生物医学金属材料

1,生物医学金属材料及其应用,第一节 生物医学金属材料概述第二节 生物医学金属材料的条件与要求第三节 生物医学金属材料的种类第四节 生物医学金属材料的临床应用第五节 生物医学金属材料研究进展及展望,2,第一节 生物医学金属材料概述,金属材料应用最早，已有数百年的历史；半永久性或永久性地植入体内，以置换被破坏的、病变的或部分磨损的组织，或进行骨骼、关节、血管、牙齿等的修复。常用于植入用的生物医学材料按其先后采用次序为：金属、高分子聚合物和无机材料。,3,生 命 体 器 官 的 人 工 替 代人 工 器 官 的 研 究 进 展,公元前3500年古埃及人用棉花纤维, 马鬃做缝合线;墨西哥的印地安人用木片修补受伤的颅骨;公元前2500年中国, 埃及的墓葬中发现假牙,假鼻,假耳;人类很早用黄金来修复缺损的牙齿;1588年用黄金板修复腭骨;1775年有记载用金属固定体内骨折;1800年有大量应用金属板固定骨折的报道;1809年有人用黄金制成种植牙齿;1851年报道用硫化天然橡胶制成的人工牙托和腭骨.,Diakon aus Paris, Alter 58 Jahre, 1761 in Genf(Grabungen Prof. Alt, Freiburg),Prof. Dr. H. F. Kappert Forschungsbereich fr Experimentelle Zahnheilkundeder Universitts-ZMK-KlinikFreiburg i.Br.,5,金属材料具有较高强度和韧性，适用于修复硬组织系统，如用金属板修补颅骨缺损或镶牙。随后使用有抗蚀性能的不锈钢、钴基合金和钽，组织反应小，效果更佳。近年来钛及其合金也被采用，其质量轻，弹性模量与骨相近似，有推广趋势。应用范围扩大：如人工关节、人工骨、矫形物、人工假体、血管套管吻合、脑止血夹等等。,6,坚硬固定系统,7,特点： 生物医学金属材料的用量小，品种多，规格不一， 要求严，故其研制至为重要。 临床上根据应用部位和功能要求不同，有不同需求。 例如：体外用电子假手比较简单，植入人体内者要求就特别严格。,第二节 生物医学金属材料的条件与要求,8,9,一、基本要求： 作为金属生物医学材料，首先考虑植入人体， 其基本要求是同一的， 必须符合 “医用级” 标准。包括以下几方面：,10,1.生物相容性良好 即对人体的适应性和亲和性，包括组织、体液、力学和电学相容性等方面。 其中，首先是生物相容性，即必须是最小的生物学反应，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。植入后需较长期存在，能有助于愈合及附着。,11,通过体外组织或细胞培养、毒性试验、动物体内埋藏、临床应用诸方面对材料进行检测评定。,12,炎性反应：是组织愈合的自然变化。原因：单纯磨损引起对组织的机械刺激，或手术创伤引发；植入物所引起。区分特点：前者反应早而短暂；后者植入物作为异物存留体内，机体首先是试图排斥，如不能排斥，就包裹起来，使之与正常组织隔绝，故反应持续或较晚出现。,13,组织反应：一般根据植入物周围形成的包膜厚度及细胞浸润数来评定。ASTMF4的标准是动物体内埋藏6个月，纤维包膜厚度0.03mm为合格。,14,毒性反应：与物质的化学作用有关；也与植入物浓度，即其溶解于体液的速度和清除率有关。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。血液相容： 指不引起凝血或溶血，不破坏红细胞、血小板等。,15,2足够的能适应应力的机械性能 （I）足够的强度和韧性，包括静力和动力学强度,能承受人体某部位机械作用力，不因生理环境而降低强度。 （II） 弹性疲劳、变形。 （III） 弹性与组织相容。 （IV） 磨损及摩擦性能与组织相容，即耐磨性好。 （V） 硬度与植入区组织相近似或适应。 （） 表面光洁度 。,16,3理化性能稳定 要求高度惰性，不因体液而有变化，结构稳定。 （I） 抗化学性和电离性腐蚀。 （II） 抗溶解和膨胀。 （III）无毒。 （IV）无热源反应。 （V） 无磁性？。 （）耐久性。,17,符合生物力学要求，设计合理，结构简单，适应功能需要。材料本身及器具设计、结构和技术操作均须符合人体生物力学要求。材料选择与结构也不同，原则是仿生而不是解剖复制。易于加工造型和制作，易植入和再次手术。价格低廉，来源易得，便于推广应用。,18,仿生结构设计：手指关节： 多用硅橡胶或复合体；大关节及矫形物：金属材料或与其他材料配 伍；接骨钢板长度与孔数因骨骼粗细而有不同；加压钢板及各型髓内针也有其力学特性。,19,二、金属材料的特殊要求腐蚀问题 金属材料的缺点主要是腐蚀问题。腐蚀种类：一般腐蚀：移植在体内的金属浸泡在体液，即血液、间质液、淋巴和滑液中，均含有蛋白质、有机酸、硷金属和无机盐，其中Na+、K+、Ca2+、Cl-等离子均是电解质可使金属产生均匀或一般腐蚀。,20,后果： 降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂，产生腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。,21,检测方法： 检测金属的抗蚀性能，一般采用体外和体内试验。体外试验包括用腐蚀液浸泡金属试件测定腐蚀速度及电化学特性、金属阳极分级特性试验，及测定金属电动势与阳极反馈电动势等方法。体内埋藏试验则用金相学、光谱分析和组织学观察。一般工业用不锈钢的腐蚀率标准为0.25m/a，但医用标准更低，即 钴基合金 不锈钢,25,2、毒性问题纯金属的毒性与它在元素周期表的位置有关。第族的铍(Be）、镁(Mg)、钙(Ca)、锶(Sr)、锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)毒性强；第族的铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)和第族的锡(Sn)、硅(Si)、钛(Ti)、锆(Zr)完全无毒；第族的的铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)也无毒性。,26,在第、及族中，同族中原子量小的铜(Cu)、钒(V)、砷(As)、锑(Sb)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)有毒，而同族中原子量大的金(Au)、钽(Ta)、铂(Pt)未发现毒性。,27,金属的毒性主要作用于细胞，可抑制酶的活动，阻止酶通过细胞膜扩散和破坏溶酶体。 利用测定乳酸脱氢酶(LDH)和6磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD)活性法检测植入金属对鼠类吞噬细胞的影响，可以表明；有毒金属如钴镍和钴铬合金能损伤细胞，释放 LDH，降低G6PD的活性，但钛、铬、钼则能为吞噬细胞所耐受。 某些金属成分还可以引起过敏反应。,28,3、金属的机械性能用于人工股骨的金属股骨头，要求强度不低于 540Mpa。人股骨头抗压强度为143Mpa，纵向弹性模量约为13.8Gpa，径向弹性模量为纵向的1/3。健康骨骼还具有自行调节能力，不易损伤或断裂。金属植入物在体内不能自行调节。因此，金属植入物在体内代替骨骼时必须比骨骼有更高的强度和弹性模量以及抗疲劳性能。,29,一般使用的金属弹性模量均应比骨骼的大，否则过低不能获得良好的骨折固定。但过大也会增加应力集中，加上废用原因，均可增加骨的吸收。据此，钛合金（弹性模量110103Mpa）即优于不锈钢（200103 Mpa）。,30,对人工关节的金属材料而言，抗疲劳和耐磨损是主要问题。以髋关节为例：静力下股骨头负荷压力从头凸面呈放射状向内传递，应力增高，股骨近端内侧承受的后应力较大。如股骨头负荷为45.36kg 时，股骨近端内侧骨皮质应力高达8.27Mpa. 由强大肌力牵拉，实际应力比理论值还要大三倍。,31,人工股骨头每年还要经受3.65106次交变载荷（每日一万步计），故材料必须具有高抗疲劳和耐磨损性能。 一般钴基合金较优，钛及其合金则较差，但可通过表面渗氮以增强。或改变其摩擦偶，即金属高分子聚合物，以减小磨损。,32,4、其他金属材料可用热、化学和放射等方法消毒灭菌，如配合应用复合材料, 应注意高分子材料不能耐热或气体消毒。在冶炼过程中，有无添加剂，采用何种工艺（包括电弧、真空冶炼、沉淀硬化、热处理、冷加工等）, 均可影响质量。 抗凝血或溶血、抗感染等特殊要求，也需不断提高或解决。植入器件的固定松动问题可试用多孔材料，以获得生物镶嵌内锁型固定。,33,全自动微电脑蒸汽消毒炉,34,金属材料的热蒸汽消毒,35,第三节 生物医学金属材料的种类,金属有较高强度和韧性，故适用于修复置换人体硬组织，对骨科和口腔更显重要。 发展： 金属钢材不锈钢超低碳钢钴基合金、纯钛及其合金。记忆合金、多孔钛也在研制应用. 临床上主要应用不锈钢、钴基合金、钛及其合金、钽等。钛及其合金的比重小，弹性模量与人骨接近，易被人体接受，较为理想。,36,一、金属种类1、常用金属生物医学材料 （1）不锈钢：为铁基耐蚀合金，抗蚀性不如钴基合金，但易加工，且价格低廉。所含元素各有其所用，可增强并维持合金结构的稳定性、强度和抗蚀性能。例如：钼（2%-3%）可增加在氯离子(氯化物)环境中的抗力，抗点腐蚀。但不能过量，否则易断裂。铬可形成氧化铬, 组成稳定的保护用钝化膜 。,37,镍和铬均稳定奥氏体结构，加入镍（12%14%）可得到单相奥氏体组织，防止转化为低下性能的其他结构。不锈钢中要尽量减少Si、Mn等杂质元素及非金属夹杂物，否则影响其耐蚀性。 目前最常用的不锈钢为AISI 316L超低碳不锈钢，为体内植入的阴性对照材料。 不锈钢经济性好，加工简易，可制成多种形体，如针、板、钉、螺钉、髓内针、齿冠、三棱钉等器件和各种人工假体。,38,（2）钴基合金：为钴基奥氏体结构，即铬钴钼合金，或称钒钢或活合金。可以铸造或锻造，但硬度大，加工制作工艺较困难。从耐蚀性和机械性能考虑，较不锈钢优越，是目前较优良的材料。1929年已开始应用于临床。锻造植入器件已列入ISO国际标准，并有硬、中、软三种类型。,39,铸造钴基合金含钴高达30%，耐蚀性比不锈钢高40倍， 加入5%7%钼可组织晶粒长大，提高耐蚀性，善疲劳性能。 因耐磨性能高， 适于制作人工关节的金属间滑动联接。锻造钴基合金以Elgiloy为例，含钴40%、铬20%、镍15%、钼7%、锰2%、碳0.15%、铍0.04%。 含钛的钴铬钼合金，更符合植入要求。 钴基合金由于价格较高，加工比较困难。 应用尚不普及。,40,（3）钛及其合金：钛质轻，比重与人骨近似，纯钛强度为390490Mpa实验证明其耐蚀性和抗疲劳性能均优于不锈钢和钴基合金，生物相容性好， 组织反应轻微，表面活性好，钛易与氧反应形成致密氧化膜即氧化层稳定，具有生物医学材料的条件，适于植入，为较理想有发展的一种植入材料，也已列入ISO国际标准.,41,42,纯钛为六角形致密微细结晶，强度低。加入钒的结构为立方体。加入铝成为稳定的六角形结构。加入铝和钒的钛合金，可提高强度和机械性能，而不损失其抗蚀性，故可推广应用，有取代不锈钢和钴基合金之势。,43,钛及其合金对生理溶液和某些氨基酸有较强的耐蚀性，所用溶液有非缓冲液、Hanks缓冲生理液，加入尿酸、氨基酸的Hanks液。 对纯钛及其合金检测，腐蚀极低。缺点：耐磨性能差，强度不如钴基合金，加工困难需在真空下紧密铸造。,44,为了提高耐磨性能和硬度，可将钛制品表面进行高温离子氮处理，引起晶格畸变，表面具有压应力状态，使硬度、耐磨及耐蚀性提高。离子氮化后纯钛及钛合金硬度分别提高7和2倍；纯钛磨损率降低到原来的1/12，钛合金降低到原来的1/6。年腐蚀率氮化钛材是非氮化钛材的1/3。动物实验表明组织对表面渗氮钛材反应轻微，无毒性。,45,镍钛记忆合金为含镍54%56%的镍钛金属间化合物，具有独特的形状记忆效应、良好的生物相容性和生物力学性能。 70年代美国已利用其超弹性用于口腔整矫弓丝，我国也已开展研制并应用。,46,用途：钛及其合金已广泛应用于临床。钛网与钛箔用于修复脑膜和腹膜，钛板用于修补颅骨，可用于制作人工骨、关节、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部体、用于口腔面颌矫形和修补，牙和矫形物；脑止血夹、手术器械、医疗仪器和人工假肢等 。,47,三维钛网,48,眶周固定,49,（4）钽及其合金 钽及其合金性能良好，在40年代就用作植入材料。当时只是从生物相容性和可塑性来考虑，近年来则用于可承受高负荷部体。钽的耐蚀性高，除溶解在硝酸和氢氟酸的混合液、氢氟酸、热的浓硫酸、苛性碱 (100%110%) 外，其他试剂对钽都不起作用。对人体无刺激，体液对钽的交变疲劳强度无影响。,50,钽可做人工骨、矫形器件、钉、缝针和缝线，尤其是钽丝缝合修复肌腱、神经和血管。钽片或箔可修复颅骨、腹壁。五氧化钽与少量三氧化铁的混合物还可用来加速血液的凝结。钽的资源少，价格高，其推广应用尚受限制。,51,上述几种常用金属目前使用情况（以美国为例）：以不锈钢占多数，约75%，钴基合金次之，约20%，其余5%为钛及其合金。每年金属植入物达200万件以上，髋关节即有5万件以上。,52,二、新材料开发 在满足应用和研究上，主要包括工艺改进，新的合金材料和复合材料等。1、Cop 及型不锈钢 为弥补和提高316型不锈钢的抗蚀性和强度，利用沉淀硬化法研制出Cop型不锈钢，I型是铁基的，含钴、铬、镍各20%、钼4%，加入磷0.2%以产生时效强化。其强度及耐磨性不亚于钴基合金，临床上已用于人工关节。,53,2、多孔材料人工假体的固定一般用机械法（嵌入、螺钉）或粘合剂，均非生物性固定，有可能出现假体松动或下沉，骨水泥且可能导致骨质溶解。七十年代以来，已在研制多孔材料并应用，如 多孔钛、钴基合金及陶瓷， 由其粉末或纤维烧结涂层制成，减少了植入物与骨间弹性模量的差别，骨质长入，获得生理结合。,54,3、形状记忆合金50年代初已发现金(Au)、镉(Cd)和铟(In)、铊（Tl）合金有记忆效应；1963年美海军武器实验室的Buehler发现镍钛合金也具有记忆效应才引起重视；1969研制成功镍钛记忆铆钉；70年代进行了广泛研究；,55,80年代发展铁基及不锈钢记忆合金、钛镍铂(TiNiPt)高温记忆合金、宽滞后记忆合金、有机记忆合金和陶瓷记忆合金。,56,记忆合金有单向、双程、全程记忆三种：单程记忆为不可逆