第四章 医用金属材料.ppt

第四章医用金属材料 概述 定义 应用 是一种用作生物医用材料的金属或合金 又称作外科用金属材料或医用金属材料 是一类生物惰性材料 通常用于整形外科 牙科 骨科等领域 具有治疗 修复固定和置换人体硬组织系统的功能 目前临床应用的金属植入材料主要包括 不锈钢 钴基合金 钛合金 镍钛形状记忆合金 医用贵金属 医用钛 钽 铌 锆等单质金属 以及磁性合金等等 2医用金属材料的要求 1 生物相容性 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 耐磨性 3 耐腐蚀性能 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 作为摩擦部件的医用金属材料 其耐磨性直接影响到植入器件的寿命 3常用医用金属材料 3 1不锈钢3 2钴基合金3 3钛合金3 4其它合金 3 1生物医用不锈钢3 1 1不锈钢基础知识 金属腐蚀类型1 均匀腐蚀 generalattack 腐蚀均匀地在材料的表面产生 损坏大量的材料 容易发现 危害性不是很大 2 点腐蚀 pointcorrosion 腐蚀集中在材料表面不大的区域 向深处发展 最后甚至能穿透金属 3 晶界腐蚀 intergranularcorrosion 晶界腐蚀是指腐蚀过程是沿着晶界进行的 其危害性最大 4 应力腐蚀 stresscorrosion 钢在拉应力状态下能发生应力腐蚀破坏的现象 没有什么预兆 所以其危害性也是比较大的 5 磨损腐蚀 corrosionwear 在腐蚀介质中同时有磨损 腐蚀和磨损相互促进 相互加速的现象称为磨损腐蚀 图各种腐蚀类型 晶界腐蚀 点腐蚀 应力腐蚀裂纹 提高钢耐腐蚀性能的途径主要有 1 形成稳定保护膜 Cr Al Si有效 2 提高固溶体电极电位或形成稳定钝化区 Cr Ni Si Ni贵而紧缺 Si易使钢脆化 Cr是理想的 3 获得单相组织 Ni Mn 单相奥氏体组织 4 机械保护措施或复盖层 如电镀 涂漆等方法 不锈钢的组织与分类 铁素体形成元素 Cr Mo Si Ti Nb等 奥氏体形成元素 C N Ni Mn Cu等 铬当量 Cr Cr 1 5Mo 2 0Si 1 5Ti 1 75Nb 5 5Al 5V 0 75W镍当量 Ni Ni Co 0 5Mn 30C 25N 0 3Cu铬当量和镍当量的综合作用结果决定不锈钢的组织 组织状态图 图不锈钢组织状态图 焊后冷却 不锈钢分类 M不锈钢 12Cr13 20Cr13 30Cr13 40Cr13 1Crl3 4Crl3 等Crl3型 Crl7Ni2 9Cr18等 F不锈钢 如06Cr11Ti 10Cr17Mo 008Cr27Mo等 A不锈钢 具有单相A组织 如06Cr19Ni10 06Cr18Ni11Ti 12Crl8Mn9Ni5N等 A F复相不锈钢 如12Cr21Ni5Ti 沉淀硬化不锈钢 1 合金元素对不锈钢组织和性能的影响 一 合金元素对钝化的影响 钝化 某些金属在特定的环境下表面失去金属活性 呈现与惰性金属相似的特性钝化机制 金属表面与周围介质生产一层极薄的氧化膜 钝化膜 作为金属与介质之间的一个屏障 降低金属的腐蚀钝化的作用 使金属在一定条件下 阳极反应受阻 从而提高耐蚀性常用的钝化元素 Cr Al Si Mo Cu 影响不锈钢组织和性能的因素 2 合金元素对Fe电极电位的影响 一般讲 金属固溶体的电极电位比化合物低 所以在腐蚀过程中 金属固溶体作为阳极被优先腐蚀 1 提高Fe基体的电极电位可提高耐蚀性2 Cr对Fe基体的电极电位影响的n 8规律 Tammann定律 Fe基固溶体的电极电位随Cr含量达到Cr Fe原子比的1 8 2 8 3 8 n 8时 Fe的电极电位会发生跳跃式升高 腐蚀显著减弱的现象 3 合金元素对不锈钢基体组织的影响 不锈钢的基体组织是获得所需力学性能和良好耐蚀性的保证 使钢在室温下得到单相组织 A F 就可以减少微电池的数量 提高耐蚀性 合金元素影响 1 一类是扩大奥氏体形成元素 C N Mn Ni Cu等2 一类是F形成元素 Cr Si Ti Nb Mo等 1 铬元素的作用 Cr是决定钢耐蚀性的主要元素 固溶体电极电位 表面形成致密氧化膜 不锈钢中主要合金元素的作用 碳的作用 C C 强度 冷变形性 焊接性 耐蚀性 综合因素 碳量应尽可能地低 Ni是奥氏体形成元素 能形成单相奥氏体 能适当提高固溶体电极电位 提高耐蚀性 Ni的作用 其它元素的影响 钛和铌能形成稳定碳化物 固定C 使Cr固溶于基体 从而防止晶界腐蚀 钼能 不锈钢钝化能力 扩大钝化介质范围 提高耐蚀性 腐蚀介质对钢耐蚀性的影响 金属的耐蚀性 与介质的种类 浓度 温度和压力等环境条件有密切的关系 必须根据工作介质的特点来正确选择使用不锈耐蚀钢钢种 1 在大气 水 水蒸气等弱腐蚀介质 13 Cr2 氧化性介质 如硝酸 该介质含氧量较高 容易在钢表面形成钝化膜 17 Cr Cr越高越好 3 非氧化性酸 如稀硫酸 HCl 介质含氧量低 钝化膜不易形成 在 17 Cr基础 Mo Cu 4 强有机酸 在Cr Mn型不锈钢基础上 加入Mo Cu 5 含有Cl 离子的介质 如海水 Cl 很小 有很大腐蚀性 奥氏体不锈钢 不锈钢中用量最大的一种 约占不锈钢的2 3优点 较好的耐蚀性 冷加工成型性 可焊性缺点 强度低 不能淬火强化 易受晶间腐蚀 应力腐蚀分类 按化学成分分 Cr Ni Cr Mn N Cr Mn Ni N 奥氏体不锈钢特点如下 具有很高的耐腐蚀性 塑性好 容易加工变形成各种形状钢材 加热时没有同素异构转变 焊接性好 韧度和低温韧度好 一般情况下没有冷脆倾向 有一定的热强性 不具有磁性 价格较贵 切削加工较困难 导热性差 1 奥氏体不锈钢的成分和组织特点 奥氏体不锈钢的主要成分是Cr和Ni 18Cr和8Ni的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分 Cr Ni 18 8 26 耐蚀电位接近n 8定律中n 2的电位值 具有良好钝化性能 单相奥氏体组织 耐蚀性达到较高的水平 Cr Ni再 更为优良 Ti Nb 稳定K 抗晶间腐蚀的能力 Mo 不锈钢钝化作用 点腐蚀倾向 钢在有机酸中的耐蚀性 Cu 钢在硫酸中的耐蚀性 Si 钢抗应力腐蚀断裂的能力 平衡态时为奥氏体 铁素体 碳化物组织 经过固溶处理后获得了单相奥氏体 18 8不锈钢组织 平衡组织 A F M23C6缓冷沿ES线析出碳化物缓冷至SK线以下 还要发生部分 相转变为 相奥氏体不锈钢是经淬火热处理得到 单一A加热到ES线以上 碳化物溶于A中 经淬火 高温状态的碳等元素的过饱和固溶体保持到室温 得到单一的奥氏体组织 奥氏体不锈钢 在许多腐蚀环境中会发生晶间腐蚀 晶间腐蚀是奥氏体不锈钢使用过程中最为普遍的破坏形式 也是其使用的主要缺点 这是由于晶界贫Cr造成的 晶间腐蚀 2 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀 图不锈钢晶界腐蚀贫Cr区示意 敏化处理 在Cr Ni奥氏体不锈钢中 在450 800 的温度范围内时效处理 可考察不锈钢晶间腐蚀的敏感性 敏化处理和敏感性的关系通常用TTS Time Temperature Sensitivation 曲线来表示 如下图所示 敏化处理后 在金相组织上可看到碳化物沿着晶界析出 曲线1表示钢开始产生晶间腐蚀 曲线2是由于时间充分 晶间腐蚀倾向已不再出现 也就是产生晶间腐蚀现象结束线 曲线包围的区域是产生晶间腐蚀的温度 时间范围 奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出 经强Ti Nb合金化的不锈钢称为稳定性钢 这种钢析出K的温度范围可分成两个区域 如图 曲线1表示析出M23C6型K的富Cr区域 曲线3表示析出MC型K的区域 曲线2是产生晶间腐蚀的区域 在仅有MC型K析出的区域 没有晶间腐蚀倾向 为防止A不锈钢的晶间腐蚀 可采取以下措施 1 降低钢中的含C量 2 加入Ti Nb 析出特殊K 稳定组织 3 进行1050 1100 的固溶处理 保证Cr含量 4 对非稳定性A不锈钢进行退火处理 使A成分均匀化 消除贫Cr区 5 对稳定性钢 通过热处理形成Ti Nb的特殊K 以稳定固溶体中Cr含量 保证含Cr量水平 3 1 2生物医用不锈钢 一 分类 组成和性能最早用于植入材料的不锈钢是18 8钢 含铬18 镍8 的钢 即国际牌号304不锈钢引入Mo 即316不锈钢 Mo能够改善在电解质溶液中的耐腐蚀性能 20世纪50年代 316不锈钢的碳含量由0 08 降低为0 03 即316L不锈钢 进一步提高了其在含Cl 溶液中的耐蚀性能 降低了材料致敏性 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 医用不锈钢钢种 18 8型 Cr Ni型 304不锈钢 牌号 00Cr18Ni10 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti316不锈钢 材料 18Cr 12Ni 2 5Mo 主要化学成分 C 0 08 Ni 10 0 14 0 Cr 16 0 18 5 Mo 2 0 3 0 316L不锈钢 我国材料牌号 022Cr17Ni12Mo2 主要合金元素成分 C 0 03 Ni 12 0 15 0 Cr 16 0 18 0 Mo 2 0 3 0 二 医用不锈钢的生物相容性特点产生的腐蚀作用造成其长期植入的稳定性差 密度和弹性模量与人体硬组织相距较大 因此力学相容性差 溶出的镍离子有可能诱发肿瘤的形成及本身无生物活性 难于和生物组织形成牢固结合等原因 应用比例呈下降趋势 三 临床应用1 齿科 镶牙 齿科矫形 牙根种植及辅助器件2 人工关节和骨折内固定器械 人工肩关节 肘关节 全髋关节 半髋关节 膝关节 踝关节 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 人工椎体和颅骨板等 3 心血管系统 各种传感器 植入电极的外壳和合金导线 可制作不锈钢的人工心脏瓣膜 血管内扩张支架等 3 2Co基合金钴基合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金 1 分类 组成和性能常用Co Cr合金 分为两类 Co Cr Mo合金 一般通过铸造加工 铸造Co Cr Mo合金已经在牙科方面应用了近几十年 目前主要用于制造人工关节连接件 Co Ni Cr Mo合金 一般通过热锻加工 锻造Co Ni Cr Mo合金主要用于制造关节替换假体连接件的主干 承受重载荷 如膝关节和髋关节等 表3 2典型钴基合金性能 Co基合金发展历史 美国首先用Co基合金做牙科材料Vitallium Co 27Cr 5Mo 0 5Ti 在使用过程中这种合金不断析出碳化物相而变脆 因此 把合金的含碳量降至0 3 同时添加2 6 的镍 以提高碳化物形成元素在基体中的溶解度 这样就发展成为CoNiCrMo合金 2 生物相容性从耐蚀性看 它也是所用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会引起松动 其原因是由于金属磨损腐蚀造成Co Ni等离子溶出 在体内引起巨细胞和组织坏死 从而导致患者疼痛以及关节的松动 下沉 钴 镍 铬还可以产生皮肤过敏反应 3 临床应用适合于制造体内承载苛刻 耐蚀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 4 钴基合金植入器件的制造加工方法三种 精密铸造 机械变形加工和粉末冶金 3 3钛合金 一 概述 钛是目前已知的生物相容性最好的金属之一 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结合能力 尤其适合于骨内埋植 与不锈钢及钴基合金相比 钛合金的弹性模量与人体骨最接近 引起的应力遮挡效应最小 钛合金植入物材料的发展进程钛及其合金的发展可分为三个时代 第一个时代以纯钛和Ti6Al4V为代表 第二个时代是以Ti 5Al 2 5Fe和Ti 6Al 7Nb为代表的新型钛合金 去除V元素 第三个时代则是一个开发与研制更好生物相容性和更低弹性模量钛合金的时代 其中以对 型钛合金的研究最为广泛 纯钛 具有良好的抗腐蚀性能 但是强度较低 耐磨损性能较差 限制了它在承载较大部位的应用 目前主要用于口腔修复及承载较小部位的骨替换 Ti6Al4V 具有较高的强度和较好的加工性能 70年代后期被广泛用作外科修复材料 如髋关节 膝关节等 V被认为是对生物体有毒的元素 其在生物体内聚集在骨 肝 肾 脾等器官 毒性效应与磷酸盐的生化代谢有关 通过影响钠 钾 钙等离子与ATP酶发生作用 毒性超过Ni和Cr Al元素对身体的危害是通过铝盐在体内的蓄积而导致器官的损伤 另外Al元素还会引起骨软化 贫血和神经紊乱等症状 Ti 5Al 2 5Fe和Ti 6Al 7Nb 为了避免V元素的潜在毒性 80年代中期两种新型 型医用钛合金Ti5Al2 5Fe和Ti6A7Nb在欧洲得到了发展这类合金的力学性能与Ti6Al4V相近 此类合金为骨弹性模量的4 10倍 型钛合金 新型医用 型钛合金的研制正在发展 90年代初期 Ti Mo系 型钛合金作为医用材料得到了广泛研究 如Ti 12Mo 6Zr 2Fe Ti 15Mo 5Zr 3Al及Ti 15Mo 3Nb 0 3O 21SRx 这类合金具有更高的拉伸强度 断裂韧性 更好的耐磨损性能以及更低的弹性模量 这类合金的弹性模量虽然大大降低了 但仍为骨弹性模量的2 7倍 而且含有大量的Mo元素 动物实验证明Mo元素会产生严重的组织反应 90年代初 Smith NephewRichards公司研制的Ti 13Nb 13Zr合金中加入了Nb和Zr生物相容性元素 二 钛合金性能1 比强度高 低密度 高强度 2 耐腐蚀性强 表面形成一层稳定的氧化膜 3 生物相容性好 能与骨和生命组织融合 4 弹性模量值小 约为其他金属材料的一半 接近于天然骨 5 无磁性 不受周围磁场的影响 6 易加工 能加工成各种产品 Ti 6Al 4V 在众多生物医用级别钛金属中 Ti 6Al 4V是目前临床应用最广泛的钛合金 Ti及Ti合金的机械力学性能 I IV为纯钛 钛及钛合金的缺点是硬度较低 耐磨性差 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 使制品表面呈压力状态 从而提高硬度和耐磨性 离子氮化后的纯钛及钛合金硬度分别提高7倍和2倍 纯钛的磨损率降低到原来的1 2 钛合金降低到原来的1 6 氮化后钛材的年腐蚀率是非氮化的1 3 动物实验表明组织对表面渗氮钛材反应轻微 材料无毒性 利用离子注入技术 可在钛及合金表面注入氯离子 使其表面生成氮化钛陶瓷涂层 大大提高钛制品的耐磨 耐蚀性能 如TC4氮化前后 制品在模拟体液中的年腐蚀率降低至原来的1 3 三 临床应用钛及钛合金具有优异的使用特性 被世界公认是生物医疗领域中优异的金属材料 采用钛及钛合金制造的股骨头 髋关节 肱骨 颅骨 膝关节 肘关节 肩关节 掌指关节 颌骨以及心瓣膜 肾瓣膜 血管扩张器 夹板 假体 紧固螺钉等上百种金属件移植到人体中 取得了良好的效果 被医学界给予了很高的评价 我国人造关节材料的发展 1959 1960年 使用不锈钢制造的人造股骨头1972年起 开始采用了国产钛及钛合金制品 在人体承受力小的地方换接骨可以使用纯钛 在人体下肢因为负重大 关节活动量大 采用Ti 6Al 4V合金 世界各国的相关研究和大量的临床治疗实例 从深度和广度上认可钛及钛合金是迄今为止最理想的人体植入物金属材料 被当今医疗外科业列为继不锈钢 钴基合金之后崛起的第三代金属 四 钛和钛合金植入器件的制造钛是非常活跃的元素 在高温有氧气存在时甚至能燃烧 因此在高温加工处理过程中 需在惰性气氛或真空条件进行 氧容易扩散进入钛使材料变脆 因此 任何加热处理或锻造都应在低于925 C的条件下进行 由于钛易磨损 在机械加工过程中易黏刀 使加工变得困难 可采用电化学加工方法解决这一问题 3 4其他合金3 4 1Ni Ti形状记忆合金Ni Ti合金具有形状记忆的特性 Ni Ti合金在展现出奇特的形状记忆效应 当温度低于转变温度时进行塑性变形 然后温度一升高 它就会回复到原始形状 形状记忆合金可用于拱形牙齿矫正 骨科整形 血管支架等 双程记忆合金花是利用形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花 开放温度为 65 85 闭合温度为室温 形状记忆合金相变过程 马氏体相变的主要特征 替换原子无扩散 成分不改变 近邻原子关系不改变 切变 母相和马氏体之间呈位相关系 形状改变 抛光面显示浮突 马氏体相变与热弹性马氏体相变 只有温度改变或外加应力的变化破坏了平衡 马氏体才开始张大或缩小 好象马氏体相变具有热弹性 这样马氏体就称为 热弹性马氏体 不随温度或外加应力变化长大或缩小的马氏体则叫做 非热弹性马氏体 非热弹性马氏体相变特点 相变时相变阻力高 马氏体转变需要有很大的过冷度产生大量晶体缺陷马氏体逆转变需要很大的过热度加热的过程中马氏体将首先发生分解 难以直接逆转变回母相 热弹性马氏体相变特点 马氏体转变只需要很小的过冷度 随马氏体形成 弹性应变能增加 缺陷少 界面可动 界面维持共格关系 马氏体逆转变不需要大量过热 由弹性能驱动 加热的过程中马氏体直接逆转变回母相 相变在化学驱动力和弹性应变能的动态平衡下进行 冷却时马氏体长大 加热时马氏体收缩 其长大和缩小受热效应和弹性效应两因素平衡条件的制约 表现出热弹性 形状记忆效应的基本原理 所谓形状记忆效应实质上是指将完全或部分M相变的试样加热到Af以上时 则其恢复到原来母相状态所给予的形状 其原因是 由于变形所引起的组织上的变化 因可逆转变而完全消除 变形方式如何对于形状记忆效应是很重要的 在具有热弹性M可逆转变的合金中 M内部的变形方式为孪生变形 M和母相间的变形体现为M本身的长大和收缩 即两者均以界面移动的方式发生变形 这种界面的移动容易导致原来位向的完全恢复 而产生形状记忆效应 记忆合金的超弹性 传统合金的弹性是原子健的伸展 形状记忆合金的超弹性是晶体结构的变化 由奥氏体变为马氏体 此应力诱发相变使材料的变形与被施加的应力形成响应 当应力去除时 合金回复到原始奥氏体状态 变形消失 恢复原始形状 钛金属眼镜架 特别轻 同一款式的眼镜架 钛架比传统架轻一半 钛金属架具有超弹性 永不变形的优点可将两镜腿向两侧拉伸直以与镜圈成一条线 都不会拉断 鼻梁扭曲90度也不会变形 钛金属架还有一个特点是 它化学稳定性好 非常耐腐蚀 不易被污水浸蚀 也不会引起皮肤过敏 眼镜新宠 钛金架 NiTi合金医学应用 管腔狭窄的治疗 喉气管狭窄 食管狭窄 胆道狭窄 尿道狭窄及闭锁等 支架安入管腔狭窄的部位后 能将狭窄管腔撑开 并与管壁相贴紧 固定好 其生物相容性好 长期安放对黏膜无明显损伤 其高回弹性能顺应管道的弯曲 对人体刺激小 口腔科 用这种材料做成的种植牙具有齿槽骨切口小 固定牢靠等优点 骨科 人工关节 断骨连接 弯曲脊柱矫正 血管外科 治疗主动脉瘤 冠状动脉和椎动脉狭窄等 科学家还用记忆合金做成食道支架 对失去进食功能的食道癌患者来说 记忆金属 食道架能在喉部膨胀成新的食道 必要时只要向食道里加上冰块 食道 又会遇冷收缩 从而可轻易取出 人造食道 3 4 2齿科用金属1 齿科汞齐汞齐是一种含有汞金属成分的合金 汞在室温下是液态 它能与其他金属反应 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硬化 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 2 金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 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 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 3 4 3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 19 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 通过制造工艺控制和冷加工处理 钽也可以用作承力部位的修复 3 4 4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 9 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 4 5医用铌铌为难熔金属 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 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 铌的力学性能见表3 6 铌可通过锻造 轧制或拉拔等工序加工成棒 板 管 丝和异性材等 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 表3 6铌的机械力学性能 ASTM F560 几种常见生物医用金属材料的力学性能对照 4 金属植入物遭遇的問題 1 在承受荷重的部位主要面临磨损的問題 在不承受荷重的部位則主要面临腐蚀的問題 腐蚀和磨损是金属生物材料在人体复杂的环境中所面临的主要两大問题 金属植入物遭遇的問題 以全人工髋关节为例 目前骨干的材料以Co Cr合金和Ti 6Al 4V合金為主 股骨头以磨损性质较佳的Co Cr合金為主 超高分子量聚乙烯用于髋臼杯的部位 减少与金属间的磨损和应力 人工全髋关节的结构人工髋关节假体仿照人体髋关节的结构 将假体柄部插入股骨髓腔内 利用头部与关节臼或假体金属杯形成旋转 实现股骨的曲伸和运动 人工髋关节包括股骨柄 骨股头 髋臼和聚乙烯衬 股骨体柄 股骨头 髋臼采用钛合金 钴铬钼合金 不锈钢制造 髋臼衬采用超高分子聚乙烯制造 不同金属材料的髋关节的寿命分别为 a 钛合金 使用寿命为10 15年 b 钴铬钼合金 使用寿命为10 15年 c 超低碳不锈钢材料 使用寿命为4 6年 人工股骨头与人工髋臼杯摩擦产生的磨屑 会引发髋关节附近组织和细胞反应 造成手术失败 人工髋关节內聚乙烯的磨损程度 被认为是造成骨质溶解的诱因之一 磨损所产生的微小顆粒应是造成失败的重要原因 人工股骨头与人工髋臼杯摩擦 产生磨损碎屑 磨损碎屑与细胞膜接触 造成发炎细胞与蚀骨物质增加 细胞間质不易形成 骨的重建被破坏 促进骨的吸收与分解 人工髋关节与骨之間的结构不良 导致人工全髋关节的松脫与失败 不锈钢因其抗蚀性低于Co Cr合金和Ti合金 适合作暂时性植入材料如骨板 骨釘 骨螺絲等 纯钛和金因机械性能较低 无法承受大量荷重 故多为牙科用 Co Cr合金在人体中是钝化状态 但是所释放出的Co和Cr离子会引起植入物附近骨质溶解 Co离子可能造成甲状腺机能减退 紅血球国多症和心肌病 钛是一活性金属 可是能形成坚固的TiO2钝化层使钛合金在生理情況下仍能维持钝化状态 使钛合金具有优良的抗蚀性 仅在某些特殊环境下 如在还原性酸液中和含氟离子的环境中 因为表面钝化膜受到破坏而腐蚀 不锈钢由于有足夠的铬而具有抗蚀性 其钝化膜不像钛或Co CR合金那样坚固 会受孔蚀且在螺丝周周围产生间隙腐蚀 Cr離子的释放具有毒性 会使肝和肾脏产生疾病并具有致癌性 在Co Cr Mo合金上被覆氧化锆或氧化铝涂层能提高Co Cr Mo植入合金在的抗蚀性并減少磨损量 5医用金属材料研究进展 5 1医用镁及镁合金材料的研究 镁合金具备作为可降解骨植入材料的多方面优点 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 3 镁具有独特的体内降解性能 4 镁资源丰富 价格低廉 利