生物医用材料

1、1生物医用材料生物医用材料Questions：1. 你认为什么是生物医用材料（可简称你认为什么是生物医用材料（可简称为生物材料），能否举例说明？为生物材料），能否举例说明？2. 你感兴趣的生物材料有哪些？你感兴趣的生物材料有哪些？2生物医用材料生物医用材料人工脏器：人工脏器：3氧化铝氧化铝：18002000元元。 氧化锆氧化锆：300012000元元。 镍铬合金镍铬合金：400600元元钛合金钛合金：600800元元 纯钛纯钛：10001200元元 贵金属贵金属：14002000元元 牙科：牙科：生物医用材料生物医用材料4生物医用材料生物医用材料5固体硅橡胶固体硅橡胶液体硅橡胶液体硅橡胶人工乳

2、房假体人工乳房假体外科：外科：生物医用材料生物医用材料6注射胶原蛋白注射胶原蛋白生物医用材料生物医用材料7导尿管导尿管气管导管气管导管胃肠减压管胃肠减压管-双囊三腔管双囊三腔管用于门静脉高压用于门静脉高压引起的食管和胃引起的食管和胃底静脉曲张破裂底静脉曲张破裂出血时止血用。出血时止血用。生物医用材料生物医用材料8全氟碳化合物全氟碳化合物多聚血红蛋白多聚血红蛋白人工血液：人工血液：生物医用材料生物医用材料9可吸收螺钉可吸收螺钉 PLLA可吸收骨板可吸收骨板PLLA骨科：骨科：生物医用材料生物医用材料10软软骨骨人人工工关关节节医用粘合剂医用粘合剂生物医用材料生物医用材料11电子耳蜗：电子耳蜗：生

3、物医用材料生物医用材料12生物医用材料生物医用材料13生物医用材料生物医用材料生物材料生物材料是一门正在蓬勃发展的交叉性学科。是一门正在蓬勃发展的交叉性学科。 材料科学家和临床医学家在对生物材料的认识材料科学家和临床医学家在对生物材料的认识和为之努力的理念（目的、效益等）上，还有待逐和为之努力的理念（目的、效益等）上，还有待逐步获得共识。步获得共识。 生物材料的发展对临床医学的贡献是不言而喻生物材料的发展对临床医学的贡献是不言而喻的，同时也逐步丰富了材料科学的内容。的，同时也逐步丰富了材料科学的内容。 14生物医用材料生物医用材料 生物医用材料生物医用材料课程将总结国内外近年来在课程将总结国内

4、外近年来在生物材料学方面有关材料及其医学生物材料学方面有关材料及其医学基础研究基础研究、应用应用技术研究技术研究、产业化和临床实践产业化和临床实践的资料和经验，并且的资料和经验，并且反应我国现代生物材料学的成果及其进展。反应我国现代生物材料学的成果及其进展。 3 临床临床2 技术技术1 基基础础15生物医用材料生物医用材料1. 实用生物医用材料学实用生物医用材料学, 顾其胜等顾其胜等, 上海科学技术出版社上海科学技术出版社, 2005 年年01月；月；2. 生物医用材料导论生物医用材料导论, 李世普等李世普等, 武汉理工大学出版社武汉理工大学出版社, 1900年年 01月；月；3. 生物材料科

5、学医用材料导论生物材料科学医用材料导论, (美美) 拉特纳等拉特纳等, 清华大学出版清华大学出版, 2006年年12月；月；4. 生物医用材料生物医用材料, 俞耀庭等俞耀庭等, 天津大学出版社天津大学出版社, 2000年年12月；月；5. 生物材料生物材料, (美美) J. S. Temenoff 等等, 科学出版社科学出版社, 2009年年06月。月。参考书籍：参考书籍：16& 第第1章章 绪论绪论& 第第2章章 生物医用金属材料生物医用金属材料& 第第3章章 生物医用无机材料生物医用无机材料& 第第4章章 生物医用高分子材料生物医用高分子材料& 第第

6、5章章 生物医用复合材料生物医用复合材料& 第第6章章 生物医用材料相关技术生物医用材料相关技术& 第第7章章 生物医用材料在临床上的实例生物医用材料在临床上的实例 课程大纲课程大纲17第第1 1章章 绪论绪论生物医用材料生物医用材料是直接或间接与人体组织接触的材料。是直接或间接与人体组织接触的材料。以人为本以人为本根据材料的应根据材料的应用对象设计用对象设计生物学评价生物学评价模拟人体环境实验模拟人体环境实验售后服务售后服务18v 1.1 概述概述v 1.2 材料性质与设计材料性质与设计v 1.3 人体结构、生理及病理人体结构、生理及病理v 1.4 生物医用材料的最新进展生物

7、医用材料的最新进展第第1 1章章 绪论绪论191.1 概述概述药学药学诊断学诊断学生物学生物学 遗传学遗传学 工程学工程学 机械学机械学临床医学临床医学材料学材料学信息学信息学环境学环境学单一单一材料材料复合复合材料材料智能智能材料材料仿生仿生材料材料生物材料生物材料植入、代替、植入、代替、整形外科整形外科植入、代替、植入、代替、整形外科整形外科支架、组织支架、组织工程工程药物缓释、药物缓释、载体载体纳米技术、纳米技术、人工芯片人工芯片人工器官、人工器官、基质工程基质工程201.1 概述概述1980 Bruck “源自合成或天然资源，与组织、血液和体液接触源自合成或天然资源，与组织、血液和体液

8、接触的，用于的，用于修复、诊断、治疗和储藏修复、诊断、治疗和储藏而对机体及其成分无不良而对机体及其成分无不良影响的材料影响的材料”；1992 Black “用于用于取代、修复取代、修复活组织的天然或人造材料活组织的天然或人造材料”； 日本学者日本学者 “以以人工脏器、医疗用具人工脏器、医疗用具等为中心的材料等为中心的材料”；最近，第六届国际生物材料大会最近，第六届国际生物材料大会“一种一种植入植入生命系统内或与生生命系统内或与生命系统相结合命系统相结合而设计的物质，它与生命体而设计的物质，它与生命体不起药理反应。不起药理反应。”我国师昌诸院士：我国师昌诸院士：“用以和生物系统结合，以诊断、治疗

9、或替用以和生物系统结合，以诊断、治疗或替换机体中的组织、器官或增进其功能的材料换机体中的组织、器官或增进其功能的材料”。生物医用材料的定义：生物医用材料的定义：213500年前，古埃及人利用年前，古埃及人利用棉纤维、马鬃棉纤维、马鬃缝合伤口；缝合伤口； 印第安人使用印第安人使用木片木片修补受伤的颅骨。修补受伤的颅骨。发展历史发展历史：2500年前，中国和埃及的墓葬中就有年前，中国和埃及的墓葬中就有假牙、假鼻和假耳假牙、假鼻和假耳。1588年，人们用年，人们用黄金板黄金板修复颚骨；修复颚骨；1775年，就有用年，就有用金属金属固定体内骨折的记载；固定体内骨折的记载；1851年，发明天然橡胶的硫化

10、方法后，采用年，发明天然橡胶的硫化方法后，采用硬胶木硬胶木制作人工牙制作人工牙托的颚骨托的颚骨。1.1 概述概述221.1 概述概述图图1-1. 国际医疗器械产国际医疗器械产值变化图。值变化图。19901995200020057505101200750170013103275图图1-2. 1999年世界医疗器年世界医疗器械产值分配图（亿美元）。械产值分配图（亿美元）。美国美国欧盟欧盟日本日本中国中国国国际际国内外生物材料的产业化：国内外生物材料的产业化：231.1 概述概述国国内内图图1-3. 国内医疗器械产值变化图。国内医疗器械产值变化图。1985 1990 1995 2000 200524

11、1.1 概述概述病例数病例数（万例）需求量需求量（万个/年）实用量实用量（万个/年）国产国产率率（%）进口价进口价（万元）（人民币）人工心脏瓣膜人工心脏瓣膜（250）251.5301.52起搏器起搏器（600）402523骨修复材料骨修复材料（300）20020600.10.2人工关节人工关节（1500）3003602.5人工晶体人工晶体（2000）40040400.080.15血管支架血管支架（2000）1002102人工血管人工血管（150）10030202肾透析器肾透析器（100）501020表表1-1. 体内植入生物制品的国内市场需求。体内植入生物制品的国内市场需求。25按材料按材料来

12、源分来源分人体自身组织：人体自身组织：同种器官与组织：同种器官与组织：异种同类器官与组织：异种同类器官与组织：天然生物材料：天然生物材料：合成材料合成材料生物医用材料的类型与应用生物医用材料的类型与应用：1.1 概述概述医用材料可按以下几个方面分类：医用材料可按以下几个方面分类：按材料来源分类；按按材料来源分类；按材料的性质分类；按材料在人体应用部位的分类；按材材料的性质分类；按材料在人体应用部位的分类；按材料使用要求的分类；按材料与人体接触时间分类料使用要求的分类；按材料与人体接触时间分类。26按材料按材料应用部应用部位位分分硬组织材料：硬组织材料：软组织材料：软组织材料：心血管材料：心血管

13、材料：血液代用材料：血液代用材料：分类、过滤、透析膜材料分类、过滤、透析膜材料1.1 概述概述27按材料按材料使用要使用要求分求分非植入性材料与制品：非植入性材料与制品：注射器等注射器等植入性材料与制品：植入性材料与制品：血液接触性材料和制品：血液接触性材料和制品：心脏反搏气囊心脏反搏气囊降解和吸收性材料和制品：降解和吸收性材料和制品：1.1 概述概述28按材料按材料与人体与人体接触时接触时间分间分短期接触：短期接触： 24h, A类材料类材料长期接触：长期接触：24h t 30d, C类材料类材料1.1 概述概述29按材料按材料组成和组成和性质分性质分生物医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛及

14、其合金生物医用金属材料：不锈钢、钴基合金、钛及其合金生物医用高分子材料：有机、天然及天然衍生材料生物医用高分子材料：有机、天然及天然衍生材料生物医用无机材料：羟基磷灰石、生物医用无机材料：羟基磷灰石、磷酸三钙等磷酸三钙等生物医用复合材料：举例子最熟悉的是什么？对分子生物医用复合材料：举例子最熟悉的是什么？对分子式不要求式不要求1.1 概述概述301.1 概述概述年份年份高分子高分子金属合金金属合金陶瓷陶瓷复合材料复合材料天然材料天然材料199245%45%3%1%6%200047%30%10%3%10%表表1-2. 各种生物材料产值占医疗器械总产值的百分数。各种生物材料产值占医疗器械总产值的百

15、分数。311.2 材料性质与设计材料性质与设计生物医用材料与生物体间的相互作用：生物医用材料与生物体间的相互作用：生理环境生理环境 生物医用材料生物医用材料（一）材料反应（一）材料反应材料的物理变化：材料的物理变化：大小、形状、热电光性能的变化，如陶瓷；大小、形状、热电光性能的变化，如陶瓷；材料的化学变化：材料的化学变化：化学组成、微观结构、晶粒尺寸及耐腐蚀；化学组成、微观结构、晶粒尺寸及耐腐蚀；材料力学性能的变化：材料力学性能的变化：被降解或磨损使力学性能变化，如胶原蛋白。被降解或磨损使力学性能变化，如胶原蛋白。32组织坏死，产生肉芽肿或肿瘤组织坏死，产生肉芽肿或肿瘤轻微炎症轻微炎症严重炎症

16、严重炎症炎症炎症纤维被膜纤维被膜过度纤维变过度纤维变性性细胞消化、细胞消化、降解降解细胞细胞化学化学物理物理力学力学工艺工艺生物材料生物材料机体机体1.2 材料性质与设计材料性质与设计（二）（二）生物反应生物反应-宿主反应宿主反应（宿主反应是什么宿主反应是什么/ /组织反应、血液反应、组织反应、血液反应、免疫反应与全身反应免疫反应与全身反应）（组织反应）（组织反应）炎症反应、炎症反应、细胞粘附、细胞粘附、细胞增殖、细胞增殖、形成伪内膜、形成伪内膜、细胞质转变细胞质转变331.2 材料性质与设计材料性质与设计（血液反应）（血液反应）血小板血栓、血小板血栓、凝血系统的激活、凝血系统的激活、纤溶系统

17、的激活、纤溶系统的激活、溶血反应、溶血反应、一次性包细胞减少一次性包细胞减少修复治疗修复治疗血小板血栓血小板血栓血小板黏附聚集血小板黏附聚集因子因子XII激活激活凝血系统激活凝血系统激活材料表面材料表面蛋白吸附蛋白吸附 血血 栓栓栓子流动栓子流动 栓栓 塞塞341.2 材料性质与设计材料性质与设计（免疫反应）（免疫反应）补体系统的激活、补体系统的激活、抗原抗原-抗体反应、抗体反应、免疫细胞的激活、免疫细胞的激活、（全身反应）（全身反应）全身急性或慢性毒全身急性或慢性毒性反应、性反应、诱发分子突变致癌诱发分子突变致癌35生物医用材料（生物医用材料（体内植入物体内植入物）的性能要求：）的性能要求：

18、物理性能要求：物理性能要求：溶出物及可渗出物溶出物及可渗出物 机械物理性能机械物理性能 成型加工性能成型加工性能 灭菌性能灭菌性能材料的生物学性能：材料的生物学性能：生物稳定性生物稳定性 生物相容性生物相容性1.2 材料性质与设计材料性质与设计36 生物医用材料必须满足的基本要求：生物医用材料必须满足的基本要求： (1) 无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应；无急性毒性、致敏、致炎、致癌和其他不良反应； (2) 良好耐腐蚀性、相应的良好耐腐蚀性、相应的生物力学性能及加工性能生物力学性能及加工性能； (3) 良好组织相容性、血液适应性和适宜的耐生物降解性良好组织相容性、血液适应性和适宜的耐

19、生物降解性。1.2 材料性质与设计材料性质与设计37生物医用材料的设计：生物医用材料的设计：材料设计的材料设计的目标：目标：如如 分子、分子、 微米、微米、 毫米、毫米、 可见水平上可见水平上生物医用材料生物医用材料的设计的设计生物医用材料设生物医用材料设计：计：满足生物功能、性能、满足生物功能、性能、制备加工以及消毒等要制备加工以及消毒等要求。求。如：心血管装置、骨科如：心血管装置、骨科植入物、口腔科植入物、植入物、口腔科植入物、 软组织植入物软组织植入物1.2 材料性质与设计材料性质与设计38正常人体结构：正常人体结构：细胞细胞组织组织器器官官Text系系统统人人体体1.3 人体结构、生理

20、与病理人体结构、生理与病理39肌腱：肌腱：联系肌肉与骨骼作用联系肌肉与骨骼作用皮肤：皮肤：表皮、真皮及皮下组织表皮、真皮及皮下组织牙：牙：牙釉质、牙本质及牙骨质牙釉质、牙本质及牙骨质软骨：软骨：透明、弹性及纤维软骨透明、弹性及纤维软骨骨：骨：无机物与有机物组成的复合材料无机物与有机物组成的复合材料细胞与细胞间质：细胞与细胞间质：细胞核细胞核血管：血管：动脉与静脉动脉与静脉生物医用材生物医用材料研究涉及料研究涉及的人体结构的人体结构部分部分1.3 人体结构、生理与病理人体结构、生理与病理40调节机制调节机制生物医用材料生物医用材料人体人体人的机体组织：人的机体组织：由含有聚糖基由含有聚糖基质及庞

21、大纤维网状结构组成，质及庞大纤维网状结构组成，浸泡在含大量离子的体液中，浸泡在含大量离子的体液中，是一种生物活性的复合材料。是一种生物活性的复合材料。植入植入同化与异同化与异化作用化作用神经调节、体液调节以及器神经调节、体液调节以及器官、组织细胞的自身调节。官、组织细胞的自身调节。正常生理状态：正常生理状态：1.3 人体结构、生理与病理人体结构、生理与病理41修复和再生修复和再生加入外源性加入外源性物质物质神经与体神经与体液调节液调节疾病疾病健康健康病理状态：病理状态：1.3 人体结构、生理与病理人体结构、生理与病理42仿生环境：仿生环境：生物医用材料生物医用材料临床应用临床应用复杂而又严格的

22、复杂而又严格的体外、体内实验体外、体内实验人体环境中各种物质的组成、相对人体环境中各种物质的组成、相对含量以及其物理和化学性质含量以及其物理和化学性质1.3 人体结构、生理与病理人体结构、生理与病理43组织工程组织工程支架支架药物控释材料药物控释材料医用仿生材料医用仿生材料智能材料智能材料医用纳米材料医用纳米材料材料的发展：材料的发展：学会举例子学会举例子响应性凝胶响应性凝胶形状记忆合金形状记忆合金支架材料、生长因子支架材料、生长因子生物可降解、药物载体生物可降解、药物载体基质与器官基质与器官纳米无机材料纳米无机材料纳米高分子材料纳米高分子材料1.4 生物医用材料的最新进展生物医用材料的最新进

23、展44技术的发展：技术的发展：界面技术：界面技术：种植内皮细胞、磷脂基团表面等，容易操种植内皮细胞、磷脂基团表面等，容易操作实现的作实现的工艺技术：工艺技术：提纯技术等提纯技术等检测技术：检测技术：材料本体、表面性能及浸出液成分分析等材料本体、表面性能及浸出液成分分析等工程技术：工程技术：纳米技术与仿生技术等纳米技术与仿生技术等1.4 生物医用材料的最新进展生物医用材料的最新进展45生物医用金属材料生物医用金属材料牙弓丝牙弓丝齿科合金齿科合金 齿科合金齿科合金血管支架血管支架食道带膜支架食道带膜支架 胆道支架胆道支架尿道支架尿道支架 漏斗胸矫形器漏斗胸矫形器 46v 2.1 医用金属材料概述医

24、用金属材料概述v 2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金v 2.3 金属腐蚀和无菌性松动金属腐蚀和无菌性松动生物医用金属材料生物医用金属材料472.1 医用金属材料概述医用金属材料概述根据抗腐蚀性排列顺序根据抗腐蚀性排列顺序不错不错医用金属医用金属材料材料贵金属及贵金属及钽铌锆钽铌锆钛和钛基钛和钛基合金合金不锈钢不锈钢钴基合金钴基合金镍钛形状镍钛形状记忆合金记忆合金482.1 医用金属材料概述医用金属材料概述医用不锈钢医用不锈钢 不不 锈锈 钢：钢：一般指成分中的含铬量大于一般指成分中的含铬量大于10.5%的一系列铁基合的一系列铁基合 金总称。抗腐蚀原理：金总称。抗腐蚀原理：Cr形成氧化膜形

25、成氧化膜医用不锈钢医用不锈钢：是医疗设备及用具上用的材料和可植入人体内：是医疗设备及用具上用的材料和可植入人体内 支撑组织的植入材料。支撑组织的植入材料。按构建的按构建的组织相组织相马氏体不锈钢马氏体不锈钢铁素体不锈钢铁素体不锈钢奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢+双相不锈钢双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢沉淀硬化不锈钢分分 类：类：492.1 医用金属材料概述医用金属材料概述（一）不锈钢的种类与成分（一）不锈钢的种类与成分 不锈钢：铁不锈钢：铁 + 铬、镍、硅、锰、钛、铬、镍、硅、锰、钛、碳碳、硫和磷。、硫和磷。 钢强钢强度度钢韧钢韧性性钢强钢强度与度与硬度硬度钢铸钢铸造性造性能能防防止止晶晶间间腐腐蚀蚀5

26、02.1 医用金属材料概述医用金属材料概述马氏体不锈钢：马氏体不锈钢：是一类通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调节的是一类通过热处理（淬火、回火）对其性能进行调节的不锈钢。含铬不锈钢。含铬12-17%（低铬），晶体结构为体心四方，具有铁磁性。（低铬），晶体结构为体心四方，具有铁磁性。特点特点：耐腐蚀性、高硬度、良好的力学性能。如外科和骨科的手术器械。耐腐蚀性、高硬度、良好的力学性能。如外科和骨科的手术器械。铁素体不锈钢：铁素体不锈钢：也称高铬不锈钢（含铬也称高铬不锈钢（含铬11-30%），体心立方，铁磁），体心立方，铁磁性。性。特点特点：硬度与强度稍低，且不能通过热处理强化，而且对晶间腐蚀较

27、硬度与强度稍低，且不能通过热处理强化，而且对晶间腐蚀较敏感，多用于医疗设备。敏感，多用于医疗设备。奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢：也称铬镍不锈钢，含铬也称铬镍不锈钢，含铬10-26%，含镍，含镍6-22% 。临床有两类：临床有两类：含铬含铬18%和镍和镍8%的的18-8铬镍不锈钢（含碳铬镍不锈钢（含碳0.2-0.3%）和低）和低碳碳316（碳（碳0.08%）及超低碳）及超低碳316L(碳碳0.03%)不锈钢。晶体结构为面心不锈钢。晶体结构为面心立方，无铁磁性。立方，无铁磁性。特点特点：不能通过热处理强化，但可采用冷加工来提高。良好的常温及不能通过热处理强化，但可采用冷加工来提高。良好的常温及低温塑

28、韧性、易成形性和耐腐蚀性。如口腔：低温塑韧性、易成形性和耐腐蚀性。如口腔：18-8铬镍不锈钢；外科种铬镍不锈钢；外科种植：植：316和和316L。51铁素体（体心立方）铁素体（体心立方） 奥氏体（面心立方）马氏体（体心四方）奥氏体（面心立方）马氏体（体心四方） 图图2-1 不锈钢的晶体结构不锈钢的晶体结构 2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述522.1 医用金属材料概述医用金属材料概述双相不锈钢：双相不锈钢：是指奥氏体和铁素体都独立存在而构成的不锈钢。是指奥氏体和铁素体都独立存在而构成的不锈钢。特点特点：兼有奥氏体和铁素体两种性能。由于其使用温度受限，很少应用。兼有奥氏体和铁素体两种性能。

29、由于其使用温度受限，很少应用。沉淀硬化不锈钢：沉淀硬化不锈钢：是一类含沉淀硬化元素，如是一类含沉淀硬化元素，如Cu、Al、Ti、的铁铬、的铁铬镍合金，通过热处理来强化的不锈钢。镍合金，通过热处理来强化的不锈钢。特点特点：其耐腐蚀性与钴基合金相当，力学性能良好，有替代钴基合金其耐腐蚀性与钴基合金相当，力学性能良好，有替代钴基合金制作人工关节等承载植入体的潜力。制作人工关节等承载植入体的潜力。532.1 医用金属材料概述医用金属材料概述（二）不锈钢性能及生物相容性（二）不锈钢性能及生物相容性 品种品种极限拉伸强度极限拉伸强度（MPa）屈服强度屈服强度（MPa）延伸率延伸率（%）洛氏硬度洛氏硬度（H

30、RB）18-8不锈钢不锈钢52539529.5131156316不锈钢不锈钢退火态5152054095冷加工86069012300350316L不锈钢不锈钢退火态5051954095冷加工86069012提高不锈钢性能提高不锈钢性能：通过热处理、冷加工等制造工艺和加工工艺来实施。通过热处理、冷加工等制造工艺和加工工艺来实施。不锈钢生物相容性不锈钢生物相容性：12%铬含量，铬含量，低碳含量低碳含量及加工技术来提高。及加工技术来提高。减少晶界碳化物的形成，而此正式植入体内后晶粒间腐蚀的多发部位。减少晶界碳化物的形成，而此正式植入体内后晶粒间腐蚀的多发部位。542.1 医用金属材料概述医用金属材料概

31、述（三）不锈钢的临床应用（三）不锈钢的临床应用 口腔医学的应用口腔医学的应用：铸造铸造18-8不锈钢具有良好抗腐蚀性、力学性能、延伸不锈钢具有良好抗腐蚀性、力学性能、延伸率、不易折断，硬度又适中，常用于口腔齿科正畸，如：固位用卡环等。率、不易折断，硬度又适中，常用于口腔齿科正畸，如：固位用卡环等。箭头卡环的制作过程箭头卡环的制作过程-552.1 医用金属材料概述医用金属材料概述562.1 医用金属材料概述医用金属材料概述骨科植入物的应用骨科植入物的应用：人工髋关节人工髋关节髋关节髋关节：人体最大、最稳定关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形成关节。人体最大、最稳定关节之一，由股骨头、髋臼和股骨颈形

32、成关节。 髋关节置换手术髋关节置换手术：用人造髋关节置换所有或部分髋关节以重建关节运用人造髋关节置换所有或部分髋关节以重建关节运动功能的一种修复手术。动功能的一种修复手术。 2010年年5月，刘欢结束了月，刘欢结束了在北京的右腿在北京的右腿“髋关节髋关节置换术置换术”的康复治疗，的康复治疗，正式出院回到家中静养。正式出院回到家中静养。572.1 医用金属材料概述医用金属材料概述金属金属-金属人工髋关节的历史：金属人工髋关节的历史：Wiles英国英国Philip Wiles金属金属-超高分子聚乙烯人工关节超高分子聚乙烯人工关节金属金属-金属人工髋关节广泛应用金属人工髋关节广泛应用另一种全髋关节另

33、一种全髋关节世界首例金属世界首例金属-金属人工髋关节置换术金属人工髋关节置换术1938 6 例手术例手术1958后后摩擦面经精心打磨，摩擦面经精心打磨，与关节精确配合。与关节精确配合。骨吸收和假体松动。骨吸收和假体松动。 8 例手术例手术60-7070后后设计问题，设计问题，失败率提高失败率提高。2000年后，由于松动性问题，一致认为应以组合式为宜。年后，由于松动性问题，一致认为应以组合式为宜。如：股骨头及臼杯如：股骨头及臼杯-钴铬钼合金；股骨柄钴铬钼合金；股骨柄-钛合金；髋臼外壳钛合金；髋臼外壳-不锈钢材料。不锈钢材料。582.1 医用金属材料概述医用金属材料概述钴基合金钴基合金以钴和铬为主

34、要成分的合金。最为常用两类：钴铬钼合金和以钴和铬为主要成分的合金。最为常用两类：钴铬钼合金和钴铬钼镍合金。钴铬钼镍合金。钴铬钼合金：钴铬钼合金： 为钴基奥氏体。含铬为钴基奥氏体。含铬30%，其，其耐腐蚀性为不锈钢的耐腐蚀性为不锈钢的40倍；倍；含钼含钼5-7%，提高其耐磨性，适于制造人工关节的金属间滑动，提高其耐磨性，适于制造人工关节的金属间滑动连接件。连接件。（一）钴基合金的种类及成分（一）钴基合金的种类及成分 592.1 医用金属材料概述医用金属材料概述美国材料试验协会列出四种钴基合金作为外科植入材料美国材料试验协会列出四种钴基合金作为外科植入材料： 可铸造钴铬钼（可铸造钴铬钼（Co-Cr

35、-Mo）合金（）合金（F75）；）； 可铸造钴镍铬钼（可铸造钴镍铬钼（Co-Ni-Cr-Mo）合金（）合金（F562）；）； 可锻造钴铬钨镍（可锻造钴铬钨镍（Co-Cr-W-Ni）合金（）合金（F90）；）； 可锻造钴镍铬钼钨铁（可锻造钴镍铬钼钨铁（ Co-Ni-Cr-Mo-W-Fe）合金（）合金（F563）。）。我国我国在对外科植入物的标准中对钴基合金的各种添加成分也在对外科植入物的标准中对钴基合金的各种添加成分也做了相应规定。做了相应规定。602.1 医用金属材料概述医用金属材料概述钴：钴：是人类营养的必需物质。主要由消化道和呼吸道吸收，正是人类营养的必需物质。主要由消化道和呼吸道吸收，正

36、常体内约含常体内约含1mg。生物学功能：生物学功能：促进肠胃内铁吸收、治疗贫血。钴中毒：甲状腺肿大、心肌病。促进肠胃内铁吸收、治疗贫血。钴中毒：甲状腺肿大、心肌病。（二）钴铬钼元素的生物学作用及生理功能（二）钴铬钼元素的生物学作用及生理功能 铬：铬：是人体必需微量元素。参与人体糖与脂肪代谢，正常体约是人体必需微量元素。参与人体糖与脂肪代谢，正常体约含含6mg。生物学功能：生物学功能：缺铬导致缺铬导致糖尿病、高脂血症、冠心病等；铬中毒糖尿病、高脂血症、冠心病等；铬中毒-皮炎肺炎胃炎等。皮炎肺炎胃炎等。钼：钼：人体必需微量元素，正常体内约含人体必需微量元素，正常体内约含9mg。主要分布在骨。主要分

37、布在骨骼、肾和肝中。骼、肾和肝中。生物学功能：生物学功能：参与一些酶的生物合成、保护人体心肌；钼中毒参与一些酶的生物合成、保护人体心肌；钼中毒贫血、白血病、贫血、白血病、软骨病、痛风等病例报道。软骨病、痛风等病例报道。612.1 医用金属材料概述医用金属材料概述性能：性能：取决于其微观结构，而加工工艺正是微观结构直接控制取决于其微观结构，而加工工艺正是微观结构直接控制且深受影响的重要因素。采用加工工艺与加工方法结合。且深受影响的重要因素。采用加工工艺与加工方法结合。 （三）钴基合金的性能与应用（三）钴基合金的性能与应用应用：应用：医疗中的常用材料，相对于不锈钢，更适合做体内承医疗中的常用材料，

38、相对于不锈钢，更适合做体内承载条件苛刻的长期植入品。载条件苛刻的长期植入品。622.1 医用金属材料概述医用金属材料概述特性特性铸造铸造Co-Cr-Mo（F75）锻造锻造Co-Ni-Cr-Mo（F562）固溶退火固溶退火冷加工时效冷加工时效极限拉伸强度极限拉伸强度（MPa）655793-10001790屈服强度屈服强度（MPa）450240-6551585延伸率（延伸率（%）8508截面收缩率截面收缩率（%）86535断裂强度断裂强度（MPa）310表表2-1 钴基合金的机械力学性能钴基合金的机械力学性能632.1 医用金属材料概述医用金属材料概述人工人工髋关节髋关节642.1 医用金属材料概

39、述医用金属材料概述钛和钛基合金钛和钛基合金钛和钛基合金的发展与冶金技术的逐步完善密不可分。钛和钛基合金的发展与冶金技术的逐步完善密不可分。 如：如：1951年年 将纯钛制成骨板和骨钉，植入到猫的股骨中。将纯钛制成骨板和骨钉，植入到猫的股骨中。具有良好生物相容性，且质量轻、密度小。但其力学性能较具有良好生物相容性，且质量轻、密度小。但其力学性能较差，继而开发了钛合金，成功用于临床，具有发展潜力的金差，继而开发了钛合金，成功用于临床，具有发展潜力的金属材料之一。属材料之一。652.1 医用金属材料概述医用金属材料概述（一）钛和钛基合金的种类和成分（一）钛和钛基合金的种类和成分元素元素IIIIIII

40、VTi-6Al-4V氮氮0.030.030.050.050.05碳碳0.100.100.100.100.08氢氢0.0150.0150.0150.0150.0125铁铁0.200.300.300.500.25氧氧0.180.250.350.400.13铝铝5.50-6.50钒钒3.50-4.50钛钛平衡平衡平衡平衡平衡平衡平衡平衡平衡平衡注：表中数值均为质量分数（注：表中数值均为质量分数（%），），I、II、III、IV分别表示一级、分别表示一级、二级、三级和四级。二级、三级和四级。表表2-2 美国认可的钛金属和钛合金化学成分组成美国认可的钛金属和钛合金化学成分组成662.1 医用金属材料概述

41、医用金属材料概述我国我国纯钛不含氮纯钛不含氮，但，但含镍、硅含镍、硅。杂质元素的含量过大会降低。杂质元素的含量过大会降低化合物的脆性。化合物的脆性。纯钛纯钛体心立方结构（体心立方结构（钛）钛）立方密排的立方密排的单相组织单相组织（ 钛）钛）相变温度相变温度882 oC铝：铝：提高相变温度，改善提高相变温度，改善高温抗氧化性与力学性；高温抗氧化性与力学性；钒钒：降低相变温度，增加：降低相变温度，增加钛合金的强度；钛合金的强度；提高强度和机提高强度和机械性能，良好械性能，良好抗腐蚀性能。抗腐蚀性能。67（二）钛和钛基合金的机械性能及临床应用（二）钛和钛基合金的机械性能及临床应用钛与钛基钛与钛基合金

42、合金硬度硬度抗张屈服强度抗张屈服强度（MPa）最终抗张强最终抗张强度（度（MPa）伸张率伸张率（%）疲劳强度疲劳强度（MPa）IRB708717024024124IIRB889227534520193IIIRB959938045018269IVRB232948555015338Ti6Al4V965103410620在抗张强度和疲劳强度方面，在抗张强度和疲劳强度方面，Ti-6Al-4V明显高于纯钛。明显高于纯钛。纯钛纯钛可制作骨头托架、口腔正畸、头盖骨和硬模、人工心脏、可制作骨头托架、口腔正畸、头盖骨和硬模、人工心脏、瓣膜和框架；瓣膜和框架；钛合金钛合金可制作骨折内固定器等可制作骨折内固定器等。

43、2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述68医用贵金属医用贵金属贵金属：贵金属：通常指金（通常指金（Au）、银（）、银（Ag）和铂族金属，如铂（）和铂族金属，如铂（Pt）、铑）、铑（Rh）、钯（）、钯（Pd）、铱（）、铱（Ir）、钌（）、钌（Ru）和锇（）和锇（Os）。）。医用贵金属医用贵金属：指常用于人体的金、银、铂及其合金。具有优异的物理、力学指常用于人体的金、银、铂及其合金。具有优异的物理、力学和化学性能，以及生物惰性和良好的生物相容性。和化学性能，以及生物惰性和良好的生物相容性。2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述69（一）金与金合金（一）金与金合金成分与性能：成分与性能：具有黄色

44、色泽，具有极高的抗腐蚀性，不与氧、具有黄色色泽，具有极高的抗腐蚀性，不与氧、酸和碱作用。纯金质软，有好的延伸性，用于牙齿的全包覆牙酸和碱作用。纯金质软，有好的延伸性，用于牙齿的全包覆牙套。由于不耐磨，其合金常用于口腔整牙修复，如金银铜合金套。由于不耐磨，其合金常用于口腔整牙修复，如金银铜合金为基础，附加钯、铂、锌而构成。为基础，附加钯、铂、锌而构成。临床应用：临床应用：铸造金合金是口腔医学中应用最早的生物材料。由铸造金合金是口腔医学中应用最早的生物材料。由于价格应用受限。于价格应用受限。2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述70（二）银与银合金（二）银与银合金铸造银基合金：铸造银基合金：纯银

45、具有许多特点和优点，但其耐硫化性能差，纯银具有许多特点和优点，但其耐硫化性能差，与硫变黑。常添加金、铂、钯和铱以强化银的固溶度。临床应与硫变黑。常添加金、铂、钯和铱以强化银的固溶度。临床应用如：冠桥修复体。用如：冠桥修复体。银汞合金：银汞合金：是一种历史悠久的牙科充填修复材料，也是合金材是一种历史悠久的牙科充填修复材料，也是合金材料。也称汞齐合金。临床主要用作窝洞的充填，尤其适用于后料。也称汞齐合金。临床主要用作窝洞的充填，尤其适用于后牙。但是注意其操作安全性及细胞毒性。牙。但是注意其操作安全性及细胞毒性。2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述71（三）铂与铂合金（三）铂与铂合金铂：铂：是一

46、种银白色金属，俗称白金。具有高熔点、高沸点和低是一种银白色金属，俗称白金。具有高熔点、高沸点和低蒸汽压的特点，其化学性能稳定，但用热硫酸或熔融苛性碱会蒸汽压的特点，其化学性能稳定，但用热硫酸或熔融苛性碱会产生较高的腐蚀。而且也不会被直接氧化，是金属中唯一能够产生较高的腐蚀。而且也不会被直接氧化，是金属中唯一能够抗氧化直至熔点的金属。抗氧化直至熔点的金属。铂合金：铂合金：常用的有铂金合金、铂银合金和铂铱合金等。临床有：常用的有铂金合金、铂银合金和铂铱合金等。临床有：微探针用于人体神经系统的各种植入型检测和修复用电子装置、微探针用于人体神经系统的各种植入型检测和修复用电子装置、心脏起搏器。贵而应用

47、受一定限。心脏起搏器。贵而应用受一定限。2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述72医用钽铌锆医用钽铌锆医用钽：医用钽：银灰色金属，熔点高达银灰色金属，熔点高达2950度；化学活性很高，其表度；化学活性很高，其表面极易形成稳定的纯化膜，具有极佳的抗生理腐蚀；具有优良面极易形成稳定的纯化膜，具有极佳的抗生理腐蚀；具有优良的生物学性能，具有诱导成骨性，抗血栓性能等。的生物学性能，具有诱导成骨性，抗血栓性能等。医用铌：医用铌：熔点高达熔点高达2467度；具有良好的化学活性和抗腐蚀性；度；具有良好的化学活性和抗腐蚀性；贵用而受限。贵用而受限。医用锆：医用锆：银色金属，熔点为银色金属，熔点为1952度；

48、具有较好的化学活性和抗度；具有较好的化学活性和抗腐蚀性；良好的延展性，优良的生物相容性，医学上与医用纯腐蚀性；良好的延展性，优良的生物相容性，医学上与医用纯钛等同使用，但贵而受限。钛等同使用，但贵而受限。2.1 医用金属材料概述医用金属材料概述732.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金形状记忆合金形状记忆合金定义：定义：指能经过一定塑性变形后在一定条件下自动恢复其原指能经过一定塑性变形后在一定条件下自动恢复其原始形状的合金材料，即在一定温度下，形状记忆合金内部的始形状的合金材料，即在一定温度下，形状记忆合金内部的微观结构会发生晶相转变，宏观上就表现为自身形状的改变。微观结构会发生晶相转变，宏

49、观上就表现为自身形状的改变。 (a) 原始形状原始形状 (b) 拉拉 直直 (c) 加热后恢复加热后恢复 74CuZnAl形状记忆合金化形状记忆合金化开放：开放：6585，闭合为室温。，闭合为室温。 Ni-Ti形状记忆合金钢圈形状记忆合金钢圈低温变形，体温自行恢复原形，低温变形，体温自行恢复原形， 2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金75 种类：种类：（1）镍钛形状记忆合金：）镍钛形状记忆合金：等原子比的金属间化合物；高塑性；等原子比的金属间化合物；高塑性；高机械性能（由于高机械性能（由于316L不锈钢）；耐磨性；耐腐蚀性；独特的形不锈钢）；耐磨性；耐腐蚀性；独特的形状记忆恢复温度（状记忆

50、恢复温度（362）。）。（2）铜基形状记忆合金：）铜基形状记忆合金： Cu-Zn-Al与与Cu-Al-Ni；具有形状记忆效应和伪弹性双相记忆。；具有形状记忆效应和伪弹性双相记忆。（3）铁基形状记忆合金）铁基形状记忆合金：Fe-Ni合金由面心立方晶体向密排六合金由面心立方晶体向密排六方晶体转变时，显示形状记忆效应；良好的方晶体转变时，显示形状记忆效应；良好的Fe-Mn-Si合金形状记合金形状记忆效益；价廉形变大。忆效益；价廉形变大。（4）磁性形状记忆合金：）磁性形状记忆合金：新型致动材料，是由磁诱导或磁控新型致动材料，是由磁诱导或磁控的形状记忆合金。如：的形状记忆合金。如：Fe-Co-Ni-Ti

51、、Ni2MnGa等。等。 2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金76镍钛合金加工与性能镍钛合金加工与性能（一）镍钛合金的制备与加工（一）镍钛合金的制备与加工制造过程：制造过程：冶炼、铸造成锭冶炼、铸造成锭-热加工和冷加工热加工和冷加工-机械加工机切机械加工机切割割-定型处理。定型处理。注意：注意：镍含量、锻造温度（镍含量、锻造温度（750-900 oC）等。）等。（二）镍钛合金的物理化学性能（二）镍钛合金的物理化学性能热性能、电性能、磁性能和阻尼特性、拉伸强度及抗疲劳强度；热性能、电性能、磁性能和阻尼特性、拉伸强度及抗疲劳强度；抗氧化性能和耐腐蚀性能。抗氧化性能和耐腐蚀性能。2.2 镍钛形状

52、记忆合金镍钛形状记忆合金77镍钛记忆合金的生物学研究镍钛记忆合金的生物学研究2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金78镍钛记忆合金的临床应用镍钛记忆合金的临床应用（a）原始形状）原始形状 （b）折成球形装入登月舱）折成球形装入登月舱 （c）太阳能加热后）太阳能加热后 图：图：1969年阿波罗年阿波罗1号登月舱上使用的形状记忆合金天线号登月舱上使用的形状记忆合金天线 （a）预压缩）预压缩 （b）受热扩张后）受热扩张后 （c）植入腔道内后）植入腔道内后 图：医用腔内支架的应用原理示意图图：医用腔内支架的应用原理示意图 2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金79（a）消化道内支架）消化道内支架

53、（b）血管内支架）血管内支架 （c）胆道内支架）胆道内支架2.2 镍钛形状记忆合金镍钛形状记忆合金802.3 金属腐蚀和无菌性松动金属腐蚀和无菌性松动金属材料在人体临床医用后的两大问题：金属材料在人体临床医用后的两大问题：金属植入材料腐蚀金属植入材料腐蚀-产生金属颗粒和金属离子产生金属颗粒和金属离子无菌性松动无菌性松动-导致金属植入物失效或失败导致金属植入物失效或失败国际癌症研究会将金属合金腐蚀产物致突变性及致癌国际癌症研究会将金属合金腐蚀产物致突变性及致癌性分两类：性分两类：已证明有致癌已证明有致癌-镍的衍生物；铬（镍的衍生物；铬（Cr6+）、镉及其衍生物）、镉及其衍生物可能致癌可能致癌-镍

54、、钴镍、钴不致癌但有致突变不致癌但有致突变-锡、铜和铁。锡、铜和铁。81金属腐蚀金属腐蚀（一）生理腐蚀（一）生理腐蚀：定义：定义：指金属材料进入人体后由人体环境对金属材料产生指金属材料进入人体后由人体环境对金属材料产生的腐蚀。的腐蚀。体液构成的电解质系统，且植入金属在体内不同体液构成的电解质系统，且植入金属在体内不同pH条件下条件下显示出不同的耐腐蚀性。显示出不同的耐腐蚀性。如：正常体液如：正常体液 pH=7.4； 受伤时受伤时 pH=3.5； 感染时感染时 pH=9.0 胃部胃部 pH很低；很低； 肠内肠内 pH很高；很高； 2.3 金属腐蚀和无菌性松动金属腐蚀和无菌性松动82（二）生理腐蚀

55、的种类：（二）生理腐蚀的种类： 全面腐蚀（均匀腐蚀）、全面腐蚀（均匀腐蚀）、局部腐蚀局部腐蚀、磨损腐蚀、应力腐、磨损腐蚀、应力腐蚀、选择性腐蚀与腐蚀疲劳。蚀、选择性腐蚀与腐蚀疲劳。（三）表面改性：（三）表面改性： 通过表面改性，如在骨科临床上，常用的是羟基磷灰石通过表面改性，如在骨科临床上，常用的是羟基磷灰石（HAP）涂层钛合金，进一步改善其耐腐蚀性、耐磨性及）涂层钛合金，进一步改善其耐腐蚀性、耐磨性及生物相容性。生物相容性。2.3 金属腐蚀和无菌性松动金属腐蚀和无菌性松动83无菌性松动无菌性松动定义：定义：指当假体固定界面承受的载荷超过其界面结合强度，即指当假体固定界面承受的载荷超过其界面结

56、合强度，即可引起假体松动，是常见的临床应用后的并发症。可引起假体松动，是常见的临床应用后的并发症。近期松动（近期松动（5年内）年内）-感染感染中期松动（中期松动（5-10年）年）-大多与外科技术有关大多与外科技术有关远期松动（远期松动（10年后）：年后）： 生物力学因素生物力学因素-界面应力、界面结合强度及应力遮挡；界面应力、界面结合强度及应力遮挡； 生物性因素生物性因素-磨损颗粒的产生和扩散、界面纤维膜组织学等；磨损颗粒的产生和扩散、界面纤维膜组织学等； 生理性因素生理性因素-骨结构本身的衰变。骨结构本身的衰变。 2.3 金属腐蚀和无菌性松动金属腐蚀和无菌性松动84& 第第1章章 绪

57、论绪论& 第第2章章 生物医用金属材料生物医用金属材料& 第第3章章 生物医用无机材料生物医用无机材料& 第第4章章 生物医用高分子材料生物医用高分子材料& 第第5章章 生物医用复合材料生物医用复合材料& 第第6章章 生物医用材料相关技术生物医用材料相关技术& 第第7章章 生物医用材料在临床上的实例生物医用材料在临床上的实例 课程大纲课程大纲85生物医用无机材料生物医用无机材料按成分和性质按成分和性质骨水泥骨水泥生物陶瓷生物陶瓷生物玻璃生物玻璃天然生物矿物天然生物矿物合成生物医用材料合成生物医用材料生物衍生材料生物衍生材料按来源按来源按临床用途按

58、临床用途肌肉肌肉- -骨骼系统骨骼系统口腔科用口腔科用按生物环境中按生物环境中发生的生物化发生的生物化学反应水平学反应水平生物惰性生物惰性生物活性生物活性生物可降解性生物可降解性86生物医用无机材料生物医用无机材料v 3.1 骨水泥骨水泥v 3.2 生物陶瓷生物陶瓷v 3.3 生物玻璃生物玻璃873.1 骨水泥骨水泥甲基丙烯酸甲酯甲基丙烯酸甲酯（PMMA）磷酸钙骨水泥磷酸钙骨水泥（CPC）磷酸镁水泥磷酸镁水泥（MPC）Poly methyl methacrylate (PMMA)Calcium phosphate cement (CPC)Magnesium phosphate cement (

59、MPC)骨水泥骨水泥-作为人工合成替代材料中的重要组成分，在硬组织缺损修复和固作为人工合成替代材料中的重要组成分，在硬组织缺损修复和固定移植体过程中起着不可低估的地位。定移植体过程中起着不可低估的地位。Problelms:5-10年松动率高年松动率高达达24-30%，与人，与人体骨形成非骨性体骨形成非骨性结合；结合；生物相容性差；生物相容性差；单体的毒性；单体的毒性；过敏致肿瘤等过敏致肿瘤等最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤最近，将具有生物活性的无机颗粒或纤维增强的高分子骨黏合剂加入维增强的高分子骨黏合剂加入PMMA提提高其生物相容性。高其生物相容性。883.1 骨水泥骨水泥 骨骨-是由坚硬的

60、矿物质是由坚硬的矿物质（羟基磷灰羟基磷灰石石结晶结晶 ，即磷酸钙和氢氧化钙的复合，即磷酸钙和氢氧化钙的复合物）和骨胶的有机质结合而构成。物）和骨胶的有机质结合而构成。羟基磷灰石羟基磷灰石具有良好的生物相容性、骨传具有良好的生物相容性、骨传导性与骨诱导性导性与骨诱导性,因此被广泛应用于人工骨的制造因此被广泛应用于人工骨的制造。 一、自固化磷酸钙骨水泥一、自固化磷酸钙骨水泥 海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，海珊瑚具有与人骨相类似的孔隙结构，可以作为骨植入材料，但质地脆、吸收快，可以作为骨植入材料，但质地脆、吸收快，只具支架和骨引导，无骨诱导能力。只具支架和骨引导，无骨诱导能力。由仿生思想的启示，由仿生思想的启示，1986年，美国齿科协会科年，美国齿科协会科学家学家L. C. Chow 和和W.