生物医学工程前沿金属基生物材料

生物医学工程前沿-镁基与钛基生物材料,赵大鹏湖南大学生物学院2015.01.08,生物材料概述,$254,000,000,000,90%,骨退行性疾病,类风湿性关节炎,骨质疏松症,生物材料概述,1860s,1970s,纯Ti和Ti-6Al-4V的应用,Mg合金的应用研究,英国,李斯特开始无菌手术,美国,2000s,德国,生物材料概述,生物材料,生物体材料(Biological material),生物医用材料,纤维蛋白、胶原蛋白,生物医用材料(Biomedical material),e.g.,e.g.,人造骨骼、医疗器械,按来源分：天然与合成材料,按成分分：金属、高分子、陶瓷与复合材料,按生物性能分：惰性、活性、降解和复合材料,按用途分：硬组织、软组织、药物载体等材料,按接触关系分：长期植入、短期植入、一次性和可降解材料,人造植入材料生物力学相容性生物相容性电化学性能耐摩擦性能,70-80%都是金属基材料,金属基生物材料,金属基生物材料,1. 生物力学相容性,刚度(Stiffness),强度(Strength),韧性(Toughness),抵抗弹性变形的能力,抵抗断裂的能力,断裂前吸收能量的能力,金属基生物材料,2. 生物相容性,组织相容性(Histocompatibility),血液相容性(Blood compatibility),我再也不吃小龙虾了！,金属基生物材料,3. 电化学性能,抗腐蚀性能(Corrosion resistance),使用了30年的钒钢固定板,金属基生物材料,4. 摩擦性能,耐磨性能(Wear resistance),金属基生物材料,常用金属基生物植入材料与人体骨骼性能比较,生物医用镁合金,镁(Magnesium),1s2, 2s2, 2p6, 3s2,活泼！,生物医用镁合金,镁基生物材料,低密度,可降解,优异的生物相容性,低弹性模量,1. 生物医用镁合金的优点,2. 生物医用镁合金的不足,镁基生物材料,腐蚀速度过快,生物医用钛及钛合金,SF6,生物医用镁合金,3. 主要研究方向,控制腐蚀速度,Mg-Re：强度高，腐蚀速率较低，但存在潜在毒性,Mg-Ca：生物相容性好，但强度低，而且腐蚀速率较高,Mg-Zn：生物相容性较好，强度较高，腐蚀速率较低,Mg-Ag：生物相容性较好，且有抗菌性能,生物医用钛及钛合金,钛(Titanium),1s2, 2s2, 2p6, 3s2, 3p6, 3d2, 4s2,生物医用钛及钛合金,-Ti,-Ti,生物医用钛及钛合金,额骨和顶骨,髋关节骨臼,接骨板,生物医用钛及钛合金,钛基生物材料,较低密度,高强度和延伸率,优异的生物相容性,优秀的抗腐蚀性能,1. 生物医用钛合金的优点,2. 现有生物医用钛合金的不足,钛基生物材料,刚度依然较高,生物医用钛及钛合金,生物医用钛及钛合金,3. 解决办法,目的,低弹性模量,生物医用钛及钛合金,生物医用钛及钛合金,高生物相容性,1、避免使用有毒元素2、有利于细胞吸附与增殖,Nb,Al,Co,Cr,Zr,Ta,Cu,V,Sn,X,生物医用钛及钛合金,生物医用钛及钛合金,高强度和塑性,1、保证成分均匀2、防止杂质相析出3、控制孔隙度,生物医用钛及钛合金,4. 制备方法,传统真空熔炼及后续机加工方法,粉末冶金方法,材料浪费严重，成本高,加工困难，工艺流程长,传统压制烧结方法,注射成型方法,3-D打印方法,固态发泡方法,。,生物医用钛及钛合金,Three-Dimensional Printing (3DP)3-D打印,Selective Laser Sintering (SLS)选择性激光烧结,生物医用钛及钛合金,3-D打印下颌骨,生物医用钛及钛合金,Metal injection molding金属粉末注射成型,生物医用钛及钛合金,MIM,5. 主要研究方向,1、降低弹性模量,2、提高生物相容性,生物医用钛及钛合金,生物医用钛及钛合金,选