医用金属材料.pptx

第三章医用金属材料 目录 生物医用金属材料 1 用于口腔 矫形外科等硬材料如镶牙口腔整矫人工关节人工骨2 用于医疗器械 心脏瓣膜支架 凝血过滤器 Ti合金 3 用于制药 晕船药 铈 抗贫血药物 铈 氧化锗 糖尿病 氧化铈 精神病 磷酸锂 去垢剂 硒 止血剂 皓 消毒剂 碲 安眠剂 铷铯 癌症 铂铬合金 金属植入材料 生物医用金属材料 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 其重要性与生物医用高分子材料并驾齐驱 在整个生物医用材料应用中各占45 左右 金属植入材料 公元前400 300年 金属丝用于修复牙缺失 应用 唐代 银膏补齿 成分是银 汞和锡 与银汞合金很相似 最先广泛应用于临床治疗 金 银 铂等贵金属 但以修补为主 良好化学稳定性及加工性能的 最早作为植入材料 不锈钢 标准牌号302 18 8通常用于整形外科 牙科等等领域 具有治疗 修复固定和置换人体硬组织系统的功能 优势 1 生物惰性 即生物学反应最小 2 优良的机械性能 强度与弹性模量 与生物体匹配 人体骨强度不高 如股骨头的抗压强度仅为143MPa 具有较低的弹性模量 股骨头的强度纵向弹性模量约为13 8GPa 径向弹性模量为纵向的1 3 其断裂韧性较高 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 由于金属材料在组成上与人体组织成分相距甚远 很难与生物组织产生亲合 一般不具有生物活性 具有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 问题 腐蚀与磨损 金属植入材料FeCrCoNiTiTaMoW 体液腐蚀 金属材料逐步损失 金属植入材料的毒性 毒性反应与材料释放的化学物质和浓度有关 若在材料中需引入有毒金属元素来提高其他性能1 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 2 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 腐蚀的发生是一个缓慢的过程 其产物对生物机体的影响决定植入器件的使用寿命 金属植入材料的腐蚀 腐蚀主要原因 医用金属材料植入体内后处于长期浸泡在含有机酸 碱金属或碱土金属离子 Na K Ca2 Cl 离子构成的恒温 37 电解质的环境中 加速 蛋白质 酶和细胞的作用磨损和应力的反复作用 使材料在体内的磨损过程加剧 腐蚀机制 可能发生多种腐蚀机制协同作用因此 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 金属腐蚀分两类 1 化学腐蚀金属表面与介质如气体或非电解质液体等因发生化学作用而引起的腐蚀 称为化学腐蚀 化学腐蚀作用进行时无电流产生 2 电化学腐蚀金属表面与介质如潮湿空气或电解质溶液等 因形成微电池 金属作为阳极发生氧化而使金属发生腐蚀 这种由于电化学作用引起的腐蚀称为电化学腐蚀 金属植入材料的腐蚀 电化学腐蚀的例子 铜板上的铁铆钉为什么特别容易生锈 带有铁铆钉的铜板若暴露在空气中 表面被潮湿空气或雨水浸润 空气中的和海边空气中的NaCl溶解其中 形成电解质溶液 这样组成了原电池 铜作阴极 铁作阳极 所以铁很快腐蚀形成铁锈 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 生物金属材料在人体生理环境下的腐蚀主要有八种类型 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 金属植入材料腐蚀研究 腐蚀电势与pH关系图 腐蚀区 大于等于10 6 l稳定区 小于10 6M钝化区 10 6M 金属 水 反应产物平衡 Cl 缺点 不能确定腐蚀速率 金属植入材料腐蚀研究 腐蚀速率 腐蚀失重与离子释放速率 金属植入材料腐蚀研究 离子释放速率 常见的金属植入材料 最早的植入材料不锈钢302临床问题 耐蚀性很差 不锈钢 添加Mo改善了生理盐水中耐蚀性316不锈钢 316不锈钢C 0 08 下降到0 03 提高了再氯化物中的耐蚀性316L不锈钢 317L不锈钢 但即使是牌号为316L的不锈钢在体内的特定环境下 如在高压或缺氧区域 也会被腐蚀 它们适合做临时装置 如骨折固定板 固定螺钉或销子 种类 表1316和316L不锈钢材料的力学性能 表1给出了奥氏体不锈钢316和316L的力学性能 显然 退火态的材料硬度与强度较低 而经过冷加工后 高的强度和硬度 这说明此类材料可以在大范围内调节力学性能 性能 表2金属材料成分 ASTM 1978 耐蚀性 组成 不锈钢中的铬 Cr 可形成氧化铬钝化膜 改善抗腐蚀能力 镍 Ni 和铬 Cr 起到稳定奥氏体结构的作用 镍的含量为12 14 时 可得到单相奥氏体组织 防止转化为其他性能不佳的结构 降低不锈钢中的Si Mn等杂质元素及非金属杂物 可进一步提高材料的抗腐蚀能力 除组成可以影响到材料的性能外 材料的制造和加工工艺同样也可以在比较宽的范围内调节材料的力学性能和耐腐蚀性能 通常采用两种工艺生产医用不锈钢 对于低纯度医用不锈钢 一般采用惰性气体保护 真空或非真空熔炼工艺生产 而高纯度医用不锈钢一般先通过真空熔炼 然后再用真空电弧炉重熔或电渣重熔除去杂质 使其钝化 临床应用较多的高纯度医用不锈钢 通常先后经热加工 冷加工和机械加工制作成各种医疗器件 冷加工可大幅度提高医用不锈钢的强度 但并不引起塑性 韧性的明显降低 采用机械抛光或电解抛光 可提高器件表面光洁度 有助于消除材料表面易腐蚀及应力集中隐患 提高不锈钢植入器件的使用寿命 生物相容性 医用不锈钢的生物相容性与其在机体内的腐蚀行为及其所造成的腐蚀产物所引起的组织反应有关 其腐蚀行为涉及均匀腐蚀 点腐蚀 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 磨蚀和疲劳腐蚀 由于腐蚀会造成金属离子或其他化合物进入周围的组织或整个机体 因而可在机体内引起某些不良组织学反应 如出现水肿 感染 组织坏死等 从而导致疼痛和过敏反应等 在多数情况下 人体只能容忍微量浓度的金属腐蚀物存在 因此 必须从材料的组成 制造工艺和器件设计等多方面着手 尽量避免不锈钢在机体内的腐蚀和磨损的发生 临床应用 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 人工椎体和颅骨板等 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 在齿科方面 医用不锈钢被广泛应用于镶牙 齿科矫形 牙根种植及辅助器件 如各种齿冠 齿桥 固定支架 卡环 基托等 各种规格的嵌件 牙列矫形弓丝 义齿和额骨缺损修复等 3 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 4 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 医用钴基合金 一 组成与性能 最早开发的医用钴基合金 钴铬钼 Co Cr Mo 合金 其结构为奥氏体 具有优良的力学性能和较好的生物相容性 尤其是优良的耐蚀 耐磨和铸造性能 其耐蚀性比不锈钢强数10倍 硬度比不锈钢高1 3 适合制作人工关节 义齿等磨蚀较大的医用器件 50年代开始用于人工髋关节的制造 为了改善铸造Co Cr Mo合金的力学性能 随后又相继开发了锻造钴铬钨镍Co Cr W Ni合金和锻造Co Cr Mo合金 为了改善锻造Co Cr Mo合金的疲劳破坏问题 70年代又开发出具有良好疲劳性能的锻造Co Ni Cr Mo W Fe合金和具有多相组织的MP35NCo Ni Cr Mo合金 锻造Co Ni Cr Mo合金良好耐磨性能 抗疲劳性能和极限抗拉强度 植入长时间不会锻炼 人工关节主体 对于需要长时间植入时优势明显 Co基合金如同其他合金材料一样 强度提高的同时降低了塑性 其弹性模量不随极限抗拉强度的变化而变化的 弹性模量范围从220GPa到234GPa 比不锈钢等材料高 铸造和锻造合金都具有优良的抗蚀性能 释放镍离子的速率与316L不锈钢近视 表中四种钴基合金 只有钴铬钼合金可以在铸态下直接应用 其他三类均为医用锻造钴基合金 表3钴基合金成分 二 制造工艺与力学性能 医用钴基合金的制造加工方法主要有精密铸造 机械变形加工和粉末冶金三种 精密铸造多用于制造形状复杂的制品 钴铬钼合金具有较宽的力学性能 在大多数情况下可满足临床的要求 在需要时也可采用固溶退火锻造 热等静压来改善其组织缺陷 提高疲劳性能和力学性能 但后者成本昂贵而很少采用 机械变形加工可使合金的铸态结构破碎 并得到晶粒细微的纤维状组织 提高力学性能 常用的机械加工工艺又热轧 轧制 挤压 和冲压 同铸造钴铬钼合金相比 锻造钴基合金力学性能更优越 锻造钴基合金的人工髋关节在人体内发生疲劳断裂的概率大大减少 粉末冶金工艺是先将合金制成粉末 然后通过烧结得到相应的制品 为了提高烧结体的密度 多采用热等静压烧结工艺 但其成本高 应用受到限制 三 生物相容性 钴基合金在人体内多保持钝化状态 很少见腐蚀现象 与不锈钢相比 其钝化膜更稳定 耐蚀性更好 从耐磨性看 它也是所有医用金属材料中最好的 一般认为植入人体后没有明显的组织学反应 但用铸造钴基合金制作的人工髋关节在体内的松动率较高 其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co Ni等离子溶出 在体内引起巨细胞及细胞核组织坏死 从而导致患者疼痛以及关节松动 下沉 钴 镍 铬还可产生皮肤过敏反应 其中以钴最为严重 四 临床应用 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 医用钴基合金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 钛和钛合金 钛及钛合金的密度较小 为4 5g cm3 几乎仅为铁基和钴基合金的一半 其比强度高 弹性模量低 生物力学相容性较好 生物相容性 耐腐蚀性和抗疲劳性能都优于不锈钢和钴基合金 钛是目前已知的生物亲和性最好的金属之一 钛易与氧反应形成致密氧化钛 TiO2 钝化膜 植入后引起的组织反应轻微 凝胶状态下的TiO2膜甚至具有诱导体液中钙 磷离子沉积生成磷灰石的能力 表现出一定的生物活性和骨性结合能力 尤其适合于骨内埋植 在外科植入中运用的Ti金属材料有四个级别 区别在于杂质含量不同 O N C H与Ti形成间隙固溶体 Fe与Ti形成置换固溶体 杂质元素的含量过大会形成脆性化合物 O N和C能提高Ti的强度 降低其塑性 Ti很容易吸氢 H含量过高会产生氢脆 降低其韧性 微量的Fe对纯钛性能的影响不像O N C那样强烈 表4Ti金属和Ti合金化学成分组成 以质量分数计 1 分类 组成和性能 纯钛在低于882 时为六方密排 hcp 的 单相组织 力学性能较低 屈服强度为170 485Mpa 抗拉强度为240 550Mpa 延伸率为15 24 随着钛中氧含量的增高 纯钛的强度提高 塑性下降 氧起着固溶强化的作用 此外 采用冷加工变形处理也可以提高纯钛的强度 2 表面处理 1 钛及钛合金的表面钝化处理可使材料表面生成一层保护性的氧化膜 提高抗蚀能力 常用的表面钝化处理有化学和电化学钝化两种工艺 钝化后的植入器件在生理环境下均匀腐蚀甚微 但氧化膜中的钛仍会以离子形式扩散并积累于周围组织 引起相邻组织的颜色呈蓝灰至黑色 经多年临床观察发现 这种组织变色反应并不造成大的生理危害 2 钛及钛合金缺点是硬度较低 耐磨性差 若磨损发生 首先导致氧化膜破坏 随后腐蚀产物进入生物组织 尤其是Ti6Al4V合金中含有毒性的钒 V 可导致植入物的失效 为了改善钛及钛合金的耐磨性能 可将钛制品表面进行高温离子氮化及应用离子注入技术处理 通过引起晶格畸变 使制品表面呈压应力状态 从而提高硬度和耐磨性 3 为了改善钛及合金与骨组织的结合性 可采用等离子喷涂和烧结法在钛合金基材表面上涂多孔纯钛或Ti6Al4V合金涂层 有利于新骨组织长入形成机械结合 80年代又开发了钛合金表面等离子喷涂羟基磷灰石陶瓷涂层的技术 使钛合金表面具有生物活性 成功用于钛种植牙根和人工关节柄部 提高了植入物与骨组织的结合强度 3 加工工艺 钛的冶炼和成型加工比其他生物医用金属材料困难 常采用双真空或惰性气体保护的自耗电极熔炼法 并需严格控制杂质元素含量 医用钛合金植入件可采用精密锻造工艺 也可采用轧制型材工艺制备 其机械性能相当 形状复杂的制品也可采用真空熔模精密铸造工艺生产 热等静压工艺可以消除合金铸件内部疏松组织 使合金性能得到改善 4 临床应用 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 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 钛合金可制作颅骨板用于颅骨整复 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 在心血管方面 纯钛可用来制造人工心脏瓣膜和框架 在心脏起搏器中 密封的钛盒能有效防止潮气渗入密封的电子元器件 此外 一些用物理方法刺激骨生长的电子装置也采用了钛材 齿科用金属 齿科汞齐汞齐是一种含有汞金属成分的合金 汞作为牙科填充材料原理 在室温下Hg是液态 能与其他金属反应 如银 锡等 形成一种塑性物质 将其填入龋洞中 汞齐随着时间推移发生固化 凝固 固态合金的成分是 至少65 的银 不超过29 的锡 6 的铜 2 的锌和3 的汞 牙医在填补龋洞时 一般先在机械研磨器中将微粒状的固态合金和汞混合 材料变得容易变形 方便操作 然后填充进准备好的龋洞中 现在应用的汞齐合金的银合金粉在组成 形状及包装等方面都有了较大改变 在组成方面增加了铜含量 减少了银含量 使汞齐合金既提高了强度又降低了成本 传统的银合金粉制品是按比例配料后 在无氧高温条件下熔化 浇铸成锭 再用机械切削粉碎成微细粉末 因此在显微镜下为片状不规则形 如果将银合金粉在真空条件下熔化并雾化制粉 则在显微镜下观察为圆球形颗粒 又称球形银合金粉 由于球形粉末比不规则粉末的表面积小 故调和时所需汞的量也少 因此提高了汞齐合金的强度 另外 在包装方面使用胶囊包装取代传统的瓶装 按比例将一定量的汞和银粉末分别装于胶囊隔膜两侧 在两者调和后完成汞齐化 这样既减少了汞的污染又节约了原材料 并提高了汞齐合金的性能 金和金合金的耐久性 稳定性和抗蚀性 使它们在牙科上成为很有用的金属 金 若合金含有75 质量分数 或更多的金和其他贵金属 它们就能保留其良好的抗蚀性 铜与金形成的合金可显著提高其强度 铂也能改善其强度 但添加量不能超过4 否则合金的熔点会提高 银的加入可抵消铜的颜色 加入少量的锌可降低其熔点 并排除在熔化过程中形成的氧 不同成分的金合金各有用途 含金量超过83 的合金较软 用于镶嵌 但其硬度太低而不能承受太高的压力 金含量少的较硬合金 用于牙冠和尖端处 可承受较大的压力 Ni Ti合金 形状记忆效应 材料变形后 经过加热处理 能迅速回复到之前的形状 1 机理与性能 记忆合金有单向 双程和全程记忆三种 单程记忆 较低的温度下变形 加热后可恢复变形前的形状 这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应 回复力大 双程记忆 同时有高温和低温的形态 温度升降可逆地反复 加热时恢复高温相形状 冷却时又能恢复低温相形状 全程记忆即加热时为高温相形状 冷却时则形成与高温相形状相同但方向相反的现象 Ni Ti合金 应用最成功的是镍钛形状记忆合金 它是等原子比的金属间化合物 高温相是体心立方氯化铯 CsCl 型B2结构 低温相马氏体 M 是单斜B19型结构 中间相R为菱形结构 相变时发生B2 R M和B2 M转变 当低于马氏体转变温度以下发生一定程度的塑性变形时 转变成有序的马氏体组织 当温度升高到逆转变温度以上时 其马氏体组织即逆转变为高温母相组织 即无序的奥氏晶体结构 从而恢复原来的形状 1 机理与性能 医用镍钛形状记忆合金成分为Ti44 46 Ni54 56 其机械性能明显优于316L不锈钢和钴基合金 同时又兼有高的耐蚀性 镍钛形状记忆合金的形状记忆恢复温度为36 2 接近人体的体温 低于逆转变温度时 延性高 易加工 在70 140Mpa应力下发生塑性变形 在逆转变温度以上时又可变坚硬 这种奇妙的性能在医学中获得了许多应用 NiTi形状记忆合金的形状恢复温度与人体体温基本一致 应用起来十分方便 例如 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 随着研究和开发的深入 其应用领域将会不断扩大 2 临床应用 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 其他金属 钽可加工成板 带 丝材 用于制造骨板 骨钉 夹板 缝合针等外科植入器械 临床上 钽片刻用于修补颅盖 钽丝可缝合神经 肌腱和血管 钽板可用于修补骨缺损 钽网可用于修补肌肉组织 此外 在血管金属支架表面镀一层钽 能明显提高血管支架的抗血栓性能 2 医用铂铂是一种银白色金属 俗称白金 晶体结构为面心立方 铂具有高熔点 高沸点和低蒸气压的特点 铂的化学性质稳定 铂的主要物理性能为 密度21 45g cm2 20 C 熔点1769 C 电阻率9 85 cm 0 C 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 铂及其合金的力学性能较差及其成本较高 限制了其在医学上的推广应用 3 医用铌1 铌为难熔金属 熔点为2467 C 其晶体结构为体心立方晶体 纯铌的密度为8 5g cm3 铌和钽的化学性质很相似 具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性能 2 铌对很多腐蚀介质在冷态或稍热的条件下不起反应 金属铌在空气中只在温度高于200 C时才明显氧化 铌和Cl H N分别在200 C 250 C 400 C时才发生反应 3 铌容易磨损和黏结刀具 切削加工时宜采用油水乳化液冷却 以保持刀具刃部的锋利性 医用铌一般采用高纯铌 铌在医学方面与钽类似 如制髓内钉等 由于其来源和经济原因 医用铌的用途受到很大的限制 金属及其合金在生物体内的腐蚀问题尚未解决 需对其表面进行改性 目的 表面改性不仅要抑制有害金属离子的溶出 而且要促进组织的再生和加强材料与组织结合 金属生物材料的表面改性技术主要可以分为 1 物理化学方法 2 形态学方法 3 生物化学方法 金属与合金表面涂层处理 1物理化学方法 改善金属生物材料表面性能主要方法 1 氮化处理等离子体渗入技术氮原子能够与MoCrNi形成稳定化合物硬度高能够提高抗晶粒间腐蚀能力消除内应力 1物理化学方法 2 涂层处理等离子喷涂 磁控溅射技术A 氧化铝涂层提高强度 但是与金属基体结合差 喷涂前需要抛光B 羟基磷灰石和生物玻璃不锈钢 Ti合金 Co合金防腐和生物活性热膨胀系数不同 扩散 形成致密的界面C 金属纤维涂层Ti合金 拉成多孔金属纤维网 与Ti合金烧结成表面多孔优势 弹性模量与骨相近强度比骨高植入狗大腿与骨的结合强度高 1物理化学方法 改善金属生物材料表面性能主要方法 离子注入 高分子涂层 电化学法 2 生物化学方法 将大分子蛋白质或酶等有机高分子物质引入基体表面 使其具有更优良的生物活性 因而具有更直接 更有效的特点 这样的材料可以促进植入处伤口的愈合 加速植入体与周围组织的结合 同时也可以提高植入体的安全性和使用寿命 静电吸附分子自组装静电纺丝 重点第一部分一 原子键合 1 原子结合键的特点2 材料内部原子结合的方式及相应性能3 原子键合与材料性能之间的关系4 高分子的近程与远程结构5 根据元素周期表推断材料性能二 晶体学1 晶体的特点 结构的表征参数2 晶向指数与晶面指数的标定3 三种典型金属晶体的晶体学特点4 合金的相结构5 金属间化合物的应用6 离子晶体结构规则及典型的离子晶体结构7 硅酸盐结构特点8 聚合物的晶体结构模型 晶体形态9 晶态与非晶态之间的关系10 点缺陷11 位错解释材料性能 12 相图析晶路线自由度相数13 材料性能 电 热 光 从应用角度设计材料电性能 导体 半导体 本征与非本征区别 绝缘体的根本原因 随温度变化的原因 给出图形解释 进而根据能带宽度选择材料压电特性热性能 三个参数 给出材料热性能图 根据应用选择材料 并解释机理表面特性 接触角图解释扩散特性 根据应用选择材料光学性能 金属光泽 X射线吸收图片解释等 第二部分 金属生物医用材料1 优势与缺点2 腐蚀评价手段3 常见的金属医用材料优势与缺点4 针对缺点改性思路及方法5 金属材料研究进展 医用金属材料研究进展 镁合金优势 1 镁是人体内含量最多的阳离子之一 几乎参与人体内所有的新陈代谢过程 2 镁及镁合金的弹性模量约为45GPa 更接近人骨的弹性模量 能有效降低应力遮挡效应 镁与镁合金的密度约为1 7g cm3 与人骨密度 1 75g cm3 接近 符合理想接骨板的要求 1 医用镁及镁合金材料的研究 利用镁的易降解性能制成可吸收心血管支架利用镁金属与人体相近的力学性能作为骨固定材料 3 可控腐蚀性能 一定时期内良好的机械支撑性能 自行降解 克服长期存留 多次介入干预 而不会有重叠支架带来的问题 4 镁资源丰富 镁合金存在的最大问题 镁的耐蚀性能过差 满足不了植入器件服役期的要求 在提高镁及镁合金耐蚀性能方面 研究主要集中在合金化与表面涂层两方面 1 合金化 在可降解镁合金的材料研究方面 已经开发了AZ91Ca Mg Mn Zn Mg Zn Y Mg Zn Mn Ca Mg Ca Mg 1X X Al Ag In Si Y Zn和Zr 等多种新型镁合金 在控制降解速度方面仍没有取得突破性进展 2 表面处理 目标 控制基体降解速度 赋予其表面以良好的生物活性1 微弧氧化 无机陶瓷膜 与金属基体结合力强 电绝缘性好 耐热冲击 耐磨损2 离子注入 可以改善局部腐蚀如 电偶腐蚀 点蚀 缝隙腐蚀 晶界间腐蚀 并能改善应力作用下的腐蚀如 应力腐蚀断裂 氢脆 腐蚀疲劳 磨损腐蚀等 离子化粒子固溶体间隙位置3 激光改性 涂层裂纹少4 气相沉积晶体Si涂层 电化学沉积及仿生方法制备羟基磷灰石涂层 磷化方法制备磷酸钙涂层 化学转化锰酸盐涂层 等多种处理工艺 2 多孔医用金属材料研究 多孔金属定义 是指一种金属骨架里分布着大量孔洞的新型材料 以多样化空隙为特征 分类 按期结构来分 可分为无序和有序两类 前者如泡沫材料 而后者主要是点阵材料 按孔之间是否连通 可分为闭孔和通孔两类 前者含有大量独立存在的孔洞 后者则是连续畅通的三维多孔结构 性能 与实体结构材料比 由于孔隙的存在 多孔金属具有一系列特殊性能 良好的可压缩性 优良的综合力学性能 重量轻 多孔金属可以吸收与冲击方向无关的较高冲击能量 还可以有效地应用于声音吸收 电磁屏蔽和振动阻尼等方面 多孔金属材料用于植入材料的优点 多孔结构利于成骨细胞的粘附 分化和生长 促使骨长入孔隙 加强植入体与骨的连接 实现生物固定 多孔金属材料的密度 强度和弹性模量可以通过改变孔隙度来调整 达到与被替换硬组织相匹配的力学性能 力学相容性 如减弱或消除应力屏蔽效应 避免植入体周围的骨坏死 新骨畸变及其承载能力降低等 开放的连通孔结构利于水分和养料在植入体内的传输 促进组织再生与重建 加快痊愈过程 1 多孔钽以聚亚胺酯热降解得到的碳骨架为支架 该碳骨架呈为网络样结构 整体遍布微孔 孔隙率可高达98 再将商业纯钽通过化学蒸汽沉积 渗透的方法结合到碳骨架上就形成了多孔金属结构 钽层厚度在40 60 m之间 重量上钽约占99 碳骨架则占1 左右在显微镜下该材料结构如同松质骨 其空隙大小在400 600 m之间 整体互联的孔隙率高达75 85 三维多孔结构更有利于成骨细胞黏附 分化和生长 促进骨长入 从而加强植入体与骨之间的链接 实现生物固定 同时它也更有利于水分和营养物质在植入体内的传输 促进骨组织再生和重建 加快愈合过程 目前在临床上的应用主要有脊椎间融合器 缺损骨修复及软骨修复 图3 9多孔钽形貌图 2 多孔镁及镁合金 报道 1 日本2000年度对多孔镁的制备及部分力学性能作了初步的研究 得到孔隙率约90 的多孔镁样品 但实验过程中经常发生爆炸 其工艺还很不成熟 2 YAMADA等 采用渗流铸造方法制备开孔AZ91镁合金 密度为0 05g cm3 屈服压强为0 11MPa 多孔镁 多孔镁基金属的研究还停留在实验室阶段 尚未进入临床 3 Wen等采用粉末冶金技术制备开孔纯镁 孔隙率在35 55 孔径在70 400 m 当孔隙率在35 时 杨氏模量为1 8GPa 最