生物医学金属材料

1.生物医学金属材料及其应用。第1节生物医学金属材料概述。第2节生物医学金属材料的条件和要求。第3节生物医学金属材料的类型。第四节生物医学金属材料的临床应用。第五节生物医用金属材料的研究进展与展望。第2节生物医学金属材料概述。金属材料的最早应用已有数百年的历史。半永久性或永久性植入体内，以替代受损、患病或部分磨损的组织，或修复骨骼、关节、血管、牙齿等。根据采用的顺序，通常用于植入的生物医学材料是金属、聚合物和无机材料。3、人工替代活体器官人工器官的研究进展，古埃及人在公元前3500年使用棉纤维和马鬃作为缝合线；墨西哥印第安人用木屑修复受伤的头骨。公元前2500年，在中国和埃及的坟墓中发现了假牙、鼻子和耳朵。人类很早就用黄金修复有缺陷的牙齿。1588年，上颚骨被镀金修复。1775年，有记录表明内部骨折是用金属固定的。在1800年，有大量的报道说金属板被用来修复骨折。1809年，有人种植了黄金制成的牙齿。在1851年，有报道称人造牙齿托架和腭骨由硫化的天然橡胶制成.迪亚科瑙斯巴黎，雅戈尔大街58号，1761年。Alt，Freiburg)，教授，博士，h . f . kapperforschungsbereichfrexperienceellezanheilkundederuniversitypes-zmk-klinkfreiburg I . br .5 .金属材料具有较高的强度和韧性，适用于修复硬组织系统，如修复颅骨缺损或用金属板镶嵌牙齿。随后，使用不锈钢、钴基合金和具有耐腐蚀性的钽，导致更少的组织反应和更好的效果。近年来，钛及其合金也被采用，其重量轻，弹性模量类似于骨相，有推广的趋势。应用范围扩大：如人工关节、人工骨、骨科对象、人工假体、血管套管吻合术、脑止血夹等。7、特点：生物医用金属材料用量少，品种多，规格不同，要求严格，因此其发展非常重要。临床上，根据不同的应用场合和功能要求，有不同的要求。例如，在体外使用电子假手相对简单，对植入体内的要求特别严格。第二节生物医学金属材料的条件和要求，8，9，1。基本要求：作为一种金属生物医用材料，植入人体是首要考虑的。其基本要求相同，必须符合“医疗等级”标准。包括以下几个方面：10，1。良好的生物相容性，即对人体的适应性和亲和性，包括组织、体液、机械和电气相容性等。其中，第一个是生物相容性，即它必须是最低限度的生物反应，没有不良刺激、毒性、毒性反应、免疫反应或对免疫功能的干扰、过敏和过敏、致癌、致畸、炎症反应、感染和排斥。它需要在植入后存在很长时间，这有助于愈合和粘附。11岁。材料通过体外组织或细胞培养、毒性试验、动物体内埋藏和临床应用进行测试和评价。炎症反应是组织愈合的自然变化。原因：由简单磨损或手术创伤引起的对组织的机械刺激；由植入物引起的。特点：前者反应早，反应短暂；后一种植入物作为异物留在体内。身体首先试图击退它。如果它不能排斥它，它会将它包裹起来，使其与正常组织隔离开来，因此这种反应会继续，或者会在以后出现。13、组织反应：通常，根据植入物周围形成的包膜厚度和细胞浸润的数量来评估。美国材料试验学会F4标准是动物在体内埋6个月，纤维涂层厚度为0.03毫米，合格。14、毒性反应：与物质的化学作用有关；它还与植入物浓度有关，即它在体液中的溶解速率和清除速率。通常，可以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。血液相容性：指不引起凝血或溶血，不损伤红细胞，血小板(四)磨损和摩擦性能与结构相容，即良好的耐磨性。(五)硬度类似于或适应于植入区域的组织。(六)表面光洁度。物理和化学性质的稳定性要求高惰性，不随体液而变化，结构稳定。(一)耐化学腐蚀和电离腐蚀。(二)抗溶解和溶胀性。(三)无毒。(四)无热源反应。(v)非磁性？(六)耐久性。根据生物力学要求，设计合理，结构简单，满足功能需求。材料本身以及器械的设计、结构和技术操作必须符合人体生物力学的要求。材料选择和结构也不同。原理是仿生的，而不是解剖学上的复制。5.它易于加工、成形和制造、植入和再手术。6.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：多用途硅橡胶或复合材料；主要关节和矫形对象：金属材料或与其他材料的相容性；接骨钢板的孔的长度和数量随骨骼厚度而变化。加压钢板和各种类型的髓内钉也有它们的机械性能。金属材料的特殊要求1。腐蚀问题金属材料的主要缺点是腐蚀问题。腐蚀类型：一般腐蚀：植入体内的金属浸泡在体液中，即血液、组织液、淋巴液和滑液，均含有蛋白质、有机酸、碱金属和无机盐，其中钠、钾、钙、氯等离子体是能使金属产生均匀或一般腐蚀的电解质。20、后果：降低或破坏金属材料的机械性能，导致断裂、腐蚀产物，对人体有刺激性和毒性。21，检测方法：通常在体外和体内测试金属的耐腐蚀性。体外测试包括测量腐蚀速率、电化学特性、金属阳极的分级特性以及通过将金属样品浸泡在腐蚀性液体中来测量金属电动势和阳极反馈电动势的测试。通过金相、光谱分析和组织学观察进行体内埋藏试验。一般工业不锈钢的腐蚀速率标准为0.25 m/a，但医用标准较低，即钴基合金不锈钢为25，2。毒性问题纯金属的毒性与其在元素周期表中的位置有关。第二类铍(铍)、镁(镁)、钙(钙)、锶(锶)、锌(锌)、镉(镉)和汞(汞)都是剧毒物质。第三族铝、镓、铟、锡、硅、钛、锆是完全无毒的。第六族的铬、钼和钨也是无毒的。26岁。在第一组、第五组和第八组中，同一家族中原子重量小的铜(铜)、钒(V)、砷(砷)、锑(锑)、铁(铁)、钴(钴)和镍(镍)是有毒的，而同一家族中原子重量大的金(金)、钽(钽)和铂(铂)则不有毒。金属的毒性主要作用于细胞，可以抑制酶的活性，阻止酶通过细胞膜扩散，破坏溶酶体。通过测定乳酸脱氢酶(LDH)和葡萄糖6-磷酸脱氢酶(G6-PD)的活性来检测植入金属对小鼠吞噬细胞的影响，结果表明：钴镍和钴铬合金等有毒金属能损伤细胞，释放LDH，降低G6-PD的活性，但钛、铬和钼能被吞噬细胞所耐受。一些金属成分也会引起过敏反应。28，3。金属的力学性能对于人工股骨的金属股骨头，要求强度不小于540兆帕。人体股骨头的抗压强度为143兆帕，纵向弹性模量约为13.8兆帕，径向弹性模量为纵向的1/3。健康的骨骼也有自我调节的能力，不容易被损坏或折断。金属植入物不能在体内自我调节。因此，在体内替代骨骼时，金属植入物必须具有比骨骼更高的强度、弹性模量和抗疲劳性。常用金属的弹性模量应大于骨骼的弹性模量，否则弹性模量太低，无法获得良好的骨折固定。然而，过多的压力也会增加应力集中，并且由于废弃不用，骨吸收会增加。因此，钛合金(弹性模量110103Mpa)是优越的例如，当股骨头负荷为45.36千克时，股骨近端内侧皮质的应力高达8.27兆帕。当受到强大的肌肉力量拉动时，实际应力是理论值的三倍。人工股骨头每年必须承受3.65106个交变载荷(每天10，000步)，因此材料必须具有高抗疲劳性和耐磨性。钴基合金一般比钛及其合金好，但可以通过表面氮化来强化。或者改变其摩擦副，即金属聚合物，以减少磨损。其他金属材料可以通过热、化学和辐射方法灭菌。如果复合材料一起使用，应该注意聚合物材料不能耐热或气体消毒。在熔炼过程中，有无添加剂及工艺(包括电弧、真空熔炼、沉淀硬化、热处理、冷加工等)。)会影响质量。抗凝或溶血、抗感染等特殊要求也需要不断改进或解决。植入装置的固定松动问题可以通过使用多孔材料获得生物嵌体内锁定固定来解决。33、全自动微电脑蒸汽消毒炉、34、热蒸汽消毒金属材料、35、第三节生物医用金属材料，金属具有较高的强度和韧性，因此它适用于修复和替代人体的硬组织，对骨科和口腔更为重要。发展方向：金属钢不锈钢超低碳钢钴基合金、纯钛及其合金。记忆合金和多孔钛也正在开发和应用。临床上，不锈钢、钴基合金、钛及其合金、钽等。主要用于。钛及其合金比重小，弹性模量接近人骨。它们容易被人体接受，是理想的。(1)不锈钢：它是一种铁基耐腐蚀合金，比钴基合金耐腐蚀性差，但易于加工，价格低廉。每种所含元素都有自己的用途，可以增强和保持合金结构的稳定性、强度和耐腐蚀性。例如，钼(2%-3%)可以增加氯离子(氯化物)环境中的电阻并抵抗点腐蚀。但不要太多，否则容易断裂。铬可以形成氧化铬并形成稳定的钝化膜进行保护。37，镍和铬都是稳定的奥氏体结构，可以加入镍(12%14%)以获得单相奥氏体结构，从而防止向其它低性能结构的转化。不锈钢中的硅、锰和非金属夹杂物等杂质元素应尽量减少，否则会影响耐蚀性。目前，最常用的不锈钢是AISI316L超低碳不锈钢，它是一种植入体内的阴性对照材料。不锈钢经济且易于加工，可制成各种形状，如针、板、钉、螺钉、髓内针、牙冠、三角钉及其他装置和各种人造假体。(2)钴基合金：钴基奥氏体结构，即铬钴钼合金，或钒钢或活合金。可以铸造或锻造，但硬度大，加工和制造过程困难。考虑到耐腐蚀性和机械性能，它优于不锈钢，是目前较好的材料。自1929年以来，它已被应用于临床。锻造植入装置已被列入国际标准化组织的国际标准，分为三种类型：硬、中、软。39岁。铸造钴基合金含有高达30%的钴，其耐腐蚀性是不锈钢的40倍。添加5%7%的钼可以组织晶粒长大，提高耐蚀性，改善疲劳性能。由于其高耐磨性，适用于制作人工关节金属间的滑动连接。以埃尔吉洛伊为例，锻造钴基合金含有40%的钴、20%的铬、15%的镍、7%的钼、2%的锰、0.15%的碳和0.04%的铍。含钛钴铬钼更适合植入。钴基合金价格昂贵，加工困难。该应用程序尚未普及。钛及其合金：钛重量轻，比重与人骨相似，纯钛的强度为390 490兆帕。实验表明，其耐蚀性和耐疲劳性优于不锈钢和钴基合金。它具有良好的生物相容性、轻微的组织反应和良好的43、钛及其合金对生理溶液和某些氨基酸有很强的耐腐蚀性。使用的溶液包括非缓冲溶液和汉克斯缓冲生理溶液，以及添加了尿酸和氨基酸的汉克斯溶液。纯钛及其合金的腐蚀极低。缺点：耐磨性差，强度不如钴基合金，加工困难需要在真空下严密铸造。44岁。为了提高耐磨性和硬度，钛制品表面可以用高温离子氮处理，造成表面晶格畸变和压应力，从而提高硬度、耐磨性和耐腐蚀性。离子渗氮后，纯钛和钛合金的硬度分别提高了7倍和2倍。纯钛磨损率降至1/12，钛合金磨损率降至1/6。氮化钛的年腐蚀速率是非氮化钛的1/3。动物实验表明，组织对表面氮化钛材料的反应轻微且无毒。45，NiTi记忆合金是一种含54%56%镍的NiTi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。在20世纪70年代，美国已经将其超弹性用于口腔矫正弓丝，中国也开发和应用了它。目的：钛及其合金已广泛应用于临床。钛网和钛箔用于修补脑膜和腹膜，钛板用于修补颅骨，可用于制造人工骨、关节、人工心脏瓣膜支架、人工心脏部件、口腔颌面部矫正和修复、牙齿和矫形用品；脑止血夹、手术器械、医疗器械和假肢等。钽及其合金钽及其合金具有良好的性能，在20世纪40年代被用作植入材料。当时，仅从生物相容性和塑性的角度考虑，但近年来，它已被应用于能够承受高载荷的部件。钽具有高耐腐蚀性。除了溶解在硝酸和氢氟酸、氢氟酸、热浓硫酸和苛性碱(100%110%)的混合溶液中外，其他试剂对钽没有影响。对人体无刺激，体液对钽的交变疲劳强度无影响。50、钽可用作人工骨、矫形器械、钉子、缝合针和缝合线，尤其是钽丝缝合线，用于修复肌腱、神经和血管。钽片或箔片可以修复颅骨和腹壁。五氧化二钽和少量氧化铁的混合物也可以用来加速血液凝固。钽资源少，价格高。其推广应用仍然有限。51、目前使用的上述几种常用金属(以美国为例):不锈钢占大多数，约75%，钴基合金次之，约20%，其余5%是钛及其合金。每年，有超过200万个金属植入物，超过5万个髋关节。新材料的开发符合应用和研究的要求，主要包括工艺改进、新合金材料和复合材料等。1.为了弥补和提高316型不锈钢的耐蚀性和强度，采用沉淀硬化法研制了铜型不锈钢。类型1是铁基的，含有20%的钴、20%的铬、20%的镍、4%的钼和0.2%的磷以产生时效强化。其强度和耐磨性不低于临床上用于人工关节的钴基合金。53，2。由多孔材料制成的人造假体的固定通常是通过机械方法(嵌入、螺钉)或粘合剂，这是非生物固定。假体可能松动或下沉，骨水泥可能导致骨溶解。自70年代以来，多孔材料得到了发展和应用，例如多孔钛、钴基合金和陶瓷，它们由粉末或纤维的烧结涂层制成，减少了植入物和骨之间的弹性模量差异、骨向内生长并获得生理组合。在20世纪50年代早期，人们发现金(Au)、镉(Cd)、铟(In)和