医用材料将会不断涌现出来。 表1 2 各类生物材料性能的比较8 】 t a b l e l 2c o m p a r i s o no fp r o p e r t i eso f v a r i o usb i o m a t e r i a l s 材料特征金属聚合物陶瓷 生物相容性不太好 较好 很好 耐蚀性 除钛、贵金属外，化学性能稳定，耐化学性能稳定，耐 多数不耐腐蚀，表侵蚀侵蚀，不易氧化、 面易变质水解或降解 耐热性较好，耐热冲击受热易变形，易老热稳定性好，耐热 化冲击 强度很高差高 耐磨不太好，磨损产物 不耐磨耐磨性好 易污染周围组织 弹性模量 较高 低高 韧性高较高差 加工及成型性非常好，可加工成可加工性好，有一差，无延展性 任意形状，延展性定的韧性 良好 4 昆明理工大学硕士学位论文 1 2 。3 生物相容性概述【” 1 2 31 生物相密性的概念和原理 生物相容性是指生物医用材料在植入人体后，材料与人体之间相互作用产 生的各种复杂的生物、物理、化学等反应的一种概念，它适用于医用材料等特定 领域中。它是生物医用材料在使用过程中，在生物体内引起宿主反应以及产生有 效作用的能力。宿主反应是指材料对活体系统的作用或活体系统对材料的反应， 它包括局部的和全部的反应，如炎症、致癌、致诱变、致畸和免疫等反应。引发 宿主反应的结果可能导致对肌体的毒副作用和肌体对材料的排斥作用。 生物相容性表征生物医用材料的生物学性能，决定于材料和生物体系统之 间的相互作用。这个相互作用主要是指宿主反应和材料反应。宿主反应如前所 述，材料反应则刚好与宿主反应相反，即指的是生物体系统对材料的作用或材 料对生物体系统的反应。材料反应主要是指生物体内环境对生物材料的腐蚀、 降解等，发生材料反应可能会使材料性质发生退化甚至破坏。所以生物医用材 料必须要求在其植入人体后，所引起的宿主反应保持在可接受的水平，并同时 要求不引发材料反应或使材料反应在一定水平之下，即不引。起材料结构和陛能 发生灾难性破坏。图1 1 列出了各种主要反应。 发生灾难性破坏。图1 1 列出了各种主要反应。 洲与生榭体相互 f f i 生袱鹰l 俸甩f if l 棒辩墨应1 l o 血小氍血嘲血小教曲粘嘲，幕氯生器q 凝血票麓的蕾睫 蚪培摹统蚋粕蓄 溶血反摩 “u b 啊蝴h ( 一戊性自瓤咪艟少) _111-_- 朴件累筑盼擞活 执鼠一抗倬豆应f 体藏性盘戎) 生崔舶憾帕啦槲蝈喙性抛艇l r 搬盎最应 | 舶胆删附 蛆织反应量曩麓 1 静脯一荻 l 脯辖壹 袖疆量黻亿 化学隹蘑的鬻亿 图1 1 生物相容性反应 t a b l e1 1b i o c o m p a t i b 1 i t yr v a c t io n 昆明理工大学硕士学位论文 然而各种人工器官、医用制品所用的生物医用材料，植入体内后都将与组 织、细胞直接接触，一些人工血管、人工心脏瓣膜、人工心脏和各种血管内导 管、血管内支架等材料还与血液直接接触，所以植入物材料表面与组织、细胞、 血液等将有短期或长期的接触，它们之间的相互作用将产生各种不同的反应，反 应是否有毒害性或是否对植入材料有灾难性的破坏性，则是衡量生物医用材料是 否可用的重要标准。 良好的生物相容性还要求植入生物体的材料能够发挥其有效的作用，这种 作用一般称为生物功能性，即生物医用材料在植入生物体伪某位置行使原组织功 能的能力。 生物相容性和生物功能性是对生物材料要求的两个相互联系又各有侧重的 方面，前者主要指材料对于生物体的安全无毒性和生物体不引起材料性质退变性 ( 即宿主反应和材料反应均处在可接受的水平) ，是任何生物医用材料必须满足 的性质，后者指材料能在植入的位置有效的执行原组织的功能( 材料的有效 性) 。在同样的条件下，生物材料必须同时具有这样两种性能，即良好的生物相 容性和良好的生物功能性。 植入人体内的生物医用材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械， 必须对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性，对人体组 织、血液、免疫等系统不产生不良反应，而且还必须具有良好的屈服强度、断裂 强度、弹性模量、疲劳极限、耐磨性以及抗腐蚀性。因此，材料的生物相容性优 劣是生物医用材料研究设计中需要首先考虑的重要问题。 1 2 3 2 生物相容性分类 生物医用材料的生物相容性按材料接触人体部位不同一般分为两类；血液 相容性和组织相容性，两者相互关联又有区别。若材料用于心血管系统与血液直 接接触，主要考察与血液的相互作用，称为血液相容性：若与心血管系统外的组 织和器官接触，主要考察与组织的相互作用，称为组织相容性或一般生物相容 性。从广义上讲，植入体内的各种医用材料和装置都首先要求具有优良的组织相 容性，但植入材料在人体中大多数情况既要与组织接触又要与血液直接接触，因 此两类相容都要考虑。 血液相容性涉及材料表面与血液各种成分相互作用的问题，材料和血液之 间发生的反应主要表现为：材料表面出现血浆蛋白被吸附，血小板被粘附、聚 集、变形，凝血系统、纤溶系统被激活，最终形成血栓。血液相容性中涉及的各 6 昆l i j 理工大学硕士学位论文 绪论 种反应比较复杂，很多反应的机理尚不明确。 组织相容性要求材料植入体内后与组织、细胞接触无任何不良反应。当医 用材料植入体内某一部位时，局部的组织对异物的反应属于一种机体防御性对答 反应，植入物体周围组织将出现白细胞、淋巴细胞和吞噬细胞聚集，发生不同程 度的急性炎症。当材料有毒性物质渗出时，局部炎症不断加剧，严重时出现组织 坏死。长期存在植入物时，材料被淋巴细胞、纤维细胞和较远细胞包裹，形成纤 维型包膜囊，使正常材料和组织隔开。若出现慢性炎症，材料周围的胞囊壁增 厚，严重时会发生癌变【l o 】。 1 3 钛系生物医用材料 1 3 1 生物医学对医用金属材料的性能要求 用做生物医学材料的金属或合金称为医用金属材料，是一类生物惰性材 料。其研究和发展要严格满足如下的生物学要求【9 】： ( 1 ) 生物相容性对于所植入金属材料要求满足“生物安全性”和“生物功能 性”两个原则，即植入材料对人体具有适应性和亲和性，与人体发生最小的生物 学反应，无不良刺激，无毒害，不引起毒性反应，免疫反应，或干扰免疫机能， 无变态和过敏，不致癌，不致畸，无炎性反应，不引起感染，不被排斥。植入后 可以较长期存在，并能有助于愈合及附着。 ( 2 ) 力学性能对医用金属材料，希望获得生物力学的匹配。既要求具有良 好的静态性能，又要求具有抗周期性作用的动态性能。屈服强度、断裂强度、弹 性模量、疲劳极限是主要的强度指标。同时耐磨性也是医用金属材料的一个重要 指标。过度的磨损能导致植入物部件过早失效。另外，磨损产生的磨损金属屑可 能与人体不相容。 ( 3 ) 腐蚀性能金属材料的缺点主要是腐蚀问题，腐蚀不仅降低或破坏金属 材料的机械性能，导致断裂，还产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。为此， 要求生物医学金属材料必须具有良好的钝化性能和在体内环境的抗腐蚀性能。即 应具有良好的化学稳定性。 ( 4 ) 加工性能医用金属材料应易于加工成型，易于制造，且价格适当。 ( 5 ) 对于植入心血管系统或与血液接触的材料，除能满足以上条件外，还须 具有良好的血液相容性 昆明理工大学硕士学位论文 绪论 l 。3 2 金属类生物医用材料的发展】 生物医用金属材料又称外科植入金属材料，与生物陶瓷及生物高分子材料 相比，具有高的强度、良好的韧性及抗弯曲疲劳强度、优异的加工性能等许多其 它医用材料不可替代的优良性能，是临床应用中最广泛的承力植入材料。 生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。早在17 5 5 年 i c a r t 已经报道了用铁丝固定断骨。1 8 2 9 年l e v e r t 进行动物体内植入试验，检验 了多种金属材料与组织的相容性，得出铂丝对组织的刺激最小。l9 1 2 年 s h e r m a n 介绍了钒钢，钒钢的综合性能较好【12 1 。但是总的来说，直到这一时 期，所研究的各种金属材料在耐腐蚀性及生物相容性方面都不能令人满意。 首先广泛应用于临床的医用金属材料主要有不锈钢，因不锈钢具有良好的 耐腐蚀性能和综合力学性能，且加工工艺简便，是生物医用金属材料中应用最 多、最广的一类材料。人们很早就使用铁丝、镍钢、镀金的铁钉及钒钢等金属材 料进行临床治疗的尝试。但由于不锈钢植入生物体后会出现腐蚀和磨损，长期植 入的稳定性不好；密度和弹性模量与人体硬组织相距较大，力学相容性差；且溶 出的n i 离子可能诱发严重的病变1 1 3 】。基于以上原因，不锈钢作为医用材料的应 用比例呈下降趋势。 继不锈钢发展起来的医用钻基合金也是医疗中常用的医用金属材料，此系 列合金除一般地满足生体对材料生物、物理和化学性能的要求之外，其主要特点 是具有比不锈钢更好的耐腐蚀性、耐磨性和优异的铸造性能。相对不锈钢而言， 医用钴基合金更适合于制造体内承载条件苛刻的长期植入件。但是由于钴基合金 价格较贵，并且合金中的c o 、n i 元素存在着严重致敏性等【1 41 生物学问题，应 用受到定的限制，近些年通过表面改性技术来改善钴基合金的表面特性，有效 提高了其临床效果。 医用钛合金和镍钛形状记忆合金起步较晚，但由于钛合金具有优于其他医 用金属材料许多显著的特点，如密度较小，弹性模量值较低( 约为其他医用金属 材料的一半) ，密度接近人体硬组织，因此在骨科领域应用较广。钛合金的发展 经历由纯钛，( o + b ) 双相型钛合金及e 型钛合金的系列过程，有效地改善了 钛合金的生物相容性。目前国内外研制出的钛合金产品作为外科植入物材料- 表 现出较好的植入效果。具有非常广阔的应用前景。以上所述的几种合金及一般人 体骨的机械性能如表1 3 【1 0 】所示。 昆明理工大学硕士学位论文 绪论 表1 3 骨骼、纯钛、t i 6 a 1 4 v 、3 1 6 不锈钢和c o c r m o 合金的机械性能 t a b l e1 3t h em e e h a n t e a tpr o p e r t yo fb o n e 、p u r et i t a n i u m 、t i - 6 a 1 - 4 v 、 316 s t a i n l e sss t e e la n dc o c r m oa l l o y 材料 性能、 骨骼纯钛 t i 6 a 1 4 v 31 6 l 不锈 c o cr m o 钢 状态通常退火退火 退火铸造退火 密度( g c m 3 ) 1 3 64 5 5 抗拉强度ob ( m p a ) l3 05 6 0 9 0 0 5 186 6 5 弹性模量e ( g p a ) 2 01 0 31 1 02 0 02 0 0 伸长率6 ( ) 2 5 的b 钛